Capitolul 2. Studiu Bibliografic

Capitolul 2. Studiu Bibliografic

2.1 Automate programabile( PLC-uri)

2.1.1 Istoric și Descriere

În intervalul anilor 1950-1960, în domeniul automatizărilor industriale, logica de tip combinational și secvențial era implementată cu ajutorul releelor electromagnetice. Dacă era vorba despre automatizări industriale cu grad ridicat de complexitate, rezultau dulapuri de automatizare foarte mari, cu multe relee la care cablarea și verificarea unei defecțiuni era foarte dificil de realizat și depistat.

Primul automat programabil este realizat în 1968 de către Bedford Associates, una dintre cele 4 companii GM, primul PLC fiind Modicon 084. În anul 1971 Allen-Bradley realizează PLC-ul din seria 1774 PLC, iar în anul 1973 Modicon lansează Modicon 184, fiind a două generație de PLC-uri Modicon

PLC-este un acronim și provine din limba engleză, de la inițialele cuvintelor programmable logic controller, având că și traducere în limba română varianta de automat programabil – AP. Deoarece automatul programabil a fost proiectat pentru mediul industrial, acesta permite adaptarea și ușoară conectare cu diferite tipuri de traductori utilizați în cadrul sistemelor de reglare automată.

După cum știm, AP-ul este un dispozitiv care seamănă foarte mult cu un calculator dar are unele particularități specifice, fiind compus dintr-o parte hardware și o parte software, cea din urmă fiind implementată în memoria program. Cele două părți, hardware și software, sunt la rândul lor formate din anumite componente. Partea hardware conține unitatea centrală, interfață de comunicare cu exteriorul și sursă de alimentare cu energie electrică. Partea software reprezintă defapt programul propriu-zis, fiind modelat în funcție de cerințele problemei și utilizatorului.

O dată cu evoluția automatelor programabile, s-au format două mari categorii de echipamente: automate programabile de uz general și automate programabile specializate. AP de uz general se da în folosință utilizatorului fără a conține programul, acesta fiind scris în prealabil de către utilizator în funcțiile de nevoile lui și ale proiectului. Pentru a putea scrie un program compatibil cu un automat programabil, utilizatorul trebuie să fie familiarizat cu cel puțin una dintre metodele de programare folosite și să stăpânească cunoștințe avansate de programare. O dată cu primirea automatelor programabile, utilizatorii mai primesc și un soft de simulatoare de automate programabile, ce rulează pe calculatoare de tip PC. Simulatoarele de automate programabile sunt folosite de către utilizator pentru a testa programul(softul) înainte de a-l implementa în AP. Descărcarea programului în memoria automatului se face folosind o interfață de comunicare cu calculatorul de tip PC.

2.1.2 Alcătuire

După cum s-a prezentat anterior, automatul programabil este format din două părți, cea hardware semnificând partea fizică și cea software formată din programul propriu-zis. Partea hardware conține sursă de alimentare, unitatea centrală și interfață cu procesul.

Unitatea centrală este alcătuită din procesor, memoria program, memoria de date și interfață de comunicare cu sistemul de programare. Dacă vorbim despre un proces mai mare de automatizare care urmărește monitorizarea unor anumiți parametrii, este posibil că unitatea centrală să fie extinsă folosind legături cu alte echipamente sau alte automate programabile.

Intrările și ieșirile logice formează partea de interfatare al unui automat programabil, fiind de două tipuri: intrări și ieșiri numerice și intrări și ieșiri de tip analogic. Intrările și ieșirile sunt o parte importantă a unui automat programabil deoarece prin intermediul acestora, AP-ul comunica cu procesul.

Comunicația dintre interfețe, procesor, memorie și proces se face folosind o magistrala (bus) de date.

Procesorul automatului programabil este format din o unitate aritmetică și una logică, care are că și sarcina preluarea semnalelor venite de la intrare, rularea programului scris de către utilizator și implementat în memorie și comandă ieșirilor. Magistralele de date asigura comunicarea dintre procesor, memorie și partea de interfețe.

Schema bloc a unui automat programabil

Memoria automatelor programabile este formată din cipuri de memorie care asigura sttocarea de valori binare 0 și 1. Bitul reprezintă unitatea de măsură a memoriei, iar gruparea mai multor biți ducând la cuvântul(word) de memorie. Cel mai uzual cuvânt este cel de 8 biți numit octet(byte).Alte exemple de cuvinte: 1 bit, 4 biți, 16 biți, 32 biți și 64 biți.

