Mieszkanie i ogrzewanie: "PLC"

 Mieszkanie i ogrzewanie: "PLC"
 
 Uklady sterowania logicznego wyprzedzily regulacje – automatyke ciagla o trzy i pol dekady.
 Na poczatku wieku pracowaly juz proste przemyslowe uklady sterowania logiczno - sekwencyjnego z przekaznikami.
Pierwsze automatyczne centrale telefoniczne pojawily sie na poczatku XX wieku a wybierak telefoniczny opatentowano juz w latach osiemdziesiatych XIX wieku.
Centrale z wybierakami Strowgera mialy sterowanie rozproszone a centrale krzyzowe, przekaznikowe sterowanie bardziej centralne  i to dosc zlozone. Specjalne przekazniki do central krzyzowych mialy do 20 par zestykow !
W automatyce przemyslowej modulowe uklady logiczne z tranzystorow wyparly przekazniki a te wyparte zostaly przez uklady monolityczne, ktore ustapily miejsca PLC ( nazwe ta wprowadzono na poczatku lat siedemdziesiatych) z procesorem i pamiecia z programem dzialania. Procesor byl poczatkowo 1 bitowy i wykonany na ukladach skali integracji MSI i SSI a pozniej zastosowano standardowe monolityczne procesory 8 bitowe mimo iz nie maja one efektywnych rozkazow do realizacji funkcji logicznych typowych dla Programable Logic Controler.
Uklad logiczny czesto optymalizowano - minimalizowano co jest trudne. Sa to zadania o szybko, wykladniczo rosnacej zlozonosci w funkcji ilosci wejsc. "Uklady przelaczajace w automatyce przemyslowej. Zadania" Red. H. Malysiak, WNT 1981 zawiera calkiem sporo interesujacych przykladow wlasnie z automatyki przemyslowej.
Natomiast drabinke - program dla PLC pisze sie bez zadnej optymalizacji co jest zaleta aplikacyjna ale PLC musi miec zapas wydajnosci.
Sekwencyjny uklad logiczny najczesciej byl asynchroniczny a PLC jest synchroniczny.

W centralach ESS No1 Bella skanowaniem pradow lini abonentow zajmowal sie glowny 24 bitowy komputer na tranzystorach . Systemowi temu jest poswiecony caly ( 776 stron !) numer BSTJ, September 1964. Jako komparatory pradow linii uzyto pomyslowej macierzy pamieci ferrytowej z przepleceniem przez perelke ferrytowa przewodu z pradem skanowanej linii abonenta.
 W centrali dla maksymalnie 65536 abonentow jednoczesnie bylo zestawionych maksymalnie 8192 polaczen a wybierac numery moglo jednoczesnie 1024 abonentow. Zastosowano wydajne i proste  realizacyjnie ( ale nie koncepcyjnie !) algorytmy do  wyszukiwania wolnej sciezki w matrycach i zestawienia polaczen.
Stan wybierajacej impulsowo numery  lini abonenta jest testowany przez program co 10 ms. Wyjscie dekodera wielotonowego DTMF ( abonent musi miec odpowiedni telefon co jest uwzglednione w konfiguracji ) jest czytane co 25 ms.  W czasie polaczenia linia jest testowana co 120 ms.
W licencyjnych centralach E-10 procesor na 3-4 krotnie szybszych ukladach TTL niz logika ESS zajmuje sie tylko 512 liniami ! Pokazuje to jak bardzo rozwiazania tej centrali sa niewydajne i nieudane ! Pewnie dlatego sprzedano nam ta licencje ze centrala byla nieudana.
Poniewaz komputer ESS wykonywal tez procedury uslug aby zwolnic im czas dodano wyspecjalizowany uklad logiczny ( nazwany mylnie procesorem DSP ) do wspolpracy z liniami. Bardzo popularne w USA uslugi praktycznie w Polsce nie istnieja.

