A bütykös tengelytől a processzoros automatizálási platformokig II.
2005/11. lapszám | netadmin | 3303 |
Figylem! Ez a cikk 20 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A bütykös tengelytől a processzoros automatizálási platformokig II. A PLC-k felépítésének alapjai A PLC-k ipari környezetben, ipari jelekkel dolgoznak. A végálláskapcsolók, a szintérzékelők, az inkrementális jeladók, a látórendszerek, azaz a külö...
A PLC-k felépítésének alapjai
A PLC-k ipari környezetben, ipari jelekkel dolgoznak. A végálláskapcsolók, a
szintérzékelők, az inkrementális jeladók, a látórendszerek, azaz a különféle
szenzorok szolgáltatják a technológiáról az ipari bemeneti jeleket. A technológia
irányába az indító jeleket, a sebesség-alapjeleket, engedélyezéseket, visszajelzéseket,
tehát a kimeneti jeleket a PLC állítja elő.
Villamos jelek
Az ipari jelek és jelszintek jól meghatározott feszültségszintek, illetve áramértékek.
Ezek a jelek az egész világon kisebb eltérésékkel egységesnek tekinthetők.
Ily módon a PLC-k az egész világon univerzálisan alkalmazhatók. Az iparban
használt villamos technológiai jelek lehetnek digitálisak, analóg- és frekvenciajelek.
Kétállapotú jelek
A digitális, azaz kétállapotú vagy diszkrét jelek leggyakrabban kapcsolóktól,
nyomógomboktól érkező nyitó vagy záró kontaktusok. Az esetek túlnyomó többségében
ezek a jelek 0-24 V egyenfeszültséget szolgáltatnak, amely vagy 0 V vagy
24 V. Ezen túlmenően használatosak még a 115/240 V váltófeszültséggel működő
digitális jelek is. Mivel egy kontaktus vagy nyitott, vagy zárt állapotú,
ezért ezekhez az állapotokhoz a logikai 1 és a logikai 0 jelet rendeljük.
Amennyiben pozitív logikát használunk, azaz alapesetben a kontaktus nyitott
(NO - Normally Open) a 0 V-hoz a logikai 0 érték, míg a zárt kontaktushoz
a 24 V tartozik, amelyet a logikai 1 értékkel jelölünk. Ellenkező esetben,
negatív logika használatakor, amikor alapesetben a kontaktus zárt (NC - Normally
Close) a 24 V egyenfeszültséghez értjük a logikai 0 állapotot, míg értelemszerűen
a 0 V jelenti a logikai 1 állapotot.
Digitális bemenetre jó példa lehet egy villanykapcsoló, amelynek bekapcsolt
állapota 1, kikapcsolt állapota 0. Digitális kimenet például egy lámpa, amelynek
bekapcsolt állapota 1, kikapcsolt állapota 0.
Analóg jelek
Az analóg jelek nem ábrázolhatók 0 vagy 1 logikai értékkel. Az analóg jelek
időben folytonosak, és különböző értékeket vesznek fel. Korábbi cikkünkben
megemlítettük, hogy az analóg jeleket a PLC számára feldolgozhatóvá kell
tenni, azaz digitalizálni kell. A digitalizálás időbeli mintavételezést és
kvantálást jelent. A mintavételezés és kvantálás szabályaival, különböző
szűrők használatával, méretezésével, matematikai leírásukkal és függvényeivel
külön tudományág foglalkozik, hiszen nagyon fontos, hogy a megmért jel valósághű
legyen, és a számunkra fontos jellemzőit mérjük meg. Az analóg jelek időbeli
mintavételezése adja meg, hogy milyen gyakran mérjük meg a jel pillanatnyi
értékét, és ez jellemzően néhány tized millimásodperc nagyságrendű. A kvantálás
a megmért pillanatnyi érték abszolút értékét adja meg, ez általában 0-255,
0-1024, 0-4095 vagy 0-65535 decimális értéket jelent. Ezek az értékek az
analóg-digitális jelátalakítótól függenek. A jelátalakítók tipikusan rendre
8, 10, 12 vagy 16 bitesek.
Az iparban használt analóg jelértékek tipikusan 0-10 V egyenfeszültség, 4-20
mA vagy 0-20 mA egyenáram, ritkábban -10...0...10 V egyenfeszültség. Az analóg
szenzorok jeleit ezekre a jelszintekre a távadók illesztik értékben és impedanciában.