În funcție de utilizare, memoria este împărțită în două categorii: memoria de date și memoria de program. În memoria de date sunt înregistrate informațiile primite de la intrările automatului precum și informațiile generate de către procesor în urmă rulării programului, folosite pentru elementele conectate la ieșirile automatului. Memoriei de program îi revine rolul de a stoca instrucțiunile ce formează programul automatului programabil.

Dacă vorbim despre păstrarea informației, memoriile se pot clasifică în memorii volatile și nevolatile. Dacă este vorba despre o întrerupere a energiei electrice, în cazul unei memorii volatile se pierd toate informațiile de aceea în cele mai multe cazuri se folosește o baterie electrică tampon, iar în cazul memoriei nevolatile, informația rămâne chiar dacă sistemul este oprit de o întrerupere a energiei electrice.

Când se lucrează cu memoria se efectuează trei mari operații: scrierea, citirea și ștergerea. În unele cazuri este avantajos să se efectueze toate cele 3 operații cu memoria, dacă vorbim despre o memorie de date, iar în cazul unei memorii de program este bine să folosim doar operația de citire a unei zone de memorie, deoarece ștergerea sau suprascrierea cu alte date duc la imposibilitatea funcționarii automatului programabil sau la funcționarea parțială a acestuia. Pentru memoria de date se va folosi o memorie de tip RAM, care este o memorie volatilă iar pentru memoria de program se va folosi o memorie de tip EPROM sau EEPROM care sunt memorii nevolatile.

Memoriile de tip ROM sunt utilizate doar pentru programul folosit de procesor, program scris de către producător, conținut care nu poate fi modificat ulterior. Memoriile EPROM sunt alcătuite dintr-o fereastră transparență care poate fi ștearsă expunând fereastră la radiațiile ultraviolete. Se practică acest fel de ștergere pentru a se putea scrie un nou program în memoria respectivă. Memoriile EEPROM pot fi șterse prin aplicarea unei tensiuni electrice de o valoare stabilită la un pin al memoriei și se folosește acest tip de ștergere pentru a putea fi implementat un nou tip de program personalizat de către utilizator, diferit de cel scris de producător. Atât memoriile EPROM și EEPROM pot și șterse și rescrise de un număr limitat de ori.

Totalitatea modulelor electronice dintre magistrala internă și intrările respectiv ieșirile automatului programabil, reprezintă interfetele de comunicare cu procesul automatizat de intrare și ieșire. Intrările și ieșirile automatului programabil pot lua valori între 0 și 1. Intrările automatului preiau informații de la elementele de comandă din cadrul sistemului de automatizare(senzori, butoane, traductoare) care sunt prelucrate în cadrul programului făcut de către utilizator și rulat de către procesor. Procesorul transmite rezultatele în urmă rulării programului către ieșirile automatului programabil.

Pentru fiecare intrare a automatului programabil se alocă o adresa de la 1 la n, de aceea se zice că interfață de intrare are n canale de intrări logice. Ieșirile automatului programabil sunt formate la rândul lor de un număr de m canale de ieșiri logice identice.

În toate cazurile interfață de intrare primește semnale electrice de la aparatele de comandă monta la intrările automatului programabil. În majoritatea cazurilor semnalele sunt prelucrate și transmise către procesor. Deorece pe parcusul procesului de prelucrare apar unele modificare, de obicei se folosesc redresări pentru semnalele alternative și se practică filtrarea sau integrarea pentru eliminarea regimurilor tranzitorii.

Unul dintre cei mai importanți pași este dat de delimitarea pragului între cele două stări logice: 0 și 1. Optocuploarele sunt folosite pentru a separă galvanic electronică internă a automatului programabil de restul aparaturii electrice, realizând o conversie a semnalului electric în semnal luminos și apoi dinou în semnal electric. Se folosește acest tip de separare pentru a preveni străbaterea de supratensiuni din exterior a procesorului și a memoriei. Se folosește o diodă LED care prin aprinderea sau stingerea ei ne semnalează starea logică a unui canal urmărit de către utilizator. Poate apărea nevoia de a amplifică și formă un semnal electric care să fie transmis apoi pe magistrala internă a automatului. Această operație intră la categoria prelucrării semnalului de intrare.

În funcționarea automatelor programabile este posibilă funcționarea în logică pozitivă sau în logică negativă. Logică pozitivă este descrisă astfel: se asociază 1 logic unei valori mari de tensiune și 0 logic unei valori reduse de tensiune. Logică negativă este exact situația inversă, adică 1 logic pentru o valoare mare de tensiune și 0 logic pentru o valoare redusă de tensiune.