Pierwsza elektryczna sygnalizacje swietlna zastosowano w 1914 roku w USA. Dwa skrzyzowania po raz pierwszy skoordynowano w USA w 1922 roku. Pierwsza skoordynowana sygnalizacje w Warszawie zastosowano w 1968 roku. Pierwsza sygnalizacje sterowana komputerowo zastosowano w USA w 1959 roku.  W swiecie znanych jest ponad 10 wariantow systemow sygnalow swietlnych i nic nie wskazuje na swiatowa unifikacje systemow sterowania swietlnego ! Osobne sygnaly swietlne sa dedykowane dla transportu zbiorowego. W USA sygnalizacja coraz czesciej objety jest lewoskret na skrzyzowaniach.
Z uwagi na powazne konsekwencje wadliwego dzialania sygnalizacji ulicznej prosty uklad logiczny na wyjsciu kontrolera moze wykrywac glowne, niebezpieczne  nieprawidlosci. W takie sytuacji blokowane sa wszystkie sygnaly kontrolera i wszedzie podany jest sygnal pomaranczowy. Mozna tez na kilka sekund przed tym zapalic swiatla czerwone.
Centralny komputer moze koordynowac prace kontrolerow skrzyzowan miasta. Stosowane sa coraz to lepsze algorytmy ale nadal duzo im brakuje do doskonalosci. Z kolei kierowcy doceniajac ulepszenia w traktach komunikacyjnych coraz bardziej jej obciazaja ! Z pustego i Salomon nie naleje i nawet najlepsze kierowanie ruchem nie moze pomoc gdy brak jest przepustowosci !

Juz przed I Wojna czesc maszyn roboczych miala elektryczne logiczne sterowanie.
Szybkobiezna prasa wykrawajaca ksztaltki z blachy musi byc bezpieczna dla obslugi i wspolpracowac w okresie pracy synchronicznie z pozostalymi maszynami w lini produkcyjnej. Pakiety wykrojonych blach elektrotechnicznych na rdzen silnika lub transformatora automatycznie powstawaly w USA juz przez II Wojna Swiatowa.
Mechaniczna automatyczna maszyna do zwijania papierosow powstala w USA juz w latach osiemdziesiatych XIX wieku !

Uklad logiczny sygnaly otrzymuje z sensorow binarnych. Natomiast sygnal z sensora analogowego mozna podac do komparatora a do drugiego jego wejscia sygnal progu z potencjometru lub formowany z sygnalu binarnego i /lub sygnalow analogowych. Wyjscie komparatora podano do wejsc binarnych kontrolera. Taka idea jest zreszta stosowana w pralkach automatycznych z prostym mikrokontrolerem.
Sygnaly binarne z wyjscia regulatora krokowego calkujacy aktuator zamienia na sygnal analogowy !  
Jak juz pokazano stosowane w systemach ( czyli nie samodzielnie )  regulatory krokowe maja wyjsciowa logike wykonana fizycznie na ukladach logicznych badz w postaci programu kontrolera. W najprostszym wypadku przelaczniki krancowe aktuatora sa wlaczone w szereg z fazami kierunkow silnika dwufazowego i blokuja dalszy ruch zabezpieczajac silnik. System nie ma jednak informacji o osiagnieciu krancowego polozenia.

