Inleiding in de PLC. Luc Mestchen PTI Eeklo

Transcriptie

1 Inleiding in de PLC Luc Mestchen PTI Eeklo

2 1 Wat is een PLC Doel en nut van een PLC Soorten PLC s Traditionele PLC Slot PLC Soft PLC OPLC Visualisatie: WinCC en HMI panelen Soorten in- en uitgangen Ingangen Digitale ingangen Analoge ingangen Snelle ingangen (interruptgestuurde ingangen) Uitgangen Digitale uitgangen Analoge uitgangen Veldbussen Protocollen Voedingen CPU Programmacyclus Opbouw van adressen voor in- en uitgangen Programmeertalen Basis digitale functies Afvragen op 1 of recht inlezen LAD recht inlezen FBD recht inlezen STL recht inlezen Afvragen op 0 of invers inlezen LAD invers inlezen FBD invers inlezen STL invers inlezen AND functie... 50

3 AND in LAD AND in FBD AND in STL OR OR in LAD OR in FBD OR in STL NOT NOT in LAD NOT in FBD NOT in STL Voorrang van bewerkingen EXOR EXOR in LAD EXOR in FBD EXOR in STL NAND Nand in LAD NAND in FBD NAND in STL NOR NOR in LAD NOR in FBD NOR in STL EXNOR EXNOR in LAD EXNOR in FBD EXNOR in STL Voorbeeld: start stop met voorrang stop Stuurkring Vermogenkring Toewijzingstabel Programma in LAD... 68

4 13.5 Programma in FBD Programma in STL Verbindingen Voorbeeld: twee motoren, slechts één motor mag draaien Relaisschema Toewijzingslijst Programma 2 motoren in LAD Programma 2 motoren in FBD Programma 2 motoren in STL Verbindingsschema Set Reset functie SET /RESET met voorrang RESET SET /RESET met voorrang SET Voorbeeld: Alarmbewaking Toewijzingslijst Programma in Lad Flankdetectie Detectie op de positieve flank Detectie op de negatieve flank Voorbeeld: aanpassing Alarmbewaking met flankdetectie Voorbeeld: aan uit met één drukknop Timers Triggeren op flank of op niveau Hertriggerbaar en niet hertriggerbaar Inschakelvertraging of uitschakelvertraging Soorten timers bij S S_ODT (inschakelvertraging met niveaugevoelige ingang) S_ODTS inschakelvertraging met flankgevoelige ingang S_PULSE S_PEXT S_OFFDT (uitschakelvertaring) Samenvatting timers Voorbeeld: trappenhuis verlichting

5 18.7 Voorbeeld: automatische ster driehoek met PLC Hoofd- en stuurkring Toewijzingslijst Programma Aansluitingen Voorbeeld: knipperlicht Toewijzingslijst Programma Voorbeeld looplicht Opgave: verkeerslicht Tellers Up counter Down counter Up/down counter Voorbeeld parkeergarage Toewijzingslijst Programma Opdracht frequentieteller Vergelijkers Voorbeeld, controle massa Rekenkundige functie s Omzettingsfuncties (converters) Gestructureerd programmeren Links, bronnen

6 1 Wat is een PLC Een Programmable Logic Controller (PLC, Programmeerbare Logische Eenheid) is een elektronisch apparaat met een microprocessor dat op basis van de informatie op zijn diverse ingangen, zijn uitgangen aanstuurt. In de industrie worden machines over het algemeen aangestuurd met PLC's en die zijn daarmee een belangrijk onderdeel in de automatisering. Hoe de PLC zijn gegevens precies inleest, hangt af van de geïnstalleerde interfacekaarten, en van de veldbusnetwerken waarlangs verschillende apparaten met elkaar gegevens uitwisselen. Van oorsprong bevatte een PLC geen volledige microprocessor, maar in de jaren '90 is het verschil tussen een computer en een PLC vervaagd. De eerste PLC's bestonden uit AND, OR, NOT en Timer IC's die met bedrading verbonden waren. Door aanpassing van de bedrading werd de functionaliteit en dus het programma aangepast. Met de komst van de microprocessor werd deze functionaliteit in software uitgevoerd en waren de eerste echte PLC's een feit. Men kreeg nu meer flexibiliteit en meer mogelijkheden. De PLC en de software voor het debuggen en het schrijven van de PLC-programma s hebben een grote ontwikkeling doorgemaakt. Nu vindt het programmeren meestal in een Windows-omgeving plaats. Eens het programma klaar kan het overgedragen worden naar het geheugen van de PLC zodat zelfstandig kan werken (hardware PLC). Tegenwoordig is er ook sprake van een Slot PLC en een Soft PLC. Bij deze soorten PLC s wordt de CPU van de PC gebruikt om het rekenwerk te doen. Voorbeeld van een kast met PLC sturing van frequentieregelaars 2 Doel en nut van een PLC De eerste PLC is ontwikkeld in 1968 in een bedrijf in de VS. Men noemde het toestel Modular Digital Controller. De PLC werd ontwikkeld ter vervanging van besturingssystemen opgebouwd met relais. Deze hebben n.l. volgende nadelen: Inleiding PLC 6 / 120 LM