Minél pontosabban kell egy analóg jelet megmérni, annál nagyobb felbontású,
azaz kvantálási bitszámú analóg-digitális jelátalakítóval rendelkező PLC-re
vagy PLC modulra van szükség (1. táblázat). A nagyobb felbontású analóg modulok
általában nagyobb konverziós idővel rendelkeznek. Amikor a technológiát automatizáljuk,
a működési környezet ismeretén kívül nagyon fontos még a megfelelő felbontású
és sebességű modul kiválasztása. Zajos környezetben, ahol a távadóból érkező
jel nem elég stabil, nagy felbontású kártyával hamis jelértékeket is mérhetünk.
Ez kihathat a teljes szabályzásra is. Például egy 8 bites analóg kártya a 40
mV alatti ingadozásokra érzéketlen, amíg egy 16 bites kártya 40 mV-os tartományban
megközelítőleg 260 különböző értéket különböztet meg.
A 4-20 mA tartományba eső analóg jelek egyedülálló lehetőséget biztosítanak
a kábelszakadások, a hibás szenzorok vagy távadók detektálására. Ugyanis az
analóg modul a 4 mA fizikai értékhez rendeli a 0 értéket, és a 20 mA-hez a
legmagasabb értéket (255 - 8 bit, 1023 - 10 bit, 4095 - 12 bit, 65535 - 16
bit esetén), felbontástól függően. Kábelszakadás esetén, mikor megszűnik az
áram, a fizikailag mért érték 4 mA alá, általában 0 értékre esik, ez egyértelműen
hibás szenzorjelet jelent. Ha tehát a PLC-ben nem jelenik meg a mért érték,
de egyéb úton tapasztalható vagy mérhető, akkor érdemes a kábelezést, illetve
a szenzort vagy a távadót megvizsgálni, esetleg a távadó segéd-tápfeszültségét
ellenőrizni.
-10...0...10 V egyenfeszültség-jelek mérésekor az első bitet előjel
bitként használjuk. Ilyenkor az értékek 8 bites felbontás esetén -64...0...63
decimális értékek között mozognak.
Analóg bementre jó példa egy hőmérő, melyből a hőmérsékletadatokat kapjuk,
a mérés pontossága felbontásfüggő (8, 10, 12… bites). Ez a felbontás azt
jelenti, hogy 2n hatványa a felbontás, vagyis a 8 bites felbontás: 28= 256,
a 10 bites: 1024 stb. Ez azt jelenti, ha a hőmérőnk 0-100 0C-ig mér, akkor
ezt a felbontás függvényében egyenlő részekre bonthatjuk: 8 bites felbontásnál
256, 10 bites felbontásnál 1024 egyenlő részre osztjuk. Ily módon 8 bites
felbontásnál 0,4 0C pontosság, míg 10 bites felbontásnál 0,1 0C pontosság
érhető el. A mért tényleges fizikai értéket egy matematikai függvény hozzárendelésével
kapjuk.
A bütykös tengelytől a processzoros automatizálási platformokig II.
A frekvenciajelek jellemzője nem az állapotuk, nem is az értékük, hanem az
időbeli gyakoriságuk. Ezek a jelek általában négyszögjelek, amelyek 0-5 V
egyenfeszültség között váltakozva szolgáltatnak 0 és logikai 1-es értéket.
Ezen jelek mérendő jellemzője a frekvenciájuk, azaz egy másodperc alatti
változási gyakoriságuk. A PLC-k általában kHz nagyságrendű jelváltozási sebességet
képesek mérni. Számos esetben azonban nagyobb frekvenciák mérését is meg
kell oldani, ez már különálló kártyát igényel. Az ilyen kártyákat gyorsszámláló
moduloknak hívjuk, amelyek akár a MHz-es tartományban is képesek működni.
Frekvenciajeleket inkrementális jeladók, induktív közelítésérzékelők szolgáltatnak.
Például ha egy 8 bites inkrementális forgó jeladó, amely egy szállítószalag
tengelyéhez csatlakozik, másodpercenként 2560 impulzusjelet ad, akkor a tengely
600 1/perc fordulatszámmal forog. A jeladó egy körbefordulásra 256 impulzust
ad, azaz a tengely egy másodperc alatt tízszer fordul körbe, tehát egy perc
alatt 600-szor. Ebben a példában másodpercenként 2560 négyszögjelet kell megszámolni,
ami megközelítőleg 2,6 kHz-es frekvenciajelet jelent.