 Frezarka z automatycznym magazynem zmienianych narzedzi ( ATC - Automatic Tool Change ) to tak zwane centrum obrobcze. ATC z reguly ma napedy hydrauliczne ( ma tez oczywiscie zasilacz hydrauliczny ) ale sterowana jest przez PLC sygnalami elektrycznymi elektroserwozaworami hydraulicznymi. ATC ma tez calkiem liczne sensory polozenia i obecnosci. Automat ATC jest skomplikowany i drogi ale jest dla wydajnej frezarki oplacalna koniecznoscia.  Automat narzedzia zmienia znacznie szybciej niz czlowiek. W ramach G-code zmiane narzedzia adresem M06 poprzedza  wybor narzedzia adresem Txx ( xx to numer narzedzia w magazynie) a spindle ( czyli wrzeciono ) musi byc zatrzymany adresem M05 i zorientowany (OSS - Oriented Spindle Stop ) a os Z ustawiona na wlasciwej wysokosci.
Aby zrozumiec logike konstrukcji maszyn CNC trzeba wyjasnic kilka kwestii organizacyjnych w przemysle. Oprogramowany mikrokomputer systemu CNC z odpowiednimi interfejsami  i serwomechanizmy z reguly w swiecie produkuje "jeden" ( w znaczeniu ten sam ) potezny koncern. Z uwagi na ograniczona ilosc pamieci ROM mikrokomputera CNC zawierajacej interpreter G-kodow moze byc pare wersji oprogramowania ( z reguly sa wersje dla "frezarek" i "tokarek" ) o roznym skladzie interpretowanych G-kodow. Japonski koncern FANUC ( = Fuji Automatic Numerical Control ) to najpotezniejszy w swiecie producent sterowan CNC. Fuji zas to potezny koncern elektrotechniczno - elektroniczny.
Producent gotowej frezarki wykonuje korpus, przekladnie, sruby kulkowe... Do konstruowanej frezarki wybieramy i kupujemy sterowanie z trzema osiami z pozadanymi mocami serwosilnikow. W sterowaniu FANUC-a czy innych producentow nie ma jednak ani invertera ani silnika spindle czyli wrzeciona. Mozna na przyklad kupic odpowiedni silnik z inverterem koncernu Fuji. Mozna tez zastosowac silnik asynchroniczny bez zadnej regulacji obrotow. Silnik spindle ma z reguly zmieniana elektrycznie przekladnie aby przy roznych obrotach spindle pracowal z pelna moca. Do obrobki aluminium stosuje sie duze szybkosci spindle zas do gatunkowych stali male szybkosci ale z duzym momentem obrotowym.        
Magazyn ATC i wspolpracujacy z nim zespol spindle z reguly nie jest bezposrednio sterowany komputerem maszyny CNC ale jest sterowany osobnym sterownikiem PLC. Sterownik ten dostaje informacje z mikrokomputera o numerze xx w niektorych kodach Txx i Mxx i sygnal kiedy ma dokonac zmiany narzedzia. PLC wiec wie ktore narzedzie ma przygotowac i realizuje skoordynowany rozkaz ( sekwencje czynnosci ) do zmiany narzedzia. Co magazyn ATC to inny jest wymagany algorytm do jego sterowania. Program PLC realizuje tez diagnostyke i wykrywanie bledow w dzialaniu. Co maszyna to inny sposob realizacji adresow Mxx. Mikrokomputer CNC moglby tez realizowac funkcje PLC magazynu ale koncerny nie chca aby mikrokomputer CNC wykonywal zadania PLC co wynika z niecheci i kosztow rozpatrywania w ogromnej wiekszosci bezpodstawnych reklamacji nabywcow. Poza tym nie wiadomo ile i jakich specyficznych wejsc i wyjsc potrzebuje sterownik PLC magazynu. A sensory do ATC bywaja dosc "dziwne" i wymagaja niekonwencjonalnych interfejsow. Producent frezarki lub dostawca ATC sam wykonuje program na zakupiony sterownik PLC odpowiedni do kompozycji frezarki z magazynem narzedzi.    
Im bardziej skomplikowana jest obrabiarka tym wieksza jest wydajnosc jej pracy ale rosnie ilosc mozliwych powodow jej niesprawnosci.    
Osobna sprawa jest automatyczne podanie detalu do obrobki i jego zamocowanie. Detal moze byc podany ramieniem robota lub dedykowana maszyna, z reguly niezbyt skomplikowana. Automatyczne mocowanie i zwolnienie detalu musi byc inicjowane sygnalem elektrycznym ze sterownika PLC.   
W duzym i drogim zautomatyzowanym zakladzie moze pracowac ponad 200 - 500  kosztownych i wydajnych maszyn CNC. Sredniej wielkosci centrum obrobcze z ATC na 20 narzedzi kosztuje circa 200 tysiecy dolarow. Koszt fabryki z 500 takimi maszynami to ponad 100 mln dolarow. Automatyczna fabryka pracuje 24 godziny na dobe oraz 7 dni w tygodniu. Awaria kazdej unikalnej ( nie zrownoleglonej ) w linii maszyny moze spowodowac kosztowny przestoj calej automatycznej linii produkcyjnej. Aby maksymalnie usprawnic diagnostyke i naprawe maszyn stosuje sie jeden typ sterowan CNC oczywiscie w wielu konfiguracjach i odmianach dla roznych maszyn.

Sekwencja startowa bloku elektrowni cieplnej jest bardzo zlozona i dluga. Sekwencji startowej wymaga nawet duzy silnik Diesla. Dluga jest sekwencja startowa rakiety kosmicznej.    