Aici avem un exemplu de schemă electronică pentru un canal de intrare logică și este un bun exemplu de separare galvanică prin optocuplor OC. După cum se observă din schemă, apare o tensiune de 24V pe partea diode D3 respectiv o tensiune de 5V pe partea fototranzistorului T1.

Interfață de ieșire realizează conversia semnalelor de ieșire primite de la automatul programabil în semnale care pot fi folosite de elementele de semnalizare și avertizare care apar în cadrul procesului de automatizare. Exemple de elemente de execuție: motoare, servomotoare, contactoare, electroventile, dispozitive pneumatice, dispozitive hidraulice. Elementele de semnalizare pot fi optice sau acustice. Ieșirile pot fi de 2 feluri: în curent continuu la tensiuni de 24V, 48V și 110V la curenți de 0.25A, 1A și 2A sau pot fi în curent alternativ la tensiuni de 24V, 48V, 110V, 230V și frecvente de 50Hz la curenți de 0.25A, 1A, 2A și 5A. O altă categorie în care se împart ieșirile sunt următoarele: ieșiri de tip electronic, dacă folosim elemente de comutare statică sau ieșiri de tip electromagnetice dacă folosim relee electromagnetice

Ieșirile de tip electromagnetic au o durata de viață mai scurtă deoarece sunt piese de mișcare dar sunt mai avantajoase pentru că au o putere mai mare de rupere prin contactele releelor și a separării galvanice a circuitului. În schimb, ieșirile de tip electronic au o durata de viață mai mare datorită pieselor de tip static care comută doar static. Dacă nu se folosesc relee electromagnetice specifice ieșirilor de tip electromagnetic, separarea galvanică trebuie realizată separat prin octocuploare, la fel că și la interfață de intrare, care la fel, separă galvanic procesorul de elementele care sunt străbătute de curenți și tensiuni mari. Și în cazul ieșirilor se folosesc diode LED pentru a semnaliza starea ieșirilor logice.

Exemplu de schemă electronică pentru un canal de ieșire logică. La fel se folosește separarea galvanică prin octocuplor, observându-se o valoare a tensiunii de 5V pentru diodă D1 și respectiv 24V pentru partea fototranzistorului T1.

2.1.2.1Module de extensie pentru reglarea numerică.

Automatul programabil se utilizează pentru reglarea numerică împreună cu module pentru intrări și ieșiri analogice: convertoare analog-numerice respectiv convertoare numeric-analogice. Automatele programabile sunt folosite în multe cazuri aceastea putând execută mai multe operații și părți care apar în sistemul automatizat. Poate să asigure o gama de funcții suplimentare: prelucrarea semnalului de ieșire a regulatorului, funcțiile de alarmă și așa mai departe și mai poate controla un număr definit de bucle de reglare de tip PD sau PID, spre exemplu. Automatele care au convertoare numeric-analogice au bineînțeles semnale de ieșire analogice, unificate, în tensiune între 0V și 10V sau în curent între 4mĂ și 20mĂ. În alte situații, pentru comandă unor elemente de execuție de aceste fel se folosesc ieșiri logice de tipul “tot-nimic”.

Automatele programabile sunt capabile să controleze anumite procese folosind semnal de ieșire analogic prin intermediul regulatoarelor, realizat prin conversia numeric-analogică. Dacă nu dispunem de un astfel de modul putem folosi impulsuri cu durata modulată(PWM) sau utilizând comenzi pentru servomotoare(SVM) date de utilizarea a două ieșiri logice.

La semnalele PWM ieșirea rezervată este trecută imediat în 1 logic pentru un interval de timp proporțional cu valoarea numerică a ieșirii regulatorului, acest timp fiind exprimat că un procent din valoarea lui Te, Te fiind perioada de eșantionare, care o stabilim pentru prelucrarea informației.

Dacă în cazul nostru avem un servomotor că element de execuție și nu dispunem de un modul de conversie numeric-analogic, automatul programabil transmite comenzi de modificare a poziție la intervale constante. Servomotorul reacționează la fiecare comandă modificând poziția organului de acționare și îi menține poziție până la primirea unei alte comenzi similare. În acest caz utilizăm un motor asincron monofazat cu condesator, servomotorul fiind acționat că și cum ar primi comandă de la un regulator bipozitional.

Exemplu de modulare in durata a impulsurilor(PWM)

2.1.3 Programarea AP

Programarea automatelor programabile se poate realiza prin metode diferite. Metodă de programare este direct legată de felul în care producătorul a conceput automatul programabil. Poți programa un automat folosind liste de instrucțiuni sau folosind programarea grafică. Seturile de instrucțiuni pe care le poate interpreta un automat programabil diferă de la model la model și de la producător la producător.Limbajele de programare grafică sunt de două tipuri: unul care folosește simboluri bobină și contacte releu, numit LADDER respectiv limbaje de programare bazate pe GRAFCET. Cel mai ușor de folosit limbaj de programare și cel mai întâlnit, este primul amintit, adică ladder-ul, deoarece nu necesită cunoașterea sintaxei pentru fiecare lista de instrucțiuni.