7 hoge ontwikkelings- en montagekosten door de vele werkuren weinig of geen flexibiliteit, elke wijziging resulteert in montage en bedradings wijzigingen veel slijtage door bewegende delen => hoge onderhoudskosten. Men zocht naar een oplossing met volgend eisenpakket: compact systeem => kleinere stuurkasten gemakkelijk aanpasbaar het toestel moet eenvoudig te programmeren zijn eenvoudig in onderhoud (snel vervangen van onderdelen) een modulair toestel dat algemeen inzetbaar is vereenvoudigde diagnose bij storingen m.b.v. controlelampjes De eerste PLC s werden gebruikt om aan/uit sturingen van machines en processen te controleren. Deze waren geschikt voor een sequentiële besturing. Vandaag worden er echter veel hogere eisen gesteld aan een PLC. Hij neemt niet alleen de sequentiële of combinatorische aan/uit besturing voor zijn rekening, hij moet ook analoge waarden kunnen lezen, verwerken en uitsturen. Als PID regelaar kunnen functioneren, communiceren met andere toestellen, displays aansturen voor bediening en weergeven van alarmen, groot aantal I/O mogelijkheden, signalen van encoders en allerlei sensoren kunnen verwerken, opslaan van gegevens, wiskundige berekeningen aankunnen, netwerkverbindingen (PROFI-bus, CAN-bus ASI-bus, Ethernet, opbouwen. Hij moet programmeerbaar zijn in meerdere en ook in hogere programmeertalen. 3 Soorten PLC s PLC s kunnen in verschillende groepen ingedeeld worden naar gelang de manier waarop deze opgebouwd zijn. 3.1 Traditionele PLC De Traditionele PLC is een PLC bestaande uit een CPU met zijn eigen behuizing en intern werkgeheugen. Vaak worden insteekkaarten gebruikt als opslaggeheugen. Te denken valt aan een MMC kaart van een digitale camera. Inleiding PLC 7 / 120 LM

8 LOGO! S7-200 S soorten traditionele PLC s van Siemens 3.2 Slot PLC Een Slot PLC is een traditionele PLC, maar dan op bijvoorbeeld een PCI-kaart die in een PC slot geplaatst wordt. De communicatie naar bijvoorbeeld I/O kaarten gebeurt via een of andere veldbus Ethernet of Profibus-DP. 3.3 Soft PLC De Soft PLC is een PLC die draait als software op een PC of een embedded PC met bijvoorbeeld WinCE. Met een interfacekaart en driversoftware communiceert deze met de buitenwereld. Deze communicatie verloopt normaal gesproken via een standaard industrieel bussysteem zoals Profibus. Inleiding PLC 8 / 120 LM

9 Op de PLC is dus geen processor meer nodig, enkel communicatiemogelijkheid met de PC en connectiviteit met de I/O. Het programma wordt op de PC uitgevoerd. De soft PLC module fungeert eerder als hardware interface. Nadeel van een soft PLC is dat je systeem maar zo stabiel is al het Operating systeem dat je draait. Een update, een virus of een slechte driver kan je hele systeem doen crashen. Voordeel is de goedkopere hardware. Qua snelheid lijken Soft PLC s de meeste hardware PLC s te kunnen kloppen. Inleiding PLC 9 / 120 LM

10 Voorbeeld van een eenvoudige zelf te bouwen soft-plc * OPLC Een "operating panel PLC". Dit is een PLC met ingebouwde HMI (human machine interface), bestaande uit toetsenbord met display of een touchpanel. Dit zijn kleine PLC's die meestal gebruikt worden op kleine standalone machines. Bijvoorbeeld CNC gestuurde machines. PLC + HMI = OPLC Inleiding PLC 10 / 120 LM

11 4 Visualisatie: WinCC en HMI panelen WinCC (Windows Control Center) is een PC gebaseerd visualisatie- en controlesysteem (software) dat vaak gekoppeld wordt aan grotere PLC-gestuurde processen. De PC wisselt via software en een communicatiekanaal gegevens uit met de PLC. Op die manier is het mogelijk bedienings- en visualisatiefuncties te realiseren op een computerscherm. Bij eenvoudiger processen wordt zal eerder een HMI (Human Machnine Interface) paneel gebruikt worden. Bij ingewikkelder processen geeft één of meerdere computerschermen meer mogelijkheden om het proces te controleren en te configureren. Een voorbeeld van een WinCC scherm Inleiding PLC 11 / 120 LM

12 Voorbeelden van HMI panelen Inleiding PLC 12 / 120 LM

13 5 Soorten in- en uitgangen Onafhankelijk van welk soort PLC je hebt, het is steeds de bedoeling een proces te besturen. Hiervoor moeten ingangen gelezen en uitgangen gestuurd worden. 5.1 Ingangen We kunnen zowel in- als uitgangen opsplitsen in digitaal en analoog. Lezen we een schakelaar of sensor van het type aan/uit dan volstaan we met digitale in- en uitgangen. Willen we een continu waarde meten, bijvoorbeeld een temperatuur, niveau, een toerental, dan werken we uiteraard analoog Digitale ingangen Zoals hierboven reeds aangehaald kunnen digitale ingangen enkel detecteren of iets aan, of uit is. Elke digitale ingang komt dus overeen met één bit in het PLC systeem. U t Een binair signaal kent slechts twee toestanden Elke digitale ingang krijgt een naam (adres). Bij veel systemen bestaat de naam uit een BYTE adres en een BIT adres. Zo zal bijvoorbeeld bij een S7-300 I0.4 verwijzen naar ingang met BYTE adres 0 en bit adres 4. Bij bijvoorbeeld een Logo! PLC zal men in en uitgangen gewoon doornummeren vanaf I1 over I2, In De uitgangen worden daar genummerd als Q1,Q2,.Qn Fysisch is er voor elke digitale ingang een aansluitklem op de ingangsmodule waaraan het signaal aangeboden wordt. Is de spanning op de klem hoog, dan lezen we een 1 in, is de spanning laag dan lezen we een 0 of laag niveau in. In het PLC-programma kan desgewenst de ingang invers ingelezen worden. Een 1 wordt dan verwerkt als een 0 en omgekeerd. Hierboven, enkele mogelijke digitale ingangen Inleiding PLC 13 / 120 LM

