Programovatelné automaty

Transkript

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
Autoři textu:
Doc. Ing. František Zezulka, CSc.
Ing. Zdeněk Bradáč
Ing. Petr Fiedler
Ing. Pavel Kučera
Ing. Radek Štohl
Brno
1.10. 2003
2
FEKT Vysokého učení technického v Brně
Obsah
1
ÚVOD..................................................................................................................................7
2
PROGRAMOVATELNÉ AUTOMATY .........................................................................7
2.1 CHARAKTERISTIKY PLC ................................................................................................. 8
2.1.1
Technické řešení (HW) programovatelných automatů (PLC)..................... 8
2.1.2
Vstupní/výstupní podsystém PLC .............................................................. 10
2.1.3
Speciální moduly ....................................................................................... 11
2.1.4
Silová část PLC ......................................................................................... 11
2.1.5
Modul CPU ............................................................................................... 12
2.2 PROGRAMOVÁNÍ PLC ................................................................................................... 13
2.2.1
Úvod do programového vybavení PLC .................................................... 13
2.2.2
Operační systém PLC................................................................................ 13
2.2.3
Programovací jazyky................................................................................. 14
2.3 OTÁZKY KE KAPITOLE 2 ................................................................................................ 15
3
ÚVOD DO GRAFCETU .................................................................................................16
3.1 HISTORIE GRAFCETU ................................................................................................. 16
3.1.1
Požadavky na řízení .................................................................................. 16
3.2 GRAFCET: POPISNÝ NÁSTROJ ..................................................................................... 17
3.2.1
Základní elementy – Kroky........................................................................ 18
3.2.2
Základní elementy – Přechody .................................................................. 18
3.2.3
Základní elementy – Orientované hrany ................................................... 19
3.2.4
Základní elementy – obecné poznámky ..................................................... 20
3.3 VÝVOJ STAVU ............................................................................................................... 20
3.3.1
Zapalitelný (Firable) přechod................................................................... 20
3.3.2
Pálení (Firing) přechodu .......................................................................... 21
3.3.3
Pravidla pálení přechodů.......................................................................... 21
3.4 AKCE A RECEPTIVITA ............................................................................................ 23
3.4.1
Bereme v úvahu čas................................................................................... 23
3.4.2
Detaily týkající se časové notace t / i / ∆................................................... 23
3.5 AKCE A VÝSTUPY .......................................................................................................... 24
3.5.1
Úrovňové akce........................................................................................... 24
3.5.2
Úrovňové akce – rozšířené možnosti podmíněných akcí........................... 25
3.5.3
Úrovňová akce v nestabilní situaci ........................................................... 26
3.5.4
Impulsní akce............................................................................................. 27
3.6 RECEPTIVITA ................................................................................................................. 27
3.6.1
Podmínky................................................................................................... 28
3.6.2
Události ..................................................................................................... 28
3.6.3
Událost s podmínkou – Receptivity ........................................................... 28
3.7 PŘÍKLADY POPISU GRAFCETEM .................................................................................. 28
4
SOUČASNÝ STAV A BUDOUCNOST PROGRAMOVATELNÝCH AUTOMATŮ33
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
5
KATEGORIE PLC ........................................................................................................... 34
KONKURENTI PROGRAMOVATELNÝCH AUTOMATŮ ....................................................... 35
SLOT PLC A SOFT PLC ................................................................................................. 36
PŘÍKLAD POUŽITÍ IPC ................................................................................................... 37
OTÁZKY KE KAPITOLE 4 ................................................................................................ 39
KOMUNIKAČNÍ PODSYSTÉM PLC ..........................................................................40
3
5.1 SÉRIOVÉ KOMUNIKAČNÍ SBĚRNICE PLC ........................................................................40
5.1.1
Úvod do sériových komunikací ..................................................................40
5.1.2
ISO/OSI model ...........................................................................................42
5.1.3
Fyzický přenos ...........................................................................................44
5.1.4
Výměna dat mezi jednotlivými účastníky ...................................................46
5.1.5
Synchronní a asynchronní přenos dat .......................................................47
5.1.6
Přístupové metody v lokálních sítích .........................................................48
5.2 PŘEHLED PRŮMYSLOVÝCH KOMUNIKAČNÍCH SBĚRNIC ..................................................49
5.3 PROFIBUS 50
5.4 FIP
51
5.5 PROTOKOL CAN (CONTROLER AREA NETWORK) [ 7 ]..................................................52
5.5.1
Základní vlastnosti.....................................................................................52
5.5.2
Fyzické médium a fyzická vrstva................................................................52
5.6 PROTOKOL DEVICENET .................................................................................................53
5.6.1
Fyzická vrstva v síti DeviceNet..................................................................54
5.6.2
Aplikační vrstva protokolu DeviceNet .......................................................54
5.7 ETHERNET 55
5.7.1
Průmyslové sítě a Ethernet ........................................................................56
5.7.2
Komunikační protokoly průmyslového Ethernetu......................................57
5.7.3
Technologie známé z Internetu ..................................................................57
5.7.4
Ethernet z hardwarového hlediska ............................................................58
5.7.5
Zhodnocení perspektiv ...............................................................................59
5.8 MODBUS® TCP..........................................................................................................59
6
VYSOCE BEZPEČNÉ A VYSOCE FUNKČNÍ PLC ŘÍZENÍ .................................. 60
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
7
ÚVOD
60
ZÁKLADNÍ POJMY ..........................................................................................................60
METODIKA FT NÁVRHU .................................................................................................62
BOJ PROTI CHYBÁM........................................................................................................63
6.4.1
Předcházení chybám ..................................................................................63
6.4.2
Maskování chyb .........................................................................................63
6.4.3
Eliminování vlivu chyb...............................................................................63
6.4.4
Rekonfigurace ............................................................................................63
UKAZATELE SPOLEHLIVOSTI ..........................................................................................64
6.5.1
Střední doba mezi poruchami ....................................................................65
6.5.2
Pravděpodobnost bezporuchového provozu R(t).......................................65
6.5.3
Sériový spolehlivostní model .....................................................................65
6.5.4
Paralelní spolehlivostní model ..................................................................67
SYSTÉM TMR ................................................................................................................67
PŘÍKLAD FT PŘI PLC ŘÍZENÍ .........................................................................................68
VYSOCE BEZPEČNÉ A VYSOCE FUNKČNÍ PLC ŘÍZENÍ – STANDARDY..............................71
6.8.1
DIN V 19250 .............................................................................................71
6.8.2
IEC 61508 ..................................................................................................72
6.8.3
Vztah mezi DIN 19250 a IEC 61508..........................................................74
DCS VYBUDOVANÉ NA BÁZI PLC........................................................................... 76
7.1.1
Příklad PLC orientovaného DCS ..............................................................77
7.2 OTÁZKY KE KAPITOLE 7 .................................................................................................78
4
Seznam obrázků
OBR. 1:
OBR. 2:
OBR. 3:
OBR. 4:
OBR. 5:
OBR. 6:
OBR. 7:
OBR. 8:
OBR. 9:
OBR. 10:
OBR. 11:
OBR. 12:
OBR. 13:
OBR. 14:
OBR. 15:
OBR. 16:
OBR. 17:
OBR. 18:
OBR. 19:
OBR. 20:
OBR. 21:
OBR. 22:
OBR. 23:
OBR. 24:
OBR. 25:
OBR. 26:
OBR. 27:
OBR. 28:
OBR. 29:
OBR. 30:
OBR. 31:
OBR. 32:
BLOKOVÉ SCHÉMA VELMI MALÉHO PLC ............................................................. 9
BLOKOVÉ SCHÉMA STANDARDNÍHO MODULÁRNÍHO PLC.................................... 9
ČASOVÝ DIAGRAM ZÁKLADNÍ FUNKCE PLC ...................................................... 10
DIGITÁLNÍ VSTUP .............................................................................................. 10
UNIVERSÁLNÍ DIGITÁLNÍ VSTUP ........................................................................ 10
ZAPOJENÍ DIGITÁLNÍHO VÝSTUPU ...................................................................... 11
ZAPOJENÍ SKUPINY VÝSTUPŮ ............................................................................. 11
IDEA PROVÁDĚNÍ ŘÍDICÍHO PROGRAMU PLC ..................................................... 13
CYKLICKÝ REŽIM PLC ...................................................................................... 13
TIME-DRIVING-MULTITASKING U PLC............................................................... 14
CHOVÁNÍ CHODCE NA ŘÍZENÉM PŘECHODU ....................................................... 17
ZÁKLADNÍ ELEMENTY GRAFCETU – KROKY.................................................. 18
ZÁKLADNÍ ELEMENTY GRAFCETU – PŘECHODY............................................ 18
ZÁKLADNÍ ELEMENTY GRAFCETU – ORIENTOVANÉ HRANY ......................... 19
VÝVOJ STAVU .................................................................................................... 20
PÁLENÍ PŘECHODU ............................................................................................ 21
PŘÍKLADY PÁLENÍ PŘECHODU ............................................................................ 22
ŘEŠENÍ KONFLIKTU ........................................................................................... 22
ILUSTRACE ČASOVÉ NOTACE T / I / ∆ ................................................................. 23
PŘÍKLADY ČASOVÝCH ZÁVISLOSTÍ .................................................................... 23
NEPODMÍNĚNÁ A PODMÍNĚNÁ ÚROVŇOVÁ AKCE ............................................... 25
DALŠÍ MOŽNOSTI PODMÍNĚNÝCH ÚROVŇOVÝCH AKCÍ ....................................... 26
ÚROVŇOVÁ AKCE V NESTABILNÍ SITUACI .......................................................... 26
IMPULSNÍ AKCE ................................................................................................. 27
PŘÍKLAD 3.3: NAKLÁDÁNÍ VOZÍKU ................................................................... 29
PŘÍKLAD 3.5: DĚLIČKA DVĚMI .......................................................................... 30
PŘÍKLAD 3.7: POHYBUJÍCÍ SE VŮZ ..................................................................... 31
PŘÍKLAD 3.9: PLNĚNÍ NÁDRŽÍ ........................................................................... 33
PŘÍKLAD IPC PRO ŘÍZENÍ VÝROBNÍ BUŇKY ....................................................... 38
KONFIGURACE IPC PRO PLC A CNC ŘÍZENÍ VÝROBNÍ BUŇKY ......................... 38
SW VYBAVENÍ IPC PRO ÚČELY ŘÍZENÍ VÝROBNÍ BUŇKY .................................. 39
PROUDOVÁ SMYČKA 0-20MA S GALVANICKÝ ODDĚLENÍM A NAPÁJENÍM ZE
STRANY VYSÍLAČE ............................................................................................................ 41
OBR. 33:
JINÉ ZAPOJENÍ PROUDOVÉ SMYČKY 0-20MA ..................................................... 41
OBR. 34:
ROZHRANÍ RS 422 ............................................................................................ 42
OBR. 35:
ZAPOJENÍ RS 423 .............................................................................................. 42
OBR. 36:
ZAPOJENÍ RS 485 .............................................................................................. 42
OBR. 37:
SROVNÁNÍ KOMUNIKAČNÍCH STANDARDŮ ......................................................... 43
OBR. 38:
ISO/OSI MODEL ................................................................................................ 43
OBR. 39:
PŘENOS ZPRÁVY MEZI VRSTVAMI OSI MODELU ................................................ 44
OBR. 40:
FYZICKÁ TVORBA PAKETU ................................................................................. 44
OBR. 41:
PŘENOS V ZÁKLADNÍM PÁSMU .......................................................................... 45
OBR. 42:
KÓDOVÁNÍ SIGNÁLU.......................................................................................... 46
OBR. 43:
SYNCHRONNÍ A ASYNCHRONNÍ PŘENOS ZPRÁV .................................................. 46
OBR. 44:
TDM A FDM .................................................................................................... 47
OBR. 45:
ZNAKOVĚ ORIENTOVANÝ PŘENOS ..................................................................... 47
OBR. 46:
RÁMEC HDLC .................................................................................................. 48
OBR. 47:
BLOKOVĚ ORIENTOVANÝ PŘENOS...................................................................... 48
OBR. 48:
PŘEHLED SÉRIOVÝCH KOMUNIKACÍ ................................................................... 49
OBR. 49:
OBR. 50:
OBR. 51:
OBR. 52:
OBR. 53:
OBR. 54:
OBR. 55:
OBR. 56:
OBR. 57:
OBR. 58:
OBR. 59:
OBR. 60:
OBR. 61:
OBR. 62:
OBR. 63:
OBR. 64:
OBR. 65:
OBR. 66:
OBR. 67:
OBR. 68:
OBR. 69:
OBR. 70:
OBR. 71:
OBR. 72:
OBR. 73:
OBR. 74:
5
ROZDĚLENÍ PRŮMYSLOVÝCH SÍTÍ.......................................................................50
ARCHITEKTURA PROTOKOLŮ PROFIBUS .............................................................51
PRINCIP PŘÍSTUPU K SÍTI U SÍTĚ PROFIBUS..........................................................51
METODA PŘÍSTUPU KE SBĚRNICI ........................................................................52
FYZICKÉ USPOŘÁDÁNÍ SÍTĚ CAN .......................................................................53
MODEL DEVICENET ...........................................................................................54
VÝZNAM IDENTIFIKÁTORU ZPRÁVY ...................................................................55
PRINCIP VLOŽENÍ MODBUSOVÉ ZPRÁVY DO TCP PAKETU .................................59
FT ŘETĚZEC .......................................................................................................61
METODIKA FT ...................................................................................................63
HRANICE PŮSOBNOSTI JEDNOTLIVÝCH FT TECHNIK ..........................................64
VANOVÁ KŘIVKA ...............................................................................................64
SÉRIOVÝ SPOLEHLIVOSTNÍ MODEL .....................................................................66
PARALELNÍ SPOLEHLIVOSTNÍ MODEL .................................................................67
SYSTÉM TMR ....................................................................................................67
MODEL KOLEJIŠTĚ .............................................................................................68
ŘÍDICÍ STRUKTURA SE DVĚMI PLC.....................................................................69
ŘÍDICÍ STRUKTURA SE DVĚMI PLC A KOMUNIKAČNÍ SBĚRNICÍ ..........................69
PRINCIP VYHODNOCENÍ I/O CHYBY....................................................................70
PRINCIP REKONFIGURACE ..................................................................................71
RIZIKOVÝ MODEL DLE DIN 19250 .....................................................................72
METODIKA URČENÍ ÚROVNĚ SIL........................................................................73
VZTAH MEZI DIN 19250 A IEC 61508 ..............................................................74
VZTAH MEZI IEC 951-1, DIN 19250 A IEC 61508 ...........................................75
PLC ORIENTOVANÝ DCS...................................................................................76
BLOKOVÉ SCHÉMA SIMATIC PCS 7 ....................................................................78
6
Seznam tabulek
TAB. 1:
TAB. 2:
TAB. 3:
TAB. 4:
TAB. 5:
PŘEHLED PARAMETRŮ SLOT PLC A SOFT PLC. ................................................ 37
VARIANTY FYZICKÉHO MÉDIA ........................................................................... 58
PŘEHLED REKONFIGUACE A DETEKCE CHYB ...................................................... 70
VZTAH MEZI PRAVDĚPODOBNOSTÍ PORUCHY A SIL ÚROVNÍ ............................. 74
STANOVENÍ POSTUPŮ PŘI VYTVÁŘENÍ BEZPEČNÉHO SYSTÉMU DLE SIL ............. 76
7
1 Úvod
Programovatelné automaty (Programmable Logic Controlers PLC) se staly