Kazda winda ma sterownik logiczny. Przed i powojennym sterujacym ukladem przekaznikowym windy zajmowal sie "fachowiec" Z reguly czyscil i wymienial styki.  
Mikrokomputerowy sterownik do szybkobieznej windy z silnikiem sterowanym przez inverter jest skomplikowany i drogi. Prace systemu wind w duzym "drapaczu chmur" w ktorym pracuje wiele tysiecy osob korodynuje centralny mikrokomputer.
Sterownik logiczny ma tez kazdy dzwig towarowy.
W polskich wiezowcach powinna byc uzyta jedna szybsza winda a nie dwie ale za to inteligentnie sterowana z algorytmem przeciwprzeciazeniowym.    

Centrala kazdego rodzaju Alarmu byla ukladem logicznym. Kazdy nowy sygnal powoduje mruganie lampki kanalu i emisje wspolnego sygnalu akustycznego. Alarm po potwierdzeniu przestaje mrugac i wyc ale nadal swieci i przestanie dopiero gdy sygnal zniknie. Tak wiec kazdy nowy sygnal z sensorow wywoluj alarm akustyczny i optyczny i musi byc potwierdzony przez operatora.
Z nowoczesnymi centralkami pozarowymi z mikrokontrolerem moga pracowac adresowalne czujniki dajace dodatkowo sygnal "analogowy" Adresowalnosc czujek pozarowych pozwala operatorowi o wiele szybciej podjac akcje gasnicza i ratunkowa a poziom analogowy z czujek daje wyobrazenie o dynamice rozwoju pozaru.  

Na schemacie pokazano jeden z szesnastu kanalow wejsciowych PLC Philipsa (C1 - Components and material. Part 1 PLC modules. 1983 ) w module. W pierwszej wersji kondensator przeciwzakloceniowy zastosowany przez uzytkownika wprowadza symetryczne opoznienia obu zboczy sygnalu w systemie 24 Vdc. Druga wersja z kondensatorem elektrolitycznym o wiekszej pojemnosci jest dla pradu zmiennego 50 / 60 Hz.

Schemat pokazuje jedno z szesnastu wyjsc 100 mA / 24 V w module. Dioda Zenera na wyjsciu chroni wykonawczy tranzystor przez przepieciami z cewki sterowanego przekaznika

Schemat pokazuje jedno z osmiu wyjsc  2A / 24 V w module. Dioda Zenera miedzy B-E chroni tranzystor Darlingtona ( maja one bardzo szeroki obszar pracy bezpiecznej SOA) przed przepieciami z cewki sterowanego przekaznika lub innego obiektu. Po przekroczeniu maksymalnego dopuszczalnego pradu ( faktycznie jest to okolo 2.5A) zadziala tyrystorek ( w obudowie TO92) odcinajac sterujacy prad z transoptora plynacy do bazy poprzez sygnalizacyjna diode LED. Aby ponownie zalaczyc wyjsciowego Darlingtona (  na prad 8 A) kontroler zdejmuje wysterowanie wyjscia  i po wylaczeniu sie ochronnego tyrystorka podaje je ponownie.

PLC Philipsa ma tez dwukierunkowy uniwersalny port 8 bitowy oraz interface szeregowy.

Zwrocmy uwage ze w zastosowanich wbudowanych optoizolacja wejsc i wyjsc jest rzadko wymagana co pozytywnie wplywa na koszt wbudowanego kontrolera. Drogie zabezpieczone wyjscie mozna dac tylko tam gdzie jest to realnie uzasadnione. 