14 Sommige PLC systemen hebben standaard een aantal ingangen geïntegreerd in de CPU module (bijvoorbeeld Logo!, S7200,..). Bij andere systemen (bijvoorbeeld S7-300 en S7-400) moeten aparte ingangsmodules aangeschaft worden. Bij bijna alle systemen kunnen, naar gelang het aantal benodigde ingangen één of meerdere ingangsmodules bijgeplaatst worden. Bij de aankoop van de modules bepaalt het aantal ingangen en het spanningsniveau dat gevraagd wordt voor een 1 niveau de keuze. Hieronder een tabel met enkele voorbeelden van modules voor de S7-300 reeks Overzichtstabel met soorten ingangen voor de Siemens 300 reeks Kies je ingangsmodule(s) volgens de soort inputs die je gaat gebruiken. Hierna volgt een overzicht van enkele types van veel gebruikte sensoren. De meeste van deze sensoren zijn drie-draads sensoren Ze hebben twee draden voor de de voeding: (+24V) en massa (0V) en één draad voor de uitgang. De uitgang kan actief hoog zijn (24V ) of laag (0V). Je zoekt dit best op in de datasheet of met behulp van een proefopstelling. Inleiding PLC 14 / 120 LM

15 Veel gebruikte sensoren met hun symbool Inleiding PLC 15 / 120 LM

16 Voorbeeld van een capacitieve drie-draadssensor Aanlsuitschema voor een 3 draads sensor (PNP) BN = brown, BL= bleu, BK = Black Inleiding PLC 16 / 120 LM

17 Aanlsuitschema voor schakelaars/drukknopen en magneetcontact (24V ingangsmodule) Voorbeeld: digitale ingangsmodule 32x24V voor de 300 reeks Inleiding PLC 17 / 120 LM

18 Inwendig schema van een digitale ingangsmodule 64x24V sinking en sourcing (sinking= stroom trekken uit de ingang, sourcing is stroom sturen naar de ingang (let op de bruggelijkrichter en de aparte sturende bron (4)of (5)) Inwendig schema van een digitale ingangsmodule 16x24V sourcing (er is geen brugcel meer, de led licht enkel op als stroom naar de ingang gestuurd wordt.) Opdracht: Bestudeer het verschil tussen de ingangsmodules 16x24V sinking/sourcing en 16x24V sourcing. Wat is het nut van de brugcel, wat wordt bedoelt met sinking/sourcing? Inleiding PLC 18 / 120 LM

19 5.1.2 Analoge ingangen Een signaal afkomstig van een analoge sensor wordt via een analoog naar digitaal omzetter omgezet in een binair getal van meerdere bits (courant is dit 8,12 en 16 bits). Dit binair getal is een representatie van de analoge waarde en kan door de PLC verwerkt worden. U Een analoog signaal kan oneindig veel toestanden aannemen Sommige analoge modules laten toe om rechtstreeks thermokoppels of PT-100 of PT-1000 weerstanden aan te sluiten. Een vaak gebruikte weerstand voor temperatuurmeting is de PT-100 weerstand. Ontbreekt de mogelijkheid om de sensor rechtstreeks aan te sluiten, dan plaatst men een transmitter tussen de sensor en de analoge ingangsmodule. De transmitter past het signaal van de sensor aan naar één van de standaard signalen (0 tot 10V, 4 tot 20 ma of 0 tot 20 ma) waarmee de analoge ingangsmodule van de PLC wel mee overweg kan. t thermokoppels PT-100 weerstanden ** Inleiding PLC 19 / 120 LM

20 ** transmitter voor kopmontage Transmitter voor DIN rail montage Er bestaan analoge sensoren om praktisch alle grootheden te meten. Om er maar enkele te noemen: druk, temperatuur, afstand, zuurtegraad, toerental, massa, radioactiviteit, hoek, snelheid, versnelling enzv. * * * In de meeste productieprocessen worden deze sensoren gebruikt om automatisch systemen bij te regelen tot een gewenste waarde. Zo kan bovenstaand schema van een PID regelkring verwezenlijkt worden met een PLC. Het setpoint stelt de gewenste waarde voor. Van deze gewenste waarde wordt de werkelijke waarde, gemeten in het proces en aangepast via een transmitter afgetrokken. Het resultaat is de fout. Is de gewenste waarde precies gelijk aan de werkelijke waarde, dan is de fout (error) 0. De fout Inleiding PLC 20 / 120 LM

21 wordt verwerkt met drie wiskundige acties die we (in het geval van een PLC) via software uitvoeren. De drie acties zijn: P= versterken I= integreren D= differentiëren Het resultaat van de drie acties worden samengeteld en daarna via een corrigerend orgaan (bijvoorbeeld een regelklep of een vermogensturing die de stroom door een verwarmingsweerstand regelt) teruggevoerd naar het proces, met de bedoeling om de fout weg te werken. Betrekken we bovenstaand schema bijvoorbeeld op een PLC die de temperatuur moet regelen van een lasdraad om plastic zakken dicht te smelten. Is de temperatuur te hoog, dan branden de zakjes door, is deze te laag, dan zullen de zakjes niet goed dicht zijn. Via bijvoorbeeld een PT-100, meten we de temperatuur van de lasdraad. De weerstandswaarde van de PT-100 wordt via een transmitter omgezet in een stroom van 4-20mA die evenredig is met de huidige temperatuur van de lasdraad. We sluiten deze waarde aan op de een analoge ingang van de PLC. De analoge ingangsmodule zet de analoge waarde op in een binair woord (16 bits) die de PLC verder verwerkt. De gewenste temperatuur wordt via een potmeter aangeboden aan de tweede analoge ingang en wordt daar eveneens in een binair woord omgezet. We hebben nu twee binaire getallen die overeenkomen met respectievelijk de gewenste- en werkelijke waarde. De PLC berekent de fout door de twee waarden van elkaar af te trekken. De PLC berekent, met behulp van opgegeven parameters de drie acties P, I en D en telt deze samen. Dit resultaat, nog steeds een digitaal getal, moet vervolgens via de digitaal naar analoog uitgangsmodule omgezet worden in een analoge waarde. De output van de analoge uitgangsmodule is bijvoorbeeld een regelsignaal van 4-20mA. Deze stuurt een vermogensversterker aan, bij 4mA wordt niet verwarmd, bij 12mA op halve kracht, bij 20mA op volle kracht. Als de drie parameters voor de P, I en D actie goed ingesteld zijn dan zal de PLC in staat zijn om de lasdraad, binnen de kortst mogelijke tijd op de juiste temperatuur te brengen en te houden. In de analoge ingangsmodule bevindt zich dus een A/D omzetter (analoog naar digitaal converter) die het analoge bereik omzet naar een bit reeks. Inleiding PLC 21 / 120 LM