nejvýznamnějším řídicím prostředkem pro řízení technologických procesů, výrobních linek
a strojů již během první poloviny 80. let. Byly odezvou na vývoj mikroelektronické
technologie, který umožnil vytlačit centralizovaného řízení, reprezentované řídicími počítači
a minipočítači distribuovanou řídicí technikou. Tato technika (PLC) sice zůstala na dlouhou
dobu pozadu v programátorském komfortu za řídicími počítači a minipočítači, na druhé straně
vykazovala nesporné výhody. Mezi ty patří spolehlivost, snazší rozdělení řídicí struktury na
samostatné celky s jasně definovatelnými rozhraními, vysoká spolehlivost, nižší náklady na
kabeláž. Z toho plyne rychlejší uvedení do chodu, snazší údržba, jednodušší ladění programů,
modulární výstavba a tím optimalizace ceny HW, vysoká stabilita jednoduchého operačního
systému, nižší nároky na kvalifikaci projekčních a inženýrských pracovníků, celkově nižší
náklady na realizaci projektu, uvedení do chodu a závěrečné fáze projektu.
2 Programovatelné automaty
Vzhledem k tomu, že PLC nenahradily jen řídicí počítače a minipočítače, ale i malou
automatizaci, reprezentovanou průmyslovými regulátory, bezkontaktní logikou a reléovou
logikou, bylo pochopitelné, že jedním z kategorických požadavků průmyslu (projektantů,
elektroinženýrů a středních odborných pracovníků) byl především jednoduchý programovací
jazyk, který by byl velmi podobný jazyku logických schémat, booleovským rovnicím,
reléovým schématům, assembleru. Díky těmto jednoduchým programovacím "jazykům" bylo
poměrně jednoduché klasickou techniku logického řízení nahradit programově orientovanými
a tedy nesrovnatelně flexibilnějšími řídicími systémy - programovatelnými automaty.
Programovatelný automat umožňuje logické rovnice naprogramovat, zatímco předcházející
bezkontaktní nebo reléová logika (nebo v dnešní době programovatelná logická pole) řeší
logické rovnice fyzickým propojením logických členů. Jakákoli změna logické struktury se
snadno provede změnou programu programovatelného automatu, což je podstatně jednodušší,
než přepojení reléového nebo logického schéma. Odhlédneme-li od počáteční nespolehlivosti
prvních programovatelných automatů (způsobené především nespolehlivostí elektronických
součástek), náhrada relé a bezkontaktní logiky programovatelnými automaty byla jednoduchá
a úspěšná.
V případě náhrady řídicího počítače programovatelným automatem nebyla situace pro
novou technologii zdaleka tak příznivá. Pokročilejší programovatelné automaty sice
vykazovaly již dostatečnou spolehlivost a rovněž organizace projekčních prací a jejich
realizace byly výrazným zjednodušení oproti centralizovanému návrhu, sériovém ladění
jednotlivých úloh a uvádění složitého systému do chodu, na druhé straně programátorský
komfort minipočítačů se programovým prostředím PLC nahradil v plné míře až s příchodem
SCADA systémů.
Výhody a nevýhody programovatelných automatů:
A. Výhody :
•
rychlé přeprogramování úlohy
•
malá varieta náhradních dílů
8
•
možnost vystavění velké hierarchické struktury dle potřeby
•
flexibila (naprojektování na míru)
•
modularita (možnost rozšíření)
•
hospodárnost (levné velmi malé a malé kompaktní automaty)
•
vestavěná diagnostika vlastního PLC
•
možnost tvorby diagnostiky vnější
•
jednoduché programování
•
možnost použití vyšších programovacích jazyků u nových automatů
•
jednoduchý a tím spolehlivý OS reálného času
•
velká nabídka kvalitních přístrojů různých výrobců
B. Nevýhody:
•
nižší programátorský komfort než u minipočítačů
•
vyšší cena než IPC ekvivalentního výkonu při nižším programátorském
komfortu PLC
•
menší flexibilita ve srovnání s IPC
•
užití nedostatečně standardizovaných sériových komunikačních sběrnic pro
propojení automatů do sítí
•
nezbytnost hierarchické architektury při propojování do větších celků
2.1 Charakteristiky PLC
2.1.1 Technické řešení (HW) programovatelných automatů (PLC)
V době svého vzniku (konec 60. let) si programovatelné automaty kladly za úkol
nahradit efektivnějším způsobem reléovou a později i bezkontaktní logiku. Proto jejich
architektura vycházela z toho, že budou zpracovávat binární informaci. Jako HW jádro
používaly bitové procesory. To mělo za následek, že v době velmi pomalých procesorů s 8
nebo 16 bitovým slovem (v průběhu 70. let), se jevily bitové procesory jako velmi rychlé,
kvaziparalelní řešení ve srovnání s 8 a 16bitovými procesory. Proto se na architekturu PLC
kladly následující nároky:
•
bitově orientovaná CPU
•
bitově orientovaná paměť dat
•
slovně orientovaná paměť programu
•
rozhraní na programovací přístroj
•
jednoduchý instrukční soubor na zpracování logických rovnic
•
systém speciálních funkcí (časovače, čítače a další)
Takto zkonstruovaný PLC se do dnešní doby nezachoval. Rychlost a příznivá cena
výkonných mikroprocesorů umožňuje použití slovně orientovaných mikroprocesorů i u velmi
9
malých PLC. Přesto se blokové schéma velmi malých, kompaktních PLC liší od architektury
středních a velkých automatů, jak je patrné z Obr. 1 a Obr. 2.
Obr. 1:
Blokové schéma velmi malého PLC
Řízení logické úrovně je nemyslitelné bez toho, aby byly k disposici v základním
vybavení každého PLC časové funkce (časovače) a funkce čítání impulsů (čítače). Proto
každý PLC má tyto dvě funkce v základním programovém vybavení.
Obr. 2:
Blokové schéma standardního modulárního PLC
Je patrné, že blokové schéma standardního modulárního PLC je velmi podobné na
architekturu mikropočítače. Základ tvoří vnitřní 16 nebo 32 bitová sběrnice, kolem které je
modulárně vytvořen celý PLC.
Zatímco u prvních PLC s bitově orientovanou CPU byla paměť programu oddělena od
paměti dat nebo naopak a pro data se používala i jiná (bitová) organizace paměti, dnešní PLC
mají jednu operační paměť, ve které jsou vyhrazeny prostory pro vstupní data, výstupní data,
vnitřní proměnné a paměťový prostor na vlastní program. Kromě toho jsou v paměti uloženy
i funkční bloky a funkce jak systémové, tak vytvořené uživatelem.
Způsob práce, který od počátku charakterizuje PLC a odlišuje je od řídicích
mikropočítačů, t.j. cyklický způsob vykonávání programu zůstal základním režimem
prakticky všech PLC. Tento základní režim práce PLC je ukázán na Obr. 3.
10
Obr. 3:
Časový diagram základní funkce PLC
2.1.2 Vstupní/výstupní podsystém PLC
Programovatelný automat má perfektně propracovaný podsystém vstupů a výstupů.
Tato vlastnost (platí i pro velmi malé PLC), která charakterizuje tyto řídicí systémy, je jednou
z příčin jejich trvalé popularity. Zatímco s nákupem programovatelného automatu uživatel
přirozeně nakupuje perfektně vyřešený podsystém vstupů a výstupů v pevné konfiguraci
(kompaktní PLC) nebo v jednotlivých V/V modulech. V případě, že se rozhodne pro některou
jinou alternativu řídicího systému (jako mikropočítač, programovatelné hradlové pole apod.),
musí podsystém vstupů a výstupů řešit.
Na Obr. 4 je principiálně znázorněno řešení karet digitálních vstupů PLC.
Obr. 4:
Digitální vstup
Digitální vstupy bývají i v universálním provedení (střídavé i stejnosměrné napětí viz
Obr. 5). Kromě galvanického oddělení jsou vybaveny filtrem pro odfiltrování poruchových
signálů (3 – 10 ms RC filtr na vstupu) a diodami pro ochranu proti přepólování a proti
napěťovým špičkám (Obr. 4). Digitální výstupy jsou buď v nevýkonovém provedení do max.
stovek mA (s tranzistorem Obr. 6) nebo výkonové (s tyristorem) nebo reléové pro spínání
větších výkonů stejnosměrných i střídavých.
Obr. 5:
Universální digitální vstup
Obr. 6:
11
Zapojení digitálního výstupu
Kromě digitálních (též binárních) vstupů a výstupů DI/DO poskytují uživateli jak
mnohé kompaktní, tak především modulární PLC i analogové vstupy a výstupy. Analogové
vstupy jsou napěťové pro stejnosměrné napětí s různou přesností A/D převodníků (typicky
12bitové), nebo proudové (4 – 20 mA), nebo proudové pro připojení Pt100. Analogové
výstupy jsou v různém provedení dle požadovaného výkonu. Často se analogový výstup
realizuje formou šířkově modulovaných výstupních impulsů konstantní amplitudy.
Obr. 7:
Zapojení skupiny výstupů
2.1.3 Speciální moduly
U modulárních PLC najdeme velkou nabídku speciálních modulů, které rozšiřují
působnost programovatelného automatu daleko za původní hranice jeho určení. Jde např.
o moduly realizující až 8 regulačních smyček s volitelnými parametry PID regulátorů. Dále
o moduly pro řízení hydraulických servoventilů a proporcionálních ventilů, moduly
diagnostiky, vizualizační moduly pro sledování procesu na připojených provozních
obrazovkách (tyto velmi drahé moduly již ztratily na významu s příchodem prostředí
Windows), moduly pro měření teploty, pro regulaci teploty, a další. Zvláštní místo mezi
speciálními moduly zaujímají moduly komunikační. Pomocí těchto modulů jsou automaty
propojovány navzájem mezi sebou a s vyššími i nižšími úrovněmi řízení po průmyslových
sériových sběrnicích.
2.1.4 Silová část PLC
Do této části zahrneme jak rám programovatelného automatu, tak napájecí zdroj.
Kompaktní a velmi malé PLC jsou v jiném mechanickém provedení, než modulární PLC.
Napájecí zdroj, CPU, podsystém I/O, speciální moduly (komunikační rozhraní) jsou
provedeny v jednom kompaktním celku bez možnosti rozšíření (jedině připojením dalšího rozšiřujícího kompaktního modulu, viz kupř. Telemecanique TSX). Naproti tomu mechanické
provedení modulárních PLC umožňuje modulární výstavbu systému, volbu její minimální až
maximální varianty, připojování rozšiřujících rámů, propojování automatů navzájem mezi
12
sebou a se sousedními úrovněmi řízení pomocí sériových sběrnic. Rám se již zcela výjimečně
konstruuje robustně, s vývojem mikroelektroniky se systémy zmenšily z velikosti
odpovídající dvojitému evropskému formátu na jednoduchý. Jen nejvýkonnější automaty jsou
pak stále ještě v provedení 2E. Moduly (karty) zaujímají v rámu jednu nebo 2 pozice.
Provedení rámu zpravidla definuje i pozici karet. Výkonový zdroj (buď na 230V AC, nebo na
24V DC) má danou pozici, podobně jako CPU. Rovněž přídavná paměť a komunikační
procesory mají přesné místo v rámu. Ostatní karty (někdy s výjimkou speciálních karet) mají
polohu libovolnou. Rám je vybaven vnitřní paralelní systémovou sběrnicí pro signálové
a elektrické propojení modulů s CPU a pamětí. Umístění karty v rámu však zpravidla určuje
i její adresu a dle tohoto fyzického uspořádání karet je třeba systém zkonfigurovat.
Mechanické upevnění modulů (karet) je v provedení" plug-and-play" a klade na obsluhu
minimální nároky. U předcházející generace středních a velkých PLC byl v rámu umístěn
i ventilátor. Rám se zpravidla montuje na montážní lištu do rozvaděče, neboť současná
generace PLC již není v takovém IP krytí, aby se umisťovala přímo do procesu. Rám
zpravidla obsahuje i modul s konektory pro propojení rozšiřujících rámů. Tak je možné
rozšířit počet I/O, příslušejících k dané CPU, umístěné v základním rámu. Vzdálenost bývá
buď krátká (do 1m, když se jedná o rozšíření v jednom rozvaděči) nebo do 10 m.
2.1.5 Modul CPU
Tento modul tvoří jádro PLC a je zpravidla k disposici v různém provedení dle výkonu
procesoru. Modul CPU je také jediným modulem, ve kterém se během životnosti daného PLC
dá pružně reagovat na vývoj mikroelektronické technologie. Moduly CPU mají též
zabudováno některé programovací nebo komunikační rozhraní pro přenos programu do
paměti programu. Moduly CPU modulárních PLC musí toto programovací rozhraní
obsahovat z principu, u modulárních záleží na výrobci, zda rozhraní provede jako
samostatným modul nebo zda jím vybaví modul CPU. Rozdíl v ceně modulu CPU
s rozhraním kupř. Profibus a bez něj je značný.
Modul CPU je zpravidla vybaven:
•
procesorem s 16 nebo 32, výjimečně s 64 bitovým slovem
•
může být doplněn bitovým procesorem pro rychlé řešení logických rovnic (jen
u velkých a některých středních PLC a u starší generace PLC)
•
bitovými registry (flags)
•
pamětí EPROM pro operační systém
•
pamětí RAM (zálohovanou) pro program
•
pamětí RAM (zpravidla zálohovanou) pro V/V data
•
programovacím rozhraním
•
standardizovaným rozhraním s protokolem pro sériovou komunikaci s nižší
i vyšší řídicí úrovní
13
2.2 Programování PLC
2.2.1 Úvod do programového vybavení PLC
Základní režim práce programovatelných automatů je cyklický režim provádění řídicího
programu. Tím se zásadně liší od počítačů pro vědecko – technické výpočty i od řídicích
počítačů, minipočítačů a mikropočítačů. Je to dáno tím, že původním posláním PLC byla
náhrada reléové a bezkontaktní logiky. Ta ovšem také pracuje jako paralelní řídicí systém,
protože na danou kombinaci vstupních signálů (vstupní vektor) dává v libovolném okamžiku
odpovídající reakci (výstupní vektor). Programovatelné automaty simulují tuto funkci
rychlým sériovým zpracováním vzorku vstupního vektoru a vysláním výstupního vektoru
opět v jednom okamžiku. To předpokládá, že řídicí program obsahuje všechny logické funkce
mezi vstupními, vnitřními a výstupními signály, které jsou potřebné pro řízení daného
technického zařízení v logickém sledu. Dále to předpokládá, že programy jsou řízeny
jednoduchým operačním systémem reálného času, který zaručuje naskenování vstupního
vektoru, výpočet všech logických rovnic, které popisují daný řídicí systém a vyslání
výstupního vektoru na výstupní zařízení, která realizují výstupní signály. Kromě toho musí
operační systém také zajistit spuštění a stop PLC a jeho vnitřní diagnostiku. Na Obr. 8 je
ukázka principu řešení programového vybavení PLC.
Obr. 8:
2.2.2
Idea provádění řídicího programu PLC
Operační systém PLC
Operační systém je soubor programů, které spolu s dalšími vlastnosti výpočetního
systému tvoří základ pro pracovní režimy výpočetního systému. Zejména vykoná řízení
a dohled nad běžícími programy. Programovatelné automaty PLC jsou vybaveny zpravidla
jednoduchým, spolehlivým operačním systémem reálného času. Jednoduchost a spolehlivost
operačního systému (OS) programovatelných automatů hraje významnou roli
v konkurenceschopnosti PLC oproti IPC a dalším prostředkům průmyslové automatizace.
Obr. 9:
Cyklický režim PLC
Tento operační systém musí zajistit výše uvedené funkce pro provádění jak cyklického
programu (Obr. 9), tak reagování PLC na vnitřní i vnější události mimo cyklický režim.
14
Režim přerušení může být parametrizován, takže časově kritické akce mohou být obslouženy
mimo cyklus PLC.
Proto je v PLC implementována některá z forem mnohonásobného provádění úloh,
tzv. multitasking. V současné době, kdy většina PLC má k disposici jen jednu CPU, nejde
o skutečný paralelní běh úloh na multiprocesorovém systému, ale pouze o souběžné
vykonávání několika úloh na jediném procesoru. V dalším uveďme princip jednoduchého
multitaskingového systému, implementovaného často na stávajících PLC.
Jedná se o jistou jednoduchou formu multitaskingu, kdy i zde lze rozlišovat přerušení
od časovače (time-driving-multitasking) a přerušení od procesu (event- driving-multitasking).
Na Obr. 10 je znázorněna funkce PLC při time-driving-multitasking [ 1 ].
Jednotlivým úlohám (task) jsou přiřazeny priority 1 až 4. Čím vyšší číslo, tím vyšší
priorita. Úlohy 4 a 2 se vykonávají v každém cyklu, protože jde o časově kritické úlohy, které
nestačí ošetřovat s delší periodou. Naopak úlohy 3 a 1 stačí ošetřovat jen každý druhý cyklus.
Na Obr. 10 je dále vidět, že dle priority jsou tasky vykonávány v pořadí 4-3-2-1 a dále to, že
doba cyklu není dostatečně dlouhá, takže task 1 se nestačí vykonat v jednom cyklu. Zbytek
úlohy (task1) se proto musí vykonat v následujícím cyklu, ale s prioritou nižší, než mají úlohy
4 a 2. V tomto režimu může každý uživatel psát svoji úlohu nezávisle na ostatních úlohách.
Každý task využívá samostatně "svoje vstupní veličiny". Funkce přerušení je podobná i v
případě přerušení od procesu. Kupř. změna vstupní veličiny způsobí start příslušného tasku.
Některé multitaskové systémy umožňují libovolnému tasku využívat libovolné proměnné
(vstupní, vnitřní proměnné).
Obr. 10:
Time-driving-multitasking u PLC
I při existenci přerušení zůstává ve většině případů cyklický režim funkce, znázorněný
na Obr. 9, základním pracovním režimem. Doba cyklu PLC je zpravidla definována jako
doba, kterou PLC potřebuje k načtení dat, vyslání dat na výstupy a zpracování 1k instrukcí
(nikoli 1 instrukce, neboť program o 1 instrukci nedává smysl). Typická doba cyklu
moderních PLC (k roku 2000) je 1 - 5 ms, přičemž PLC s rychlými CPU do 1 ms jsou
k disposici (Mitshubishi a další).
2.2.3
Programovací jazyky
Stávající programovací jazyky PLC jsou velmi jednoduché. Odpovídají stále ještě ve
velké míře svému původnímu poslání, totiž umožnit projektantům logické úrovně řízení přejít
z HW řešení boolovských rovnic (pomocí reléové nebo bezkontaktní logiky) na řešení
Booleovských rovnic programem pro programovatelný automat. Proto převažují tyto
programovací jazyky:
A. Grafické
•
jazyk reléových schémat - Ladder Diagram (LD)
•
15
jazyk logických schémat - Function Block Diagram (FBD)
B. Algebraické
•
mnemo kód (SL - Statement List)
S vývojem HW programovatelných automatů docházelo i k vývoji programovacích
jazyků. Přesto v Německu a střední Evropě se používá v největší míře mnemo kód (německy
AWL- Anweisungsliste) kombinovaný s programováním pomocí funkčních bloků a jazyk
reléových schémat LD. Ve Francii se prosadil moderní a velmi efektivní jazyk pro popis
sekvenčního systému GRAFCET, kombinovaný s LD. Na severamerickém kontinentu se
používá takřka výhradně Ladder Diagram. Před několika lety mezinárodní elektrotechnická
komise IEC vydala normu, týkající se programovatelných systémů a systémů logického řízení
jako takových. Tato norma bude popsána v dalším. Klade si za úkol maximální normalizaci
HW a zejména způsobu programování PLC. Je celou řadou výrobců PLC akceptována, avšak
má i celou řadu kritiků a její osud není znám s ohledem na rychlý vývoj mikroelektronické
technologie. Přesto zůstává nejvýznamnější iniciativou v oblasti programování PLC od
vzniku této techniky.
Třetí část Normy IEC 1131-3 se zabývá programováním a programovacími jazyky.
Zahrnuje všechny nejobvyklejší programovací jazyky a doplňuje je na následující množinu:
A. Grafické
•
LD
•
FBD
•
SFC
B. Algebraické
•
IL
•
ST (Structured Text), vyšší programovací jazyk, podobný PASCALu
Sequential Function Chart (SFC) je grafický jazyk vycházející důsledně z GRAFCETu
a prakticky totožný s jeho průmyslovou variantou.
Kromě toho programovací model IEC 1131-3 vychází z prvků strukturovaného
programování a podporuje další programovací přístupy, které v oblasti PLC nebyly příliš
používány jako povinná deklarace proměnných na počátku programu, jasně definované
požadavky na funkce a funkční bloky ap., což v konečném důsledku spěje k systémově
neutrálnímu programování PLC, umožňujícímu přenositelnost programu z jedné HW
platformy (automatu) na druhou a to i jiného výrobce.
U PLC byl vždy kladen velký důraz na spolehlivost a bezpečnost. V dnešní době se tyto
