curs_1_RF

ROBOTIZAREA FABRICATIEI II CURS 1

Prof.Univ.Dr.-Ing. Stelian BRAD

[email protected], sala G118, B-dul Muncii 103-105DMCDI, et. I, Str. C-tin Daicoviciu 15

Tel. 0264 401 766; 767

© Prof.univ.dr.-ing. Stelian Brad

Controlere logic programabile … introducere (1/4)

Procesele de fabricaţie robotizate necesită sisteme de control pentru o funcţionare sigură şi economică.

Sistemul de control al procesului de fabricaţie robotizat acţionează în sensul „translatării” comenzilor operatorului uman în acţiuni la nivel de proces şi în sensul „afişării” stării procesului înapoi la operatorul uman.

Există diverse strategii de control a proceselor de fabricaţie robotizate, însă cea mai uzuală strategie aplicată în zilele noastre este aceea bazată pe calculatoare de proces.

De regulă, în cazul controlului unui proces industrial automatizat cerinţele diferă într-o măsură semnificativă faţă de cerinţele aferente unor aplicaţii non-industriale.

Calculatorul de proces este diferit de calculatorul convenţional. În cazul calculatorului de proces, intrările provin de la un număr vast de echipamente şi dispozitive.



O parte dintre intrări sunt analogice (ex. temperatură, debit, presiune), însă cele mai multe intrări sunt digitale (on/off).

Semnalele de intrare provin atât de la operatorul uman cât şi de la diverşi senzori integraţi în cadrul procesului de fabricaţie.

De asemenea, în cazul calculatoarelor de proces există o multitudine de semnale de ieşire, atât de tip analogic cât şi digital.

Ieşirile trimit comenzi în proces sau informaţii la operatorul uman. Un sistem de control foarte simplu poate ajunge la 20 de semnale de intrare şi ieşire, iar un sistem de mărime medie ajunge în mod uzual la 200 conexiuni.

Calculatorul de proces poate fi conectat şi la periferice precum ar fi tastatura şi ecranul, întâlnite la calculatoarele convenţionale, însă acest lucru nu este absolut necesar.



Calculatoarele de proces sunt special proiectate pentru a respecta o serie de cerinţe specifice proceselor industriale, dintre care menţionăm următoarele:•Capabilitatea de a rezista în medii de lucru murdare şi cu variaţii mari de temperatură;•Capabilitatea de a opera uşor şi fără interfeţe complexe cu semnale de intrare şi ieşire digitale la tensiunile uzuale din mediile industriale (24 V c.c., 220 V c.a.), precum şi cu o multitudine de semnale de intrare şi ieşire analogice; iar expansiunea intrărilor şi ieşirilor să poată fi efectuată simplu şi rapid;•Limbajul de programare să fie uşor de înţeles de către personalul de întreţinere (ex. de către electricieni), care nu are o pregătire adecvată în construcţia şi programarea calculatoarelor convenţionale;•Să faciliteze monitorizarea procesului în timpul funcţionării pentru a asista operatorul uman la identificarea defecţiunilor, pornind de la premisa că majoritatea defecţiunilor în proces apar la nivelul echipamentelor şi dispozitivelor externe (ex. senzori, actuatori, comutatoare);•Capabilitatea de a funcţiona suficient de rapid (ex. un timp de răspuns în jur de 0,1 s) pentru asigurarea unui control în timp real al procesului;•Capabilitatea de a opera în condiţii de siguranţă maximă pentru a proteja operatorul uman.



Unul dintre cele mai versatile dispozitive, capabile să satisfacă cerinţele mai sus menţionate este controlerul logic programabil, motiv pentru care acesta este utilizat pe scară largă în procesele de fabricaţie robotizate.

În cazul proceselor de fabricaţie robotizate, controlerele logic programabile sunt utilizate uneori şi în calitate de controlere ale roboţilor industriali (ex. în cazul manipulatoarelor, în cazul roboţilor industriali simpli, cu mişcări de tipul „punct-cu-punct”).


Definiţia controlerului logic programabil (1/2)

Controlerul logic programabil (în limba engleză, programmable logic controller sau pe scurt PLC) este un tip specific de calculator utilizat pentru controlul unei varietăţi de funcţii din cadrul proceselor industriale.

