Wielozadaniowy symulator procesów przemysłowych MMJ

Wielozadaniowy symulator procesów przemysłowych MMJ

 

Jan Bakoniuk – Politechnika Białostocka

Mariusz Żukowski – Politechnika Białostocka

Marcin Puchalski – Politechnika Białostocka

 

Prezentacja mulitmedialna

 

Streszczenie

W Politechnice Białostockiej na kierunku Automatyka i Robotyka prowadzone są zajęcia z przedmiotu Programowalne Systemy Sterowania. Odbywają się one na symulatorach wyposażonych w przełączniki i żarówki. W referacie przedstawiliśmy prototypowe modułowe stanowisko dydaktyczne, które pozwoli rozszerzyć zakres tych zajęć i w łatwy sposób pomoże studentom wejść w świat programowalnych sterowników logicznych. Symulator MMJ składa się z trzech podstawowych części: sterownika, podstawy na której jest umieszczony sterownik wraz z przyciskami zadającymi stany wejściowe oraz wymiennych paneli z planszami synoptycznymi, które służą do reprezentacji stanów wyjściowych. Podstawową zaletą symulatora jest jego modułowa budowa.

 

1.       Wstęp

Na zajęciach laboratoryjnych z przedmiotu Programowalne Systemy Sterowania wykorzystywane są elementy firmy Festo takie, jak: programowalne sterowniki logiczne (PLC, ang. Programmable Logic Controllers) FPC-101, zawory rozdzielające i siłowniki pneumatyczne oraz panele z układami lampek sygnalizacyjnych i włączników elektrycznych. Ćwiczenia polegają na wykonaniu połączeń elektrycznych wejść i wyjść sterownika z odpowiednim układem lampek, siłowników i włączników reprezentujących obiekt sterowania oraz napisaniu programu sterującego.

Programowalne sterowniki logiczne są nieodłącznym elementem systemów automatyki i sterowania wszelkiego rodzaju maszyn elektrycznych, urządzeń i procesów przemysłowych. Podstawową zasadą pracy sterowników jest praca cykliczna, w której sterownik wykonuje kolejno po sobie pojedyncze rozkazy programu w takiej kolejności, w jakiej są one zapisane w programie. Na początku każdego cyklu program odczytuje stany wejść sterownika i zapisuje je w pamięci. Po wykonaniu wszystkich rozkazów i określeniu (wyliczeniu) aktualnego dla danej sytuacji stanu wyjść, sterownik wpisuje stany wyjść do pamięci będącej obrazem wyjść procesu, a system operacyjny ustawia odpowiednie stany na wyjścia sterownika.

W związku z coraz powszechniejszym stosowaniem sterowników PLC, a także różnorodnością rozwiązań proponowanych przez różnych producentów, powstała potrzeba ich standaryzacji. Dotyczyło to w szczególności metod programowania sterowników. Powstała norma IEC 61131 składająca się z ośmiu części, które obejmują miedzy innymi: wymagania i badania dotyczące sprzętu, języki programowania, wytyczne dla użytkownika. Ujednolicono koncepcje programowania tak, aby korzystając z wprowadzonych zasad, użytkownik był w stanie bez większych trudności programować różne systemy PLC.

2.       Koncepcja symulatora MMJ

Symulator MMJ powstał z myślą o rozszerzeniu zajęć laboratoryjnych o zestaw ćwiczeń dotyczących programowania sterownika Simatic firmy Siemens.

W skład symulatora wchodzą następujące elementy:

  • sterownik – SIMATIC S7 212 CPU,
  • podstawa z przełącznikami wykorzystywanymi jako elementy wejściowe obiektu sterowania,
  • komplet wymiennych paneli (płyt montażowych) zawierających schemat synoptyczny obiektu sterowania wraz z lampkami sygnalizacyjnymi pełniącymi funkcje elmentów wyjściowych obiektu.

Niezbędne wyposażenie stanowiska z symulatorem MMJ stanowią także:

  • komputer klasy PC z oprogramowaniem STEP 7 Micro/Win,
  • przewód połączeniowy – PC/PPI,
  • zasilacz 24 VDC.

Na rysunku 1 przedstawiono widok ogólny symulatora MMJ. Po lewej stronie znajduje się miejsce 1 na sterownik, z prawej miejsce na panele z planszami synoptycznymi 2, z góry symulatora znajdują się wyłącznik główny 4 oraz osiem przełączników 3. Całość jest umieszczona na podstawie 5.

 image002 (3)

Rysunek 1. Widok ogólny symulatora MMJ

Podstawa została wykonana z płyt montażowych oklejonych okleiną. Sterownik SIMATIC S7-200 CPU 212, został umieszczony w przeznaczonym dla niego miejscu 1. Stany wejściowe podawane są za pomocą przycisków 3 na wejścia sterownika. Układ jest zasilany z zewnętrznego zasilacza 24VDC (nie pokazany na rysunku). Przycisk 4 służy do odcięcia napięcia zasilającego. Na rysunku 2 jest przedstawiony schemat połączeń elektrycznych symulatora. Wyjścia ze sterownika są doprowadzone do portu, do którego są podłączane wejścia paneli z planszami synoptycznymi. Taki sposób podłączania paneli powoduje, że mogą być one w łatwy sposób zmieniane i zastępowane innymi. Użytkownik nie ingeruje w strukturę połączeń elektrycznych na panelu.