Pentru a programa un automat programabil avem nevoie de un PC pe care este un instalat un soft special realizat pentru programare, livrat de către producătorul automatului. Fiecare automat are anumite particularități și conține o lista proprie de instrucțiuni prin urmare automatele programabile provenind de la alți producători vor putea interpreta instrucțiuni diferite.

2.1.3.1 Programarea cu simboluri de tip contact si bobina de releu.

Acesta metodă de programare este cel mai des întâlnită și utilizată de către ingineri din domeniul automatizărilor care au o bogată experiență în realizarea schemelor de automatizare ce conțin relee și contactoare. Ladder diagram reprezintă defapt construirea unei diagrame în ,,trepte”

Un program Ladder tot timpul este format din ramuri principale numite rungs, pe care se află cel puțin un contact și cel puțin o bobină. Pentru a obține un contact în paralel, se inserează ramuri paralele numite branches, ele pot fi înșirate la orice nod al ramurii principale cu condiția să nu se suprapună. Se pot folosi mai multe bobine legate în paralel dar ele trebuia să aibă toate aceeași intrare de comandă, dacă nu se poate respectă această condiție atunci se folosesc mai multe ramuri principale.

În cele mai multe cazuri, programul este editat pe un calculator personal, apoi este transformat în instrucțiuni specifice procesorului automatului programabil și apoi descărcat în memoria automatului. Când programul este în execuție, automatul programabil ia la rând ramură cu ramură și execută fiecare instrucțiune de la stânga la dreapta. Programul este executat secvențial și ciclic, adică atunci când se ajunge la ultima ramură se trece din nou la prima și se mai execută programul până la intervenția utilizatorului.

Operanzii ladder reprezintă identificatorii resurselor sistemului, cum ar fi intrările, ieșirile, timerele, numărătoarele, etc.

Operanzii se împart în două categorii în funcție de dimensiunea lor: există operanzi de un singur bit și operanzi de mai mulți biți 8, 16, sau 32 de biți.

Retenția reprezintă memorarea valorilor operanzilor în cazul unei căderi a alimentării cu curent a automatului programabil. Retenția este posibilă doar în cazul în care avem o baterie de siguranță, deoarece majoritatea operanzilor se găsesc în memoria RAM, memorie volatilă.

2.1.4 Comunicatia intre automate programabile

Automatele programabile bineînțeles comunica între ele pentru a-și îndeplini rolul de conducere automată a proceselor. Automatul programabil dispune de un bloc special pentru primirea de mesaje care conține o tabela de emisie și una de recepție, pentru a stoca datele transmise și recepționate.

Avem la dispoziție trei moduri de comunicare: modul de comunicare TER care se realizează prin conectorul pentru terminal, modul de comunicare CPL realizat prin intermediul modulului specializat și modul de comunicare TXT, care folosește o rețea FIPWAY sau TELWAY. Dacă folosim modul de comunicație TER se folosește o codificare pe 8 biți pentru mesajele codificate de tip ASCII. Pentru modurile de comunicare CPL și TXT se utilizează o codificare binară.

Exemplu de comunicatie intre automate programabile si respectiv AP si alte echipamente

Comunicația de tip “legătură terminal” permite legătură dintre consola de progamare unde se realizează aplicația și ajustarea funcționarii automatelor programabile, folosind un cablu adecvat pentru o astfel de operație. La un automat programabil se mai poate realiza o legătură cu anumite periferice care comunica în mod serial. Putem astfel jongla cu viteză de comunicație, putând da valori între 300 și 9600 bauds, totul fiind dat din program. “Legătură terminal” este defapt o legătură de tipul punct la punct, fiind o transmisie serială asincronă.

Defapt se urmărește realizarea unui schimb de informații între două stații X și Y, folosind un limbaj codificat, ușor de interpretat, prin intermediul interfetelor emițătoare și receptoare. Avem 3 tipuri de transmisii: transmisia SIMPLEX adică unidirecțională de la stația emițătoare la stația receptoare, transmisia HALF-DUPLEX în care ambele stații pot emite și recepționa informații dar nu simultan, și transmisia FULL-DUPLEX, în care ambele stații pot emite și recepționa informații simultan

Exemplu de transmisie de date intre doua statii