În conformitate cu standardul ICS3-304-1978, controlerul logic programabil este un aparat electronic operat digital, care utilizează o memorie programabilă pentru stocarea internă de instrucţiuni în vederea implementării unor funcţii specifice, cum ar fi funcţiile logice, secvenţiale, de temporizare, de contorizare, aritmetice, cu scopul de a controla prin intermediul unor module analogice şi digitale de intrare şi ieşire diverse tipuri de maşini şi procese.

Termenul de controler logic programabil a fost introdus prima dată de către un producător renumit de controlere industriale programabile, şi anume Allen-Bradley Company.

În continuare, pentru convenienţă, se va utiliza termenul PLC când se va face referire în text la controlerul logic programabil.


Definiţia controlerului logic programabil (2/2)

PLC-urile au fost dezvoltate ca alternativă la circuitele convenţionale secvenţiale pe bază de relee, utilizate până la un moment dat în controlul maşinilor şi echipamentelor industriale. De la primele dezvoltări la începutul anilor ’70 şi până în prezent, PLC-urile au evoluat tot mai mult sub aspect hardware şi software, astăzi atingând faza de maturitate.

În prezent există sute de producători de PLC-uri pe plan mondial, printre cei mai renumiţi putând fi amintiţi următorii: ABB, Allen-Bradley, Bosch, Festo, Fisher&Paykel, Fanuc, Fuji-Electric, General Electric, Hitachi, Honeywell, LG Industrial Systems, Matsushita, Mitsubishi, Siemens, Sigmatek, Telemecanique, Toshiba, Unitronics etc. Cu toate că există unele diferenţe sub aspect constructiv de la un producător la altul, arhitectura de bază a PLC-urilor este aceeaşi.

Exemple de PLC-uri produse de Siemens


Arhitectura controlerului logic programabil (1/4)

PLC-ul constă din câteva componente principale, după cum urmează: microprocesorul (unitatea centrală de procesare sau CPU (central processing unit)), modulele de memorie, modulul de interfaţare cu sursa de curent, bateria de susţinere (back-up), terminalul pentru programare, interfeţele pentru cardurile de intrare/ieşire (I/O - input/output), cardurile de intrare/ieşire montate în sertare speciale, elementele de conectare la proces.

Modulele principale din structura unui PLC (cu mulţumiri Siemens)



Releele de intrare sunt contacte care există fizic în cadrul PLC-ului şi asigură legătura procesului cu PLC-ul. Prin intermediul releelor de intrare se primesc semnale de la comutatoare, senzori etc. Contactele de intrare sunt de fapt nişte circuite electronice cu tranzistori.

Releele de ieşire asigură legătura PLC-ului cu procesul. Contactele/releele de ieşire există din punct de vedere fizic şi transmit semnale de tip „on/off” la diverse dispozitive/echipamente din proces. Din punct de vedere constructiv, releele de ieşire sunt nişte circuite electronice cu tranzistori.

Releele interne de utilitate sunt contacte care nu există fizic în sistem. Ele pot fi numite „relee simulate” şi permit simularea unor relee externe. Unele dintre releele interne de utilitate sunt dedicate pentru execuţia unei singure sarcini de lucru. Unele sunt întotdeauna „on”, altele sunt întotdeauna „off”. Unele sunt „on” o singură dată, când sursa de putere este comutată pe „on” şi sunt utilizate pentru a iniţializa unele dintre datele stocate în memoria PLC-ului.

Unităţile de stocare a datelor sunt regiştri utilizaţi pentru stocarea datelor când puterea este comutată pe „off”, precum şi pentru stocarea temporară a datelor în cazul manipulării datelor sau efectuării unor operaţii matematice.



Contoarele sunt componente ale PLC-ului care nu există din punct de vedere fizic, ci sunt „contoare simulate” care pot fi programate pentru a contoriza pulsuri. Ele pot contoriza pulsurile în faza „up”, în faza „down” sau în ambele faze.

Contoarele simulate sunt limitate în ceea ce priveşte viteza de contorizare, motiv pentru care, în cazul unor procese foarte rapide trebuie integrate în cadrul PLC-ului şi contoare fizice de mare viteză.

Unităţile de temporizare sunt componente ale PLC-ului care nu există din punct de vedere fizic. Ele sunt simulate în PLC. Din punct de vedere al tipului, unităţile de temporizare sunt în variantele „on-delay” (temporizare în starea „on”) şi „off-delay” (temporizare în starea „off”), iar incrementele acestora variază de la 1ms la 1s.

