CONTROLERELE LOGICE PROGRAMABILE (PLC) AUTOMATELE PROGRAMABILE NOŢIUNI INTRODUCTIVE 1.1. Definiţie şi rol funcţional Echipamentele cu logică programată (ELP) sau automatele programabile (AP) sau programmable logic controllers (PLC) sunt echipamente destinate conducerii automate a proceselor industriale. Structura unui proces automatizat cu ajutorul unui automat programabil poate fi sintetizată prin schema bloc prezentată mai jos (fig. 1.1): Fig. 1.1: Structura unu proces automatizat cu ajutorul unui automat programabil Automatul programabil realizează astfel cele două sarcini principale ale automatizării unui proces: - măsura, care în acest caz presupune monitorizarea stării procesului prin achiziţia la intrările automatului, prin intermediul senzorilor, butoanelor, limitatoarelor de cursă, etc. a variabilelor de stare din proces; - controlul, care presupune prelucrarea informaţiilor primite de la intrări şi generarea comenzilor necesare spre elemente de execuţie din procesul automatizat, conform unui program specific. Automatele programabile pot înlocui automatizările discrete ce utilizează o comandă realizată cu elemente electromecanice, pneumatice sau electronice în logică cablată, aducând
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
CONTROLERELE LOGICE PROGRAMABILE (PLC)
AUTOMATELE PROGRAMABILE
NOŢIUNI INTRODUCTIVE
1.1. Definiţie şi rol funcţional
Echipamentele cu logică programată (ELP) sau automatele programabile (AP) sau
programmable logic controllers (PLC) sunt echipamente destinate conducerii automate a
proceselor industriale.
Structura unui proces automatizat cu ajutorul unui automat programabil poate fi
sintetizată prin schema bloc prezentată mai jos (fig. 1.1):
Fig. 1.1: Structura unu proces automatizat cu ajutorul unui automat programabil
Automatul programabil realizează astfel cele două sarcini principale ale automatizării
unui proces:
- măsura, care în acest caz presupune monitorizarea stării procesului prin achiziţia la intrările
automatului, prin intermediul senzorilor, butoanelor, limitatoarelor de cursă, etc. a variabilelor
de stare din proces;
- controlul, care presupune prelucrarea informaţiilor primite de la intrări şi generarea
comenzilor necesare spre elemente de execuţie din procesul automatizat, conform unui
program specific.
Automatele programabile pot înlocui automatizările discrete ce utilizează o comandă
realizată cu elemente electromecanice, pneumatice sau electronice în logică cablată, aducând
flexibilitate, structură compactă, siguranţă mărită în funcţionare şi programare uşoară şi
rapidă.
Un automat programabil poate fi definit ca un sistem specializat destinat pentru
tratarea problemelor de logică secvenţială şi combinaţională, simulând structurile logice de
comandă printr-o configuraţie elastică, programabilă.
Prin concepţia sa, un automat programabil este adaptabil pentru funcţionarea în mediul
industrial, poate opera într-o plajă largă de temperatură şi umiditate, este uşor adaptabil la
interfaţarea cu orice proces şi nu ridică probleme deosebite privind formarea personalului de
deservire datorită facilităţilor de programare oferite. Toate aceste caracteristici, la care se mai
pot adăuga robusteţea generală a echipamentului şi preţul de cost relativ redus, fac ca
automatele programabile să constituie o pondere importantă în sistemele de conducere a
sistemelor de automatizare industriale.
Aceste echipamente s-au impus într-o gamă tot mai largă de aplicaţii, datorită
simplităţii programării, accesibilităţii şi fiabilităţii ridicate în exploatare.
Utilizarea logicii programate constituie o modalitate calitativ superioară de realizare a
echipamentelor de comandă. În cazul ELP funcţiile care trebuie executate şi succesiunea
acestora sunt stabilite de programul înscris în memoria program. Se asigură o flexibilitate
deosebită dispozitivelor de comandă, permiţând uşoare modificări şi dezvoltări ulterioare.
Dacă în cazul logicii cablate orice modificare în funcţionarea echipamentului de comandă
implică realizarea unui nou cablaj, unor noi legături între elemente, în cazul ELP modificarea
constă în simpla inserare a unor alte expresii algebrice în memoria program, fără a fi necesare
modificări în cablajul iniţial, realizându-se astfel economii însemnate de timp şi de manoperă.
Totodată, această facilitate a ELP permite tipizarea interfeţelor de intrare şi ieşire şi a unităţii
centrale, personalizarea unei scheme de comandă făcându-se prin programul implementat.
Acest aspect conduce şi la regândirea şi optimizarea ciclului de proiectare al unui echipament
de comandă. Ciclul clasic: conceperea schemei, realizarea cablajului (verificarea funcţionării,
refacerea schemei, etc., se modifică în sensul că se implementează programul în memorie cu
echipamentul de programare, se vizualizează pe monitor şi se verifică prin folosirea unor
programe de monitorizare şi auto-testare. Eventualele modificări la punerea în funcţiune a
instalaţiei se fac prin echipamentul de programare fără a afecta cablajul realizat, eficienţa
activităţii de proiectare şi implementare crescând considerabil.