Panel jest zbudowany z odpowiednio połączonych diód (nie zamieszczam schematu elektrycznego ponieważ nie jest tu istotny) umieszczonych na tle narysowanej planszy synoptycznej, informującej o stanie procesu. Panel jest podłączany do portu, który znajduje się na symulatorze (pod panelem) za pomocą siedmiu przewodów. Na rysunku 3 przedstawiono przykładowy panel z  planszą synoptyczną wraz ze schematem jego podłączenia do portu symulatora. Plansza przedstawia schemat skrzyżowania dróg prostopadłych wraz z przejściami dla pieszych. Na schemacie umieszczone są sygnalizatory kierujące ruchem pojazdów oraz pieszych. Funkcję lamp sygnalizatorów spełniają diody LED. Podobnie jak w prawdziwych sygnalizatorach zastosowano diody w kolorze zielonym, żółtym oraz czerwonym. Układ diód za pośrednictwem portu wyjściowego symulatora jest podłączony do wyjść sterownika. Diody nie są podłączone bezpośrednio do wyjść, lecz poprzez umieszczone z drugiej strony panela rezystory ograniczające wartość prądu płynącego przez diody. Ograniczenie to jest konieczne ze względu na wartość napięcia na wyjściach sterownika, które dla włączonych wyjść wynosi 24V. W układzie zastosowano diody zasilane napięciem 5V i dlatego konieczne było zastosowanie rezystorów.

W symulatorze zastosowano ponadto 8 przełączników, pełniących funkcję elementów wyjściowych procesu. Są one na stałe umieszczone w podstawie symulatora i podłączone do wejść sterownika. Zastosowano przełączniki podświetlane, które zapewniają jednoczesną sygnalizację stanów wejść sterownika. Przełączniki zmodyfikowano w ten sposób, że jako elementy świecące zastosowano w nich także diody LED, zamiast oryginalnych żarówek, dzięki czemu nie grzeją się one w czasie pracy.

Koszt materiałów potrzebnych do zbudowania podstawy symulatora to około 110zł, a koszt jednego panela to w zależności od ilości diód około 30-60zł. Symulator ma wymiary: długość 45 cm, szerokość 28 cm i wysokość 60 cm i może być z łatwością ustawiony na biurku obok komputera służącego do jego programowania. Panele z planszami synoptycznymi mają wymiary: długość 30cm i szerokość 18 cm. Wymiana panela odbywa się bardzo szybko i bez użycia dodatkowych narzędzi.

 

image004 (1)

Rysunek 2. Schemat połączeń elektrycznych symulatora

 image006

Rysunek 3. Przykładowa panel z planszą synoptyczną i schematem połączeń elektrycznych

Ćwiczenia laboratoryjne z wykorzystaniem przedstawionego symulatora przebiegają w ten sposób, że studenci wybierają odpowiedni panel z planszą synoptyczną, umieszczają go na podstawie symulatora i podłączają do portu wyjść sterownika. Następnie w komputerze pisany jest odpowiedni program sterujący i przesyłany do pamięci sterownika. W przypadku nieprawidłowego działania układu, konieczne jest wprowadzenie poprawek do programu i ponowne przesłanie go do sterownika. W programie sterującym przedstawionym na planszy z rysunku 3 konieczne będzie zastosowanie oprócz typowych elementów programu takich, jak styki i przekaźniki, także elementów czasowych i liczników oraz dodatkowych elementów zabezpieczających, ze względu na to, że mogą mieć w nim miejsce takie sytuacje, jak:

–         duża liczba pojazdów nadjeżdżających z danego kierunku,
–         wjazd pojazdu uprzywilejowanego,
–         tryb pracy nocnej,
–         wciśnięcie przycisku na sygnalizatorze dla pieszych.

3.       Sterownik SIMATIC S7 200 CPU 212 firmy Siemens

W tabeli 1 przedstawiono rodzaje najpopularniejsze sterowniki znanych marek. Wykorzystany przez nas sterownik jest najmniejszym PLC oferowanym przesz Niemiecką firmę Siemens.

