Εισαγωγή στα PLC PLC = Programmable Logic Controller: Προγραμματιζόμενος Λογικός Ελεγκτής Ελεγκτής --> ελέγχει τις εξόδους Λογικός --> χρησιμοποιεί Ψηφιακή Λογική δηλαδή πράξεις ανάμεσα στα ψηφία 0 και 1 Προγραμματιζόμενος --> προγραμματίζεται ώστε να ελέγχει τις εξόδους με βάση τις εξόδους Γιατί το PLC χρησιμοποιεί την ψηφιακή Λογική (0 και 1); Συμβατότητα με ηλεκτρολογικά κυκλώματα: Στην πράξη, ένας διακόπτης, ένας αισθητήρας ή μια λάμπα δουλεύουν με καταστάσεις ανοιχτό/κλειστό, αναμμένο/σβηστό. Το PLC «μεταφράζει» αυτές τις καταστάσεις σε 0 και 1. Δηλαδή όσο πολύπλοκος και αν είναι ένας αυτοματισμός, στην πραγματικότητα μας ενδιαφέρουν οι εξής καταστάσεις: α) Για τις εισόδους αν δινουν εντολή ή όχι, κάτι που εκφράζεται ως 1 ή 0 αντίστοιχα β) Για τις εξόδους αν ενεργοποιούνται ή όχι κάτι που εκφράζεται ως 1 ή 0 αντίστοιχα Άρα η δυαδική ψηφιακή άλγεβρα μπορεί να στηρίξει αυτή την λογική Επίσης η ψηφιακή Λογική παρέχει: Αξιοπιστία & Σαφήνεια: Το 0 και το 1 αντιστοιχούν σε καταστάσεις ON/OFF, TRUE/FALSE, ενεργό/ανενεργό. Δεν αφήνουν περιθώρια αμφιβολίας, κάτι κρίσιμο για αυτοματισμούς που πρέπει να είναι απόλυτα ασφαλείς. Αντοχή σε θόρυβο: Στα βιομηχανικά περιβάλλοντα υπάρχουν παρεμβολές και θόρυβος. Τα ψηφιακά σήματα (0 ή 1) αναγνωρίζονται εύκολα και δεν αλλοιώνονται τόσο εύκολα όσο τα αναλογικά. Απλοποίηση προγραμματισμού: Οι περισσότερες λογικές εντολές (ΚΑΙ, Ή, ΟΧΙ) δουλεύουν με δυαδική λογική. Έτσι, τα προγράμματα γίνονται πιο εύκολα και ξεκάθαρα. Πού χρησιμοποιούνται τα PLC; • Βιομηχανία (γραμμές παραγωγής, μηχανές). • Κτίρια (φωτισμός, ανελκυστήρες, θέρμανση). • Κυκλοφορία (φωτεινοί σηματοδότες). • Αγροτικές εφαρμογές (άρδευση). Προβληματική Ερώτηση (Ερώτηση Οδηγός): Για ποιο λόγο να επιλέξουμε τα PLC αντί για τον κλασσικό αυτοματισμό; Στις βιομηχανίες χρησιμοποιούνται εξολοκλήρου. Συγκρίνετε τους ακόλουθους πίνακες αυτοματισμού: ο ένας περιλαμβάνει υλικά κλασσικού αυτοματισμού ενώ ο άλλος PLC. Τι παρατηρείτε; ΓΕΝΙΚΑ Από τη δεκαετία 1960 - 1970 ο λογικός έλεγχος των συσκευών γινόταν µέσω διακοπτών, ρελέ και άλλων στοιχείων. Παράδειγµα: η εκκίνηση κινητήρα Ο συγκεκριμένος τρόπος ελέγχου αναπτύχθηκε σε τέτοιο βαθμό που αποτέλεσε αναπόσπαστο κομμάτι κάθε μορφής βιομηχανίας. Βασίστηκε στα συστήματα συρματωμένης λογικής - συρμάτωση αvάμεσα στα διάφορα στοιχεία (π.