požadavky kladou na všechny řídicí systémy ve zvýšené míře. Programovatelné automaty se
vyznačují vysokou odolností proti rušení (potenciálové oddělení vstupů a výstupů),
definovaným chováním v případě výpadku napájení (uvedení do bezpečného stavu,
automatický restart, uložení programu v nedestruktivní paměti, diagnostika vnitřní i vnější).
Podrobnější rozbor řešení vysoce bezpečných a vysoce spolehlivých PLC přesahuje rozsah
těchto skript, avšak pro jeho důležitost mu bude věnována pozornost v přednáškách.
2.3 Otázky ke kapitole 2
1) Základní vlastnosti programovatelných automatů.
16
2) Blokové schéma modulárního PLC.
3) Které systémy konkurují PLC a s jakým výsledkem?
4) Časový diagram základní funkce PLC.
5) Princip obvodového řešení vstupních jednotek PLC.
6) Princip obvodového řešení výstupních jednotek PLC.
7) Vlastnosti operačního systému PLC.
8) Princip funkce PLC v cyklickém a v přerušovacím režimu .
9) Příklad programového vybavení moderních PLC.
10) Programovací jazyky PLC, rozdělení, charakteristika, příklad jednotlivých
jazyků.
11) Cíle normy EN 61131 ( IEC 1131), SW model.
3 Úvod do GRAFCETu
3.1 Historie GRAFCETu
•
Do roku 1960 bylo logické řízení realizováno pomocí:
o elektromagnetických relé
o pneumatických relé
o elektronických hradel a klopných obvodů
•
V roce 1969 byl představen první programovatelný logický automat
•
Počátkem sedmdesátých let dvacátého století umožnily mikroprocesory
realizovat složité logické řídicí struktury.
PLC jsou používány zejména v následujících odvětvích:
strojírenská výroba, hutnictví, chemický, papírenský, potravinářský průmysl,
doprava a manipulace, atd.
3.1.1
Požadavky na řízení
•
Popsat sekvenci stavů systému řízeného diskrétními událostmi, přičemž systém
může obsahovat obrovské množství stavů.
•
Postihnout souběžné děje pro dosažení jednoduchosti a srozumitelnosti.
•
Obecně, máme-li systém, tak v daném okamžiku pouze změna malého množství
vstupů znamená změnu malého množství výstupů. Metodika popisu systému by
měla operovat pouze s těmi vstupy/výstupy, které se v daném okamžiku mění.
•
Zajistit snadné pochopení a porozumění vstup-výstupního chování řídicího
automatu.
Na základě těchto požadavků vznikl GRAFCET.
17
•
Franzouzský standard: 1982 → GRAFCET: GRAphe Fonctionnel de
Commande Etapes Transitions
•
Mezinárodní standard: 1988 (IEC 848) – „Sequential Function Chart“ (SFC)
3.2 GRAFCET: Popisný nástroj
Příklad 3.1:
Chování chodce při přechodu přes silnici se semaforem.
1
r1
t1
2
r2
t2
3
t3
RUN
r4
t4
r3
4
Obr. 11:
WALK
WALK
Chování chodce na řízeném přechodu
Vstupy:
Výstupy:
r1 – zelená
WALK - chůze
r2 – blikající varovné světlo
RUN - běh
r3 = r4 - dosažení chodníku
Příklad demonstruje chování chodce při přechodu vozovky na přechodu pro chodce
řízeného světelným signalizačním zařízením. Vlastní GRAFCETový model popisuje
rozhodovací mechanismus chodce, který řeší řídící úkol. Model se skládá z kroků (čtvereček
označený číslem {1, 2, 3, 4}) a přechodů (silná příčná čára {t1, t2, t3, t4}), přičemž z jednoho
kroku do druhého se přechází na základě splnění podmínky připojené k přechodu (podmínky
jsou {r1, r2, r3, r4}). Aktivní krok v daném okamžiku je označen tečkou. GRAFCETový
model využívá pro vlastní rozhodování charakteristik popisující vstupy do rozhodovacího
procesu chodce, což jsou informace o barvě svítícího světla (r1, r2) na semaforu a informaci o
dosažení okraje chodníku (r3, r4) na druhé straně vozovky. Dále výstupy GRAFCETového
modelu popisují akční zásahy řídícího algoritmu (příkazy WALK, RUN).
Vlastní logika GRAFCETového modelu popisuje rozhodovací mechanizmus
odehrávající se v mozku chodce. Na počátku stojí chodec těsně před přechodem pro chodce
(GRAFCET je aktivní v kroku 1 – krok 1 obsahuje token=tečka). První rozhodnutí chodec
prování, když identifikuje, zda svítí zelené světlo na semaforu (r1=TRUE). Jestliže je tato
podmínka splněna, potom je aktivován krok 2 (GRAFCET je aktivní v kroku 2, krok 1 je
deaktovován) a je proveden příkaz WALK (příkaz pro chodce, aby šel volnou chůzí). Nyní
může dojít ke dvou různým situacím:
a) Chodec přešel přechod a dosáhnul druhé stany vozovky (je splněna podmínka
r4=TRUE). Potom GRAFCET přejde do kroku 4 (je aktivní krok 4, krok 2 je
18
deaktovován) a je aktivován akční zásah WALK, tj. chodec pokračuje ve volné
chůzi na chodníku za přechodem a rozhodovací mechanizmus končí.
b) V průběhu přecházení přechodu začalo blikat varovné světlo (r2=TRUE), což
znamená, že se blíží konec doby svitu zeleného světla a bude následovat přepnutí na
červenou. Potom GRAFCET přejde do kroku 3 (je aktivní krok 3, krok 2 je
deaktovován) a je aktivován akční zásah RUN, tj. chodec začne utíkat tak, aby
urychlil přecházení. Dále pokračuje rozhodovací mechanizmus stejně jako v první
situaci, jen ukončení přecházení je dáno splněním podmínky r3=TRUE.
3.2.1
Základní elementy – Kroky
1.
GRAFCET je graf, který obsahuje dva typy uzlů:
KROKY a PŘECHODY
2.
Orientované hrany spojují buď krok s přechodem, nebo přechod s krokem
KROKY: Krok je reprezentován čtvercem:
1
2
3
Neaktivní
Aktivní
Počáteční
Obr. 12:
Základní elementy GRAFCETu – Kroky
Krok může nabývat dvou stavů:
•
aktivní: Aktivní krok je reprezentován přítomností tokenu (tečky), viz krok 2
•
neaktivní: Viz krok 1
Kroky, které mají být aktivní při startu systému mají dvojité orámování a říká se jim
počáteční kroky (viz krok 3).
Věta 3.1:
GRAFCETu.
3.2.2
Akce jsou přiřazeny krokům, tyto akce representují výstupy
Základní elementy – Přechody
PŘECHODY: Přechod je representován příčnou tlustou čarou:
(3)
(1)
R1
(2)
Jednoduchý
Obr. 13:
R3
(4)
R2
Spojovací AND
Rozdělující AND
R4
Spojovací a rozdělující
AND
Základní elementy GRAFCETu – Přechody
Poznámky:
•
Přechodový symbol je reprezentován příčnou tlustou čarou.
•
V případě, že se jedná o přechod spojující dvě a více hran, musí být před tímto
symbolem ještě navíc dvojitá příčná čára, viz přechod (2) a (4).
•
19
Jedná-li se o rozdělující přechod, ze kterého vychází dvě nebo více hran, musí
být tento symbol následován dvojitou příčnou čarou, viz přechody (3) a (4).
Věta 3.2:
Receptivita (rozhodovací práh) Ri je přiřazená každému přechodu (i).
Věta 3.3:
Receptivita je funkcí vstupních proměnných a případných vnitřních
stavů.
Rozdělující AND funkce umožňuje spustit na základě jedné podmínky dva či více
paralelních procesů. Přičemž jeden token v kroku bezprostředně předcházejícím přechod se
rozpadne na tolik tokenů, kolik paralelních větví následuje za funkcí Rozdělující AND
a všechny bezprostředně následující kroky budou aktivovány.
Spojovací AND umožňuje na základě jedné podmínky ukončit dva či více paralelních
procesů. Přičemž aby byly ukončeny všechny paralelní větve, musí být splněny dvě
podmínky, a to všechny bezprostředně předcházející kroky musí obsahovat token a přechod
musí být aktivní. V tomto případě se sloučí všechny tokeny v krocích bezprostředně
předcházející přechod v jeden, který bude umístěn v kroku bezprostředně následujícím.
Spojovací a rozdělující AND umožňuje synchronizovat paralelní procesy. Jedná se
o obdobu semaforu v real-time systémech, kde běží více paralelních procesů, a v jednom
okamžiku jsou tyto procesy časově synchronizovány. Proto, aby byly ukončeny paralelní
procesy předcházející přechodu musí všechny bezprostředně předcházející kroky obsahovat
token a přechod musí být aktivní. V tomto případě jsou tokeny sloučeny do jednoho, který
přejde přes přechod a následně je rozdělen na tolik tokenů, kolik je spouštěných nových
procesů a tyto tokeny jsou umístěny do bezprostředně následujících kroků.
3.2.3
Základní elementy – Orientované hrany
ORIENTOVANÉ HRANY: Jsou reprezentovány jednoduchou linkou:
(1)
R1
(3)
(4)
R3
R4
3
1
2
(5)
(2)
R5
(6)
R6
R2
Spojovací OR
Obr. 14:
Rozdělující OR
Orientovaná
hrana
zdola nahoru
Základní elementy GRAFCETu – Orientované hrany
Poznámky:
•
Orientovaná hrana musí vždy spojovat krok s přechodem, nebo přechod
s krokem.
•
V grafické representaci musí obsahovat šipku pouze hrana jdoucí zdola nahoru.
Rozdělovací OR funguje jako podmíněné spuštění procesů, přičemž zastává funkcí
přepínače. Na základě platnosti podmínky v jedné větví pokračuje vývoj programu právě
touto větví. Jedná se o ekvivalent příkazu IF R5 THEN … ELSEIF R6 THEN …
Spojovací OR umožňuje sloučit více alternativních větví do jedné centrální, kterou
pokračuje vývoj programu.
20
Orientovaná hrana zdola nahoru umožňuje provést návrat v programu, a tudíž
vytvářet smyčky v programu.
3.2.4
Základní elementy – obecné poznámky
•
V GRAFCETu nemusí mít krok žádný vstupní a/nebo žádný výstupní přechod.
Podobně přechod nemusí mít žádný vstupní a/nebo výstupní krok.
•
Přechod bez vstupního kroku se nazývá zdrojovým přechodem, přechod bez
výstupního kroku se nazývá cílovým přechodem.
•
Orientovaná hrana musí vždy mít výchozí uzel (přechod nebo krok) a musí mít
i cílový uzel (přechod nebo krok).
3.3 Vývoj stavu
1
(1)
R1
2
3
(2)
Action A
R2
4
(3)
Obr. 15:
R3
Vývoj stavu
Aktivní krok obsahuje právě jeden token, neaktivní krok neobsahuje žádný token.
Všechny aktivní kroky v daném okamžiku (např. viz obrázek) plně definují situaci (stav
systému) v daném okamžiku. Následný vývoj situace je dán pálením (Firing) přechodů.
Obr. 15 ukazuje systém popsaný GRAFCETem. Tento systém obsahuje 4 kroky a 3
přechody. Kroky 2 a 3 jsou aktivní. Daná situace je reprezentována množinou aktivních
kroků, tedy v tomto případě {2, 3}. Akce A, související s krokem 3 je prováděna od okamžiku
aktivace kroku 3.
Věta 3.4:
3.3.1
Proměnná Xi je Booleovskou proměnnou, která nabývá hodnoty 1,
tehdy a pouze tehdy, když je krok i aktivní. Proměnná Xi se nazývá
stavovou proměnnou kroku.
V našem případě: X1 = X4 = 0, a X2 = X3 = 1.
Zapalitelný (Firable) přechod
Přechod je zapalitelný (Firable) tehdy a jen tehdy, když jsou splněny obě následující
podmínky:
21
•
Všechny kroky bezprostředně předcházející danému přechodu jsou aktivní
(říkáme, že přechod je povolen - Enabled)
•
Receptivita přechodu nabývá hodnoty „True“ (log. 1)
V našem příkladě přechody (1) a (3) nejsou povoleny. Přechod (2) je povolen a tudíž je
zapalitelný v případě, že receptivita R2 nabývá hodnoty „True“.
3.3.2
Pálení (Firing) přechodu
Pálení přechodu spočívá v deaktivaci všech předchozích kroků a aktivaci všech
následujících kroků.
1
1
2
(i)
3
Ri
2
(i)
4
Ri
3
4
Přechod (i) je povolen a zaráz Ri=TRUE.
Obr. 16: Pálení přechodu
Jestliže všechny bezprostředně předcházející kroky obsahují token a receptivita
přechodu Ri je TRUE potom přechod zapálí. Všechny bezprostředně předcházející kroky
danému přechodu jsou deaktivovány a jsou aktivovány všechny bezprostředně následující
kroky.
3.3.3
Pravidla pálení přechodů
Věta 3.5:
Pravidlo 1:
Všechny zapalitelné přechody okamžitě pálí.
Věta 3.6:
Pravidlo 2:
Všechny současně
současně.
Věta 3.7:
Pravidlo 3:
V případě, že krok má být současně aktivován
a deaktivován, tak zůstává aktivní.
zapalitelné
přechody
pálí
22
7
7
Před zapálením
1
2
(67)
(1)
a
(2)
3
a
(6)
b
4
(7)
b
8
9
8
9
7
7
Po zapálením
1
b
2
(67)
(1)
a
(2)
3
Obr. 17:
a
(6)
b
4
(7)
b
b
8
9
8
9
Příklady pálení přechodu
Jak předejít konfliktu mezi dvěma přechody:
1
(1)
a
(2)
2
b
3
1
(1)
a
2
1
(2)
b·a
(1)
a·b
(2)
a·b
(3)
a·b
3
2
Možná úprava v případě,
že pouze jeden přechod
má zapálit.
Obr. 18: Řešení konfliktu
3
Možná úprava v případě,
že musí zapálit oba přechody.
23
Obr. 18 uvádí příklad, kdy není známo, zda zapálí pouze jeden přechod, nebo zda
budou pálit oba přechody. Z tohoto důvodu, aby se ošetřil konfliktní stav, takže je nezbytné
původní strukturu upravit podle upřesněných požadavků.
3.4 AKCE A RECEPTIVITA
3.4.1
Bereme v úvahu čas
Čas může být použit k definování receptivity nebo k omezení délky trvání akce.
Zápis používaný pro časovou proměnnou:
Věta 3.8:
Proměnná t / i / ∆ je booleovská proměnná, která nabývá hodnoty 1
tehdy a jen tehdy, když uběhl alespoň časový interval o délce ∆ od
okamžiku, kdy naposledy krok i přešel z neaktivního do aktivního
stavu.
a
b
5
(1)
1
0
1
0
1
X5 0
a
1
X6 0
6
(2)
10 sec
1
t/6/10 sec 0
b
20 sec
1
t/6/20 sec 0
Obr. 19:
3.4.2
Ilustrace časové notace t / i / ∆
Detaily týkající se časové notace t / i / ∆
Initial
time
Xi
t/i/∆
↑t/i/∆
t/i/∆
A
B
C
D
1
0
∆
∆
1
∆
∆
∆
0
1
0
Obr. 20:
Příklady časových závislostí
•
Případ A popisuje základní časovou notaci, kdy časové zpoždění je kratší než
doba aktivity řídicí stavové proměnné. Časová proměnná bude generována.
24
•
Případ B popisuje situaci, kdy zpoždění je delší než doba aktivity řídicí stavové
proměnné. Časová proměnná bude generována i po zániku řídicí stavové
proměnné.
•
I když krok I je aktivní pouze přechodně (nestabilní situace), dojde ke změně
z neaktivního do aktivního stavu, což je dostatečné ke spuštění časové prodlevy
(Případ C: zvláštní varianta případu B, kde došlo k aktivaci kroku i po dobu
kratší, než ∆).
•
Když nastanou dvě události různé od Xi v časovém intervalu kratším než ∆, je
směrodatná poslední změna stavu, viz. případ D.
•
Jelikož je proměnná (t / i / ∆) proměnnou booleovskou, lze definovat událost
↑ (t / i / ∆).
3.5 Akce a výstupy
Existují dvě hlavní kategorie akcí, jsou to úrovňové a impulsní akce. Oba typy akcí se
liší logikou provádění. Následující kapitoly popisují typy jednotlivých akcí.
3.5.1
Úrovňové akce
Tato akce je modelována booleovskou proměnnou. Akce může být podmíněná, nebo
nepodmíněná.
Nepodmíněná úrovňová akce je prováděna tak dlouho, dokud je příslušný krok
aktivní, tj. že časově výstupní proměnná kopíruje příslušnou stavovou proměnnou
korespondujícího kroku.
Podmíněná úrovňová akce se chová obdobě jako klasická úrovňová akce s tím
rozdílem, že její platnost je omezena platností ještě další logické proměnné. Výstupní
proměnná je aktivní za předpokladu, že příslušný krok je aktivní a zároveň podmiňující
proměnná je ve stavu TRUE.
Oba typy úrovňových akcí demonstruje Obr. 21.
R1
1
(1)
R2
R1
2
(2)
Valve V open
(4)
R4
R3
Valve W open
if a
R4
0
1
0
1
X2 0
R3
3
4
1
1
Valve V open 0
R2
(3)
25
1
0
1
0
1
X2 0
1
a 0
1
Valve W open 0
Obr. 21:
3.5.2
Nepodmíněná a podmíněná úrovňová akce
Úrovňové akce – rozšířené možnosti podmíněných akcí
Podmíněná úrovňová akce může být podmíněna jakoukoliv binární proměnnou. Touto
proměnnou může být ve smyslu definice i stavová proměnná jakéhokoliv kroku, a to i kroku
z jiného nezávislého GRAFCETu. Stejně tak může být podmiňující proměnou časová
proměnná, která je rovněž binární. Tyto dva příklady popisuje Obr. 22.
26
7
R5
5
(5)
R6
R5
Valve Y open
if X7
6
(6)
1
0
1
0
1
X6 0
1
X7 0
R6
1
Valve Y open 0
R8
8
(8)
R9
R8
Valve Z open
if (t/9/10 sec)
9
(9)
1
0
1
0
1
X9 0
1
(t/9/10 sec) 0
R9
10 sec
1
Valve Z open 0
Obr. 22:
Další možnosti podmíněných úrovňových akcí
3.5.3 Úrovňová akce v nestabilní situaci
Akce nastavení úrovně nemůže mít nekonečně krátké trvání. Pokud token projde
krokem v nekonečně krátkém okamžiku, potom korespondující úrovňová akce nebude
generována. Tuto situaci demonstruje Obr. 23. Jelikož podmínka R9 časově předchází
podmínku R8, potom tokem projede krokem 9 v nekonečně krátkém okamžiku. Tomuto stavu
říkáme nestabilní situace.
R8
8
(8)
9
(9)
R9
R8
Valve V open
0
1
0
1
X9 0
1
Valve V open 0
R9
Obr. 23:
1
Úrovňová akce v nestabilní situaci
Poznámka:
27
Úrovňová akce má z definice konečnou dobu trvání (případně nekonečně dlouhou dobu
trvání). Jinými slovy tato akce s nekonečně krátkou dobou trvání nemůže existovat, jelikož by
neměla žádný význam. To znamená, že tato akce je definována pouze pro stabilní situace.
3.5.4
Impulsní akce
R1
1
(1)
R2
R1
2
(2)
(4)
1
0
1
R4 0
3
1
X2 0
R3
4
0
1
R3 0
Open valve V
R2
(3)
1
Shut valve V
R4
1
X4 0
1
Open valve V 0
1
Shut valve V 0
1
Valve V open 0
Obr. 24:
Impulsní akce
Impulsní akce slouží ke změně hodnoty diskrétní proměnné. Tato proměnná může, ale
nemusí být booleovského typu (může to být např. hodnota čítače). Impulsní akce spojená
s krokem je vykonána ihned jakmile tento krok přejde z neaktivního stavu do aktivního stavu,
bez ohledu na dobu setrvání v aktivním stavu. Lze říci, že impulsní akci je možné chápat jako
vyslání pokynu (udělejte toto …), zatímco akce nastavení úrovně lze chápat jako změnu
stavu.
3.6 Receptivita
Nadefinujme nyní pojmy externí a interních proměnná:
•
Externí proměnná je booleovská proměnná, která vychází z podnětů od:
1) řízeného procesu,
nebo 2) vnějšího světa (od operátora, jiného systému, apod.),
nebo 3) se jedná o proměnnou typu t / i / ∆, která je vztažená k toku času.
•
Interní proměnná je booleovská proměnná, která vychází ze:
1) situace GRAFCETu (např. proměnná X5), nebo
nebo 2) ze stavu výkonné sekce řídicího systému
(např. b = 1, jestliže čítač C má hodnotu vyšší, než 10).
28
Věta 3.9:
3.6.1
Receptivita může být jak logickou podmínkou, externí událostí, nebo
událostí s podmínkou.
Podmínky
Podmínka označovaná Ci je booleovskou funkcí externích a interních proměnných,
např.:
C1 = a + b ⋅ X 4
3.6.2
C 2 = (t / 4 / 10 sec) + b ⋅ c
nebo
Události
Události označované Ei jsou nástupné nebo sestupné hrany externích proměnných
(nebo externích funkcí), např.:
E 3 =↑ a
3.6.3
nebo
E 4 =↓ (a + b) nebo
E 5 =↑ (t / 8 / 10 min)
Událost s podmínkou – Receptivity
Událostí může být například vzestupná hrana ↑ a podmínkou může být např.
výraz (b + X3). Spojením nám vznikne:
R 6 =↑ a ⋅ (b + X 3)
Tento poslední, třetí příklad je nejobecnější, předchozí dva příklady je možné chápat
jako partikulární příklady. Receptivitu můžeme kdykoliv zapsat jako:
Ri = Ei ⋅ Ci
3.7 Příklady popisu GRAFCETem
Příklad 3.2:
Nakládání vozíku
Vozík se pohybuje mezi body A a B. V bodě A může operátor požádat o dodání vozíku,
který má být naložen. Vozík pokračuje do bodu B. V okamžiku příjezdu je vozík naložen
otevřením násypníku.. Když je nakládání dokončeno, je násypník uzavřen a vozík se vrací do
bodu A, kde je jeho náklad zpracován. Na další cestu vyrazí po té, co operátor opět požádá
o naložení vozíku. V počátečním stavu je vozík v bodě A.
Loading
request
Loading
m
Load
utilization
Z
A
B
a
L
R
b
p
Functional description
Logic description
29
Vstupy PLC
Vystupy PLC
m
a
b
p
Logic controller
a
L
(4)
Processing Section
(carriage, hopper, ...)
(3)
4
p
Z
3
b
a b p
R L Z
(2)
2
Obr. 25:
Příklad 3.3:
Arrival at left
Coming back
to the left
(4)
4
End of loading
(3)
(2)
3
Loading
Arrival at right
Movement
to the right
2
Loading request
(1)
1
Load utilization
and/or waiting at A
m
Control Section
(logic controller)
(1)
1
m
R
to be carried out
R
L
Z
Nakládání vozíku
Popis vykonávání programu:
•
Po spuštění programu je aktivní krok 1 (X1=1).
•
Po stisknutí tlačítka m je deaktivován krok 1 (X1=0) a aktivován krok 2 (X2=1).
Krok 2 aktivuje úrovňovou akci R (R=1, akční zásah pro jízdu vozíku doprava).
30
•
V okamžiku, kdy vozík přijede doprava (b=1) je ukončen krok 2 (X2=0) a vypne
se úrovňová akce R (R=0). Aktivuje se krok 3 (X3=1) a spustí se úrovňová akce
Z (Z=1), která otevře násypku a dochází k plnění vozíku.
•
V okamžiku sepnutí čidla váhy (p=1) dojde k ukončení kroku 3 (X3=0) a ukončí