Pierwsze sterowniki PLC mialy procesor 1 bitowy z akumulatorem  i bardzo mala liste rozkazow. Akumulator - AC zawsze ( poza rozkazem jalowym NOP czyli No OPeration ) jest angazowany w instrukcji. W jednolitej przestrzeni adresowej ( podobnie jak w rodzinie mikroprocesorow Motorola 6800. Rodzina Intel 8080 ma rozdzielone przestrzenie I/O i Memory ) sa Input czyli wejscia, Output czyli wyjscia i Memory czyli pamiec. Input i Output maja tez Timery. Timery moga miec dodatkowo wejscia do wyboru odliczanego czasu. Wejsciem Timer jest uruchamiany a obserwujac w programie jego wyjscie mozna stwierdzic kiedy odliczany czas sie zakonczyl.
Wejscia logiczne PLC sa z reguly izolowane transoptorami a wyjsciami sa miniaturowe przekazniki, ktore steruja dopiero mocniejszymi przekaznikami wykonawczymi lub stycznikami lub CB. Dobrym rozwiazaniem sa wyjsciowe triaki do obwodow sieciowych 220/380 Vac.  W czesci sterowanych urzadzen izolacja wejsc jest zbedna a wyjsciami moglyby byc tranzystory, ktore sa znacznie bardziej niezawodne niz przekazniki. Niemniej bez izolacji wejsc musza byc one starannie zabezpieczone przed przepieciami.
Krytyczne wyjscia musza byc zabezpieczone przed zwarciami i pojawienie sie tanszych scalonych wyjsc jest kwestia czasu. Niesprawnosc systemu wyjscia moglaby byc sygnalizowana mrugajaca dioda LED a informacja o uszkodzeniu uzyta tez w programie PLC.  

Niech bedzie jednobitowy procesor z osmiobitowym slowem rozkazu branego z pamieci Eprom Intel 27XX. Trzy bity bajtu stanowia kod rozkazu a 5 bitow adres I/O czyli wejsc / wyjsc oraz Memory - pamieci. Z uwagi na maly zakres adresow, adresy dla dla I/O moga byc niejako podwojne. Adres w obszarze I/O dla odczytu operuje dla Input a dla zapisu dla Output. W Memory sa pamietane stany „przerzutnikow” czyli zmienne stanu sekwencyjnego automatu.
Poziom wejscia moze sie oczywiscie zmienic w czasie cyklu. Jesli wejscie jest uzyte w paru miejscach programu  i mogloby to spowodowac blad programu  to wejscie nalezy na poczatku programu skopiowac do M i dalej juz korzystac z M zamiast wejscia.  
 Instrukcje prostego jednobitowego procesora PLC:
LOAD Adres. Zaladuj bit z Adresu ( I/O lub Memory ) do Akumulatora
AND Adres. Wykonac AND  AC z bitem o podanym adresie i zachowaj rezultat AC
ANDC Adres, C znaczy to Complement czyli inwersje wyniku
OR Adres
ORC Adres
STO Adres. Zapisz AC pod adresem ( I/O lub Memory )
NOP

Na rysunku pokazano realizacje przykladowej funkcji logicznej przekaznikami i bramkami.

Realizacja programowa sterownikiem PLC o  podanych rozkazach jest nastepujaca.
LOAD 023
ANDC152
OR     027
AND     054
ORC     041
ANDC133
STO     056

W prostym PLC program po dojsciu do konca przechodzi na poczatek i jest caly czas wykonywany. Nie istnieje ryzyko utraty scieki logicznej programu jak w konwencjonalnym procesorze. Nie ma niestety rozkazu podprogramu i PLC dziala tak jak drabinka logiczna. Niezaprogramowane komorki w pamieci Eprom 27XX maja wartosc FF. Zatem  jesli instrukcji NOP przypiszemy kod FF to program bedzie mogl byc dalej rozbudowywany ! Tracac jeden adres z obszaru adresowego  mozna uzyskac druga instrukcje „NOP” Instrukcja z zerowym adresem takze nic nie zrobi. W ten sposob dowolna instrukcje lub ich sekwencje w pamieci Eprom programator moze nadpisac jako „NOP”
Omawiany procesor PLC nie zawiera rozkazu skoku warunkowego do realizacji instrukcji IF natomiast rozkazy takie zawiera kazdy konwencjonalny procesor. Gdy w wyrazeniu instrukcji IF jest koniunkcja AND  to niespelnienie jednego z warunkow powoduje ze calosc ma wartosc logiczna False. Totez w tekscie programu do przetlumaczenia  umieszczamy ten warunek najczesciej niespelniony  jako pierwszy i kod z optymalizujacego kompilator ominie reszte wyrazenia w instrukcji IF. Gdy jest operacja sumowania logicznego OR jako pierwsze dajemy wyrazenia gdzie najczesciej bedzie wartosc True i calosc ma wartosc True.
W procesorze PLC bez instrukcji skoku  jest zawsze wyliczana calosc wyrazen.