22 Hoe meer bits, hoe nauwkeuriger, maar ook hoe duurder de omzetter. In bovenstaande tabel zien we de voorstelling van een drie bits A/D omzetter. Op de verticale as zien we de analoge ingangswaarde, op de horizontale as de digitale, omgezette uitgangswaarde. Aangezien er drie bits zijn, zijn er 2 3 =8 digitale waarden mogelijk. De ideale analoge conversiewaaden zijn dan gelegen op: 0, 1/8,.. tot en met 7/8 van de maximum spanning. 0V analoog zal omgezet worden in 000 (2) en 7/8 van de maximale ingangspanning in 111 (2). Uiteraard zijn er waarden mogelijk tussen 0 en 1/8, deze zullen allemaal resulteren in een binaire 000. We zien gemakkelijk in, dat door meer bits te gebruiken de stapgrootte of stapfout kleiner wordt. Het te verwerken binair getal wordt dan wel groter. Tevens moet de elektronica zo gebouwd zijn dat de tolerantie kleiner is dan de stap. Met ander woorden, het heeft geen zin om teveel bits te gebruiken bij de AD-conversie omdat de stapfout, op een bepaald moment kleiner wordt dan de tolerantie van de gebruikte elektronica. Bij PLC s worden soms analoge modules gebruikt van 12 bits. Zo n A/D omzetter van 12bits zal 2 12 =4096 verschillende uitgangscombinaties hebben. Namelijk (2) of 000 (H) tot (2) of FFF (H) De grote van 1 stap is dan in bovenstaand voorbeeld : bereik 10V 0V stapgroott e 2, 4mV aatal stappen 4096 Inleiding PLC 22 / 120 LM

23 3 2,4.10 In % is dit.100% 0,024% 10 In de volgende tabel staat een overzicht met de getalvoorstelling bij een Siemens analoge module (16 bits). Reken zelf de stapgrootte en de fout uit voor een ingangsbereik van -10V tot 10V Omdat de aangeboden spanning zowel positief als negatief kan zijn is de moet de binaire waarde een teken kunnen weergeven. De getallen worden in dit voorbeeld voorgesteld volgens de tweecomplement methode. **** Opdracht: Een PT100 sensor is aangesloten op een transmitter die 0V levert bij -50 C en 10V levert bij +50 C. De temperatuur is momenteel 25 C. Welke waarde is de gedigitaliseerde waarde (in binair en hex). W gaan ervan uit dat de transmitter aangesloten is op een analoge ingang waarvan hierboven de tabel gegeven is. Inleiding PLC 23 / 120 LM

24 5.1.3 Snelle ingangen (interruptgestuurde ingangen) Door de cyclische werking van het PLC programma zullen de ingangen slechts bevraagd worden aan het begin van elke programma cyclus. cyclische werking van een PLC programma De PLC bevraagt zijn ingangen voordat hij het programma doorloopt. Daarna wordt het programma, instructie na instructie, doorlopen. Vervolgens worden de uitgangen aangestuurd. Deze cyclus wordt herhaald. Verandert een ingang kortstondig tijdens het doorlopen van het programma (cyclustijd) dan zal de PLC deze verandering aan de ingang niet zien. Bij snelle processen is dit niet gewenst. Hier moeten we kiezen voor ingangsmodules die interrupt gestuurd zijn. Deze ingangsmodules zullen het lopend programma onderbreken als er iets wijzigt aan de ingang. Onderbreken van het hoofdprogramma voor de interrupt routine ISR In het bovenstaand voorbeeld wordt het hoofdprogramma (links) onderbroken door de ingangsmodule. De ingangsmodule vraagt via een aparte klem op de CPU een interrupt aan. De CPU onderbreekt het hoofdprogramma en doorloopt de ISR (interrupt service routine). Deze schenkt aandacht aan de ingang en haalt de nieuw waarde(n) op. Inleiding PLC 24 / 120 LM