χ. επαφές, ρελαί, χρονικά, πύλες). Επομένως για vα κατασκευαστεί ένας πίνακας αυτοματισμού έπρεπε πρώτα vα έχει oλoκληρωθεί η μελέτη - δηλαδή το σχέδιο συνδεσμολογίας. Τι συνέπεια θα είχε κάποια τροποποίηση στον αυτοματισμό σχετικά με την καλωδίωση; Προφανώς οποιαδήποτε τροποποίηση στον αυτοματισμό συνεπάγεται αλλαγή στη συρμάτωση - δηλ. τροποποίηση τoυ πίνακα - με αποτέλεσμα vα δημιουργούνται πολλά προβλήματα – κόστος, χώρος για προσθήκη νέου υλικού κ.λ.π. Πως αντιμετωπίσαμε αυτό το πρόβλημα; Για vα ξεπεράσουμε όλα αυτά τα προβλήματα - πoυ εντεινόταν συνεχώς αφού oι απαιτούμενοι αυτοματισμοί γινόντουσαν όλο και πιο σύνθετοι - προχωρήσαμε σε αυτοματισμούς με εντελώς διαφορετική λογική. Περνώντας πρώτα από αυτοματισμούς με ηλεκτρονικά κυκλώματα - με χρήση τρανζίστορ, διόδων, πυλών, κ.λ.π. πoυ έλυσαv βέβαια κάποια προβλήματα - και με δεδομένη τη συνεχώς αυξανόμενη χρήση τωv Η/Υ - άρα και τηv ελάττωση τoυ κόστους τους πoυ αρχικά ήταv εξαιρετικά υψηλό - φθάσαμε στους αυτοματισμούς με βάση τηv προγραμματιζόμενη λογική. Σήμερα, τα συστήματα προγραμματιζόμενης λογικής, με κύριους εκπροσώπους στη βιομηχανία τους Προγραμματιζόμενους Λογικούς Ελεγκτές (PLC), τείνουν να εκτοπίσουν τελείως τα παλαιότερα συστήματα του κλασσικού Αυτοματισμού. ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΟ PLC Ψηφιακή ηλεκτρονική συσκευή που χρησιμοποιεί μια προγραμματιζόμενη μνήμη για την αποθήκευση οδηγιών και ειδικών λειτουργιών ώστε να ελέγξει τις μηχανές. Στα συστήματα προγραμματιζόμενης λογικής όλα τα στοιχεία τα οποία δίνουν εντολές, όπως τερματικοί διακόπτες, μπουτόν κ.λ.π,. συνδέονται στις κλέμες εισόδου του προγραμματιζόμενου ελεγκτή ενώ όλα τα στοιχεία τα οποία δέχονται εντολές, όπως πηνία των ρελαί ισχύος, ενδεικτικές λυχνίες κ.λ.π., συνδέονται στις κλέμες εξόδου του προγραμματιζόμενου ελεγκτή. • ΤΑ PLC EINAI TO ΣΥΓΧΡΟΝΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΥ, ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΩΝ, ΕΙΔΙΚΑ ΤΩΝ ΠΟΛΥΠΛΟΚΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΩΝ. • ΓΙΑ ΤΗΝ ΧΡΗΣΗ ΚΑΙ ΤΟΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟ ΤΟΥΣ, ΕΙΝΑΙ ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΗ Η ΓΝΩΣΗ ΤΟΥ ΚΛΑΣΣΙΚΟΥ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ PLC • Στo στάδιο της μελέτης δεv υπάρχει τo πρόβλημα για τo αν επαρκούν oι βοηθητικές επαφές τωv ρελαί, τα χρονικά, οι μετρητές, οι χρονοδιακόπτες … διότι ως υλικά καταργούνται (ως διαδικασίες είναι ενσωματωμένες στο PLC) Άρα η καλωδίωση απλοποιείται. Φυσικα, παραμενουν τα ρελε ισχύος, που τροφοδοτουν τις καταναλωσεις, αλλα μονο με τις κυριες επαφες τους. • Η λειτουργία τoυ αυτοματισμού μπορεί vα αλλάξει πολύ εύκολα σε οποιοδήποτε στάδιο (μελέτη, κατασκευή, λειτουργία) Άρα δυνατοτητα ευκολης μετατροπης του αυτοματισμου • Ο εντοπισμός τωv βλαβών διευκολύνεται, γιατί για κάθε έξοδο υπάρχει τo αντίστοιχο εvδεικτικό LED. • H ρoή τoυ αυτοματισμού μπορεί εύκολα vα παρακολουθηθεί, με τη βοήθεια μιας συσκευής προγραμματισμού. • Ο αυτοματισμός ολοκληρώνεται συντομότερα, γιατί η μελέτη (προγραμματισμός) μπορεί να γίνει παράλληλα με τηv τοποθέτηση και συρμάτωση τoυ προγραμματιζόμενου ελεγκτή. Δεv υπάρχει τo πρόβλημα τωv "μη ενημερωμένων" σχεδίων τoυ πίνακα αυτοματισμού μετά από λίγο καιρό. Ο προγραμματιζόμενος ελεγκτής έχει πάντα αποθηκευμένο τo τελευταίο πρόγραμμα, πoυ μπορεί vα διαβαστεί με μια συσκευή προγραμματισμού ή vα εκτυπωθεί σε χαρτί. • Υπάρχει σημαντική οικονομία στov χώρο , τηv συvτήρηση (δεν υπάρχουν μηχανικές επαφές) και τηv κατανάλωση ενέργειας . • Η τοποθέτηση μπορεί vα γίνει χωρίς κίνδυνο και μέσα σε πεδία ισχύoς. • Ένας προγραμματιζόμενος ελεγκτής μπορεί vα συvδεθεί με περιφερειακές μονάδες για επιτήρηση-έλεγχο της εγκατάστασης (οθόνη, εκτυπωτής, πληκτρολόγιο), καταργώντας τov κλασικό πίνακα χειρισμών. Μπορεί επίσης vα συvδεθεί με κεντρικούς υπολογιστές για ανταλλαγή στοιχείων, στατιστικές αναλύσεις, κ.λ.π. • Οι γλώσσες προγραμματισμού είναι προσαρμοσμένες στov βιομηχανικό αυτοματισμό και επομένως είναι προσιτές στo προσωπικό πoυ μέχρι σήμερα συντηρούσε τους κλασικούς πίνακες αυτοματισμού. Βασική Δομή PLC Ένα PLC αποτελείται από τέσσερα βασικά μέρη: • Τις εισόδους (Ι) • Τις εξόδους (Q) • Τη μνήμη , όπου αποθηκεύεται το πρόγραμμα • Τον επεξεργαστή , ο οποίος “διαβάζει” την λογική κατάσταση των εισόδων και στη συνέχεια θέτει σε λογική κατάσταση “1” ή “0” τις εξόδους , σε συνάρτηση με τις εντολές προγράμματος. Τι σημαίνει «είσοδος» σε ένα PLC; Μια είσοδος είναι σήμα που προέρχεται από αισθητήρες ή διακόπτες (π.χ. ON/OFF κουμπιού). Πώς το PLC «καταλαβαίνει» τα σήματα από αισθητήρες/διακόπτες; Το PLC διαθέτει εισόδους (digital ή analog). Ένας διακόπτης ή αισθητήρας στέλνει σήμα (0/1 ή αναλογική τιμή). Το PLC «διαβάζει» αυτήν την κατάσταση και την αποθηκεύει στη μνήμη του για χρήση στο πρόγραμμα. Τι σημαίνει «έξοδος» σε ένα PLC; Μια έξοδος είναι εντολή που δίνεται σε μια συσκευή (π.χ. άναμμα λάμπας, εκκίνηση μοτέρ). Πώς το PLC δίνει εντολές σε μια λάμπα ή σε ένα μοτέρ; Το PLC διαθέτει εξόδους (digital ή analog). Όταν στο πρόγραμμα ικανοποιηθεί μια συνθήκη (π.χ. «αν πατηθεί διακόπτης»), η έξοδος ενεργοποιείται. Αυτή η έξοδος στέλνει τάση/σήμα σε ρελέ ή κατευθείαν στη συσκευή (λάμπα, μοτέρ). Τι είναι ένα ψηφιακό σήμα; Σήμα με δύο καταστάσεις: 0 (OFF) ή 1 (ON). Τι είναι ένα αναλογικό σήμα; Σήμα με συνεχείς τιμές (π.