se úrovňová akce Z (Z=0). Uzavře se násypka. Aktivuje se krok 4 (X4=1)
a spustí se úrovňová akce L (L=1) pohonu vozíku vlevo.
•
V okamžiku příjezdu vozíku na čidlo polohy vpravo (a=1) je ukončen krok 4
(X4=0) a ukončí se pojezd doleva (L=0). Aktivuje se krok 1 (X1=1)
a algoritmus pokračujem od začátku.
Příklad 3.4:
Dělička dvěmi
Systém má vstup a a výstup S. Na obrázku je příslušný časový diagram. V počátečním
stavu je a = S = 0. Po každé, když se proměnná a změní ze stavu 0 do stavu 1, tak výstup S
změní svůj stav.
Initial time
a
Specified
system
m
S
S
Time
1
0
1
0
1
↑a 0
1
(1)
14
a
2
(2)
23
S
a
3
(3)
↑a
(1)
(2)
S
↑a
S
a
4
(4)
Obr. 26:
a
Příklad 3.5:
Dělička dvěmi
Příklad 3.6:
Pohybující se vůz
V počátečním stavu je vůz nalevo, tedy v bodě A. Když dojde ke stisknutí tlačítka m,
vůz vyrazí doprava a po dosažení bodu B se vrazí zpět do bodu A, kde zastaví. Když vůz
přijede do bodu A, tak nevyráží znovu k bodu B, a to ani v případě, že je tlačítko drženo ve
stisknutém stavu. K bodu B vyráží pouze v okamžiku stisknutí tlačítka.
31
m
L
a
R
b
A
B
1
(1)
Pressing m
2
(2)
Obr. 27:
2
Motion to right side
(2)
Carriage arrived at the left side (A)
R
b
3
Motion to left side
Příklad 3.7:
↑m
(1)
Carriage arrived at the right side (B)
3
(3)
1
(3)
L
a
Pohybující se vůz
Příklad 3.8:
Plnění nádrží
Obě nádrže jsou používány k podobnému účelu. Nádrž 1 je považována za prázdnou,
když hladina je nižší než b1 a tedy proměnná b1 = 0. Naopak nádrž 1 je plná, když hladina je
vyšší, než h1 a tedy proměnná h1 = 1. V počátečním stavu jsou obě nádrže prázdné. Když
dojde ke stisknutí tlačítka m, započnou se obě nádrže plnit otevřením ventilů V1 a V2. Když
je nádrž plná, tak dojde k zastavení plnění uzavřením příslušného ventilu. Po naplnění nádrže
je obsah nádrže vypuštěn do procesu otevřením ventilu Wi. Když dojde k vyprázdnění nádrže
i, dojde k uzavření ventilu Wi. Plnění může být zahájeno pouze po úplném vyprázdnění obou
nádrží, plnící proces je zahájen tlačítkem m. Bude presentováno několik GRAFCETů, které
vyhoví výše uvedenému zadání. Akce, které souvisí s ventily jsou akce úrovňové, tj. např. pro
V1 = 1 je příslušný ventil otevřený, a je-li V1 = 0, je ventil uzavřený.
32
Reservoir
m
V1
h1
V2
Tank 1
b1
h2
Tank 2
b2
W1
W2
Vi nebo Wi = 1
- ventil otevřen
bi nebo hi =1
- hladina zasahuje nad čidlo
33
1
4
7
↑m
(1)
↑m
(1)
2
5
V1
V2
2
h1
(2)
3
6
W1
W2
(2)
4
h2
W2
b2
(5)
=1
(6)
4
7
↑ m·X7
(1')
b1
(3)
7
V2
6
W1
b2
(5)
(4)
h1
3
b1
(3)
5
V1
h2
(4)
1
↑ m·X4
(1'')
↑m
(1)
·X7
2
h1
(2)
3
(3)
5
V1
h2
(4)
6
W1
b1
(5)
2
V2
h1
(2)
W2
3
Příklad 3.9:
V2
h2
(4)
6
W1
W2
b2
(6)
Obr. 28:
5
V1
b1·b2
Plnění nádrží
4 Současný stav a budoucnost programovatelných
automatů
Jak již bylo na jiném místě těchto skript řečeno, PLC tvoří páteř řídicích systémů
průmyslové automatizace po dobu více než 20 let. Je proto logická otázka, kdy v konkurenci
s dalšími, modernějšími řídicími systémy tuto roli ztratí. Nutno konstatovat, že se dosud
všechny prognózy, předpovídající tento vývoj, ukázaly jako liché. I po roce 2000 jsou PLC
stále nejvýznamnějším řídicím prostředkem pro řízení strojů, výrobních linek a ve značné
míře i technologických procesů. Je to dáno především jejich jednoduchostí, vysokou
spolehlivostí, tradicí i postavením nejvýznamnějších výrobců PLC (Siemens A.G., Allen –
34
Bradley, Schneider Group, ABB, Mitsubishi, Omron a dalších) na trhu automatizačních
prostředků. Jaké automatizační prostředky jsou konkurenty programovatelných automatů
a jakou mají v současné době a blízké budoucnosti naději na vytlačení PLC z vedoucího
místa? Abychom tuto otázku mohli zodpovědět, musíme si nejprve říci něco o kategoriích
PLC.
4.1 Kategorie PLC
Programovatelné automaty se dělí do několika kategorií, které se navzájem liší
především počtem vstupů a výstupů, které je PLC dané kategorie schopen obsloužit.
V současné době se terminologie ustálila na následující klasifikační stupnici PLC:
•
velmi malé
•
malé
•
střední
•
velké
Jiné dělení PLC je zásadní dělení dle flexibility počtu vstupů a výstupů (a speciálních
funkcí PLC) a umožňuje dělit PLC na
•
kompaktní
•
modulární
Současný i budoucí statut PLC se liší podle toho, do které kategorie daný PLC patří.
Vývoj ukázal, že velké PLC s více než 2056 vstupy a výstupy, obsluhovanými jedním
procesorem jsou i pro řešení pouze logického řízení jsou nevhodné a nejsou konkurence
schopné. Rozvoj sériových komunikačních sítí dále prokázal zbytečnost tak vysoké
centralizace řídicího výpočetního výkonu do jediného procesoru. Proto stávající velké PLC
(reprezentantem je kupř. Simatic S7-400 firmy Siemens) mají sice možnost rozšířit počet
vstupů a výstupů pomocí rozšiřujících modulů, prostřednictvím paralelního propojení, ale
preferují vzájemné propojení S7-400 prostřednictvím rychlých sériových komunikačních
sběrnic jako Profibus a Ethernet TCP/IP.
Další kategorie – středních PLC (reprezentantem je kupř. Simatic S7-300) je stále
hlavním automatizačním řídicím členem. Jde o modulární koncepci, kde v základním modulu
jsou soustavou paralelních i sériových sběrnic propojen modul CPU s vestavěnou operační
pamětí a pamětí vstupních, výstupních a vnitřních proměnných s dalšími moduly jako jsou
moduly digitálních vstupů, digitálních výstupů, analogových vstupů, analogových výstupů
a další moduly. Spolu s rozšiřujícími moduly ( propojenými paralelně k základnímu modulu)
mohou obsloužit více než 1028 vstupů a výstupů.
Malé automaty slouží pro menší aplikace, v kompaktní versi disponují max. 100 - 300
vstupy a výstupy, s pevně daným počtem a skladbou vstupů, výstupů, sériových a paralelních
rozhraní a implementovaných komunikačních protokolů. Nebo jsou v modulárním provedení
s možností rozšíření základního modulu o rozšiřující moduly (propojené jak paralelními, tak
sériovými sběrnicemi) opět na max. počet kolem 300 vstupů a výstupů (reprezentantem může
být Modicon TSX 37 a další). Tyto automaty budou patrně brzo nahrazeny opět
průmyslovými PC.
Velmi malé automaty jsou zpravidla v kompaktním provedení a jsou náhradou relé
a bezkontaktní logiky. Mají podobně jako větší PLC dobře propracovaný HW, který je odolný
35
proti rušení a nasazení těchto řídicích členů je jednoduché a rychlé. Mají pevný počet vstupů
a výstupů a to zpravidla výlučně digitálních. Analogové výstupy se realizují pro pomalé
řízené procesy ( jako jsou tepelné procesy) pulsně šířkovou modulací digitálních výstupů.
Jsou i poměrně levné, mívají vlastní jednoduchý programovací jazyk, často i grafický (LD,
SFC apod.). Bývají vybaveny jednoduchým komunikačním rozhraním, programují se
z vlastní HW konzoly nebo z panelu a vždy z PC přes RS 232. Nebývají zatím přímo
připojitelné na Ethernet TCP/IP a tím na internet, ale je to jen otázka času. Přetrvají jako
jednoduché řídicí jednotky ještě velmi dlouho.
4.2 Konkurenti programovatelných automatů
Jak již víme, programovatelné automaty PLC nahradily reléovou a bezkontaktní logiku.
Z této strany jim nehrozí žádná vážná konkurence, to byl historický vývoj techniky, který se
ukázal více než životaschopným. S vývojem mikroelektroniky však PLC významně
překročily původně předpokládaný rozsah své působnosti a v jisté době ( ale i v současnosti)
tvoří konkurenci distribuovaným systémům pro řízení procesů (DCS – Distributed Control
Systems). V průběhu poslední desítky let ustoupila do pozadí koncepce velkých PLC,
řazených do pyramidové hierarchické řídicí struktury, kterou se PLC snažily konkurovat
distribuovaným řídicím systémů, postaveným na bázi řídicích počítačů. Programové prostředí
ani velkých PLC nikdy nedisponovalo potřebným programovacím a projekčním komfortem
v takové míře, v jaké je poskytují DCS. Tedy DCS byla a jsou nadále nejvážnějším
konkurentem velkých PLC pro řízení velkých celků. O DCS bude stručně pojednáno
v následující kapitole. Dalším konkurentem PLC a to jak velkých, tak středních, jsou
průmyslová PC, označovaná jako IPC (Industrial PC). Není pochyby o tom, že v průběhu
dalších let vytlačí ve velké míře právě IPC programovatelné automaty z jejich dominantního
postavení. Mají výhodu ve snadné a přirozené připojitelnosti PLC k Ethernetu TCP/IP, a tím
k Internetu. Dále ve velmi krátkém inovačním cyklu implementace stále výkonnějších
procesorů a dalších mikroelektronických součástek, v nízké ceně za HW, v dokonalejším
operačním systému, ve snadné implementaci vyšších programovacích jazyků a tím i možnosti
programovat jak systém logického řízení, tak dynamickou optimalizaci i grafiku a HMI
(Human – Machine – Interface). Nicméně právě tento dokonalejší operační systém zatím
nevykazuje potřebnou spolehlivost při řízení v reálném čase, takže spotřebitelé dávají
v mnoha případech stále přednost programovatelným automatům před zdánlivě levnějšími,
modernějšími, flexibilnějšími IPC.
Dalším konkurentem PLC jsou totálně distribuované systémy. Tak se někdy označují
vestavěné (embedded) systémy a prostředky průmyslové automatizace (čidla, elektronické
jednotky pohonů, další elektrické, pneumatické i hydraulické akční členy, čítače, časovače,
průmyslové regulátory, průmyslové kamery, analyzátory fyzikálních veličin a další
prostředky. Vestavěné jsou ve smyslu vestavěné inteligence (mikrořadiče s příslušnou pamětí,
systémovými i uživatelskými programy) přímo do jednotlivých fyzikálních realizací, tj. do
čidel, elektronických řídicích jednotek akčních členů, analyzátorů, atd. Tato totálně
distribuovaná automatizace postrádá zpravidla centrální nebo decentralizovaný řídicí člen
(kupř. PLC), neboť řídicím systémem je celé toto distribuované prostředí. Nejvýznamnějším
prostředkem tohoto systému jsou sériové komunikační sběrnice. Ty umožňují přímou
vzájemnou komunikaci mezi sběrem dat z procesu a jejich přetvořením na akční zásah, který
bude adekvátní a včasnou reakcí na situaci na výstupech procesu a povede k ovládání,
stabilizaci, programovému řízení, statické nebo dynamické optimalizaci apod. Zpracování
měřených signálů, linearizace a další úpravy (signal processing) se provádějí v mikrořadičích,
vestavěných do sensorů nebo koncentrátorů dat (datalogger), případně procesorů
36
distribuovaných jednotek vstupů/výstupů. Výpočet řídicích algoritmů a generování akčních
veličin (binárních i analogových) pro ovládání ventilů, klapek, pohonů, elektrických topných
elementů, dávkovačů, dopravníků, a dalších akčních elementů, včetně speciálních, se pak
provádí v mikrořadičích, vestavěných do těchto akčních zařízení. Vzájemnou spolehlivou,
včasnou a současnou komunikaci (real – time communication) zajišťují průmyslové sériové
komunikační podsystémy jako jsou průmyslové sběrnice kategorie sensorová sběrnice (sensor
bus, používaná i pro připojení akčních členů, tedy actuator bus), sběrnice pro připojení
složitějších přístrojů (device bus) a sériová sběrnice pro připojení větších řídicích jednotek,
HMI systémů a případných nadřízených systémů (fieldbus). V poslední době je tato kolekce
prostředků nejen totálně distribuovaných systémů doplněna nejrozšířenější lokální sběrnicí
Ethernetem TCP/IP. Tato sběrnice pak umožňuje velmi snadný (a tím však pro systémy
průmyslové automatizace i nebezpečně snadný) přístup z internetu do sledování procesu a do
jeho případného nepřípustného ovlivňování.
Nejbližším konkurentem klasických PLC, jak kompaktních, tak modulárních jsou v této
chvíli systémy softwarového logického řízení, tzv. Slot PLC a Soft PLC.
4.3 Slot PLC a Soft PLC
Během doby se ustálily dvě základní kategorie SW programovatelných automatů. Jedná
se o tzv. SLOT PLC a SOFT PLC. Zatímco filosofie SLOT PLC vychází z toho, že PC není
z podstaty určeno pro řízení v nejobtížnějších podmínkách při stále se zvyšujících nárocích na
spolehlivost řídicího systému, druhá kategorie PC orientovaných PLC vychází z toho, že
vývoj elektroniky a operačních systémů povede k dosažení dostatečné spolehlivost PC jako
systému bezprostředního řízení. Soft PLC realizuje SW emulaci PLC čistě programovými
prostředky při HW podpoře tohoto záměru. Využívá CPU osobního počítače a propojení na
proces realizuje vstupními/výstupními moduly, umístěnými na vnitřní sběrnici PC. Z důvodů
zvýšení spolehlivosti je nutné používat minimálně operační systémy na spolehlivostní úrovni
Windows NT, Windows CE.
První kategorie (SLOT PLC) naopak vychází ze spojení spolehlivosti PLC a komfortu
PC. Do vnitřní sběrnice ISA nebo PCI umísťuje samostatné karty, na kterých je obvodově
vytvořeno PLC s vlastní CPU a vlastním, pro PLC nejvhodnějším operačním systémem
reálného času. Samotné PC pak může běžet pod i méně stabilním operačním systémem,
s kartou PLC komunikuje standardními SW rozhraními v prostředí Windows.
V přehledu Tab. 1 [ 2 ], [ 3 ] uveďme srovnání některých parametrů a vlastností obou
kategorií, jejich přednosti a nevýhody.
Sledovaná vlastnost
Výhody
Nevýhody
Fieldbus
Slot PLC
spolehlivost
real-time OS
říd. program běží na
samostatném PLC
vizualizace, progr. prostř. na PC
nepřetržitý běh
okamžitý náběh
autom. restart
program. jazyky PLC
heterogenní systém
vyšší cena HW
různé programování logické
a spojité úrovně řízení
Profibus
Soft PLC
kompaktní celek
využití jednotného SW prostředí
jednoduchost
využití SCADA
využití LANů
podpora standardů
nižší cena
nižší spolehl. HW
nižší spolehl. SW
vyšší cena SW
cena robustního provedení
Ethernet
Sledovaná vlastnost
Oper. systém PC (pro program.)
Oper. Systém na kartě
Procesory na kartě
Procesory v PC
Programovací SW
Programovací jazyky
Schopnost běhu při poruše PC a HD
Nějaké formy diagnostiky
WEB stránky
37
Slot PLC
CAN
DeviceNet
Interbus
další
DOS
Windows 3.1
Windows 95
Windows 98
Windows NT
DOS
OS9
Spec. RT
486, 586, Pentium
486, 586, Pentium
Step 5, Step 7
IEC 1131
vlastní
IL, FBD, SFC
Ladder
IEC 1131
ANO
ANO
omezeně
Soft PLC
CAN
Profibus
Interbus
další
Windows CE
Windows NT
Windows CE
Windows NT
RTOS
Pentium
Step 5, Step 7
IEC 1131
VisualBasic
VisualC, C++
VisualC, C++
Step
IEC 1131
NE
ANO
ano
Přehled parametrů Slot PLC a Soft PLC.
Tab. 1:
Průmyslová PC se vyrábějí v několika provedeních:
na DIN lištu v provedení do rozvaděče
•
kompaktní provedení IPC (stand alone)
•
stavebnice PC 104
•
stavebnice DIMM PC
Díky své universalitě a flexibilitě a programování ve vyšších programovacích jazycích,
umožňuje řešení s IPC snadné využití neutrálních SCADA (Supervizory Control and Data
Acquisition System) pro přímé i nadřazené řízení. Dále umožňuje snadné propojování
jednotlivých IPC navzájem mezi sebou a s vyššími i nižšími hierarchickými úrovněmi a je
nejlépe připraveno na vývoj v oblasti komunikace pomocí průmyslového Ethernetu.
4.4 Příklad použití IPC
Vzhledem k flexibilitě IPC, nabízí se i možnost kombinování PLC funkcí a CNC funkcí
v jednom nebo několika IPC. Takovým způsobem je pak možné projektovat kupř. pružné
výrobní buňky (cells). Právě zde je možné hledat uplatnění IPC v největší a nejefektivnější
míře.
38
Obr. 29:
Příklad IPC pro řízení výrobní buňky
Obr. 30:
Konfigurace IPC pro PLC a CNC řízení výrobní buňky
Na Obr. 31 je znázorněno SW vybavení IPC pro účely řízení výrobní buňky. Vzhledem
k velkému rušení jsou jednotlivé periferní moduly (umístěné přímo na strojích výrobní buňky)
propojeny světlovodičem. Zde použitý [ 4 ] LightBus pracuje s rychlostí 2,5 Mbitů/s. Při
použití skleněného vlákna je povolená vzdálenost mezi moduly 600m, pro plastikový
světlovodič to činí jen 45 m. Pro takovou aplikaci je nezbytně nutné použít nějaký systém,
integrující jak CNC řízení výrobních strojů, tak nezávislý řídicí systém kupř. robota, tak PLC
řízení některých spolupracujících strojů (dopravníky, signalizace, řízení vrtání, stavění
dopravních cest linky apod.). Průmyslové PC toto může integrovat v jeden systém snáze a s
nižšími náklady, než by to bylo možné realizovat z HW nezávislých PLC a CNC.
Předpokladem pro to je SW vybavení IPC, které obsahuje jednak:
•
real-time kernel pro PLC a CNC programy
•
multitasking a multiuser operační systém
•
vyšší programovací jazyky pro nadřazené řízení
•
programové prostředí pro PLC a CNC programování
•
aplikační SW pro PLC a CNC řízení
39
SW vybavení IPC pro účely řízení výrobní buňky
Obr. 31:
Řídicí pracoviště dále musí umožnit připojení periferií pro rychlý vstup údajů pro
výrobu (scanner) a výstup pro tisk protokolů atd. Rovněž může být vybaveno telefonním
modemem pro případ hlášení poruch apod. Propojení s nadřazenou databází standardním
Ethernetem je přirozeným vybavením každého PC.
Pro práci řídicího systému (mikropočítačového systému) v reálném čase jsou nezbytné
tyto vlastnosti:
•
hodiny reálného času
•
přerušovací systém
1) Podle kterých hledisek dělíme PLC? Proveďte rozdělení PLC podle těchto dvou
nejběžnější hledisek.
2) Vyjmenujte konkurenční systémy k stávajícím PLC. Proveďte stručnou
charakteristiku těchto konkurentů.
3) Co to je Slot PLC, uveďte charakteristiku SLOT PLC, výhody a nevýhody tohoto
řešení a perspektivu jejich použití?
4) Co to je Soft PLC, uveďte charakteristiku Soft PLC, výhody a nevýhody tohoto
řešení a perspektivu jejich použití?
5) Co to je IPC, jaký je vztah IPCV k Slot a Soft PLC? Uveďte příklad SW vybavení
IPC.
6) Nakreslete blokové schéma typického příkladu nasazení IPC.
40
5 Komunikační podsystém PLC
Jako každý počítač, tak i PLC musí být vybaven vnitřními i vnějšími komunikačními
kanály, pro přenos dat, adres a řídicích signálů. Čím větší je decentralizace celého
automatizačního systému, tím větší důraz je kladen právě na komunikační podsystém.
V začátcích mikropočítačově orientovaných CPU byly PLC vybaveny především vnitřními
paralelními sběrnicemi, souvisejícími s HW řešením mikropočítačově orientované CPU.
U modulárních PLC se každý modul připojil na systém tímto jednotným vnitřním
komunikačním podsystémem. Rozšiřující vany se pak prostřednictvím opakovačů
(zesilovačů) a krátkými (při centralizované architektuře) nebo delšími spojkami
(mnohožilovými kabely) propojovaly s centrální vanou a tím s procesorovou jednotkou,
paměťovým modulem, komunikačním modulem a dalšími (Obr. 6.1). Současně probíhal
vývoj sériových sběrnic pro sériové propojení centrální vany a periferních jednotek (Obr. 6.2).
Od samého počátku byly střední a velké PLC vybaveny sériovými sběrnicemi pro vzájemné
propojení dvou nebo několika PLC mezi sebou za účelem záskoku nebo předávání žádaných
hodnot regulačních obvodů apod. Příkladem může být systém Simatic S5 z poloviny 80. let,
který disponoval jak paralelními sběrnicemi pro propojení rozšiřujících van v centralizované
i decentralizované architektuře, tak pomalou sériovou sběrnicí L1 s rychlostí do 19,6 bitů/s,
umožňující propojit až 32 programovatelných automatů na vzdálenost kolem 50 km
s elektrickým rozhraním proudová smyčka nebo později napěťové rozhraní RS 485 (obr. 6.3).
Kromě toho mohly být tyto automaty vybaveny rychlou sériovou sběrnicí H1, kompatibilní
s nejrozšířenější lokální sítí Ethernet TCP/IP a s rychlostí 10 Mbit/s na tlustém koaxiálním
kabelu s krátkými přípojkami. V současné době je stále více automatu volitelně vybavováno