Tabela 1. Rodzaje sterowników największych marek

 Producent Sterowniki
Małe Średnie Duże
Siemens SIMATIC S7-200 SIMATIC S7-300 SIMATIC S7-400
 GE Fanuc VersaMax-Micro 90-30VersaMaxPACSystems RX3i 90-70PACSystems RX7i
Mitsubishi Electric MELSEC FX1 FX2 MELSEC QnAS MELSEC QnAMELSEC System Q
Omron CPM1, CPM2, CQM1H C200H-alphaCJ1, CS1 CVM1

Sterownik S7-200 CPU 212 jest nazywany mikro sterownik PLC ze względu na swoje niewielkie wymiary. Sterownik ma 8 wejść cyfrowych (oznaczanych I0.0-I0.7) i 6 wyjść cyfrowych (oznaczanych Q0.0-Q0.5), S7-200 może być używany w nie skomplikowanych układach sterowania takich jak np. sterowanie sygnalizacją uliczną, rozruch silnika z nawrotem, itp. Na Rys 4. widzimy widok ogólny sterownika SIMATIC S7 200 CPU 212 firmy siemens.

 image008

Rysunek 4. Widok ogólny SIMATIC S7 200 CPU 212

Sterownik jest programowy za pomocą systemu STEP 7. W skład systemu wchodzą trzy języki programowania:

a) język schematów drabinkowych LAD/LD – opisany w normie IEC 61131-3 w grupie języków graficznych,

b) język listy instrukcji STL/IL – opisany w normie IEC 61131-3 w grupie języków tekstowych,

c) jeżyk diagramów funkcjonalnych FBD (Functio Block Diagram) opisany w normie IEC 61131-3 w grupie języków graficznych.

Każdy z wymienionych sposobów programowania ma swoją specyfikę. W przypadku programu STEP7 nie są one w pełni kompatybilne. Tylko program napisany w języku LD zawsze można przekonwertować (STEP7 realizuje to automatycznie) w postaci języka IL. Z tego względu każdy program dla sterownika SIMATIC S7-200 może być napisany w języku IL.

3.1.      Programowanie STEP 7-Micro/WIN

Użytkownicy chcąc wpisać/zmodyfikować program w sterowniku musi się z nim skontaktować do tego służy program Step 7-Micro/Win w dzisiejszych czasach już odchodzi się od programowania sterowników za pomocą listy instrukcji. Programowanie Drabinkowe jest wygodniejsze i bardziej przejrzyście dla osób które dopiero zaczynają poznawać Programowanie PLC.

Dzięki bardzo małym wymaganiom sprzętowym program STEP 7 może być wykorzystywany na niemal każdym komputerze. Jest to program bardzo prosty w obsłudze co pozwoli studentom na szybkie opanowanie programowania PLC.
Do komunikacji miedzy komputerem a sterownikiem wykorzystuje się port RS 232 i kable przejściowy RS-232/PPI (Multi-Master Cable). W tabeli 2. podano podstawowe wymagania programu.

Tabela 2. Wymagania STEP 7-Micro/WIN

Oprogramowanie – narzędzia standardowe STEP 7-Micro/WIN
Licencja Pojedyńcza
Klasa oprogramowania A
System docelowy SIMATIC S7-200
System operacyjny Windows 3.1, WfW 3.11Windows 95Windows NT 4.0
Wymagana pamięć operacyjna, min 8 MBajt
Wymagane miejsce na dysku 10 MBajt

4.       Wnioski

Zaletą przedstawianego symulatora jest łatwa zmiana obiektu sterowania. Odbywa się to poprzez wymianę odpowiedniego panelu zawierającego schemat obiektu wraz z lampkami sygnalizacyjnymi. Każdy panel obiektowy zawiera przejrzysty schemat sterowanego obiektu, mający postać planszy synoptycznej informującej o jego przebiegu. Panele są wymienne, co znacznie zmniejsza koszt całego symulatora, przy zachowanej możliwości realizacji różnych układów sterowania.

Obecnie na wyposażeniu symulatora są dwa panele, służące do realizacji następujących układów: układ sterowania sygnalizacją świetlną na skrzyżowaniu oraz układ sterowania pracą silnika trójfazowego. W przyszłości planowane jest opracowanie szeregu innych paneli, np. z układem sterowania pracą windy, z układem zabezpieczenia termicznego silnika itd.

5.       Literatura

[1]   Siemens: SIMATIC S7-200 Podręcznik obsługi systemu sterowania, Wydawnictwo, Warszawa 2006.

[2]   Kasprzyk J.: Programowanie sterowników przemysłowych, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2006.

MMJ – Multitask Simulator of Industrial Processes

In Bialystok Technical University at the Faculty of Automatics and Robotics there is the Programmable Control Systems course. The practical part of the course takes place in the laboratory which is equipped with simulators allowing the control systems programming and testing with the use of the programmable logic controllers (PLCs). Our paper presents a prototype of a compact didactic simulator that can be used during practical excercises and can help students to understand the basic rules of programming PLCs. The MMJ simulator consists of the three parts: the PLC controller, the base on which the controller is placed together with some buttons turning input signals on/off and exchangeable synoptical panels used to represent the plants of control. The primary advantage of the simulator is its modular structure and the possibility to easily exchange the plant of control through the exchange of the synoptical panel.

Dodaj komentarz