25 Vervolgens wordt verder gegaan met het hoofdprogramma dat dan gebruik maakt van de nieuwe waarden van de ingang. 5.2 Uitgangen. Uiteraard willen we niet enkel ingangen kunnen lezen maar ook uitgangen kunnen aansturen Digitale uitgangen De meest gebruikte uitgang is de digitale uitgang. Hiermee kan je iets aan- of uit zetten. Meestal zijn dit relais, lampen,indicatoren, pneumatische- of hydraulische ventielen. Met deze laatste kunnen dan weer cilinders aangestuurd worden om iets te openen, te klemmen enzovoort. Indicator contactor relais voor DIN rail montage elektromagnetisch perslucht ventiel DC motor (klein vermogen) Enkele voorbeelden van digitale uitgangen Bij digitale uitgangen kies je voor halfgeleider uitgangen (contactloze uitgangen) met transistoren voor de lagere DC spanningen of triacs voor hogere wisselspanningen of relaisuitgangen. Deze laatste zijn uiteraard voor alle spanningen toepasbaar, maar hebben het nadeel dat ze mechanisch zijn. De DC uitgangen leveren meestal 24V. De max stroom die zo n uitgang kan leveren is vaak 0,5 of 2A. Als de uitgangsmodules hun spanning betrekken van de voeding van de PLC, dan moet Inleiding PLC 25 / 120 LM

26 men erop letten dat de som van de te leveren uitgangstromen de maximale stroom van de PLC voeding niet overschrijdt. Veel uitgangsmodules kunnen aangesloten worden op een extra of externe voeding (in onderstaand schema tussen klem 1-10, 11,20 31,20 en 31,40). Zijn de te leveren stromen niet groot, of is de voeding van de CPU voldoende krachtig, dan kan men de voeding van de PLC gebruiken. Blokschema van een digitale output module SM322 (s7-300 reeks) 32x24V 0,5A (elektronische uitgang) De modules met relais uitgang, kunnen een gemeenschappelijk voedingscontact of aparte voedingscontacten per uitgang hebben. De laatste hebben als voordeel dat je per uitgangscontact een aparte voedingsspanning kan gebruiken. Indien we de voeding voor de relaiscontacten betrekken uit de PLC voeding dan moet men er eveneens letten dat de maximale stroom van de voeding niet overschreden wordt. Inleiding PLC 26 / 120 LM

27 Bokschema van een output module met relais uitgangen 16 x REL Voor uitgangen die veelvuldig moeten schakelen kies je best voor elektronische uitgangen (solid state relais). Wil je een lamp laten knipperen en kies je hiervoor een module met een relaisuitgang, dan zal de relais in de module dit niet lang volhouden. Inleiding PLC 27 / 120 LM

28 Uitgangsmodule 8x120/230V AC Men moet erop letten dat, bij het schakelen van inductieve belastingen op DC (gelijkspanning), een vrijloopdiode over de belasting geplaatst wordt. Dit, om te vermijden dat de piekspanning I E L. t die ontstaat bij het uitschakelen van de (relais)spoel de uitgang van de PLC stuk maakt. Onderdrukking van de emk van zelfinductiebij met vrijloopdiode Bij wisselspanning kan je uiteraard geen diode gebruiken. Om de contacten van je relaisuitgangen te sparen kan je ofwel werken met een VDR (Voltage Dependent Resistor) of een RC serieschakeling (snubber netwerk) in parallel met de belasting. Inleiding PLC 28 / 120 LM

29 *** ** Onderdrukking van emk van zelfinductie bij uitschakelen van een inductieve belasting op wisselspannig met VDR (1) of snubbernetwerk (2) Voorbeeld van aansluiten van relais ( uitgang Q0.0), indicator (Q0.1) en dubbelwerkend elektromagnetisch ventiel (Q0.2 en Q0.3) op de uitgangen van de PLC Inleiding PLC 29 / 120 LM

30 Aansluiten van een relais op een digitale uitgangsmodule. In bepaalde gevallen kan, omwille van veiligheidsredenen nog een hardware vergrendelcontact (1) opgenomen worden in serie met de belasting (2) Analoge uitgangen Zoals aangehaald in het voorbeeld van de PLC als regelkring onder 4.3, analoge ingangen, kan de PLC ook analoge signalen als uitvoer leveren. Hierdoor is het mogelijk om bijvoorbeeld een regelklep in een bepaalde stand te zetten, een motor op een bepaald toerental te laten draaien, de stroom door een belasting naar een bepaalde waarde te sturen zodat de temperatuur in de weerstand regelbaar is, een servomotor in een robot naar een bepaalde positie te sturen enzoverder. *** Het principe van een analoge uitgang is nagenoeg gelijk aan dit van een analoge ingang. Enkel wordt de bitreeks, die de analoge waarde representeert nu naar de uitgang gestuurd. De D/A convertor in de uitgang zet deze bitreeks om in de een analoge spanning of stroom. Onderstaand, een tabel van vaak voorkomende analoge uitgangsbereiken. Aangezien een analoge uitgang enkel spanning of kleine stromen kan leveren kunnen we de actuator hiermee meestal niet rechtstreeks aansturen. We zullen praktisch altijd een vermogensturing nodig hebben als aanpassing tussen de outputmodule en de belasting. Vaak gebruikt zijn spanningsgestuurde fase-aansnijdingen (dimmers), PWM regelaars (Pulse Width Inleiding PLC 30 / 120 LM

31 Modulation), frequentieregelaars voor a-synchrone motoren en andere vermogenselektronica. Hieronder: enkele voorbeelden van controllers die kunnen aangestuurd worden vanuit een analoge uitgangsmodule van een PLC Micromaster frequentieregelaar voor a-synchrone motoren DC controlled dimmer (Velleman K8064) Servo motor controller PWM motor speed controller Proportioneel drukventiel Regelklep Inleiding PLC 31 / 120 LM