moduly pro připojení periferních jednotek vstupů/výstupů. Jde o mezinárodně
standardizované na průmyslové komunikační sítě Profibus DP a Profibus PA, CAN,
CANopen, LonTalk, Interbus a další. Jiní výrobci zůstávají u svých (proprietárních) řešení
průmyslových sériových komunikačních podsystémů jako je DeviceNet a ControlNet
(Rockwell), SDS (Honeywell), Modbus (Modicon) apod. Jednoduché sériové sítě
(sensor/actor bus) a protokoly umožňují připojit k automatům, vybaveným příslušnými
rozhraními a komunikačními procesory, rovněž jednotlivá čidla a jednotlivé akční členy nebo
mikrořadičové jednotky, umožňující rychlou sériovou komunikaci několika čidlům nebo
výstupním binárním i analogovým členům. V tom případě se jedná o mezinárodních
standardy AS-interface, HART, Interbus.
5.1 Sériové komunikační sběrnice PLC
5.1.1
Úvod do sériových komunikací
Je skutečností, že s ohledem na příznivý vývoj mikroelektroniky, není důvodu
nevybavit instrumentaci mikrořadiči (cena mikroelektroniky v inteligentní instrumentaci
nehraje dominantní roli), umožňujícími předzpracování procesních dat (filtrace a další "signal
processing"). Pro takové řešení je pak realizace sériového komunikačního kanálu přirozeným
doplněním jeho funkce.
Převažujícím způsobem propojení na úrovni procesu byla dosud proudová smyčka 0 až
20 mA, schematicky zobrazená na Obr. 32, Obr. 33. Její největší předností byla odolnost
proti rušení při malých rychlostech a vzdálenostech až stovky metrů. Nevýhodou je jen
dvoubodové propojení (tedy ke každému čidlu a akčnímu členu je nutné instalovat
dvoudrátový spoj) a malá rychlost přenosu signálu, která vyhovovala sice pro dvoubodový
41
spoj, nebyla by však dostatečná pro sériový mnohabodový spoj. Dodnes se však u některých
aplikací používá pod označením TTY. Ve většině případů však byla z výše uvedených
důvodů vytlačena napěťovými rozhraními, která se obecně vyznačují vyššími přenosovými
rychlostmi a jednodušším zapojením při tvorbě mnohobodového spoje a jak potvrzuje praxe
i vyšší odolností proti rušení.
Obr. 32:
Proudová smyčka 0-20mA s galvanický oddělením a napájením ze strany vysílače
Obr. 33:
Jiné zapojení proudové smyčky 0-20mA
Nejprve šlo opět o dvoubodový sériový interface RS 232C a krátce na to o
mnohonásobně výkonnější RS 422 (symetrický spoj, plný duplex) a RS 423 (asymetrický
42
duplex). Jako další úspěšné řešení se prosadilo rozhraní RS 485, umožňující dvouvodičový
nebo 4 vodičový plný duplex a vysokou rychlost přenosu.
Obr. 34:
Rozhraní RS 422
Na Obr. 34 je uvedeno zapojení rozhraní RS 422, na Obr. 35 rozhraní RS 423 a na
Obr. 36 zjednodušené zapojení RS 485. Na Obr. 37 pak jsou uvedeny grafy závislosti
přenosové rychlosti jednotlivých řešení na délce spoje.
Obr. 35:
Zapojení RS 423
Obr. 36:
Zapojení RS 485
5.1.2
ISO/OSI model
Komplexně se problematikou digitální komunikace zabývá OSI ISO model, neboli
model otevřených komunikujících systémů, definovaný mezinárodní standardizační
organizací ISO již v r. 1984 jako norma ISO 7498. Tento model definuje podmínky, při
jejichž dodržení mohou různí účastníci přenosu spolehlivě komunikovat navzájem mezi
sebou. Protože se jedná o model obecného přenosu zpráv, není sám o sobě jednoduchý. Jeho
struktura je patrná z Obr. 38.
Obr. 37:
43
Srovnání komunikačních standardů
Obr. 38 znázorňuje, jak se tvoří zpráva, kterou odesílá účastník A účastníkovi B
a zároveň, jak účastník B tuto zprávu přijímá. Vlastní přenos se uskutečňuje prostřednictvím
fyzického spoje mezi dvěma nebo více účastníky přenosu. Důležité je, že oba účastníci (peers)
přenosu mezi sebou tvoří na každé úrovni modelu virtuální spoje, zatímco reálný přenos dat je
samozřejmě pouze v 1. fyzické vrstvě, která obsahuje m.j. rozhraní mezi účastníkem
a přenosovým médiem. Virtuální spoj znamená, že účastníci, komunikující spolu na úrovni 7.
vrstvy, t.j. kupř. elektronickou poštou, nemají zdání o funkcích vrstev 1 až 6. Každá vrstva má
definovány dvě základní funkce. První jsou služby té vrstvy a druhá funkce je protokol vrstvy.
Protokol je soubor pravidel, kterými se komunikace mezi účastníky přenosu řídí, t.j. jak lze
zahájit přenos, jak ho provést a jak ho ukončit. Dosah každé vrstvy modelu je minimalizován
na jednu vrstvu nejblíže vyšší a nejblíže nižší vlastní entity (účastníka) a na hierarchicky
stejnou vrstvu jiného nebo jiných účastníků přenosu. Z dalšího Obr. 39 je zřejmé, jak probíhá
přenos zpráv mezi jednotlivými vrstvami.
Obr. 38:
ISO/OSI model
44
Při vysílání zprávy, vyšší vrstva volá procedurou "call" vrstvu nejblíže nižší a naopak
směrem nahoru poskytuje nižší vrstva svoje služby vrstvě vyšší. Uvnitř vrstvy se pak
uskutečňuje funkce vrstvy a vlastní protokol té vrstvy. Při průchodu zprávy od 7. vrstvy až po
vrstvu fyzickou, dochází k nabalování jednotlivých dat vlastního protokolu na originální
zprávu. Tento proces je zobrazen Obr. 40. Je to maximalistická možnost, která nebývá
využívána v uvedené míře. Ve většině případů není nutné využívat funkci všech vrstev
modelu, takže dochází k redukci (SW) kupř. vrstev 3 a 4 a 6 a 7. Obecně se dá říci, že vrstvy 1
až 3 jsou vrstvy svázané s vlastním komunikačním procesem, zatímco vrstvy 5 až 7 úzce
souvisejí s aplikačním SW. Transportní 4. vrstva tvoří přechod mezi těmito podsystémy.
Obr. 39:
Přenos zprávy mezi vrstvami OSI modelu
Obr. 40:
Fyzická tvorba paketu
5.1.3
Fyzický přenos
Při sériovém přenosu dat se informace přenášejí bit po bitu. Pokud jsou okamžiky
přechodu od jednoho přenášeného bitu k dalšímu od sebe vždy stejně vzdáleny, jedná se
o synchronní přenos. Jestliže toto není splněno, jedná se o asynchronní přenos. Při
synchronním přenosu je často kromě datového signálu přenášen rovněž synchronizační signál,
na jehož základě dochází k synchronizaci mezi vysílací stanicí a jednou nebo více přijímacími
stanicemi. Zvláštním případem synchronního přenosu jsou kódy s vnitřní synchronizací, kdy
synchronizace je zajištěna signálem, přenášejícím data. To se dá zajistit dostatečným počtem
přechodů mezi úrovněmi log. "0"a log. "1" během přenosu jednoho znaku. Této podmínce
vyhovují některé způsoby kódování signálu (kupř. Manchester) nebo některé přenosové
protokoly, které využívají vkládání bitů (tzv. bit stuffing), jak je tomu kupř. u sběrnice CAN.
Při přenosu dat asynchronním způsobem je předávání dat mezi vysílací stanicí a jednou nebo
více přijímacími stanicemi obvykle zajištěno externími signály, které např. potvrzují, že data
vyslaná na linku jsou připravena ke čtením přijímacími stanicemi nebo potvrzují, že přijímací
stanice již data převzala. Zvláštním případem asynchronního přenosu je tzv. arytmický přenos
dat, kdy se jednotlivé znaky přenášejí asynchronně, ale jednotlivé bity uvnitř znaku jsou
přenášeny synchronně. Při arytmickém přenosu dat se synchronizace pro přenos bitu uvnitř
jednoho znaku zajišťuje tak, že každý přenášený znak je doplněn tzv. rozběhovým prvkem.
Za start bitem následují informační bity (datové bity přenášeného znaku) a po nich následuje
tzv. závěrný prvek, nazývaný též stop bit. Ten někdy ještě předchází zabezpečovací - paritní
45
bit. Klidová úroveň přenosové linky mívá při asynchronním přenosu obvykle hodnotu log.
"1". Jako start bit se používá přechod z klidového stavu log."1" do log."0" (na dobu bitového
intervalu). Stop bit bývá log."1" po dobu jednoho nebo dvou bitových intervalů.
Vlastní fyzický přenos dat se děje prostřednictvím přenosového média, což je
v prostředí průmyslové automatizace zpravidla koaxiální kabel, kroucená dvoulinka nebo
světlovodič a v současnosti se začíná prosazovat také bezdrátový přenos. Nejrozšířenějším
médiem je stale kroucený dvouvodič. Koaxiální kabel byl velmi rozšířený v LAN, umožňuje
komunikaci rychlostí nad 10 Mbitů/sec, avšak používal se dost i v průmyslových aplikacích.
Třebaže kroucená dvoulinka nevykazuje dostatečnou odolnost proti rušení a rychlost přenosu
je nižší, je populární pro svoji jednoduchost a nízkou cenu. Stíněná kroucená dvoulinka je
předepsána u některých velmi rozšířených sériových sběrnic (Profibus). Optický kabel je
přenosové médium, které se prosazuje a je často kombinováno s ostatními přenosovými médii
(viz kupř. řešení sítí SINEC L2OP v systému SIMATIC S5 apod.). Používá se zejména
v prostředí silného elektromagnetického rušení.
Na fyzickém přenosu dat se dále podílejí fyzické vrstvy komunikujících účastníků sítě.
Fyzická vrstva, jak již řečeno uskutečňuje vlastní přenos zprávy formou elektrického signálu
a proto musí zaručit rozhraní mezi fyzickým spojem a linkovou vrstvou, kódování zprávy do
formy změn napěťových (nebo proudových) impulsů, dekódování, případně modulování
a demodulování takto binárně kódované zprávy.
Pro vícenásobnou komunikaci (více než dva účastníci přenosu) se pro přenosové
médium dvoudrát používá nejčastěji fyzické rozhraní RS 485, umožňující vysokou rychlost
přenosu. ( a dvouvodičový poloduplexní nebo čtyřdrátový duplexní přenos dat.)
Zpráva ve formě bitově kódované sekvence impulsů se přenáší následujícím způsobem:
•
přímo v základním pásmu
•
frekvenčně v základním pásmu
•
namodulovaná na nosný vf signál, t.j. širokopásmově
Frekvenční přenos v základním pásmu může být řešen kupř. [ 5 ] způsobem z Obr. 41.
Obr. 41:
Přenos v základním pásmu
Úroveň log 0 je reprezentována frekvencí f1 a úroveň log1 kupř. frekvencí f2. V plném
duplexu se na obou stranách spoje nachází modem (modulator/demodulátor), který provádí
modulaci a demodulaci zprávy kupř. takto:
dotaz:
log1
1.270
odpověď: log1
2.225
Hz
Hz
log0
1.070
log0
2.025
Hz
Hz
Co se týká kódování proudu bitů, v prostředí sítí se používá kódování NRZ, RZ,
Manchester II, Diferencial Manchester, Obr. 42.
46
Obr. 42:
Kódování signálu
Pokud je takto kódovaný signál přenášen v základním pásmu, šířka přenosového pásma
je určena rychlostí přenosu. Avšak i v průmyslových sítích se může použít širokopásmový
přenos, který předpokládá namodulování digitálně kódovaného signálu, některým z výše
uvedených způsobů, na nosný vf signál. Používají se především fázová a frekvenční
modulace.
Pro zabezpečení přenosu kódovaného signálu je nutná jeho synchronizace. Druhá
možnost je asynchronní přenos zpráv (Obr. 43).
Obr. 43:
5.1.4
Synchronní a asynchronní přenos zpráv
Výměna dat mezi jednotlivými účastníky
Přístup účastníků sítě ke společnému přenosovému médiu je na jedné straně určen
fyzicky - rozhraním (kupř. RS 485), zaručujícím tento spoj fyzicky - jednak funkcí dolní
podvrstvy 2. vrstvy modelu ISO/OSI. Přístup více účastníků k médiu se nazývá
multiplexování a všeobecně se používají dva druhy multiplexingu. Časový (TDM)
a frekvenční (FDM) (Obr. 44).
47
TDM a FDM
Obr. 44:
Časový multiplexing předpokládá synchronizaci přenosu zpráv. Každý z účastníků má
přidělený určitý časový interval uvnitř přenosového cyklu. V době tohoto intervalu má právo
vysílat svoji zprávu do média. Čas jednotlivých účastníků musí být synchronizován
hodinovými impulsy. Frekvenční multiplex přiděluje každému účastníku jeho frekvenční
pásmo po celou dobu cyklu. Frekvenční multiplex není jediným asynchronním způsobem
přenosu zpráv, naopak časový a frekvenční multiplex jsou méně používané přístupové
metody, než přístupové metody, vyvinuté zejména pro potřeby lokálních počítačových sítí
LAN.
5.1.5
Synchronní a asynchronní přenos dat
Klasické asynchronní přenosové protokoly lze rozdělit na
Obr. 45:
•
znakově orientované (Obr. 45)
•
bitově orientované
•
blokově orientované
Znakově orientovaný přenos
Znakově orientované metody jsou velmi jednoduché. Jejich společným rysem je , že se
snaží přenášet každý byte nezávisle. Každý datový byte zprávy je pak zahájen start bitem
a ukončen stop bitem. Tento způsob se používá v telegrafii, v telefonních modemech apod. Je
jednoduchý, avšak pomalý a méně efektivní (start, stop a paritní bit ke každému byte).
Bitově orientované přenosové metody vycházejí z toho, že se přenáší různě dlouhý
řetězec bitů zprávy najednou. Z klasických metod tohoto typu se jedná o metodu SDLC
(synchronous data link control) firmy IBM a jí podobné metody používané jinými firmami.
V automatizaci více používaná je metoda HDLC (high-data link control). Tento protokol je
48
standardizován organizací ISO a slouží jako srovnávací protokol pro jiné typy protokolů
linkové vrstvy. Formát rámce HDLC je ukázán na Obr. 46.
Rámec HDLC
Obr. 46:
Rámec je zahájen startovací posloupností 6 jedničkami mezi dvěma nulami a stejnou
posloupností je i ukončen. Vzhledem k tomu, že ve vlastní zprávě často dochází k podobné
posloupnosti a přijímací stanice by ji mohla vyhodnotit jako ukončení přenosu rámce HDLC,
používá se pro kódování zprávy metoda vkládání nuly, tj. v datové posloupnosti , ve které se
vyskytne 5 jedniček za sebou se za pátou jedničku vkládá nula a teprve pak se pokračuje další
jedničkou. Dekodér nadbytečnou nulu vyřadí ze zprávy. Adresové pole se využívá, má-li více
stanic zprávu přijímat. Kontrolní posloupnost indikuje typ zprávy. Informační část rámce nese
vlastní data. Supervizory část slouží pro odpověď přijímacího uzlu o ztrátě přijímané
informace. CRC je zabezpečovací část rámce, vypočítávaná z polynomu CRC.
Blokově orientovaný přenos
Obr. 47:
Blokově nebo též bytově orientované přenosové metody vycházejí z toho, že jednotlivé
byte jsou soustředěny do bloků a každý blok je ohraničen speciálními kontrolními znaky jako
SOH (start of header), SYN (synchronization), STX (start of text), ETX (end of text) a EOT
(end of transmition). Každý přenos začíná SOH a STX a končí ETX a EOT. Několik
synchronizačních znaků SYN na začátku přenosu slouží někdy k synchronizaci přijímacího
uzlu. Jeden příklad možného blokového přenosu je na Obr. 47.
5.1.6
Přístupové metody v lokálních sítích
Kromě výše uvedených synchronních i asynchronních protokolů linkové vrstvy se
v LAN používají ve velké míře přístupové metody, vyvinuté především pro lokální sítě.
Lokální síť (včetně lokálních sítí ve výrobě) je zpravidla omezena svým rozsahem, vyžaduje
se u ní vysoký stupeň zabezpečení dat a je určena pro velký počet účastníků přenosu. Pro
zabezpečení přístupu jednotlivých účastníků k jedinému přenosovému kanálu se používají
v zásadě dvě skupiny metod:
•
metody náhodného přístupu
•
metody s definovaným přístupem
Tyto metody se dále ještě dělí na synchronní a asynchronní.
Rozdělení sériových komunikačních sítí podle způsobu přístupu k přenosovému médiu
je uvedeno na zjednodušeném Obr. 48.
49
5.2 Přehled průmyslových komunikačních sběrnic
S programovatelnými automaty bezprostředně souvisí konkrétní realizace
průmyslových komunikačních sběrnic. Na následujícím obrázku uvádíme jejich obvyklé
rozdělení dle oblasti použití a objemu přenášených dat.
Jak je patrné z Obr. 49 rozdělení sběrnic do jednotlivých kategorií není striktní.
Jednotlivé kategorie se navzájem překrývají a některý standard nebo kvazistandard je
možné proto zařadit do obou ze sousedních skupin. Tak kupř. Interbus je někdy
charakterizován jako typický SensorBus, jindy je považován za DeviceBus (přenos po
Bytech). Na druhé straně však by AS-interface nebo HART neměly být charakterizovány jako
fieldbusy.
Obr. 48:
Přehled sériových komunikací
50
Obr. 49:
Rozdělení průmyslových sítí
V následujícím přehledu uvádíme názvy výkladu uveďme názvy nejpoužívanějších
průmyslových sériových sběrnic:
•
Foundation Fieldbus
•
Profibus FMS, DP, PA
•
FIP
•
P-Net
•
LonTalk
•
CAN
•
DeviceNet
•
CANopen
•
ControlNet
•
Modbus (J-bus)
•
Ethernet
•
Interbus
•
HART
•
BacNet
5.3 Profibus
Profibus (Process Fieldbus) byl vyvinut s podporou několika významných německých
firem pod koordinací DBFT (Deutsches Bundesministerium für Forschungs und Technik).
Stal se německou normou DIN 19245. Pro potřebu sítí typu fieldbus i PROFIBUS
implementuje pouze vrstvy 1, 2 a 7 modelu OSI. I když je podporován integrovanými
obvody, umožňuje i svoji programovou implementaci na společných CPU.
Fyzickým médiem je stíněná kroucená dvoulinka s rozhranním RS 485 s max. délkou
1200m (do 4800m s opakovači) nebo optické vlákno. Pro variantu PA pak proudová smyčka.
Přenosová rychlost je normována na 9,6, 19,2, 187 a 500 kbitů/sec. Později byla rychlost
upravena na širokou škálu rychlostí 1,5 M, 3M, 6M, 9M a 12 Mbitů/s a více (Profibus DP).
Profibus PA má nastavenou jedinou rychlost dle normy IEC 1158-2 tedy 31,25 kbitů/s.
Jednotlivé vrstvy zjednodušeného OSI modelu definují:
1. Vrstva fyzická : fyzické spojení mezi účastníky, mechanické, elektrické vlastnosti,
topologii sítě, rozhraní. Pro přenos po sběrnici (kroucená stíněná dvoulinka) využívá RS 485
s nestandardně definovanými parametry [ 6 ]. Dále podporuje přenos světlovodičem a ve
výbušné zoně pro variantu Profibus PA pak standard IEC 1158-2.
2. Linková vrstva je vrstva přístupu k síti a zabezpečení tvorby zprávy, tvořené tokem
bitů. Profibus zde využívá hybridní verse IEEE 802.4 Token bus s přístupem Master Slave.
7. Aplikační vrstva poskytuje nezbytné služby pro komunikaci. Dělí se na dvě
podvrstvy, označené shora jako FMS (Fieldbus Message Specification) a LLI (Lower Layer
Interface).
Nad 7. vrstvou je definováno komunikační rozhraní ALI (Application Layer Interface),
kterým jednotlivá komunikující zařízení přistupují ke komunikačnímu modelu (k 7. vrstvě).
Existují tři varianty Profibusu. Profibus DP, Profibus FMS a Profibus PA.
Nejjednodušší a nejrozšířenější variantou je Profibus DP, určený pro rychlou
komunikaci typu Master-slave. Je vhodný zejména pro rychlý přenos signálů z procesu
pomocí decentralizovaných periférií a odloučených I/O jednotek. Komunikace je po RS 485
nebo světlovodičem rychlostmi do 12 Mbitů v široké nabídce možností. Přenos se
uskutečňuje prostřednictvím jednoduchého souboru bloků a funkcí.
Obr. 50:
51
Architektura protokolů Profibus
Pro komunikaci v heterogenním prostředí na vyšší úrovni je vhodný Profibus FMS
s širokou nabídkou služeb pro práci s daty, programy, alarmy. Přenosové médium je shodné
s variantou DP. Rychlost je nižší.
Profibus PA existuje jako norma DIN 19245. Je určen pro řízení procesů, včetně
prostředí s nebezpečím výbuchu. Do fyzické vrstv proto implementuje standard IEC 1158-2
(proudová smyčka). Obr. 50 porovnává všechny tři varianty Profibusu.
Je-li třeba připojit více účastníků přenosu sítí Profibus, než je 32 stanic, povolených
standardem RS 485, propojují se jednotlivé segmenty mezi sebou opakovači až do maximálně
10 segmentů při celkovém počtu stanic max. 127. Každý segment vyžaduje zakončení
aktivními terminátory.
Obr. 51:
Princip přístupu k síti u sítě Profibus
Stanice, připojené k Profibusu se dělí na pasivní a aktivní stanice. Aktivní stanice si
předávají token a mohou vysílat, když Token vlastní. Pasivní stanice nemohou vlastnit token
a musejí být adresovány některou aktivní stanicí, aby mohly předat data. Způsob propojení
stanic a předávání pověření a zpráv je patrné z Obr. 51. Stanice A, B, C, D jsou aktivní