Program dla „PLC” mozna wykonac na kazdym konwencjonalnym procesorze ale niestety jednemu rozkazowi z naszego programu bedzie odpowiadac po kilka rozkazow bowiem wiekszosc komercyjnych procesorow 4,8,16 bitowych nie ma instrukcji jednobitowych wprost do realizacji programu PLC. 
Procesor Zilog Z80 ma rozkazy testowania bitu o numerze b -  BIT oraz rozkazy ustawiania bitu b - SET i zerowania bitu b - RES. Bity moga byc w rejestrze lub pamieci. Wszystkie rozkazy BIT b, (IX+d) (ale tez SET i RES z ta adresacja i takze z rejestrem indeksowym  IY) sa az czterobajtowe !

Czas na reakcje PLC wyjsciami  na zmiany stanu wejsc lub Timera  jest ograniczony wlasciwosciami sterowanych urzadzen i nie powinien byc zbyt dlugi.

W 1977 roku Zaklady Automatyki Przemyslowej MERA ZAP w Ostrowie Wielkopolskim podjely licencyjna produkcje prostego sterownika PLC ( procesor jednobitowy i pamieci Eprom ) zachodnioniemieckiej firmy PILZ Gmbh pod nazwa INTELSTER PC4K wraz z programatorem.
Sterowniki PLC byly tez wmontowane w importowane za pozyczone dolary urzadzenia. Wedlug szacunkow w Polsce nie ma nawet kilku tysiacy sterownikow PLC i dopiero raczkujemy w tej dziedzinie automatyki dyskretnej. 

Uzycie sterownika PLC zamiast dedykowanego sterownika na ukladach logicznych lub przekaznikach jest racjonalne przy skomplikowanych i/lub zmienianych  algorytmach. Decyduje oczywiscie stosunek ceny godziny pracy pracownika do ceny mikroelektroniki uzytej w budowie PLC. Optymalny uklad logiczny jest uproszczony ale zadanie moze wykonac tylko kwalifikowana osoba najlepiej wspomozona programem komputerowym.

Oprocz juz wymienionych zastosowan PLC uzywane sa m.in. w systemach:
-Pakowania i etykietowania towarow a w szczegolnosci zywnosci, napojow, kosmetykow i lekow
-Napelniania opakowan i butelek wszelkimi substancjami
-Produkcji gazet i ksiazek
-Produkcji papieru
-Wykrywania niesprawnosci zlozonych maszyn i urzadzen z wlasnym elektro i mechanicznych sterowaniem 
-Dozowania skladnikow betonow i asfaltow
-Produkucji przedmiotow ze szkla. Pierwsza automatyczna maszyna do produkcji butelek osiagnela wielka wydajnosc
-Rownoleglych pomp i kompresorow o zmiennej wydajnosci z mozliwa redundancja
-Przenosnikow tasmowych
-Wszelkich sterowan sekwencjami. Takze w chemi i petrochemi do okresowego czyszczenia katalizatorow  
-Wszelkich myjniach samochodow i pociagow
-Schodach ruchomych
-Automatycznych systemach drzwi obrotowych.....  

W wielu zastosowaniach elektronika z mikrokontrolerem wykonujaca m.in zadania PLC jest wbudowana.

Atrakcyjnosc kazdego "komputera" a w tym PLC  podnosi jego oprogramowanie i latwosc stworzenia wlasnego programu. Cenne sa biblioteki procedur i stosujace je demonstracyjne programy przykladowe.
Dla wydajnej nauki programowania PLC bardzo uzyteczne sa rozne fizyczne modele urzadzen do sterowania przez PLC. Dzialajacy z modelem przyklad programu PLC mozna sprawnie zmodyfikowac i testowac. Mozna przyklad rozbudowac bowiem najtrudniejszy jest zawsze sam poczatek programowania.
 
Kontroler dla sredniego – duzego prefabrykowanego wezla CO - CWU powinien miec mikrokontroler i realizacja funkcji logicznych ( przykladowo nocne operowanie pompa obiegowa CWU dla oszczednosci energii elektrycznej ) jest bardzo tania.

W nowoczesnym bloku mieszkalnym z inteligenta winda z domofonem i oswietleniem, alarmem pozarowym, gazowym, wlamaniowym, mechaniczna wentylacja i rekuperacja... zadan logicznych i komunikcyjnych dla kontrolera jest cala masa.