32 Servomotoren *** Twee servomotoren synchroon laten draaien: demo *** Fanuc robot met servomotoren en visie Wat is PWM op You Tube: *** 6 Veldbussen Een veldbus is een industriële, digitale bus voor realtime en gedistribueerde besturing van machineparken en processen. *** Een typisch proces moet gegevens uitwisselen tussen sensoren, Programmable Logic Controllers (PLC s), stuurcomputers, actuatoren, interfaces naar de operator, enzovoort. Een veldbus zorgt voor een storingsvrije en determineerbare communicatie (determineerbaar wil zeggen dat zender en ontvanger zijn indentificeerbaar zijn). De PLC moet verbonden worden met de PC, om deze te kunnen programmeren, om eventueel gegevens te visualiseren, gegevens te loggen, het proces bij te sturen in de de PLC via de PC enzoverder. Grotere systemen kunnen uit meerdere PLC s opgebouwd zijn die elk een deel van de taak uitvoeren. Om het geheel te laten samen werken moeten de PLC s onderling kunnen communiceren. Indien er veel I/O (input output) moet gelezen worden (op een grote afstand) kan er gekozen worden om met decentrale periferie te werken om bekabeling uit te sparen. De signalen afkomstig van/naar meerdere sensoren/actuatoren komen dan samen in één punt en kunnen dan langs één kabel verstuurd worden naar de centrale PLC. Een typisch voorbeeld hiervan is de ET200 module die via profibus/profinet met de PLC vebonden wordt. * Inleiding PLC 32 / 120 LM

33 . Voorbeeld van een gecombineerd veldbussysteem (profibus + ethernet-tcp-ip + RS232) Zo n verbinding die industriële communicatie mogelijk maakt tussen verschillende delen noemt men een veldbus. De communicatie in een domoticasysteem verloopt eveneens via een veldbus of afgeleide van een veldbus. Er zijn jammer genoeg veel verschillende soorten veldbussystemen die niet onderling compatibel zijn. Een bussysteem bestaat, net als het OSI model, uit verschillende lagen. 6.1 Protocollen Het elektrisch niveau (het laagste niveau van het OSI model) wordt zodanig beschreven dat het elektronisch mogelijk is om signalen uit te wisselen. Hiervoor gebruikt men onderandere : RS232 ** RS422 ** RS485 ** Ethernet ** Inleiding PLC 33 / 120 LM

34 Boven het elektrisch niveau draait een protocol dat bepaalt hoe de communicatie softwarematig verloopt. Enkele gekendeprotocollen zijn: PROFI bus Profinet CAN bus (de standaard in de auto industrie) ASI bus Meer info over bussystemen en protocollen: *** 7 Voedingen De elektronica van de PLC moet gevoed worden. Hiervoor heeft elke PLC een voeding nodig. In sommige(kleinere) PLC s kan de voeding,de processor en enkele in- en uitgangen in dezelfde behuizing ondergebracht zijn. Grotere systemen werken steeds met een aparte voedingen. De voeding levert niet enkel spanning voor de stuurelektronica, maar ook voor de uitgangsmodules. De stroom die de belastingen (bijvoorbeeld relais) uit de uitgangsmodules halen moet eveneens geleverd worden door de voeding van de PLC. Dit kan dezelfde zijn als deze van de PLC, of een externe. Bij grote systemen wordt vaak een aparte voeding gebruikt voor de stuurelektronica en voor de uitgangsmodules. De stuur elektronica wordt gevoed via de centrale bus, de voeding van de uitgangstrappen wordt meestal aangesloten op externe klemmen zodat de ontwikkelaar kan kiezen hoe de uitgangsmodules gevoed worden. De meeste PLC voedingen zijn kortsluitbestendig. Dit wil uiteraard niet zeggen dat men zorgeloos met de bekabeling kan/mag omgaan. Bij grotere stromen kan serieuze vonkvorming ontstaan. voorbeeld van een 2A voeding voor de S7-300 Inleiding PLC 34 / 120 LM

35 *** 8 CPU De PLC bestaat hoofdzakelijk uit een processor (CPU of Central Processing Unit), geheugen, en input output. De PLC is eigenlijk een volwaardige computer, echter gebouwd om elektrische schakelingen te vervangen. We kunnen de PLC in feite beschouwen als een doos vol contactoren, tellers, tijdsschakelaars en gegevensopslagplaatsen. Deze elementen bestaan niet echt maar worden gesimuleerd met behulp van binaire gegevens in registers. De in- en uitgangen zijn via de back-plane of interne bus verbonden met de CPU. Als we een module toevoegen aan een rack, dan zal steeds op een of andere manier, een verbinding gemaakt worden met de backplane, hetzij met een connector op de zijkant of op de achterkant van de module. Deze backplane zorgt voor de verbinding van data-, adres en controlesignalen alsook de spanningsverzorging van de stuurelektronica (niet voor de in- en uitgangstrappen). De voeding voor in- en uitgangstrappen kan desgewenst via een aparte voeding aangesloten worden aan de (voorkant) van de module. De in- en uitgangsmodules zijn fysisch verbonden met de buitenwereld via de aansluitklemmen van de deze modules waarop de periferie aangesloten wordt. Ze ontvangen signalen van schakelaars, sensoren enzv. Ze sturen relais, ventielen, lampen, motoren, regelaars enzovoort aan. Interne hulpcontactoren of merkers ontvangen geen signalen van de buitenwereld en bestaan ook Inleiding PLC 35 / 120 LM