Putem considera PLC-ul ca fiind o „cutie” cu sute sau mii de relee, contoare, unităţi de temporizare şi locaţii de stocare a datelor (unele de tip „hardware”, altele – cele mai multe – de tip „software”, în sensul că acestea nu există din punct de vedere fizic ci sunt simulate la nivelul regiştrilor din structura PLC-ului).



Schema bloc a unui PLC


Modul de funcţionare al PLC-ului (1/10)

PLC-ul funcţionează prin „scanarea” continuă a aplicaţiei program. Cu alte cuvinte, programul în cadrul PLC-ului este executat într-o fracţiune de secundă.

Paşii individuali nu sunt procesaţi mai rapid decât într-un calculator convenţional, de aceea programele la nivelul PLC-ului trebuie să fie simple şi scurte. Acest lucru poate fi realizat deoarece scopul de bază al unui PLC este acela de a lua decizii logice da/nu.

Astfel, secvenţa de paşi din cadrul unui program PLC este executată atât de rapid încât se poate considera, din punct de vedere al procesului monitorizat, că paşii sunt executaţi simultan.

De aceea, un PLC analizează continuu şi simultan toate datele de intrare de la nivelul procesului, efectuează decizii logice şi distribuie comenzi înapoi spre proces.



Ciclul de scanare (ciclul de lucru) al PLC-ului constă din trei paşi principali (verificarea stării intrărilor, executarea programului, actualizarea stării ieşirilor) şi o serie de paşi complementari (ex. verificarea sistemului, actualizarea valorilor contoarelor şi unităţilor de temporizare).

În prima fază PLC-ul verifică fiecare intrare pentru a identifica starea sistemelor monitorizate (ex. care este starea senzorului conectat la intrarea X – on sau off?). Informaţia este stocată în memorie pentru a fi utilizată în faza a doua a ciclului de lucru, în care PLC-ul execută programul (câte o instrucţiune odată).

În funcţie de stările sistemelor monitorizate şi în funcţie de ceea ce este scris la nivelul instrucţiunilor din cadrul programului, vor fi generate o serie de rezultate şi stocate în memorie pentru a fi utilizate în faza a treia a ciclului de lucru.

În faza a treia, PLC-ul actualizează starea datelor de ieşire şi le trimite spre proces, după care PLC-ul îşi reia ciclul de lucru, repetându-l continuu.



Timpul de răspuns al PLC-ului este suma dintre timpul necesar pentru a prelua datele de intrare, timpul necesar pentru execuţia programului şi timpul necesar pentru a trimite comenzile spre proces.

Timpul de răspuns este un parametru de performanţă al PLC-ului şi unul dintre criteriile principale în selecţia unui PLC pentru un proces dat.

Aşa cum a fost menţionat mai sus, paşii programului în PLC se execută foarte rapid, în mod continuu. Noua execuţie a programului ar putea fi declanşată de linia de ciclu a curentului alternativ care alimentează PLC-ul.

Cu alte cuvinte, programul este reluat atunci când tensiunea atinge punctul de vârf.



Se observă că programul este executat într-o fracţiune din timpul aferent unui ciclu al curentului alternativ de la sursa de alimentare, care de regulă este 1/60 s, unde 60 reprezintă frecvenţa în Hz a curentului.

Figura A1. Exemplul unui ciclu de lucru al PLC-ului în raport

cu ciclul curentului de alimentare



În conformitate cu schiţa din figura A1, dacă anumite intrări de la proces îşi modifică starea în intervalul de timp în care este executat programul, atunci este posibil să rezulte informaţii eronate despre starea intrărilor.

În realitate acest lucru nu reprezintă o problemă deoarece există posibilitatea de a corecta acest lucru o fracţiune de secundă mai târziu, în următorul ciclu, atâta timp cât ciclul unui proces industrial nu atinge valori atât de mici. În plus, există o serie de soluţii pentru rezolvarea acestei probleme.

Pentru explicarea acestora se consideră un exemplu.



Exemplul din figura A.2, evidenţiază trei cicluri de lucru ale PLC-ului.