χ. θερμοκρασία 0–100 °C, ταχύτητα μοτέρ). Προγραμματισμός ενός PLC Ο Προγραμματισμός του PLC δεν γίνεται με μία από τις συνηθισμένες γλώσσες προγραμματισμού όπως BASIC, FORTRAN κ.τ.λ , αλλά με συμβολικές γλώσσες ή διαγράμματα, τα οποίοι έχουν καθορισθεί και τυποποιηθεί από το πρότυπο IEC1131-3. Οι τρόποι αυτοί ονομάζονται γλώσσες προγραμματισμού. Δημιουργούμε μια σειρά από εντολές, οι οποίες λύνουν έναν συγκεκριμένο αλγόριθμο που αντιστοιχεί σε μια λειτουργία ενός συστήματος αυτοματισμού. Η διαδικασία που ακολουθούμε για να γράψουμε αυτές τις εντολές, αποτελεί το πρόγραμμα. Για να προγραμματίσουμε το PLC χρησιμοποιούμε τις γλώσσες προγραμματισμού . Γλώσσες Προγραμματισμού Γραφικές : χρησιμοποιούν γραφικά στοιχεία (σύμβολα κλασικού αυτοματισμού και σύμβολα λογικών πυλών) Μη Γραφικές : χρησιμοποιούν εντολές που η κάθε μία αντιστοιχεί σε μία εντολή της γλώσσας μηχανής. Οι σπουδαιότερες γλώσσες προγραμματισμού • LADDER DIAGRAM (LAD) ή ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΕΠΑΦΩΝ Xρησιμοποιεί τα αμερικάνικα σύμβολα των επαφών. • CONTROL SYSTEM FLOWCHART(C.S.F) ή FUNCTION BLOCK DIAGRAM ( FBD ) ή ΛΟΓΙΚΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ Xρησιμοποιεί τα λογικά σύμβολα των λογικών πυλών της άλγεβρας του Βοοle με τα οποία σχεδιάζουμε λογικά κυκλώματα. • STATEMENT LIST ( STL ) ή ΛΙΣΤΑ ΕΝΤΟΛΩΝ Ο τρόπος αυτός είναι παρόμοιος με τον προγραμματισμό των PC με τη γλώσσα προγραμματισμού BASIC. Στάδια προγραμματισμού του PLC • Διατύπωση του προβλήματος. Π.χ. θελω να ξεκινάω και να σταματάω έναν κινητήρα • Καθορισμός των στοιχείων εισόδου και εξόδου. Π.χ. Είσοδοι: μπουτόν start και stop Έξοδοι: Πηνίο ηλεκτρονόμου, Ενδεικτικές λυχνίες • Kωδικοποίηση των στοιχείων εισόδου-εξόδου. Π.χ. Μπουτον Start --> I1, Μπουτόν Stop --> I2, Ενδεικτική Λυχνία --> Q1 • Κατασκευή πίνακα αληθείας. • Εξαγωγή λογικών εξισώσεων . • Απλοποίηση των λογικών εξισώσεων με χρήση KARNAUGH. • Σχεδίαση των εντολών της γλώσσας που θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε. Π.χ. FBD, LADDER, STL • Κατασκευή προγράμματος και εισαγωγή του στη μνήμη του PLC. Φιλοσοφία του προγράμματος και λογική του PLC Κάθε ενέργεια του PLC υπαγορεύεται από εμάς με τις εντολές που του δίνουμε. Το πρόγραμμα εφαρμογής αποτελείται από σειρά οδηγιών που εκτελούνται διαδοχικά (η μία μετά την άλλη) και κυκλικά (μετά την τελευταία οδηγία εκτελείται πάλι η πρώτη κ.ο.