36 niet fysisch. Het zijn gesimuleerde contactoren en vormen de hulpvariabelen waardoor de PLC een aantal externe contactoren kan elimineren. We noemen deze in het algemeen merkers. Elke merkerbit is in staat om één bit te onthouden. Elektronisch gezien is een merker een flip-flop. Hij is in staat om één bit te onthouden. Er bestaan ook merker bytes, (8 bits) merker woorden (16 bits) en merker dubbelwoorden (32 bits). Merker bytes,- woorden en -dubbel woorden worden onderandere gebruikt bij de verwerking van gedigitaliseerde analoge waarden. Er bestaan remanente merkers, hun inhoud blijft behouden bij het uitschakelen van de PLC. Van de niet remanente merkers, gaat de inhoud verloren bij het uitschakelen van de PLC. In de PLC is vaak een batterij ingebouwd die ervoor zorgt dat een deel van het RAM geheugen onder spanning blijft zodat remanente merkers mogelijk zijn. Counters of tellers bestaan niet fysisch. Het zijn via software gesimuleerde tellers en ze kunnen geprogrammeerd worden om pulsen te tellen. Tellers kunnen over het algemeen optellen, aftellen of een combinatie van beide. Daar ze gesimuleerd worden zijn ze meestal gelimiteerd voor wat betreft hun telsnelheid. Timers of tijdsrelais bestaan ook niet fysisch. Er zijn verschillende vormen en tijdsbasissen. De meest gebruikte tijdsfunctie is de inschakelvertraging. Andere merken beschikken soms over uitschakelvertragingen, ze kunnen flank- of niveaugevoelig zijn, hertriggerbaar en niet hertriggerbaar enzovoort. De verlopen tijd van timers kan zowel remanente als niet-remanent zijn. De tijdsbasissen variëren van 1ms tot meerdere uren. Registers zijn interne geheugens van de CPU. Ze worden simpelweg gebruikt voor de opslag van gegevens. Hierbij denken we aan de tijdelijke opslag van rekenkundige bewerkingen en gegevensmanipulatie. Ze kunnen remanent en niet remanent zijn. Het bekendste register van de CPU is de ACCU. Bekijken we even het intern blokschema: Inleiding PLC 36 / 120 LM

37 De CVE is de centrale verwerkingseenheid of CPU. Hierin vind je de normale delen van een microprocessor zoals: ALU, ACCU, hulpregister, programmateller, instructiedecoder enzoverder. Voor een diepgaandere werking van dit deel verwijzen we naar de cursus Siemens didactische computer. De CVE haalt zijn programma uit het programmageheugen. Het programma wordt daarin geladen via een programmeerapparaat (PG of programmiergerät). Dit kan een PC zijn die via een of andere bus of interface (bijvoorbeeld RS232 of USB) verbonden is met de PLC. De Batterij onderhoud het RAM geheugen van spanning zodat de remanente waarden niet verloren gaan bij het uitschakelen of wegvallen van de voedingsspanning. Tellers houden de getelde waarden van de diverse counters of tellers bij. Tijden, in dit blokje worden de tijden van de software timers bijgehouden. Het systeemprogramma bevat het interne programma van de PLC. Als deze opstart moeten de nodige taken uitgevoerd worden, het is als het ware het besturingssysteem van de PLC. Het Ram geheugen houdt alle variabelen bij die niet opgeslagen zijn in een van de andere blokken. In het PAE of PIT (process abfrage eingang of Process Input Table), eveneens een stukje geheugen, worden in het begin van een programmacyclus alle waarden van de ingangen gekopieerd. Het lopende programma kijkt enkel naar het PAE, niet rechtstreeks naar de ingangen. Inleiding PLC 37 / 120 LM

38 Voor elke cyclus wordt het PAE ververst (ingangen gekopieerd naar PAE) Wat het PAE is voor de ingangen, is het PAA of POT (proces abfrage ausgang of Process Output Table) voor de uitgangen. Tijdens een lopend programma worden de veranderingen naar het PAA geschreven. Pas op het einde van het programma wordt het PAA naar de uitgang gekopieerd. 9 Programmacyclus Hiervoor is reeds aangehaald dat de werking van een PLC is gebaseerd op het continue uitvoeren van een programma. We kunnen deze scancyclus splitsen in drie belangrijke stappen. stap 1 kopieren van de ingangen naar de PITof PAE Stap 2 uitvoeren van het programma, instructie na instructie Stap 3 kopieren van de waarden van het outputregister PAA, POT naar de uitgang. Opdat de PLC bij een opstart zou initialiseren (in een vaste bepaalde begintoestand komt) wordt na een opstart één maal een procedure doorlopen. Inleiding PLC 38 / 120 LM

39 De totale responstijd van de PLC is een feit waar we rekening moeten mee houden bij de keuze van een PLC. Net zoals onze hersenen heeft een PLC enige tijd nodig om te reageren op veranderingen. In veel tragere toepassingenis de snelheid niet van doorslaggevend belang, maar in snelle processen kan de traagheid van de PLC voor fouten zorgen. De totale reactietijd van een PLC systeem is de som van de reactietijd van de invoer, de uitvoeringstijd van het programma en de reactietijd van de uitvoer. Dit kan snel oplopen tot meerdere ms. Willen we een sensor lezen waarvan de waarde 1000 xsec wissselt dan kunnen er veranderingen gemist worden en moet er naar sneller oplossingen gezocht worden zoals bvb een interruptgestuurde ingangsmodule. Inleiding PLC 39 / 120 LM