Simbolurile din figura A.2 au următoarea semnificaţie: I – intervalul de timp aferent preluării datelor de intrare; E – intervalul de timp aferent execuţiei programului; O – intervalul de timp aferent transmiterii datelor de ieşire.

Figura A.2.

Diagramă explicativă pentru studiul de caz



PLC-ul nu este capabil să sesizeze decât momentul schimbării stării unui semnal de intrare din „on” în „off” sau invers şi doar dacă acest lucru se întâmplă în intervalul în care PLC-ul citeşte starea sistemului (intervalul de timp I în figura A.2).

În aplicaţia din figura A.2, schimbarea stării semnalului de intrare 1 nu este sesizată de către PLC la primul ciclu de lucru, decât la al doilea ciclu de lucru, deoarece semnalul îşi schimbă starea din „off” în „on” doar în momentul în care PLC-ul execută programul.

De asemenea, PLC-ul nu sesizează schimbarea semnalului 2 decât în ciclul trei de lucru, deoarece momentul schimbării stării semnalului din „on” în „off” coincide cu momentul încetării citirii semnalelor de intrare de către PLC. Utilizând aceeaşi logică, se observă că semnalul 3 nu va fi sesizat niciodată de către PLC.



Pentru a evita astfel de situaţii ar trebui ca semnalul de intrare să fie „on” o perioadă de timp egală cu suma dintre durata unui ciclu de lucru şi durata citirii semnalelor de intrare.

În cazul în care nu se poate ca semnalul de intrare să fie în starea „on” pentru această perioadă de timp, se iau în calcul două abordări: a) introducerea la nivelul PLC-ului a unei „funcţii de prelungire a pulsului”; b) introducerea la nivelul PLC-ului a unei „funcţii de întrerupere”.

Funcţia de prelungire a impulsului extinde lungimea semnalului de intrare (durata pulsului) până când PLC-ul citeşte intrările din nou, în următorul ciclu de lucru.

Funcţia de întrerupere blochează ciclul de lucru normal pentru a apela o rutină specială de întrerupere (un mini-program din afara programului principal, pe care acesta din urmă îl apelează). În momentul în care semnalul de intrare se cuplează pe starea „on”, PLC-ul opreşte acţiunea în curs indiferent care este aceasta şi execută rutina de întrerupere. După execuţia rutinei, PLC-ul se întoarce la starea de unde s-a oprit şi continuă execuţia ciclului de lucru.



Luând în calcul aceste funcţii, rezultă că cel mai îndelungat timp până când un semnal de ieşire este schimbat pe starea „on” (cea mai mare întârziere datorată faptului că semnalul de intrare asociat semnalului de ieşire nu este sesizat decât în al doilea ciclu de lucru al PLC-ului) este egal cu de două ori durata unui ciclu de lucru al PLC-ului din care se scade durata aferentă transmiterii semnalelor de ieşire.

Din punctul de vedere al setării unui PLC pentru a controla o serie de paşi în cadrul unui proces automatizat există două abordări: a) controlul logic; b) controlul secvenţial.

În cazul controlului logic o anumită stare a procesului este sesizată pentru a semnala completarea unui anume pas în procesul automatizat şi pentru a declanşa execuţia pasului următor.

În cazul controlului secvenţial se utilizează elemente interne de temporizare pentru a declanşa finalizarea unui pas şi iniţierea pasului următor.



Diferenţa principală dintre cele două abordări este aceea că, în cazul primei abordări se aplică un control în buclă închisă, în timp ce pentru abordarea secvenţială este luat în considerare un control în buclă deschisă.

Controlul în buclă închisă are avantajul că nu permite iniţierea unui pas până când pasul anterior nu este finalizat. Din acest punct de vedere, controlul în buclă închisă poate fi şi mai rapid decât cel în buclă deschisă, deoarece în cazul controlului în buclă deschisă trebuie luat în calcul un timp de aşteptare constant şi suficient de lung pentru fiecare pas, de regulă egal cu timpul maxim estimat a fi necesar pentru completarea pasului cu durata cea mai mare.

Controlul în buclă deschisă are însă avantajul simplităţii şi este în acelaşi timp mult mai ieftin deoarece nu are nevoie de senzori în cadrul procesului pentru a detecta completarea paşilor.

Date post:	03-Jul-2015
Category:	Documents
Upload:	roxana-puscas
View:	99 times
Download:	0 times

curs_1_RF

Documents