ELP se remarcă şi prin reducerea numărului de componente (cu până la 80% comparativ cu
schemele de automatizare cu relee), creşterea fiabilităţii şi reducerea importantă a consumului
de energie electrică.
Dintre dezavantajele ELP putem aminti costul relativ ridicat şi necesitatea programării
şi operării acestora de către un personal calificat. Trebuie subliniat faptul că în timp, însă,
costul a scăzut constant şi domeniul de aplicaţie al ELP s-a extins şi în cazul comenzilor cu un
număr foarte mic de intrări şi ieşiri (10÷12).
1.2. Scurt istoric
În momentul de faţă se estimează că peste 60% din totalul comenzilor industriale în
ţările avansate sunt realizate cu ELP, iar acest procent este în creştere.
Automatele programabile au fost introduse prima oară în anii ’60. Principalul motiv al
proiectării şi dezvoltării acestor sisteme a fost costul ridicat al realizării, exploatării şi depanării
sistemelor de automatizare cablate, bazate în principal pe relee electromagnetice, care dominau la
acea dată sistemele de automatizare industriale.
Apariţia automatului programabil a fost precedată de elaborarea şi sistematizarea unui
set de cerinţe pentru noul sistem de automatizare destinat înlocuirii sistemelor de automatizare
cu relee intermediare.
Astfel, automatul programabil trebuia să îndeplinească următoarele:
să fie comparabil din punct de vedere al preţului cu sistemele de automatizare cu relee
intermediare;
să fie capabil să opereze în mediul industrial;
să fie conceput şi realizat într-o formă modulară, cu posibilitatea înlocuirii uşoare a
modulelor;
să aibă posibilitatea de a transmite datele colectate din proces unui sistem central
supervizor;
programarea noului sistem trebuia să fie simplă, uşor de înţeles de către personalul
familiarizat cu sistemele de automatizare cu relee.
Primul automat programabil în variantă industrială a apărut în SUA sub numele de
MODICON 084 (Modular Digital Controller).
La mijlocul anilor ’70 automatele programabile erau realizate în principal în
tehnologia microprocesoarelor cu prelucrare pe bit, iar în 1973 au apărut primele protocoale
de comunicaţie între automate.
În anii ’80 au apărut primele automate cu microprocesoare cu prelucrare pe cuvânt, şi
de asemenea au apărut primele tendinţe de standardizare a protocoalelor de comunicaţie. Tot
în această perioadă s-a pus accentul pe reducerea dimensiunii PLC-urilor şi prin introducerea
programării software simbolice, realizarea programelor putându-se realiza din ce în ce mai
mult pe calculatoare personale în locul consolelor de programare dedicate, utilizate exclusiv
pentru programarea PLC-urilor până în acel moment.
În perioada anilor ’90 s-a pus un accent din ce în ce mai mare asupra standardizării
atât a modurilor de programare cât şi a protocoalelor de comunicaţie. Anii ’90 au fost de
asemenea martorii unei tendinţe de înlocuire a sistemelor de automatizare bazate pe automate
programabile cu sisteme de automatizare bazate pe calculatoare personale, tendinţă care nu s-
a generalizat (automatele programabile dominând cu autoritate piaţa echipamentelor cu logică
programată) din următoarele motive:
Automatul programabil este garantat pentru utilizare în condiţii severe de "stres"
industrial (variaţii de tensiune şi temperatură, noxe, vibraţii);
Unitatea centrală este o unitate logică special concepută să interpreteze un set restrâns
de instrucţiuni proprii controlului de proces. Acestea exprimă funcţii de bază ca: evaluarea
expresiilor booleene (logice) cu atribuirea rezultatului unei variabile memorate sau unui canal
de ieşire, secvenţe de numărare sau temporizare, calcule matematice ş.a.;
Programarea structurilor de tip automat programabil este simplă şi constă în scrierea directă
de la un terminal a unui şir de instrucţiuni, conform unor diagrame de semnal, ciclograme,
organigrame sau a unui set de ecuaţii booleene. Intenţia producătorilor de AP este de a se
adapta cunoştinţelor şi preferinţelor utilizatorilor;
Execuţia instrucţiunilor este ciclică, ceea ce face ca derularea rapidă a unui program în
raport cu timpii de răspuns ai procesului să permită sesizarea evenimentelor la puţin timp
după ce apar, fără riscul pierderii de informaţie sau perturbare a procesului. Există de
asemenea posibilitatea lucrului cu întreruperi pentru procese foarte rapide.
1.3. Clasificări
Generaţiile actuale de automate programabile asigură posibilităţi complexe de
comunicaţie serială şi conectare în reţea. Versiunile constructive înglobează componente şi
unităţi de interfaţare structurate modular pentru mărimi analogice şi digitale preluate de la
diverşi traductori, module de achiziţie analogică (temperatură, semnal unificat de
automatizare), comunicaţie (pentru legarea în reţea şi monitorizarea automată), module de
ieşire analogică, module de poziţionare sau control al mişcării, module specializate de reglare
PID, module specializate de reglare fuzzy, module pentru recunoaşterea formelor ş.a.