stanice (Master) a jen mezi nimi může cirkulovat pověření (token). Stanice E, F, G, H, I jsou
stanice pasivní a jsou vyzývány příslušným Masterem k předání dat.
Každá aktivní stanice zná adresy svých aktivních sousedů. Tj. ví od koho může dostat
token a komu token předat. Doba, po kterou aktivní stanice vlastní token je parametrovatelná
a celková doba cyklu sítě může byt nastavena.
5.4 FIP
Skupina francouzských, německých a italských firem vyvinula fieldbus, který se stal
standardem především ve Francii. Na severamerickém kontinentu se uplatnil díky organizaci
WorldFIP, která později spolu s PNO (Profibus Nutzer Organisation) definovala ISP
(Interoperability System Project), který slučuje oba komunikační modely v jeden celek a měla
se maximálně přibližovat požadavkům ISO na světový standard fieldbusu. FIP používá
kroucenou dvoulinku a přenosovou rychlost 31, 25 kbitů/sec., 1 Mbit/sec. a 2,5 Mbitů/sec. Při
52
rychlosti 1 Mbit/sec. je povolená délka segmentu 500 m. Jednotlivé segmenty mohou být
propojeny navzájem pomocí opakovačů. Každý segment je určen maximálně pro 32
účastníků. Celkem k FIP může být připojeno 256 účastníků. Interface je integrován v obvodu
FULLFIP firmy CEGELEC. Tento obvod má interface na PC a na druhé straně na FIB bus.
FIP používá tzv. zdrojově orientovanou pooling adresovací metodu. Řízením sběrnice je
pověřen arbitr, který cyklicky pověřuje ostatní stanice, které chtějí data buď přijímat, nebo
vysílat. Arbitr vlastní seznam všech proměnných, které jsou používány ve všech připojených
stanicích a každá proměnná je identifikována vlastní 16bitovou adresou (tedy celkem 65536
identifikátorů).
5.5 Protokol CAN (Controler Area Network) [ 7 ]
Velmi populární a rozšířený sériový komunikační prostředek vhodný pro průmyslová
použití. Vyvinut firmou Bosch na technologii Intel původně pro potřeby automobilového
průmyslu. Pro svoji otevřenost (protokol první a druhé vrstvy je k disposici každému výrobci)
a pro relativně vysokou rychlost a podporu mnohými výrobci mikroelektronických součástek,
kteří implementují protokol do svých mikrokontrolerů, je velmi rozšířen. Dvě první vrstvy
jsou definovány standardem ISO 11898. Nad těmito definovanými vrstvami postupem času
bylo vytvořeno několik standardů aplikační vrstvy (vrstva 7 modelu ISO/OSI). Tak vznikly
standardy dalších průmyslových sítí jako DeviceNet, CANOpen, SDS ap. Sama norma CAN
má dvě varianty a to variantu CAN 2.OA a CAN 2.0B s rozšířeným formátem zprávy,
vzhledem k tomu, že uživatelé měli výhrady k relativně kratšímu datovému rámci v některých
průmyslových použitích.
5.5.1
Základní vlastnosti
Systém umožňuje časově nedeterministické řízení v reálném čase. Tomu je
přizpůsobena jak rychlost ( do 1 Mbitu/s), tak přístupová metoda (multimaster). Znamená to,
že každý účastník sítě může být na určitou dobu řídicím členem. Tato metoda je kombinována
s náhodným přístupem k síti, která řeší kolize na základě prioritního rozhodování.
Komunikace na síti probíhá prostřednictvím předávání zpráv (datová zpráva a žádost o data).
Řízení sítě (jako signalizace chyb, pozastavení komunikace) je pak zajištěno pomocí dvou
speciálních zpráv (chybové zprávy a zprávy o přetížení).
Zpráva, vysílaná po sběrnici neobsahuje adresu příjemce a je přijímána všemi ostatními
zařízeními. Každá zpráva je uvozena identifikátorem nesoucím informaci o významu zprávy
a její prioritě. Nejvyšší prioritu má zpráva s identifikátorem 0. CAN protokol zajišťuje, aby
zpráva s nejvyšší prioritou byla v případě kolize přenesena přednostně. Pomocí identifikátoru
je možné zajistit, aby daná stanice přijímala jen ty zprávy, které se jí týkají (acceptance
filtering).
5.5.2
Fyzické médium a fyzická vrstva
Obr. 52:
Metoda přístupu ke sběrnici
53
Protokol CAN definuje vlastní rozhraní k fyzickému přenosovému médiu a v tomto
smyslu se odchyluje od modelu ISO/OSI. Na druhé straně jsou vlastnosti fyzické vrstvy
velkou předností protokolu CAN. Požadavkem pro realizaci je, aby ve fyzické vrstvě byl
realizován logický součin. Za účelem zvýšení rychlosti a odolnosti vůči rušení je účelné, aby
spoj byl symetrický. CAN proto definuje dvě vzájemně komplementární hodnoty bitů na
sběrnici dominant a recessive. Jedná se o plovoucí stejnosměrné úrovně, jejichž stejnosměrná
hodnota je dána použitým médiem a vůbec konkrétní realizací fyzické vrstvy (nemusí jít ani
o napěťový signál, jak je tomu v případě světlovodiče jako přenosového média). Funkce
sběrnice musí být následující: Jestliže všechna připojená zařízení vysílají bit recessive, na
sběrnici musí být úroveň recessive. Jestliže alespoň jedno zařízení vysílá bit dominant, musí
být na sběrnici úroveň dominant. Tato funkce se dá ukázat např. na světlovodiči , kde úroveň
recessive je nesvítí a úroveň dominant je svítí. Tedy dominant je vždy, když alespoň jeden
zdroj má bit dominant, tedy svítí.
Jestliže žádný ze vstupů tranzistorů (jako výstupních členů interfejsů jednotlivých
účastníků k médiu) nemá log.1, sběrnice má vysokou úroveň. Jestliže však libovolný ze
vstupů tranzistorů má úroveň log 1, celý výstup (sběrnice) má úroveň log 0.
Fyzické uspořádání sítě CAN
Obr. 53:
Protocol CAN je ve fyzické vrstvě definován mimo jiné standardem ISO 11898.
Fyzické uspořádání sítě CAN je pak na Obr. 53.
Úrovně recessive a dominant jsou definovány rozdílovým napětím mezi vodiči CAN_H
a CAN_L. Pro úroveň recesive to je 0V rozdílového napětí, pro úroveň dominant to jsou 2 V
rozdílového napětí. Sběrnice musí být přizpůsobena na obou koncích zakončovacími odpory
120 Ohmů.
Ke sběrnici může být teoreticky připojen libovolný počet účastníků, prakticky
s ohledem na zatížení sběrnice, je počet účastníků podstatně nižší a uvádí se kolem 64 na
segment. Rovněž přenosová rychlost 1 Mbit/s je dosažitelná jen na krátké vzdálenosti do
40 m a se vzdáleností prudce klesá, takže na 1,2 km činí asi 70 kbitů/s. Plyne to z původního
poslání sběrnice CAN, která byla určena pro malé vzdálenosti v instalaci automobilů.
5.6 Protokol DeviceNet
Protokol DeviceNet definuje sériový přenosový kanál mezi prvky a systémy
průmyslové automatizace. Je jednou z variant 7. vrstvy modelu OSI/ISO, která je definována
nad protokolem CAN (1. a 2. vrstva modelu). Vyznačuje se těmito základními vlastnostmi:
•
podpora až 64 účastníků sítě
•
připojení/odpojení bez přerušení funkce sítě
•
přenosová rychlost 125/250/500kBd
•
společný rozvod datových signálů i napájení pro účastníky
54
•
SW prostředky pro komunikaci typu žádost/odpověď
•
prostředky pro efektivní přenos I/O dat
•
fragmentace dlouhých bloků dat
•
detekce duplicitních adres zařízení
•
vzájemná zaměnitelnost zařízení od různých výrobců (specifikace obsahuje
standardy pro typy konektorů, diagnostiku a profily různých typů zařízení)
Na Obr. 54 je zobrazen komunikační model protokolu DeviceNet.
Obr. 54:
Model DeviceNet
Obr. 54 rovněž provádí srovnání specifikace CAN a modelu ISO/OSI. Jak je zřejmé již
z popisu protokolu CAN, CAN definuje pouze fyzickou a linkovou vrstvu modelu ISO/OSI.
Neobsahuje ani specifikaci fyzického média a interfejsu k médiu (MAU - medium
attachement unit) ani specifikaci aplikační t.j. 7. vrstvy modelu. Specifikace DeviceNet nejen
že (podobně jako SDS a CANopen) definuje aplikační vrstvu, ale obsahuje i specifikaci
fyzického interfejsu.
5.6.1
Fyzická vrstva v síti DeviceNet
Fyzická vrstva se skládá z tranceiveru, oddělovacích obvodů a ochranných obvodů.
Optické oddělení není povinné pro zařízení napájené ze sběrnice. Přenosové médium se
využívá i pro napájení stanic napětím 24V =. Proudové omezení celé sběrnice je omezeno na
8A. Proud jednotlivými přípojnými vedeními na 3A.
Protokol DeviceNet není pouze proprietárním komunikačním prostředkem systémů
Allen-Bradley, ale pro své výhodné vlastnosti (staví na oblíbené, otevřené a levné technologii
CAN a přitom definuje aplikační vrstvu) proniká do výrobků celé řady výrobců průmyslové
automatizace. Výhodou je plná otevřenost protokolu.
5.6.2
Aplikační vrstva protokolu DeviceNet
Aplikační vrstva definuje komunikační model (DeviceNet Messaging), profily zařízení
a knihovnu aplikačních a pomocných objektů. Komunikační model zahrnuje způsob využití
CAN zpráv, význam datového pole a rozdělení CAN identifikátorů, fragmentaci zpráv delších
než 8 bytů, potvrzování přijetí, atd. Profily zařízení a knihovny objektů umožňují dosažení
vzájemné zaměnitelnosti (interchangebility) a propojitelnosti (interoperability) produktů
různých výrobců.
55
DeviceNet definuje pro předávání zpráv účinnější způsob, než je adresace typu zdroj/cíl,
používaný u jiných způsobů sériové komunikace. Tento způsob se nazývá
poskytovatel/příjemce. Identifikační pole neobsahuje adresu přijímací stanice, ale typ dat
přenášených daným datovým rámcem. Tento způsob umožňuje využít větší počet úrovní
priorit při povolování přístupu k přenosovému médiu, efektivní přenos I/O dat a komunikaci
mezi jedním vysílacím objektem a několika objekty přijímajícími.
Přenášené zprávy jsou rozděleny do čtyř skupin, lišící se strukturou pole identifikátorů
v protokolu CAN. Obsahují v různých kombinacích jednu nebo dvě z následujících
komponent:
• identifikátor zprávy (Msg. ID) : identifikuje zprávy uvnitř dané skupiny zpráv
a umožňuje tak navázat několik propojení pomocí zpráv dané třídy z jednoho
zařízení. Po navázání spojení je s použitím odpovídajícího identifikátoru zprávy
a adresy zařízení vytvořen identifikátor příslušný danému spojení, sloužící dále
jako identifikátor rámce CAN
•
adresu zdroje zprávy (MAC ID zdroje)
•
adresu zdroje nebo příjemce zprávy (MAC ID)
Určování priority zpráv skupiny 1 a 3 je distribuováno mezi všechna zařízení v síti.
Žádá-li o přístup ke sběrnici současně několik zpráv skupiny 1 nebo 3, rozhoduje nejprve
identifikátor zprávy (Msg.ID). Při shodě rozhoduje jako druhé kritérium adresa vysílacího
zařízení (MAC ID zdroje).
Protože zprávy skupiny 1 jsou jediné, které mají nejvýznamnější bit dominantní, mají
nejvyšší prioritu. Zprávy skupiny 2 mají jako celek vyšší prioritu než zprávy skupin 3 a 4, ale
uvnitř skupiny 2 rozhoduje o prioritě nejprve adresa zařízení a až jako druhé kritérium se
uplatní obsah zprávy ve formě jejího identifikátoru (adresová položka - MAC ID zde může
obsahovat adresu zařízení přijímajícího nebo vysílajícího). Část zpráv skupiny 4 má speciální
význam, zbytek je vyhrazen pro pozdější použití a zatím není definován (Obr. 55). Podle
toho, které dvě kombinace identifikátorů jsou použity, rozdělujeme zprávy do 4 skupin.
Obr. 55:
Význam identifikátoru zprávy
5.7 Ethernet
Ethernet je sériová sběrnice vyvinutá na konci 70. let firmou Xerox. Vychází ze
specifikace IEEE 802.3 pro fyzickou vrstvu a doplňuje ji o specifikaci linkové vrstvy,
zejména horní podvrstvy definující LLC (Logical Link Control - řízení logického spoje).
Dolní podvrstva linkové vrstvy, MAC (Medium Access Control), definující způsob přístupu k
přenosovému médiu, je charakterizována jak u Ethernetu, tak u IEEE 802.3
nedeterministickou přístupovou metodou CSMA/CD (Carrier Sense Multiple
Access/Collision Detection).
56
Zatímco IEEE 802.3 specifikuje několik variant fyzické vrstvy, Ethernet využívá
původně jen jedné specifikace s přenosovou rychlostí 10 Mb/s, přenos v základním pásmu,
délka segmentu je do 500 m, topologie sběrnice a padesátiohmový tlustý koaxiální kabel.
K této původní variantě Ethernetu se již delší dobu využívají i další varianty fyzické vrstvy,
přizpůsobené tenkému koaxiálnímu kabelu a kroucené dvoulince. V poslední době se dále
objevuje rychlý (Fast) Ethernet, u něhož řešení fyzické vrstvy umožňuje rychlost 100 Mb/s.
Teprve tyto vysoké rychlosti a úpravy topologie sítí Ethernet předurčují tento systém také pro
průmyslovou komunikaci.
Lokální sítě LAN, pro které je Ethernet původně určen, vesměs nevyužívají pro
otevřenou komunikační strukturu referenční model RM ISO/OSI, nýbrž jednodušší síťový
model TCP/IP s příslušnými protokoly definujícími způsob přenosu dat. V ekvivalentu RM
ISO/OSI by tyto protokoly představovaly třetí síťovou (IP) a čtvrtou transportní (TCP) vrstvu.
Ethernet dále nespecifikuje také interpretaci obsahu datových souborů. Kupř.
u průmyslových sítí je součástí specifikace 7. vrstvy mj. definice datových typů. Podle této
definice je např. analogová veličina vždy reprezentována datovým typem s pohyblivou
řádovou čárkou podle normy IEEE 754, což každý účastník dané sítě správně interpretuje.
Další rozdíl spočívá v tom, že zatímco průmyslové sítě jsou navrženy především pro nasazení
v průmyslovém prostředí jako sítě menšího rozsahu, Ethernet je využíván v sítích
rozsáhlejších a umožňuje bezproblémové napojení na Intranet/Internet.
5.7.1
Průmyslové sítě a Ethernet
Při veškerém nadšení pro Ethernet je nutné vidět to, že průmyslové sítě na jedné straně
a Ethernet TCP/IP na straně druhé jsou dvě značně odlišné věci. Z toho důvodu nelze
v nejbližších létech očekávat vytlačení průmyslových sítí Ethernetem. Ve srovnání se
zavedenými průmyslovými sítěmi může Ethernet vykazovat tyto výhody:
•
dlouhodobě ověřené technologie (Ethernet, TCP\IP, http, ftp, …)
•
kompatibilita s dalšími lokálními sítěmi (LAN) a s Intranetem a Internetem
•
vyšší přenosová rychlost ve srovnání s průmyslovými sítěmi (Profibus, Device
Net, …)
•
při použití přepínaného Ethernetu možnost duplexního režimu, defacto
zdvojnásobení přenosové rychlosti
•
jednoduché a levné připojení na PC, Internet\Intranet
•
masová výroba síťových komponent se odráží v nízké ceně, velká podpora
různých médií
•
vývojoví pracovníci většinou mají s technologií TCP/IP již značné zkušenosti
Mezi nevýhody Ethernetu ve srovnání s průmyslovými sítěmi je možné uvést:
•
nedeterministický přístupu k médiu. To je způsobeno použitím přístupové
metody CSMA/CD. Pokud zařízení při přístupu na sběrnici detekuje kolizi, čeká
náhodný časový interval než se pokusí o přístup znovu.
•
délka datového pole není přizpůsobena potřebám průmyslové komunikace
•
použití aktivních prvků (switche, routery, …) v síťové topologii. Oproti jiným
sítím využívajících pasivní sběrnice je toto řešení dražší a z principu
náchylnější na poruchu.
57
•
neukončený vývoj (protokolů), a tím další náklady na vývoj
•
nutnost vyvinout průmyslové verze konektorů, kabelů a dalších síťových prvků.
Je nutné mít k dispozici prvky vhodné pro vyšší rozsahy teplot, větší úrovně
rušení a zajišťující vysokou spolehlivost provozu (redundance).
•
není vhodný pro připojení jednoduchých (levných) sensorů a aktorů. Cena
připojení jednoho čidla k Ethernetu je v současné době vysoká v porovnání
s jinými sběrnicemi. Také se ještě nevyrábějí dostatečně integrované prvky
umožňující splnit prostorové omezení.
Mechanismus CSMA/CD je plně postačující v případě informačních technologiím kde
příliš nezáleží na pravidelnosti přenosu informace. Řídicí aplikace mají ovšem vyšší nároky
na determinismus, vyžadují přesně definovanou odezvu systému (například PID regulátor
vyžaduje pravidelnou periodu vzorkování). Tento problém lze řešit tím, že se celá síť Ethernet
rozdělí pomocí mostů na logické segmenty. Zprávy se pak omezují jen na daný segment,
a tudíž se vznikající kolize plynoucí z podstaty náhodného přístupu k médiu v síti Ethernet
omezí na daný segment. Pravděpodobnost kolize se výrazně zmenšuje i při značném zatížení
sítě. Přepínače (směrovače nebo mosty) přepínají zprávu jen do toho segmentu, kde je adresát
zprávy. Zprávy tedy zůstávají jen v nejmenším možném počtu segmentů.
Přepínaná struktura sítě Ethernet řeší tedy do značné míry průchodnost sítě a při
extrémně vysokých rychlostech (Fast Ethernet 100 Mb/s) může zaručit režim blízký režimu
v reálném čase. Ethernet se tak stává velmi atraktivní variantou k průmyslovým sítím i pro
propojení řídicích členů, přístrojů a jisté třídy inteligentní instrumentace (inteligentní čidla
a inteligentní akční členy).
5.7.2
Komunikační protokoly průmyslového Ethernetu
Norma IEEE 802.3 definuje pouze dvě nejnižší vrstvy obecného ISO/OSI modelu,
fyzickou a linkovou, které nezaručují doručení zprávy (ať už v rámci jedné sítě nebo mezi
sítěmi). Pro praktické použití je třeba definovat další vrstvy. V současnosti nejrozšířenější je
použití protokolu TCP/IP.
IP (Internet Protocol) – zajišťuje přenos dat mezi jednotlivými sítěmi, tvoří síťovou
vrstvu ISO/OSI modelu
TCP (Transmission Control Protocol) – stará se o doručení zpráv, tvoří transportní
vrstvu ISO/OSI modelu
Tyto čtyři vrstvy zajišťují bezpečný přenos dat mezi jednotlivými zařízeními v síti.
Služeb těchto vrstev využívá nejvyšší vrstva ISO/OSI modelu, aplikační vrstva. Na rozdíl od
nižších vrstev, situace se standardizací aplikační vrstvy není jednoduchá. Lze využít služeb
používaných v Internetu, jako je HTTP, FTP, SMTP a další. Existuje již několik
průmyslových standardů využívajících TCP/IP, další se vyvíjejí.Vedle těchto existují
i protokoly využívající pouze Ethernetu, ale již ne TCP/IP.
5.7.3
Technologie známé z Internetu
Výraznou výhodou Ethernetu je, že lze použít již existujících služeb a aplikací.
•
www – lze použít při instalaci, konfiguraci a údržbě zařízení
•
ftp – použitelné pro přenos dat v podobě souborů
•
e-mail – pro přenos různých hlášení a alarmů
58
Výhodou je rovněž i možnost přímého připojení na Internet. Lze použít mnoha
existujích prostředků, jako jsou webovské prohlížeče a další. Průmyslové komponenty se
zabudovaným web serverem dnes již nabízí celá řada firem.
5.7.4
Ethernet z hardwarového hlediska
Množinu nejpoužívanějších fyzických médií přehledně uvádí Tab. 2.
10Base-5
10Base-2
10Base-T
100Base-TX
1000Base-T
10 Mb/s, základní médium je "tlustý " koaxiální kabel 50 ohm, připojení přes AUI konektor,
topologie sběrnice, přenos dat - poloviční duplex
10 Mb/s, médium je "tenký" koaxiální kabel 50 ohm, připojení přes BNC nebo AUI, topologie
"sběrnice" (daisy chain) nebo hvězda (point-to-point), přenos dat - poloviční duplex
10 Mb/s, médium je nestíněný dvojitý kroucený pár (UTP kabel min. kategorie 3), připojení
přes RJ-45 (8 kontaktů z toho 4 jsou využity), topologie hvězda (point-to-point), přenos dat
může být plný duplex
100 Mb/s, médium je nestíněný dvojitý kroucený pár (UTP kabel min. kategorie 5), ostatní jako
10Base-T. V případě potřeby zvýšit odolnost proti rušení (Industrial Ethernet) lze použít stíněný
kabel (STP) ve spojení s 9-ti pinovými konektory "D-shell".
1 Gb/s, médium je čtveřice nestíněných kroucených párů (kabel kategorie 5)
Tab. 2:
Varianty fyzického média
Existuje i Ethernet pracující na optických vláknech (100Base-FX, 1000Base-FX).
Ethernetové zařízení může současně podporovat 10Base-5, 10Base-2 a 10Base-T. Uzly
podporující 100Base-TX jsou obvykle zpětně kompatibilní s 10Base-T bez zvýšení nákladů
na uzel. Uzly podporující 1000Base-T mohou být zpětně kompatibilní s 100Base-TX.
Hardware realizující ethernetové rozhraní 10/100Base-TX
•
Procesor
•
Paměti
•
Ethernetový řadič (Ethernet Controller) - tvorba Ethernetového rámce - linková
vrstva ISO/OSI
•