A PLC-k kimeneti jelei megegyeznek a bementi villamos jelekkel, azaz digitális záró vagy nyitó érintkezőt, analóg értéket, vagyis 0-10 V, vagy 4-20 mA (0-20 mA), illetve impulzusszélesség modulált (ISZM, vagy PWM - Pulse Width Modulation) jelet képeznek. A PLC-k működésükből eredendően ezen bemeneti jelek és a technológiát vezérlő kimeneti jelek között teremtenek kapcsolatot. A kimeneti jeleket a bemeneti jelek és a belső állapotuk alapján állítják elő. A belső állapotuk függhet előző bemeneti vagy kimeneti állapotoktól, előre beállított értékektől, belső relétől (merker), valós időtől, dátumtól, időzítőktől, számláló értékektől, reteszfeltételektől, speciális folyamatot lekezelő (megszakítás) programrész eredményétől stb.
PLC-k fizikai alkotóelemei
Mivel a PLC-k ipari, technológiai jelekkel dolgoznak, kialakításuk is ennek
megfelelő. A PLC-k fő logikai részei; tápegység, bemenetek, kimenetek (I/O-k),
központi egység (CPU), memória, kommunikáció, programozó port, visszajelző
LED-ek (1. ábra).
Tápegység
A PLC számára biztosítja a tápellátást. A processzor a "hátlapi buszrendszer",
az I/O- felületek, és esetlegesen az ipari kommunikáció számára biztosítja
a tápellátást. A klasszikus, keretes kivitelű PLC-kben a tápegység helye kötött
a kereten belül. A nem hátlapos, illetve nem keretes felépítésű PLC-k esetében
a tápegységet és a PLC-t kábellel lehet összekötni. Ezek a külső tápegységek
alkalmasak a fizikai I/O felületeken elhelyezett érzékelők, beavatkozók tápellátására,
valamint a terepi buszok tápellátására. A tápegységek kiválasztása egyszerű
feladat: minden PLC-kártya teljesítményfelvételét megtaláljuk a katalógusokban.
Ezek összege adja a PLC teljesítményszintjét. Ha a terepi eszközöket (érzékelők,
beavatkozók) is erről az eszközről szeretnénk megtáplálni, akkor ezek teljesítményigényét
is összegezzük a katalógusadatok alapján. Érdemes a méretezés során legalább
10% tartalékot képezni (2. ábra).
Fizikai I/O felületek
Az I/O szó az angol Input (bemenet) és Output (kimenet) szavakból származik.
A technológiával való kapcsolattartást az I/O felületek biztosítják, ezen keresztül
lehet információkat kapni a technológiákról, és a beavatkozást biztosítani.
A fizikai I/O felületeken valósulnak meg az alapvető digitális (kétállapotú)
és analóg be- és kimenti pontok. Ezeken kívül beszélhetünk még speciális I/O
felületekről is (számlálók, hőmérsékletmérő bemenetek stb.).
A fizikai I/O felületeket a PLC belső részétől le kell választani. Ennek számos
oka lehet. Rendkívül fontos, hogy a technológiában keletkező zavarok, túlfeszültségek,
zárlatok ne tehessenek kárt a PLC memóriájában, központi egységében (CPU),
illetve ne tudjanak továbbterjedni más szenzorokra, beavatkozókra sem. A PLC-k
be- és kimeneteit galvanikusan leválasztják 1,5-2 kV átütési szilárdságú szigeteléssel.
A bemenetek esetében ez általában optikai leválasztást jelent (optocsatolók).
Az optikai csatolók közös pontját általában csoportonként kivezetik. A kivezetett
közös pontokat vagy a 24 V egyenfeszültségre, vagy a 0 V-ra kapcsolják, ily
módon alakíthatók ki az NPN és PNP logikák. A bemeneti pontokra általában feszültségmentes
kontaktusok csatlakoznak, amelyek tápellátását külső tápegységgel vagy a PLC
saját tápegységével oldhatjuk meg. Általában javasolt a külső, a PLC saját
tápegységétől független áramforrás használata (3. ábra).