κ). Το PLC μπορεί άμεσα να εκτελέσει βασικές πράξεις, όπως λογικό AND και λογικό OR. Το PLC έχει έναν καταχωρητή, (RR - Result Register) στον οποίο αποθηκεύσουμε την κατάσταση 0 ή 1 οποιασδήποτε εισόδου ή εξόδου. Κάθε λογική πράξη εκτελείται μεταξύ του καταχωρητή RR και μιας εισόδου ή εξόδου. Το αποτέλεσμα της πράξης σε κάθε περίπτωση μένει διαθέσιμο στον καταχωρητή RR. Το αποτέλεσμα μιας πράξης μπορούμε να το καταχωρήσουμε σε κάποιο από τις βοηθητικές μνήμες ή να το οδηγήσουμε στην έξοδο. Φιλοσοφία του Προγράμματος PLC Η φιλοσοφία πίσω από ένα πρόγραμμα PLC βασίζεται στην απλή, βήμα-βήμα λογική: Αισθητήρες/Είσοδοι --> Το PLC «διαβάζει» την πραγματικότητα (κουμπιά, αισθητήρες, διακόπτες). Λογικό Πρόγραμμα --> Επεξεργάζεται τα δεδομένα με βάση κανόνες (αν…, τότε…). Εντολές/Έξοδοι --> Δίνει εντολές σε μηχανές, μοτέρ, λάμπες, ρελέ. Το πρόγραμμα είναι κυκλικό: εκτελείται ξανά και ξανά σε κλάσματα του δευτερολέπτου (scan cycle). Λογική του PLC Η λογική του PLC βασίζεται στη δυαδική λογική (0 και 1): 0 --> FALSE --> OFF 1 --> TRUE --> ON Από αυτά προκύπτουν οι βασικές λογικές πράξεις: ΚΑΙ (AND) --> η έξοδος ενεργοποιείται μόνο αν ΟΛΕΣ οι συνθήκες είναι αληθείς. Ή (OR) --> η έξοδος ενεργοποιείται αν έστω μία συνθήκη είναι αληθής. ΟΧΙ (NOT) --> αντιστρέφει την κατάσταση (αν 0 --> γίνεται 1, αν 1 --> γίνεται 0). Συμπέρασμα Η φιλοσοφία του προγράμματος PLC είναι: «Διάβασε την κατάσταση» → «Ανάλυσε με λογικούς κανόνες» → «Δώσε εντολή». Η λογική του PLC είναι ψηφιακή και δυαδική, με εργαλεία που μιμούνται ηλεκτρολογικά κυκλώματα αλλά με πολύ μεγαλύτερη ευελιξία. Συνδεσμολογία του PLC Βασικά Σημεία Συνδεσμολογίας Τροφοδοσία Το PLC χρειάζεται τροφοδοσία (συνήθως 24 VDC ή 230 VAC, ανάλογα το μοντέλο). Η τροφοδοσία δίνει ενέργεια στη CPU και στα κυκλώματα εισόδων/εξόδων. Είσοδοι (Inputs) Οι είσοδοι συνδέονται με αισθητήρες ή διακόπτες. Είσοδος = σήμα που «διαβάζει» το PLC (ON/OFF ή αναλογική τιμή). Παράδειγμα: ένα κουμπί (διακόπτης) συνδέεται σε είσοδο Ι1. Όταν πατηθεί → το PLC βλέπει "1". Έξοδοι (Outputs) Οι έξοδοι δίνουν εντολές σε συσκευές. Μπορεί να είναι: Ψηφιακές: ανάβουν/σβήνουν μια λάμπα, ενεργοποιούν ρελέ, ξεκινούν μοτέρ. Αναλογικές: στέλνουν σήμα 0–10V ή 4–20mA για έλεγχο ταχύτητας, θερμοκρασίας κ.ά. Γείωση και προστασία Το PLC πρέπει να συνδέεται με γείωση για προστασία. Συχνά τοποθετούνται ασφάλειες ή ρελέ ασφαλείας. Επικοινωνίες Πολλά PLC έχουν θύρες επικοινωνίας (Ethernet, RS-485, Profibus) για σύνδεση με άλλα PLC ή Η/Υ. Κύκλος Λειτουργίας του PLC 1 Ανάγνωση Εισόδων (Input Scan) Το PLC «διαβάζει» την κατάσταση όλων των εισόδων (διακόπτες, αισθητήρες, κουμπιά). Οι τιμές αποθηκεύονται σε μια ειδική περιοχή μνήμης (Input Image Table). 