Ethernet Transciever (Ethernet PHY) - fyzická vrstva ISO/OSI - modulace
a demodulace signálu
•
Signálový transformátor
•
EEPROM - uložení konfigurace a MAC adresy
Volba procesoru
Procesor je klíčový z hlediska výpočetního výkonu (doba odezvy, práce v reálném čase)
a schopnosti adresovat dostatečé množství paměti pro realizaci potokolů. Možnosti jsou
8bitový procesor, 16bitový procesor, 32bitový procesor.
8-bitový procesor je schopen obsloužit dostatečné množství paměti pro realizaci
základních protokolů. Odezeva bude relativně pomalá, neboť režie na zpracování protokolů je
značná. Lze použít Ethernet s komunikační rychlostí 10 Mb/s i 100 Mb/s, avšak použití
100 Mb/s barianty nemá valný smysl, neboť 8bitový procesor je schopen generovat
nepřetrřitý datový tok o velikosti řádově jednotky Mb/s.
16bitový procesor určitě je schopen obsloužit dostatečné množství paměti a určitě má
i dostatečný výkon k zajištění relativě rychlých odezev. V případě střídmých nároků na
rychlost lze zajistit práci v reálném čase.
59
32bitový procesor poskytne práci v reálném čase, dostatečné množství paměti pro
základní i doplňkové protokoly a funkce, zpracování měřených dat v reálném čase pomocí
pokročilých algoritmů a metod, které jsou výpočetně náročné.
5.7.5
Zhodnocení perspektiv
V současné době se stále častěji objevují na trhu automatizačních prostředků moduly
s přímým připojením na síť Ethernet. To vyvolává živou diskusi mezi výrobci, systémovými
integrátory a konečnými uživateli na téma, zda a v jakém časovém horizontu se Ethernet
TCP/IP stane standardem komunikace i v průmyslovém prostředí. V dohledné době rozhodně
nedojde k vytlačení průmyslových sítí a Ethernet TCP/IP se nestane jediným celosvětovým
standardem, neboť přední výrobci automatizační techniky již začali prosazovat své vlastní
protokoly využívající Ethernet.
5.8 MODBUS® TCP
Protokol MODBUS®, původně vyvinutý firmou Modicon, je dnes široce používán.
Definuje strukturu zpráv, která umožňuje navázat spojení typu master/slave mezi
inteligentními zařízeními. Protože MODBUS® definuje pouze zprávy, je z principu nezávislý
na použité fyzické vrstvě. Tradičně je používán na RS232/422/485. Nejnovější specifikace
definuje přenos komunikačních zpráv za použití prostředků TCP/IP protokolu prostým
vložením Modbusové zprávy do TCP paketu.
Obr. 56:
Princip vložení Modbusové zprávy do TCP paketu
Výhodou Modbusu je jeho jednoduchost a otevřenost. Jeho definice je volně přístupná
na Internetu. Protože MODBUS® TCP vychází ze starší definice, je velmi jednoduché
vyrobit bridge mezi Ethernetem a jiným médiem. Tím se zpřístupňuje celý svět starších
zařízení podporujících Modbus. Nevýhodou tohoto protokolu je jeho zastaralost. Modbus byl
vytvořen roku 1978 a od té doby prakticky nedoznal změn. Na rozdíl od modernějších
protokolů je zaměřen pouze na přenos dat, nijak nedefinuje jejich formát a význam, žádné
profily zařízení. Proto firma Schneider připravila rozšíření protokolu (Object Messaging
Specification for the MODBUS/TCP Protocol), které definuje obecný datový typ, jeho
vlastnosti, metody a strukturu zpráv pracujících s těmito objekty. Definice konkrétních
objektů je ponechána na uživateli.
Jak je zřejmé z Obr. 56, Modbus TCP přejímá formát zprávy ze starších variant
protokolu. Vynechává se část kontrolního součtu, protože o bezchybné doručení je postaráno
prostředky protokolu TCP, navíc je úvodní sekvence šesti bytů. Modbus TCP také s malými
výjimkami kompletně přebírá datový model a množinu funkcí definovaných na tomto
datovém modelu. Tyto funkce jso rozděleny do třech tříd. Třída 0 jsou univerzální a zaručeně
kompatibilní funkce, třída 2 obsahuje užitečné, ale ne plně kompatibilní funkce. budoucí
rozšíření množiny funkcí není vyloučeno. Vždy bude možno určit, zda dané zařízení
60
podporuje určitou funkci prostým požadavkem na vykonání této funkce a otestováním
chybového hlášení. Takto bude vždy zajištěna interoperabilita zařízení.
6 Vysoce bezpečné a vysoce funkční PLC řízení
6.1 Úvod
Problematikou vysoce bezpečného a vysoce funkčního řízení se zabývá disciplína, která
se v anglicky psané literatuře označuje jako Fault-Tolerant systems (zkratka FT). Česky
bychom hovořili o tzv. řízení, které je odolné proti poruchám. Jedna z mnoha definic, která se
snaží pojem FT definovat říká [ 8 ]:
„FT systém je takový systém, který i za přítomnosti chyb
v softwarovém návrhu nebo vyskytnuvší se hardwarové chybě,
pokračuje ve své správné činnosti.“
V mnoha aplikacích může chybná funkce řídicího systému vést k finančním ztrátám,
k poškození životního prostředí nebo dokonce ke ztrátám na životech. Proto problematika FT
a její nasazování v oblastech číslicově řízených systémů hraje velmi důležitou úlohu.
Věta 6.1:
6.2 Základní pojmy
Bezpečnost
je pravděpodobnost S(t), že systém bude buďto pracovat správně,
nebo ukončí svoji činnost takovým způsobem, že nenaruší činnost jiného
systému nebo neohrozí lidské životy.
Bezpečnost je mírou bezporuchového provozu systému; pakliže
systém nevykonává svoji činnost správně je nutné zajistit, aby alespoň
přešel do tzv. bezpečného stavu.
Např. selže-li řídicí ventil nějakého chemického procesu, pak
existuje poloha (otevřeno nebo zavřeno), ve které by se měl nacházet, aby
byla zajištěna výše definovaná bezpečnost. Míru schopnosti řídicího
systému tento požadavek splnit nazýváme bezpečností.
Pojem bezpečnost systému se často nesprávně zaměňuje se
spolehlivostí systému [ 9 ]. Spolehlivost je však definována jako
pravděpodobnost, že systém bude svoji funkci vykonávat správně spolehlivost neřeší problematiku co se stane, když systém selže.
Vykonavatelnost
P(L, t) systému je funkce času, definovaná jako pravděpodobnost,
že výkonnost systému bude vyšší nebo rovna určité hranici L v čase t [
10 ].
V mnoha případech je možné navrhnout systém tak, aby pokračoval
ve vykonávání své činnosti poté co se vyskytla SW nebo HW chyba za
cenu, že se sníží výkonnost systému. Typickým příkladem takových
systémů jsou víceprocesorové systémy s operačními systémy reálného
času, v nichž výpadek jednoho procesoru vede k redukci vykonávání úloh
61
s nižší prioritou, ale systém jako celek i nadále plní svoji úlohu.
S vykonavatelností souvisí termín postupná degradace systému,
který je definovaná jako schopnost systému autonomně snížit svůj výkon
za účelem kompenzace selhání HW nebo SW části systému.
Udržovatelnost
M(t) je pravděpodobnost, že systém, který selhal bude znovu uveden
do funkčního stavu během času t. Proces znovuuvedení do funkčního
stavu v sobě zahrnuje lokalizaci závady, samotnou opravu systému
a opětovné uvedení systému v činnost. V této oblasti hraje velmi důležitou
roli tzv. automatická diagnostika systému, která umožňuje významně
zrychlit a zkvalitnit údržbu systému.
Chyba
je fyzický defekt nebo závada, která se vyskytne na některém SW
nebo HW prvku v systému. Typickým příkladem selhání HW prvku je
elektrický zkrat, typickým selháním SW elementu v systému je
neplánovaná nekonečná programová smyčka.
Porucha
je projevem chyby. Porucha spočívá v ukončení schopnosti systému
plnit požadovanou funkci, a to z jakékoliv příčiny a do jakéhokoliv
stupně.
Selhání
je projevem poruchy. Selhání se projeví tím, že systém nevykonává
činnost, která je od něho požadována a navíc způsobuje další škody.
Havárie
systém selže takovým způsobem, že dojde ke ztrátám na životech,
k poškození životního prostředí, nebo k finančním ztrátám.
Vztah mezi Chybou, Poruchou a Selháním ilustruje Obr. 57.
Chyba
Obr. 57:
Porucha
Selhání
FT řetězec
Příklad 6.1:
Ovládání polohovacího ventilu
Typický příklad takového řetězce událostí je ovládání polohovacího ventilu, jenž se
přivedením log. 1 zavírá a log. 0 otevírá (ze SW pohledu na věc). V případě, že se na řídicí
sběrnici ventilu objeví trvalá log. 0 (např. kvůli rozpojení), pak nastala v systému chyba. Tak
dlouho, dokud bude řídicí systém chtít udržet ventil otevřený porucha nenastane. Ta se
projeví až ve chvíli, kdy se bude systém snažit ventil zavřít. Selhání systému se projeví tehdy,
když vyskytnuvší se porucha zabrání dalšímu plnění činnosti systému - t.j. když systém není
navržen na správnou reakci na tuto poruchu (systém není FT). Selhání systému je známkou
špatně navrženého a provedeného projektu.
Příklad 6.2:
TMI - 1979, zatavení jádra kvůli sérii selhání.
Postup událostí od t = 04:00, [ 11 ], [ 12 ].
t + 0s
Pumpy v sekundárním okruhu se kvůli malé poruše automaticky vypnuly;
v systému se objevila chyba.
t + 2s
Protože teplo není dále sekundárním okruhem přenášeno, vzrůstá teplota a tlak
vody v primárním okruhu; první pozorovatelný důsledek chyby.
62
t + 3s
Tlakový ventil primárního okruhu (PORV) se automaticky otvírá, aby vypustil
nahromaděnou páru do odpadní nádrže; systém se snaží standardními prostředky
(t.j. prostředky, které byly naprojektovány) chybu eliminovat.
t + 4s
Naběhnou záložní pumpy sekundárního okruhu, nicméně od systému jsou fyzicky
odpojeny uzavíracími ventily, což operátoři netuší; v systému se objevila další
chyba.
t + 9s
Řídicí tyče jsou automaticky spuštěny do reaktoru a zpomalují štěpnou reakci.
Reaktor nyní produkuje cca 90% svého nominálního tepelného výkonu. Současně
zpětná signalizace od PORV ventilu hlásí, že se tento uzavřel, což ve skutečnosti
není pravda a voda s párou nadále unikají z primárního okruhu, čímž odhalují
jádro. Primární okruh ztrácí schopnost udržet teplotu v reaktoru na bezpečné
úrovni; porucha - systém v tomto okamžiku není schopen plnit funkci, na kterou
byl navržen.
t + 2 min
Je aktivován automatický systém vstřikování vody do primárního okruhu (EIW).
Operátory to nepřekvapí, neboť v minulosti se to již několikrát stalo, aniž by
k nějakému úniku vody z primárního okruhu došlo; porucha trvá.
t + 5 min
Operátoři zjišťují, že hladina vody v primárním okruhu stoupá, proto systém EIW
vypnou. Ve skutečnosti hladina vody klesá - PORV ventil je stále otevřen; selhání
- systém způsobuje škody, neboť voda unikající přes PORV do atmosféry je
radioaktivní.
t + 8 min
Jeden operátor si všimne, že ventily od záložních pump v sekundárním okruhu
jsou uzavřené a otevře je; snaha o odstranění příčiny poruchy.
t + 15 min Do tohoto okamžiku unikne z primárního okruhu přes 12 tisíc litrů vody, avšak
měřiče radioaktivity nespustí alarm; havárie
t + 80 min Pumpy primárního okruhu začínají prudce vibrovat, což je způsobeno párou, která
přes ně proudí. Dvě z nich jsou odstaveny ihned, další dvě za dvacet minut.
porucha.
t+140 min Operátor z následující směny zjistí, že teplota PORV ventilu je abnormálně
vysoká, což je způsobeno unikajícím médiem z primárního okruhu. Únik vody
zastaví záložním ventilem. Do tohoto okamžiku uniklo z primárního okruhu více
než milión litrů radioaktivní vody; havárie.
... atd.
Návrh FT systému by měl být cíl každého návrháře ať již v oblasti SW nebo HW.
Bohužel problematika FT systémů je velmi často zcela opomíjena, což je z dlouhodobého
hlediska kontraproduktivní. Osvojení si základních FT pravidel při výstavbě řídicího systému
na všech úrovních řízení je více než žádoucí.
6.3 Metodika FT návrhu
Obr. 58 shrnuje nejdůležitější nástroje a metodiky, které pomáhají návrháři při výstavbě
systému dosáhnout FT chování.
63
P o ž a d a vk y n a systé m
N á vrh systé m u
P ře d c há z e n í c hybá m
E lim in o vá ní c hyb
D ě le ní fu nk c í
P o su z o vá n í ná v rh u
Ř íz e ní k v a lit y
H a rd w a ro v á re d u n d a nc e
S o ftw a ro v á re d u n d a nc e
In fo rm a č ní re d u n d a nc e
N á vrho vá p ra vid la
S tíně ní
Č a so vá re d u n d a nc e
D e t e k c e c hyb
C hla z e n í
R e k o n fig u ra c e
V ývo j systé m u
M a rk o vo vy m o d e ly
A na lýz a c h yb
T e sto v á ní
P o ru c ho vé m o d e ly
K o m bina č n í m o d e ly
F o rm á ln í m o d e ly
D o k u m e nt a c e
Obr. 58:
Metodika FT
6.4 Boj proti chybám
Existují tři základní metodiky, které pomáhají eliminovat vliv chyb na systémy:
1. Předcházet chybám - Fault avoidance
2. Maskování chyb - Fault masking
3. Eliminovat vliv chyby - Fault tolerance
6.4.1
Předcházení chybám
je metodika, která by vždy měla být na prvním místě. Např. metody posuzování návrhu
či řízení kvality dokáží eliminovat až 60% chyb a návrhářských omylů. Účinné stínění
a chlazení je jeden z nejčastějších problémů většiny systémů. Účinné testování systému
(prototypu) téměř vždy přináší finanční úsporu, neboť je tak odhaleno mnoho dalších chyb
před tím, než je systém uveden v činnost.
6.4.2
Maskování chyb
je metodika, při níž je systém chráněn před tím, aby se vzniklá chyba zavlekla do jeho
informační struktury. Do této oblasti patří například opravné kódy pamětí nejrůznějšího druhu
nebo například systémy s majoritním hlasováním - TMR.
6.4.3
Eliminování vlivu chyb
Jak již bylo řečeno, FT systém je schopen pracovat i přes to, že se v něm vyskytnou
chyby. Je to kategorie postupů, která je až na konci metodik předcházení chybám a maskování
chyb.
6.4.4
Rekonfigurace
FT chování lze dosáhnout mnoha způsoby. Jeden z nejčastějších způsobů je
tzv. rekonfigurace, která změní vnitřní strukturu systému takovým způsobem, aby bylo
dosaženo požadovaného FT chování.
64
Rekonfigurace probíhá v těchto čtyřech krocích [ 13 ]:
1. Zjištění chyby - systém rozezná, že někde nastala chyba.
2. Lokalizace chyby - systém determinuje, který modul chybu způsobil.
3. Eliminace vlivu chyby - systém musí zajistit, aby se chyba nešířila.
4. Regenerace po chybě - systém provede všechny ostatní nápravné kroky k tomu, aby
zachoval svoji funkci.
Hranice mezi jednotlivými FT postupy ukazuje následující Obr. 59.
Vyhýbání se chybám
Maskování chyb
FT
Chyby v
zadání
SW chyby
Chyby v
implementaci
Společné
chyby
Slehání
systému
HW chyby
Vlivy prostředí
Selhání prvků
Hranice působnosti jednotlivých FT technik
Obr. 59:
6.5 Ukazatele spolehlivosti
Intenzita poruch - λ(t) je pravděpodobnost, že systém, který je v čase t neporouchaný
se v čase t + dt porouchá. Empiricky bylo zjištěno, že průběh λ(t) má tvar tzv. vanové křivky Obr. 60.
λ(t)
I
II
III
λk
čas
Obr. 60:
Vanová křivka
Vanová křivka determinuje tři významné etapy v průběhu života zařízení. Tyto jsou
v obrázku jsou označeny jako I, II a III.
Etapa I - se vyznačuje častými poruchami systému - výrobek je zahořován.
65
Etapa II - se vyznačuje ustálením poruch - doba normálního provozu výrobku, během
níž je intenzita poruch na konstantní hodnotě λk.
Etapa III - se vyznačuje opětovným nárůstem poruch v systému - výrobek je
opotřebený.
6.5.1
Střední doba mezi poruchami
V anglické literatuře se označuje jako MTBF (Mean Time Between Failures) a je to
zdaleka nejčastější spolehlivostní ukazatel, který výrobci poskytují. Používá se zejména pro
obnovované (opravované) objekty.
n
MTBF =
∑t
i =1
pi
(s)
n
kde
n je počet výpadků způsobených poruchami
tpi je doba bezporuchového provozu zařízení mezi následující i-tou poruchou
Nejdůležitější poznatkem je skutečnost, že známe-li hodnotu MTBF, pak intenzita
poruch λ(t)=λk je dána vztahem:
λk =
1
MTBF
(s-1)
Příklad 6.3:
Prvek/systém
Intel 8086
AMD 80386
PLC
Motherboard MX3L
Motherboard MX3Z
Unix
Windows
6.5.2
MTBF [h]
30x106 (3000 let)
10x105 (100 let)
30x104 (30 let)
76x103 (9 let)
40x403 (5 let)
1x103 (měsíc)
?
Pravděpodobnost bezporuchového provozu R(t)
je pravděpodobnost, že v čase τ ≤ t nedojde k poruše systému. S ohledem na dříve
definované vztahy platí pro R(t) rovnice:
R(t ) = e − λk t
6.5.3
(-)
Sériový spolehlivostní model
se vyznačuje tím, že porucha kteréhokoliv prvku v systému způsobí poruchu v celém
systému. Blokovým schématem tuto skutečnost pro systém s n prvky znázorňujeme dle Obr.
61.
66
C1, λ1
C2, λ2
Cn, λn
Sériový spolehlivostní model
Obr. 61:
Výsledná pravděpodobnost bezporuchového provozu takového uspořádání prvků v
systému je:
n
Rs (t ) = ∏ e − λi t
(-)
i =1
A pro výslednou intenzitu poruch platí vztah:
n
λs = ∑ λi
(s-1)
i =1
Příklad 6.4:
Řízení letu proudového letadla se skládá ze tří číslicových regulačních obvodů, z nichž
každý je tvořen:
•
snímačem polohy s intenzitou poruchy λs
•
snímačem povelů pilota s intenzitou poruchy λp
•
aktorem s intenzitou poruchy λa
•
mikropočítačem s intenzitou poruchy λm
•
Prvky mezi sebou komunikují po
•
řídící sběrnici s intenzitu poruchy λbc
•
datové sběrnici s intenzitu poruchy λbd.
Stanovte pravděpodobnost bezporuchového provozu systému po dobu 5-ti hodin,
způsobí-li jeho selhání výpadek libovolného prvku řízení.
Řešení:
Intenzita poruchy celého systému je dána součtem intenzit poruch jednotlivých
komponent, tedy:
λsystem= 3λs+3λp+3λa+3λm+λbc+λbd
(s-1)
a pravděpodobnost, že systém řízení letu bude pracovat správně (a tedy podmínka
k tomu, aby letadlo nespadlo) je:
R (18000) = e
− λ system 18000
Dosadíme-li za definované intenzity konkrétní hodnoty letounu X-29 [ 14 ]
λs = 10-6 h-1
λp = 10-6 h-1
λa = 10-5 h-1
λm = 4 x 10-4 h-1
67
λbc = 10-6 h-1
λbd = 2 x 10-6 h-1
pak je výsledná intenzita poruch
λsystem= 1,239 x 10-3 h-1
a pravděpodobnost bezporuchového provozu po dobu 5-ti hodin je:
R(5 h) = 0,995
6.5.4
Paralelní spolehlivostní model
se vyznačuje tím, že selhání systému způsobí jen porucha všech prvků v systému.
Blokovým schématem tuto skutečnost pro systém s n prvky znázorňujeme dle Obr. 62.
C1, λ1
C2, λ2
Cn, λn
Obr. 62:
Paralelní spolehlivostní model
Výsledná pravděpodobnost bezporuchového provozu takového uspořádání prvků
v systému je:
n
R p (t ) = 1 − ∏ (1 − e − λi t )
(-)
i =1
6.6 Systém TMR
TMR je zkratka z angl. Triple Modular Redundant [ 15 ]. Tímto termínem se rozumí
uspořádání tří prvků tak, aby při výpadek jednoho vedl k maskování poruchy v systému Obr. 63.
Input 1
Module 1
Input 2
Module 2
Input 3
Module 3
Obr. 63:
Voter
Output
Systém TMR
Pravděpodobnost bezporuchového provozu systému TMR se určí jako součet
pravděpodobností všech bezporuchových stavů. Systém tedy pracuje správně, jsou-li všechny
68
moduly v bezporuchovém stavu nebo dva moduly bezporuchové a jeden poruchový. Má-li
každý modul pravděpodobnost bezporuchového provozu R, je možno pro pravděpodobnost
systému TMR odvodit vztah:
RTMR=3R2 - 2R3
Platí-li pro všechny moduly intenzita poruchy λ, nabývá uvedený vztah tvar:
R TMR ( t ) = 3 e − 2 λ t + 2 e − 3 λ t
6.7 Příklad FT při PLC řízení
Příklad 6.5:
Model kolejiště
Předmětem FT řízení je model kolejiště [ 16 ] znázorněný na Obr. 64.
Obr. 64:
Model kolejiště
Model disponuje:
•
10 x nezávislou výhybkou (na obrázku jsou znázorněné obdélníky)
•
11 x vypínatelným úsekem s možností nastavení směru (na obrázku jsou
znázorněné šipkami)
•
20 x snímačem polohy (na obrázku jsou znázorněné trojúhelníky)
Pravděpodobnost bezporuchového provozu celého modelu během jedné hodiny činnosti
je asi jen 60%. Model tedy představuje příklad velmi často selhávajícího systému.
FT - první přiblížení
Model je řízen dvojicí PLC - S7 200 a S7300, které jsou paralelně připojeny na řídicí
sběrnici a na společnou I/O sběrnici. Řídicí struktura je na Obr. 65.
I/O - 7
I/O - 6
I/O - 4
I/O - 5
I/O - 3
I/O - 2
CPU