A kimenetekkel szemben támasztott legfőbb elvárások a kapcsolási szám, a kapcsolási
sebesség és a kapcsolt teljesítmény. Ennek megfelelően a kétállapotú kimenetek
lehetnek tranzisztorosak, relések, szilárdtest-relések vagy triakosak. A tranzisztoros
kimenetek elméletileg végtelen számú kapcsolásra képesek, a megadott paraméterek
között. Kapcsolási sebességük elérheti a kHz-es tartományt is, viszont általában
100 mA-rel terhelhetők. Továbbá ügyelni kell a terhelés jellegére is, mivel
a tranzisztorok érzékenyek az induktív terhelésekre, ezért a tranzisztoros
kimeneteket védeni kell (4. ábra)!
A terhelhetőség-növelés érdekében, gyártótól függően, lehetőség nyílik több
tranzisztoros kimenet összekötésére, ilyen esetekben azonban a PLC- programban
nagy figyelmet kell fordítani az összekötött kimenetek kezelésére. A tranzisztoros
kimenetek gyakran használatosak lámpák, szelepek, kontaktorok meghajtásához,
ilyenkor számos esetben igényelhetnek relés külső leválasztást. A relés kimenetek
kiváló galvanikus leválasztást valósítanak meg, nagymértékben terhelhetőek,
általában kimeneti pontonként 1-2 A-rel, a csoportok közös pontjain akár 8
A-rel is. A kimeneti pontok csoportokba rendezésével elérhető, hogy a különböző
csoportok más-más feszültségszinten működjenek - ennek ellenére javasolt a
relés kimenetek védelme is. Ezenkívül érzéketlenek az induktív terhelésekre.
A mozgó alkatrészek következtében a kapcsolási élettartalmuk rövidebb, és sebességük
a másodpercenkénti 5-10 kapcsolást nem haladja meg (5. ábra).
Relés kimenetekkel nem nagy kapcsolás-igényű, általában váltóáramú rendszerek
közvetlen meghajtását valósítjuk meg.
A szilárdtest-relés (Solid State Relay) vagy triakos kimenetek ötvözik a tranzisztoros
és relés kimenetek előnyeit. Elméletileg korlátlan a kapcsolási élettartalmuk,
viszonylag nagy sebességgel képesek nagy áramok kapcsolására, mindemellett
kevéssé érzékenyek az induktív terhelésekre. Hátrányuk a viszonylagosan nagy
fizikai méret és az árfekvésük (6. ábra). Szilárd test relés tipikus alkalmazás
az ISZM (PWM) jellel történő fűtésszabályzás.
Elosztott I/O felületek
Funkciójukat tekintve megegyeznek a fizikai és a speciális I/O-felületekkel,
abban viszont eltérnek, hogy fizikailag nem a processzor mellett, hanem attól
messzebb, akár több 100 méteres távolságban helyezkednek el, ipari kommunikációs
hálózaton keresztül. Ezenkívül léteznek a kihelyezett sorkapcsok, amelyek
a PLC I/O-kártyáihoz - egy kábelen keresztül - közvetlenül csatlakoznak,
de akár több 10 méter távolságban is lehetnek a PLC I/O-kártyájától.
Speciális I/O-felületek
Lehetnek fizikai és elosztott I/O-pontok is. Speciális I/O-knak általánosan
a nem digitális be- és kimeneteket nevezzük, vagy másként fogalmazva: az
egyedi intelligenciával ellátott modulokat. Ide tartoznak az analóg kártyák,
a hőelem- vagy PT100 hőmérsékletszenzorokat közvetlenül fogadni képes kártyák,
a gyorsszámláló modulok, szervohajtásokat szinkronizáló pozicionáló kártyák,
kommunikációs modulok, biztonsági modulok stb. A speciális I/O-modulokra
a későbbi cikkekben még visszatérünk (7. ábra).