Din punct de vedere structural se pot distinge:
- automate programabile realizate în structură deschisă, sub forma unei plăci cu circuite
imprimate, fără carcasă (fig. 1.2)
Fig. 1.2: Automat programabil realizat în structură deschisă
Acest tip de automate este foarte ieftin (de obicei preţul de cost este sub 100 Euro), dar
numărul de intrări şi ieşiri este limitat şi nu are posibilitatea adăugării unor module de
extensie.
- automate programabile cu structură monobloc, realizate în carcasă închisă (fig. 1.3)
Fig. 1.3: Automate programabile realizate în carcasă închisă, structură monobloc
În acest caz, toate elementele componente ale automatului programabil sunt grupate într-o
carcasă, dimensiunile acesteia variind în funcţie de numărul de terminale de intrare şi ieşire.
Această variantă constructivă permite conectarea unor modulele de extensie, care au o carcasă
separată şi se conectează prin intermediul unor cabluri de legătură.
- automate programabile realizate în structură modulară (fig. 1.4)
Fig. 1.4: Automat programabil realizat în structură modulară
Această variantă de realizare este specifică automatelor programabile complexe, cu
număr mare de intrări ieşiri, cu o multitudine de posibilităţi de control şi în consecinţă cu un
număr mare de modele de extensie disponibile.
În funcţie de numărul total de terminale de intrare şi ieşire (suma acestora), automatele
programabile se pot clasifica în (fig. 1.5):
Fig. 1.5: Clasificarea automatelor programabile după numărul total de terminale de
intrare şi ieşire
Automate programabile micro, cu un număr maxim de 32 de terminale de intrare şi
ieşire (cea mai întâlnită valoare este 20);
Automate programabile mici, cu un număr maxim de 128 de terminale de intrare şi
ieşire;
Automate programabile medii, cu un număr maxim de 1024 de terminale de intrare şi
ieşire;
Automate programabile mari, cu un număr maxim de 4096 de terminale de intrare şi
ieşire;
Automate programabile foarte mari, cu un număr maxim de 8192 de terminale de
intrare şi ieşire (această valoare nu este o valoare limită, deoarece evoluţia automatelor
programabile este foarte rapidă).
În continuare sunt prezentate sintetic câteva caracteristici ale fiecărui tip de automate
programabile prezentat mai sus.
Automatele programabile micro
- număr maxim de terminale de intrare/ieşire 32
- procesor pe 16 biţi
- destinate strict înlocuirii sistemelor de automatizare cu relee intermediare
- memorie până la 1 K, unde, în funcţie de tipul memoriei, 1K poate însemna 1024 biţi, 1024
bytes sau 1024 cuvinte (words)
- intrări/ieşiri digitale
- realizate fie în structură deschisă, fie în structură monobloc
- programare funcţii de tip releu
- programare funcţii de tip numărător şi temporizator
- introducerea programului atât de la dispozitivul de programare off-line (calculator personal -
PC) cât şi de la de la consola portativă de programare
Automatele programabile mici
- număr maxim de terminale de intrare/ieşire 128
- procesor pe 16 biţi
- destinate strict înlocuirii sistemelor de automatizare cu relee intermediare
- memorie până la 2 K
- intrări/ieşiri digitale
- realizate în structură monobloc
- programare funcţii de tip releu
- programare funcţii de tip numărător şi temporizator
- introducerea programului atât de la dispozitivul de programare off-line (PC) cât şi de la de la
consola portativă de programare
Automatele programabile medii
- număr maxim de terminale de intrare/ieşire 1024
- procesor pe 16 sau 32 biţi
- destinate atât înlocuirii sistemelor de automatizare cu relee intermediare cât şi controlului
sistemelor analogice
- memorie până la 4 KB, expandabilă la 16 K
- intrări/ieşiri digitale
- intrări/ieşiri analogice
- realizate în fie în structură monobloc, fie în structură modulară
- programare funcţii de tip releu
- programare funcţii de tip numărător şi temporizator
- programare instrucţiuni de salt
- programare instrucţiuni de calcul aritmetic (adunări, scăderi înmulţiri, împărţiri)
- posibilităţi limitate de manipulare a datelor (comparaţii, mutare date dNo table of
authorities entries found.giştrii, conversii de date, funcţii matriciale, etc.)
- posibilitatea conectării în reţea şi comunicarea cu alte automate folosind diverse protocoale
de comunicare
- introducerea programului de la dispozitivul de programare off-line (PC)
Automatele programabile mari
- număr maxim de terminale de intrare/ieşire 4096
- procesor pe 16 sau 32 biţi
- destinate atât înlocuirii sistemelor de automatizare cu relee intermediare cât şi controlului
sistemelor analogice
- memorie până la 12 K, expandabilă la 128 K
- intrări/ieşiri digitale
- intrări/ieşiri analogice
- realizate în structură modulară
- programare funcţii de tip releu
- programare funcţii de tip numărător şi temporizator
- programare instrucţiuni de salt
- programare subrutine, întreruperi
- posibilitatea realizării reglajelor automate de tip PID