I/O - 1
69
I/O - 7
I/O - 6
I/O - 5
I/O - 4
I/O - 2
CPU
I/O - 1
Řídicí sběrnice
I/O Bus - 2
I/O Bus - 1
Společná I/O sběrnice
Obr. 65:
Řídicí struktura se dvěmi PLC
Takové uspořádání je schopno pokrýt následující chyby v systému:
•
chyba v jednom CPU
•
chyba v jednom algoritmu
•
chyba v segmentu I/O sběrnice
Výhodou takového uspořádání je relativně jednoduchý řídicí software, nevýhodou je
velké množství signálů na sběrnici, což v konečném důsledku snižuje MTBF.
Obr. 66:
I/O - 6
I/O - 5
I/O - 4
I/O - 3
I/O - 2
CPU
DP
I/O - 1
I/O - 6
I/O - 5
I/O - 4
I/O - 3
IO - 1
IO - 2
IO - 1
IO - 3
IO - 4
IO - 5
IO - 6
IO - 7
IO - 8
IO – 9
IO - 10
DP
CPU
DP
I/O - 2
Proto v další aproximaci k přiblížení se k FT systému, byla do struktury řízení přidána
sběrnice Profibus DP a na ní připojena svorkovnice WAGO a pomocí karty 5412 PC.
Výsledná konfigurace je zřejmá z Obr. 66.
¡
Řídicí struktura se dvěmi PLC a komunikační sběrnicí
70
Takový řídicí systém má velmi velký stupeň volnosti co se týče schopnosti
rekonfigurace a detekce chyby. Tyto možnosti shrnuje Tab. 3.
X
X
X
X
X
X
9
S7-300
S7-200
X
X
11
S7-200
X
12
S7-200
X
13
S7-200
X
14
S7-200
15
S7-200
X
16
S7-200
X
17
S7-200
18
S7-200
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Wago error
X
X
Wago error
X
S7-200 error
X
S7-200 error
S7-200 error
X
X
X
X
Wago error
X
X
X
Wago error
X
X
X
Wago error
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Wago error
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Profibus e.
X
X
X
X
X
X
X
X
X
10
Profibus
S7-300
ISu
8
OSu
S7-300
ISu
7
OSu
S7-300
X
DP
6
X
X
X
X
Wago
CPU
S7-300
X
X
X
Comment
S7-200
ISu
5
OSu
S7-300
X
X
DP
4
Error coverage
CPU
S7-300
Wago
3
X
S7-200
S7-300
S7-300
S7-300
2
Wago
1
Output
vector into
S7 – 300
S7-200
Control
element
S7-300
No.
Input
vector from
X
X
Profibus e.
X
X
X
X
X
Vysvětlivky:
Control element
je PLC které fyzicky řídí úlohu.
Input vector from a Output vector into označují, odkud prvek, který řídí úlohu bere informace
o vstupech a na které výstupy zapisuje.
Error coverage
je kombinace chyb, které uspořádání maskuje.
CPU je chyba v jednom z PLC
DP je chyba na komunikačním procesoru daného prvku.
OSu je chyba na výstupním subsystému
ISu je chyba na vstupním subsystému
Profibus
je chyba na sběrnici Profibus DP
Tab. 3:
Přehled rekonfiguace a detekce chyb
Princip vyhodnocení chyby na I/O sběrnici - Systém TMR ukazuje Obr. 67.
S7-300
I/O Bus 1
S7-300
I/O Bus 2
S7-200
I/O Bus 3
Wago
V1
Output Voter 1
S7-200
V2
Output Voter 2
Obr. 67:
Princip vyhodnocení I/O chyby
Princip rekonfigurace systému po chybě ukazuje algoritmus na Obr. 68.
71
Entry
Receive and storage:
Wago IOT
S7/200 IOT
S7/300 IOT
Vote between
IOTs (V1)
Mark fault subsystem
Receive concurrent
vote result (V2)
NO
V1<>V2?
Subsystem
marked?
NO
YES
Terminate task
YES
Reconfigure structure
Continue in task
Obr. 68:
Princip rekonfigurace
6.8 Vysoce bezpečné a vysoce funkční PLC řízení – Standardy
Standardizace, jakožto nikdy nekončící proces k dosažení jednotných postupů ve všech
odvětví lidské činnosti, významně zasáhla i do FT systému, které byly detailně diskutovány
v předcházejícím kurzu. Za nejdůležitější normativní dokumenty, týkající se vysoce
funkčního a vysoce nebezpečného řízení lze bezesporu považovat německý standard
DIN V 19250/251 [ 18 ] a americký standard ANSI/ISA S84.01-1996 [ 19 ] a jeho
mezinárodní verzi IEC 61508 [ 17 ].
Cílem těchto standardů bylo a je definovat bezpečnostní kategorie (z hlediska rizika
ohrožení osob, životního prostředí a okolí) a stanovit zavazující postupy k dosažení
bezpečného fungování systémů v definovaných kategoriích.
6.8.1
DIN V 19250
Německé norma DIN V 19250 popisuje postup při uvažování rizika při nasazení
řídicího systému. Standard definuje známý rizikový diagram jako kvalitativní vývoj
rizikového faktoru děleného na základě specifických situací. Tento přístup definuje osmi
úrovňový model požadavků na systémy automatického řízení včetně ochranných systémů
s ohledem na rozsah rizika, jak ukazuje Obr. 69. Z obrázku je patrné, že stejná riziková třída
může být klasifikována na základě různých kritérií. Stupeň rizika je definován jako funkce:
R = S ⋅ f ( A, G,W )
72
Věta 6.2:
Rozdělení přístrojů podle rizika je důležité na posouzení vhodnosti
jejich použití z hlediska bezporuchovosti tak, aby nedošlo k ohrožení
osob, prostředí či okolí.
S1
S2
S3
W3
W2
W1
1
-
-
G1
2
1
-
A1
G2
3
2
1
A2
G1
4
3
2
G2
G1
5
4
3
6
5
4
G2
7
6
5
8
7
6
A1
A2
S4
Žádná ochrana
Stupeň rizika
I
(malé riziko)
Stupeň rizika
II
(vysoké riziko)
Doplňkové
systémy
ochrany
Obr. 69:
Rizikový model dle DIN 19250
6.8.2 IEC 61508
Mezinárodní standardizační proces zaměřený na FT řídicí systémy je veden primárně
normou IEC 61508, která definuje kvantitativní požadavky na ochranné systémy. Tato norma
omezuje počet rizikových skupin na pouhé čtyři, jak je vidět z Obr. 70 - Metodika určení
úrovně SIL (Safety Integrity Level). Zde jsou definovány úrovně SIL1 až SIL4.
Světově uznávaná odbornice v problematice bezpečných systémů Dr. Angela E.
Summers k definicím SIL napsala [ 20 ]:
„Idea metodiky SIL existuje někde mezi snílky sci-fi a marketingem.
Sci-fi verze je svázána vizí, že SIL zcela popisuje chování bezpečných
systémů (SIS) v případě jejich náhodných selhání. Obchodní verze je
svázána snahou o co největší a nejrychlejší prodej bez ohledu na
následky.“
Jednoduché vysvětlení vztahu mezi frekvencemi poruch a SIL poskytuje kolo rulety.
Jak známo, ruleta se skládá z číslovaných žlábků, které se točí a do nichž je vhozena kulička.
Sázející odhadují, ve kterém žlábku kulička po zastavení kola zůstane a tento svůj odhad
kvantifikují sázkou na příslušné číslo. V případě SIL rulety, kulička představuje SIL# a šance,
nebo pravděpodobnost, že kulička zůstane na určitém čísle je definována mezinárodním
standardem.
Věta 6.3:
V případě rulety SIL1, předpokládejme, že kolo obsahuje deset žlábků (čísel), což je
minimum pro SIL1. Jedno číslo je obarveno červeně a zbývajících devět je obarveno na
73
černo. Kolo se roztočí a kulička je vhozena do hry v momentě, kdy se v systému objeví
nebezpečná událost, např. hladina v tanku dosáhne nejvyšší úrovně. Pakliže kulička skončí na
jednom z černých čísel, pak bude systém reagovat správně, t.j. záložní ventil se otevře a sníží
hladinu na bezpečnou úroveň. Pakliže kulička skončí na červeném čísle, pak bezpečnostní
funkce systému selže (selžou) a tank přeteče. Jak často tato událost nastane - t.j. tank přeteče,
je dáno součinem počtu her (požadavků na řešení havarijní situace) a poměru červených
žlábků k černým. Hráč tedy může ovládat pravděpodobnost úspěchu pomocí počtu žlábků
(SIL) a snižováním počtu havarijních situací.
Kolik žlábků je požadováno a jaké činnosti musí být provedeny, abychom zabránili
havarijním situacím je založeno na riziku a tolerované frekvenci poruch. Míru rizika lze
vyjádřit sázkou na červené číslo. V sázce se projeví počet zraněných nebo usmrcených osob,
škody na životním prostředí ... Pokud je sázka malá, t.j. hladina v tanku dosáhne nejvyšší
úrovně maximálně desetkrát za rok s následkem, že přebytečné médium odteče do kanálu, pak
je deset žlábků s frekvencí poruchy jednou za rok přijatelných. Pokud je sázka velká, tj.
havárie způsobí výbuch a značná poškození jednou za deset let, pak je nutné počítat
s nejméně tisíci žlábky, abychom dosáhli frekvenci poruch jednou za deset tisíc let.
C1
Pa
W3
W2
W1
X1
a
-
-
X2
1
a
-
X3
2
1
a
3
2
1
4
3
2
b
4
3
Fa
Pb
C2
Fb
C3
Fa
Fb
C4
Fa
Pa
Pb
Pa
Pb
Pa
X4
X5
Fb
Pb
X6
a - není požadováno zabezpečení
b - nelze zabezpečit jedním bezpečným systémem
Obr. 70:
Metodika určení úrovně SIL
74
Vztah mezi pravděpodobností poruchy a SIL úrovní je uveden v Tab. 4 .
Tab. 4:
6.8.3
SIL
Pravděpodobnostní kategorie
1
1 z 10 až 1 z 100
2
1 z 100 až 1 z1 000
3
1 z 1 000 až 1 z 10 000
4
1 z 10 000 až 1 z 100 000
Vztah mezi pravděpodobností poruchy a SIL úrovní
Vztah mezi DIN 19250 a IEC 61508
Výrobci často uvádějí bezpečnostní třídy svých výrobků dle jedné nebo druhé normy.
Vztah mezi jednotlivými úrovněmi ukazuje Obr. 71. Nutno poznamenat, že směry šipek jsou
důležité a nelze např. ze SIL3 přejít na třídu 5 v německém standardu.
Obr. 71:
Vztah mezi DIN 19250 a IEC 61508
B
S1
F1
75
EN 951-1
1 2 3 4
DIN V IEC
19250 61508
Basic safety
0
1
principles
P1
2
P2
3
1
Normal safety
parts and
principles
2
Redundancy and partial
detection of fails
3
Self-diagnostics
4
Safety of unmeaning
machines
S2
P1
4
F2
P2
5
F1
6
S3
F2
7
S4
Obr. 72:
8
Vztah mezi IEC 951-1, DIN 19250 a IEC 61508
Praktická Tab. 5 stanovení postupů při vytváření bezpečného systému dle SIL.
Safety
Integrity
Level
S4
Attributes
Requirements
Specification
Design Formal
(Mathematical)
and
Safety
Integrity
Level
S3
Safety
Integrity
Level
S2
Semiformal (e.g. Informal
Natural
Natural
language)
language)
(e.g.
Safety
Integrity
Level
S1
Applicability
Hardware(H)
Software(S)
Informal
(e.g.
Natural
language)
H/S
Configuration Management
Full (Automated Full (Automated
for development for development Yes
and production)
and production)
Manual
H/S
Prototyping
Yes
Yes
Optional
Optional
H/S
Structured Design Method; e.g. data
flow diagrams, entity relationship Yes
diagrams, state transition diagrams
Yes
Preferred
Optional
H/S
(project Peer
Reviews
H/S
Preferred
H/S
Design Reviews
Yes (project team)
Yes
team)
Project Management
Yes
Yes
Defensive Programming Techniques Yes
(project Yes
team)
Yes
Yes
Yes
preferred
S
Fault Tolerant Techniques
Yes
Preferred
Optional
Optional
H/S
Approved/Validated Compiler
Yes
Yes
Yes
Yes
S
Approved/Validated
Support Tool
Yes
Preferred
Optional
Optional
S
Independent Technical Assessment
Yes
Preferred
Optional
Optional
H/S
Data Reporting Analysis
Corrective Action System
Yes
Yes
Yes
Yes
H/S
Yes
Yes
Optional
Optional
H/S
Dynamic Analysis (e.g. automatic
Yes
testing)
Yes
Yes
Yes
S
Static Analysis
Independent Testing
Software
and
Yes
(Same
Yes
(Same
organisation,
Yes
(Different organisation,
different
Optional
different
organisation)
department
department)
preferred)
H/S
76
Safety
Integrity
Level
S4
Safety
Integrity
Level
S3
Safety
Integrity
Level
S2
Safety
Integrity
Level
S1
Applicability
Hardware(H)
Software(S)
Environmental/Operational Testing
Yes
according to Def Stan 00-35
Yes
Preferred
Optional
H
Computer Aided Simulation
Component Tolerances
Yes
Preferred
Optional
H
Attributes
of
Yes
Yes
(Same
Yes
(Same
organisation,
(Different organisation,
Additional Production Vigilance; Yes
different
Optional
different
organisation)
e.g. Independent Auditing
department
department)
preferred)
ISO 9001
Tab. 5:
Yes
Yes
Yes
Yes
H/S
H/S
Stanovení postupů při vytváření bezpečného systému dle SIL
7 DCS vybudované na bázi PLC
Z kapitoly 4.2 víme, že DSC jsou distribuované řídicí systémy, kterým se velké PLC
snažily a snaží konkurovat v projektech řízení velkých technologických celků. Víme, že DCS
vznikly jako důsledek decentralizace řídicích počítačů nejprve na několik spolupracujících a
propojených minipočítačů a později na množinu řídicích mikropočítačů, propojených
systémovými sběrnicemi reálného času jak mezi sebou navzájem, tak s hierarchicky vyšší –
operátorskou úrovní. Zachovaly si ve větší či menší míře hierarchickou strukturu. Na druhé
straně, původně malé PLC implementovaly postupně vývoj mikroelektroniky a SCADA
(Supervisory Control and data Aquisition System) systémů, až se jejich funkceschopnost,
počet vstupů a výstupů, spolehlivost, operabilita a do jisté míry i programátorský
a projektantský komfort mohly srovnávat s obdobnými vlastnostmi DCS. V následujícím
uvedeme příklad toho, jak lze na bázi PLC úspěšně vybudovat distribuovaný řídicí systém,
který má výše uvedené vlastnosti.
Distribuované řídicí systémy (DCS), vybudované na bázi PLC jsou přirozeným
důsledkem vyrovnávání původně velkého rozdílu mezi systémy na bázi řídicího počítače nebo
minipočítače a číslicovou průmyslovou řídicí a regulační technikou (průmyslovými
číslicovými regulátory a PLC). V současné době je proto projektant postaven před nelehký
úkol rozhodnout mezi těmito dvěma alternativami, které v mnoha případech mají současně
mnoho pro a mnoho proti. Z následujícího stručného přehledu plyne, že většina výrobců PLC,
nabízí v jisté podobě svůj řídicí systém, postavený na vlastních PLC jako distribuovaný DCS
systém. Předpokladem pro to je, že systém je vybudován dle schéma, uvedeného na Obr. 73.
Obr. 73:
PLC orientovaný DCS
77
Spolehlivost systému je vybudována na spolehlivosti vlastních PLC, které tvoří
1. úroveň řízení technologie. Operátorská úroveň (úroveň řízení procesu) je řešena výkonnými
PC, propojenými mezi sebou i s 1. úrovní řízení sériovou sběrnicí. Zpravidla se jedná
o systémově specifickou sběrnici, vhodnou do průmyslového prostředí (Modbus, Modbus
Plus, FIP, CAN, Profibus, ARCnet, P-net), ale i Ethernet. Na vrstvě 7 se často setkáme
s použitím služeb a funkcí MAP protokolu. Na úrovni projektování (konfigurace,
parametrizace, programování ) se na OS používá buď výrobcem PLC dodávaný vizualizační,
diagnostický a projektovací SW nebo se používá otevřených produktů SCADA výrobců SW.
Čím otevřenější je vlastní systém, tím lépe může tyto neutrální SW produkty implementovat.
Právě SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition ) systémy umožňují této
architektuře konkurovat kompaktním DCS.
7.1.1 Příklad PLC orientovaného DCS
Jako příklad těchto systémů uveďme ve stručnosti systém Simatic PCS 7 firmy
Siemens. Tento PLC orientovaný DCS vychází ze systému Simatic PCS, avšak implementuje
především novou řadu Siemensových programovatelných automatů Simatic S7. V oblasti SW
podporuje a využívá otevřená standardní SW rozhraní pro projektování a technologická data
jako ODBC (Open Data Base Connectivity), SQL (Structured Query Language), dále OPCrozhraní, umožňující zpracování dat v PC aplikacích a rozhraní DDE. Z komunikačních
standardů na nejnižších úrovních podporuje Profibus, Hart a na úrovni mezi stanicemi
průmyslový Ethernet.
Pro projektování, parametrování, diagnostiku a uvádění do provozu je do systému
integrován moderní Siemensův konfigurační SW s názvem Simatic PDM (Process Device
Manager), umožňující jednotným SW projektovat a programovat heterogenní přístrojovou
kolekci od průmyslových regulátorů, přes automaty S7 až po Simatic PCS a to routingem
(z inženýrské stanice až po poslední přístroj, připojený kupř. k síti HART). Tato vlastnost je
ve firmě Siemens označována jako Totally Integrated Automation. Je reakcí na výše uváděný
rozdíl mezi projektantským / programátorským komfortem integrovaným do kompaktních
DCS a ostatní řídicí technikou (PLC, soft PLC, průmyslové regulátory, totálně distribuovaná
automatizace ap.) při řešení automatizace velkých celků. Otevřenost systému,
charakterizovaná prvky a vlastnostmi Totally Integrated Automation, umožňuje poměrně
snadno začlenit do systému řídicí členy jiných výrobců. Již Simatic PCS, byl postaven v
úrovni bezprostředního řízení na dvou zcela heterogenních PLC typu Simatic S5 a TI-500.
Pro parametrování přístrojů používá systém Simatic PCS7 standardizovaný jazyk DDL
(Device Description Language). Blokové schéma distribuovaného řídicího systému Simatic
PCS 7 je na Obr. 74.
78
Obr. 74:
Blokové schéma Simatic PCS 7
1) Nakreslete základní blokové schéma DCS systému, vybudovaného na PLC. Jaká
je role PLC, v čem se liší tento DCS od jiných typů DCS.
2) Nakreslete blokové schéma systému Simatic DCS 7. Vysvětlete princip a funkci
jednotlivých komponentů systému.
Seznam použité literatury
[1]
Considine D.M.: Process / Industrial Instrumentation and Control Handbook,4th Ed.
McGraw Hill, N.Y., 1993, ISBN 0 –07–012445–0.
[2]
Reinhardt H.: Automatisierugstechnik, SpringerLehrbuch, Berlin 1996, ISBN–3–540–
60626–2.
[3]
Kriesel – Heimbold – Teltschow : Bustechnologien fűr die Automatik, VieWeg Verl.,
Braunschweig 1998
[4]
Auer A. : SPS Aufbau und Programmierung, 4. Aufl., Hűtting, Heidelberg, 1991
[5]
Schnell G. (Hrsg) : Bussysteme in der
Verl.,Braunschweig, 1994, ISBN 3–528–06569–9
[6]
Zezulka F.: Mezinárodní standardizace v oblasti průmyslových komunikačních
sběrnic, Automatizace 1998, č.7, str. 393–396
[7]
Kocourek P.: Průmyslové komunikační systémy, Automatizace, 1998, č.7, str. 390 –
392.
[8]
Carter, W. C., and W. G. Bouricius. „A survey of fault tolerant computer architecture
and its evaluation,“ Computer, Vol. 4, No. 1, January 1971.
[9]
Kuehn, R. E. „Computer redundancy: Design, performance and future,“ Transaction
on Reliability, Vol. R-18, No. 1, February 1969.
Automatisierungstechnik,VieWeg
79
[ 10 ] Fortes, J. A. B., and C. S. Raghavendura. „Dynamically reconfigurable fault-tolerant
arry processors,“ Proceedings of the 14th International Conference on Fault-Tolerant
Computing, Kissimmee, Fla., June 20-22, 1984.
[ 11 ] NOVA. "Sixty Minutes to Meltdown." WGBH Educational Foundation, 1983.
[ 12 ] Stephens, Mark. "Three Mile Island." New York: Random House, 1980.
[ 13 ] Lee, P. A., and D. E. Morgan. "Fundamental concepts of fault-tolerant computing process report," Proceedings of the 12th Annual International Symposium on Faulttolerant Computing, Santa Monica, California, 1982.
[ 14 ] Anderson, D. "X-29 Forward swept wing flight control system," Proceedings of the
Joint AIAA-IEEE Fifth Digital Avionic System Conference, Washington, D.C., 1984.
[ 15 ] Chen, L., A. Aviziens. „N-version programming: A fault tolerant approach to
reliability of software operation”, Proceedings of the International Symposium on
Fault Tolerant Computing, 1978.
[ 16 ] Kučera P., Fault tolernat design of control In IWCIT'01. International Workshop
Control and Information Technology, IWCIT'01. Ostrava: VŠB Ostrava, 2001,
s. 149-154, ISBN 80-7078-907-7.
[ 17 ] IEC(CDV)61508: Functional safety on electric/electronic programmeble safety-realted
systems.
[ 18 ] DIN 19251 Control equipment, requirements and measures for safe guarded functions.
[ 19 ] ANSI/ISA-S84.01-1996, “Application of Safety Instrumented Systems for the Process
Industries”, Instrument Society of America S84.01 Standard, Research Triangle Park,
NC, 27709, February 1996.
[ 20 ] Dr. Angela E. Summers, Understanding Safety Integrity Levels, Control Engineering,
February 1, 2000.

Programovatelné automaty

Transkript

Podobné dokumenty

Evropský polytechnický institut, s - Informační systém školy

Vlastnosti jádra 16 bitových procesorů PIC24 a DsPIC

bakalářská práce - České vysoké učení technické v Praze

3 - Katedra chemie FP TUL

Výrobní inteligence

rcwilly

Katalog novinek - březen

MATRIX PATRONn - HyperElektro.cz

The research of decision support systems in the project

Komunikace v automatických systémech

Kolik železa spolykáme - Experimentem k poznání

Programovatelné automatizační moduly

Stručný postup k použití programu PL7 Junior

1. Slovenský systémový integrátor

Dobývání znalostí

Seminár Java

ModBUS modul - ENBRA, a.s.

Seminár Java

SPARTAN /XL Xilinx FPGA Device