Processzor
Ez a PLC motorja, központi egysége. A PLC-kben használatos processzorok alapvetően
két csoportba sorolhatóak. Az első a gyors, nagy megbízhatóságú, de csökkentett
utasításkészletű, vagyis RISC (Reduced Instruction Set Computer) processzorok,
amelyekben a vezérlést direkt áramköri elemek valósítják meg. A másik csoport
a lassabb, de rugalmas, számítógépekben is használatos teljes utasításkészletű
CISC (Complex Instruction Set Computer) központi egységek, amelyek mikroprogramozottak,
azaz a vezérlést mikroprogram látja el. A processzor vagy CPU futatja a vezérlőprogramot,
kezeli az I/O-felületeket, a kommunikációs felületeket, adatokat szolgáltat
ipari és standard kommunikációs felületeken keresztül. A processzorokhoz
csatlakozik vagy manapság már a CPU része a memória, ettől függ, hogy mekkora
rendszerek építhetők ki belőlük, hány I/O-pont kezelésére alkalmasak, mennyi
funkció megvalósítására képesek. A modern processzorok memóriája bővíthető,
így nehéz határt szabni a megvalósítandó feladatoknak. A proceszszorok másik
fontos ismérve, a bennük futó operációs rendszer, amelyet ebben a környezetben
firmware-nek (ejtsd: förmver) nevezünk. A firmware határozza meg, hogy a
PLC milyen funkciókat képes megvalósítani, és hogy milyen módon programozható:
LD (Ladder) létra nyelven, gépikód (Assembly), Grafcet/SFC (seqential function
chart) folyamatábra, FBD (Function Block Diagram) funkcióblokk diagramm,
ST (Structured text) strukturált szöveg. A fejlett PLC-kben a firmware cserélhető,
ily módon újabb funkciók vagy programozási utasítások megjelenésekor nem
szükséges a PLC rendszer cseréje (8. ábra).
Kommunikáció
A modern technológiákban egyre nagyobb jelentősége van az eszközök közti információcserének.
A komplex technológiák vezérlését nagyobb megbízhatósággal és költséghatékonyabb
módon valósíthatjuk meg egy központi vezérlőn keresztül. Az egyre intelligensebbé
váló automatizálási eszközök - frekvenciaváltók, hajtások, megjelenítők,
elosztott I/O-k - és a speciális eszközök - rádiófrekvenciás azonosítás (RFID),
gépi látórendszerek - közötti adatcsere felgyorsul, így egy időben több ilyen
eszköz vezérlése is megoldható. Az ipari kommunikációban alkalmazott buszrendszerekkel,
topológiákkal és protokollokkal későbbi cikkünkben foglakozunk (9. ábra).
Programozó port
A PC csatlakoztatását biztosítja. A két eszköz között lehet közvetlen, "pont-pont"
(RS-232C) kapcsolat, illetve lehet ipari kommunikációs felületen keresztül
is (általában RS-485). Utóbbi esetben több hardver programozására is lehetőség
nyílik a hálózaton keresztül (Multi-point, Multi-drop). A programozás, a
firmware-csere és a PLC-hez való kapcsolódás úgynevezett protokollon keresztül
történik, a protokollokat és az ipari kommunikációs hálózatokat egy későbbi
cikkünkben tárgyaljuk.
Visszajelző LED-ek
A PLC-k döntő többségén megtalálhatók alapfunkciójú visszajelző LED-ek. Ezek
a futás (RUN), hiba (ERR) és a kommunikáció (COM). A futás jelzi, hogy a
PLC jelenleg futtatja a vezérlő, vagy más néven felhasználói programot. A
hiba-LED valamilyen hibát jelez, amelyet a PLC detektált. Ez nem technológiai
hiba, általában programfuttatási hibát jelez, vagy valaminek a hiányát, amely
nélkül a felhasználói program veszélynek van kitéve (például: lemerült akkumulátor,
vagy program biztonságikód-hiba). Ezekre az eseményekre a legtöbb PLC reakciója
programozható, azaz különböző hibák észlelését figyelmen kívül is hagyathatjuk
a PLC-vel, de le is állíthatjuk a teljes működést. A kommunikációs visszajelző
általában a programozó porton történő adatforgalmat jelzi. Ezenkívül a gyártótól
függően számos egyéb LED is megtalálható a PLC-k központi egységén (akkumulátor-hiba
- BAT, bővítőmemória hiba - MEM). Továbbá a digitális be- és kimeneteket
is ellátják apró LED-ekkel, amelyek segítenek ránézésre eldönteni, hogy a
szenzorjel megjelent a PLC bemenetén, illetve a PLC előállította a beavatko-
zó jelet is.
A következő cikkünkben a PLC fizikai kialakításához szorosan kapcsolódó belső
működésüket mutatjuk be.
Papp Géza, Nagylaki Csaba