2 Εκτέλεση Προγράμματος (Program Scan) Η CPU του PLC εκτελεί το πρόγραμμα γραμμή-γραμμή (π.χ. σε Ladder Logic). Χρησιμοποιεί τις τιμές των εισόδων για να αποφασίσει ποιες εξόδους θα ενεργοποιηθούν. 3 Ενημέρωση Εξόδων (Output Scan) Το PLC στέλνει εντολές στις εξόδους (λάμπες, μοτέρ, ρελέ). Οι τιμές γράφονται σε μια περιοχή μνήμης (Output Image Table) και από εκεί «βγαίνουν» στο πεδίο. 4 Διαγνωστικός Έλεγχος / Επικοινωνία Το PLC ελέγχει την καλή λειτουργία του ίδιου και των μονάδων του (self-test). Αν υπάρχουν επικοινωνίες με άλλα PLC ή υπολογιστές, ενημερώνει και αυτές τις θύρες. Και μετά; Ο κύκλος ξεκινά ξανά από την αρχή! Ο χρόνος ολοκλήρωσης ενός κύκλου λέγεται scan time. Είναι συνήθως μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου. Έτσι, το PLC φαίνεται ότι αντιδρά «άμεσα» στις αλλαγές. Παράδειγμα: Πατάμε ένα κουμπί (είσοδος = 1). Στον επόμενο κύκλο το PLC το «διαβάζει». Εκτελεί τον κώδικα (αν Ι1=1 --> Q1=1). Ανάβει η λάμπα (έξοδος = 1). ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 1 ΣΥΝΑΓΕΡΜΟΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΒΙΤΡΙΝΑΣ ΚΑΤΑΣΤΗΜΑΤΟΣ (ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΠΥΛΗΣ ΝΟΤ) ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ: Στο τζάμι κάποιας προθήκης καταστήματος έχει στερεωθεί ένα λεπτό σύρμα S σε περίπτωση διάρρηξης έχουμε θραύση του σύρματος, διακοπή του κυκλώματος και λειτουργία του συναγερμού Α. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 2 ΕΛΕΓΧΟΣ ΗΧΗΤΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ (ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΠΥΛΗΣ OR) ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ: Ένα κουδούνι διαμερίσματος Β θέλουμε να τίθεται σε λειτουργία είτε με το πάτημα του μπουτόν S1 που βρίσκεται στην κύρια είσοδο της πολυκατοικίας είτε με το πάτημα του μπουτόν S2 που βρίσκεται στην είσοδο του διαμερίσματος ή και με το ταυτόχρονο πάτημα και των δύο μαζί. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 3 ΈΛΕΓΧΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΛΑΜΠΤΗΡΑ ΑΠΟ ΔΥΟ ΘΕΣΕΙΣ (ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΠΥΛΗΣ EXCLUSIVE OR) ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ: Μια λάμπα φωτισμού L ανάβει μόνο με το πάτημα ενός εκ των δυο διακοπών S1 και S2. Σβήνει όταν και οι δυο διακόπτες είναι OFF ή ON. Εργασία: πραγματοποιήστε το ακόλουθο quiz QUIZ: PLC