40 10 Opbouw van adressen voor in- en uitgangen Er zijn veel merken en soorten PLC s. Onderstaande is geldig voor sommige PLC s van Siemens. Andere merken gebruiken meestal gelijkaardige of afleidbare nummering. In eerste instantie wordt het type bepaalt. Er wordt een verschil gemaakt tussen in- uitgangen en merkers. Engels systeem I-> input Q->output M-> merker of hulpbit Duits systeem E->eingang A-> Ausgang M-> merker of hulpbit Het type wordt gevolg door een adres. Meestal bestaat dit adres uit twee delen: byte adres bit adres. Bijl Logo! worden de ingangen gewoon genummerd vanaf I1, I2.enzv. De uitgangen zijn dan Q0, Q1 enzv. Bij de S7- reeks wordt gewerkt met een BYTE adres en een BIT adres. Bij de S7-300 is het byte adres van een module afhankelijk van de plaats van de module op de rack. De meest linkse module krijgt Byte adres 0, de module daarnaast byte adres 4 enzv. Bekijken we de hardware configuratie van een S7 3xx (op te roepen via de software) het volgende voorbeeld: De meest linkse module is de voeding, deze telt niet mee bij de adrestelling, in dit geval een voeding van 2A. Daarnaast komt steeds de CPU, in dit geval een CPU314. Deze wordt ook niet meegerekend in de adrestelling. De CPU heeft een MPI adres, dit is het ID van de CPU, nodig voor programmatie en communicatie op de MPI bus. Naast de CPU komt een communicatiemodule (bvb profibus module) of een vrije ruimte. In het voorbeeld is geen communicatiemodule gebruikt. De eerste drie locaties kunnen dus niet ingenomen worden door input- of output modules. De eerste module, in het voorbeeld een digitale ingangsmodule met 16 ingangen van 24V, staat in ons voorbeeld op positie 4. Het krijgt adres 0. Aangezien het een ingangsmodule is met met 16 ingangen lopen de adressen van I0.0 over I0.7 en dan verder vanaf I1.0 t:m I1.7. De ingangen I2.0 t/m I3.7 zijn in deze configuratie ongebruikt. Op de vijfde locatie vinden we een digitale uitgangsmodule met 32 uitgangen van 24V 0,5A. Inleiding PLC 40 / 120 LM

41 De adressen van deze uitgangsmodule starten op Q4,0 over Q4,7 (1 ste byte) om dan via Q5.0->Q5.7, Q6.0-Q6.7 enq7.0 door te lopen en te eindigen bij Q7.7. Toewijzing van de adressen in de hardware configuratie van een S Programmeertalen De PLC wordt geprogrammeerd via de PLC of zoals Siemens het noemt een PG (programmiergerät). Het programma wordt dan via een aangepaste kabel overgedragen van het PG naar de PLC. Hierna kan de PLC zelfstandig werken (niet bij een soft PLC) Er bestaan verschillende manieren (talen) om een programma te schrijven. De meest gebruikte zijn: LAD (ladder) FBD function block diagram STL statement list. Graph af graphcet Hogere programmeertalen zoals C /C++ We leggen het verschil uit tussen de drie talen bij het volgende punt, basis digitale functies en via de voorbeelden. De laatste twee programmeertalen vallen buiten het bestek van deze cursus. Inleiding PLC 41 / 120 LM

42 12 Basis digitale functies Om te begrijpen hoe PLC programma s werken en om ze te kunnen schrijven bekijken we eerste enkele geïsoleerde basisfuncties. Ze worden telkens beschreven in de 3 basistalen. Grotere programma s zijn uiteraard een combinatie van meerdere basisnetwerken. We gaan uit van een Siemens S Afvragen op 1 of recht inlezen We wensen een uitgang hoog te maken als de ingang hoog is. Het niveau op een digitale ingangsklem kan hoog (1) of laag (0)zijn. Het niveau hangt af van de soort van ingang en de manier waarop de ingang geschakeld is. Bekijken we enkele voorbeelden van verbinden: +24V S2 S1 +24V I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 0V 0 aansturen van ingangen met NO en NC drukknop De drukknop S1 is een NO contact en de drukknop S2 is een NC contact. In rust (drukknop) niet bediend staat op aansluitklem I0.0 0V en aansluitklem I0.1 24V. Worden de drukknoppen bediend dan wordt I0.0 0V en I0.1 24V. Inleiding PLC 42 / 120 LM

43 Bekijken we nu het voorbeeld van een sensor met NPN uitgangstrap. +24V R 1 +24V I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 0V 0 Aansturen van een PLC ingang met een sensor NPN open collector output We gaan ervan uit dat de transistor gestuurd wordt als een voorwerp in de buurt van de sensor komt. De transistor wordt dan aangestuurd en zal beginnen geleiden. De Klem I0.0 wordt via de geleidende transistor (te vergelijken met een gesloten contact tussen collector en emitter) aan massa gelegd. I0.2 wordt 0V. Is er geen voorwerp in de buurt dan is de transistor gesperd (te vergelijken met een open contact tussen C en E). De spanning op I0.2 wordt via de weerstand R 1 opgetrokken naar de +24V. Zonder R1 zou de ingang in beide gevallen op 0V blijven. Berekenen waarde voor R1 Nota: we dienen erop te letten dat de waarde van R 1 zo gekozen is dat de spanningsval over R1 beperkt blijft. De spanning op de klem I0 moet groot genoeg zijn om aanzien te worden als een hoog niveau, we noemen deze spanning U Ih (minimum ingangsspanning voor hoog niveau). De spanning op de ingangsklem is te schrijven als: 24V U R1 en U R1 =I R1.R 1 I R1 is de ingangsstroom van de module Bekijken we de modulespecificaties van een S7 ingangsmodule dan zien we dat I ih (ingangsstroom bij hoog niveau) = 7mA en U ih (minimum spanning voor een hoog niveau) =13V. De max waarde voor R1 is bijgevolg: Inleiding PLC 43 / 120 LM

44 (24V-13V)/7mA=1,57KΏ Let op! Nemen we R1 te klein dan is er risico dat de transistor, als deze begint te geleiden, te veel stroom trekt. Je kan de maximum schakelstroom van de sensor nagaan door de specificaties van de sensor te raadplegen. Bekijken we het voorbeeld van een sensor met PNP open collector uitgang: +24V R 1 +24V I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 0V 0 Aansturen van een PLC ingang met een sensor PNP open collector output We gaan er terug van uit dat de transistor begint te geleiden als van een voorwerp gedetecteerd wordt. De klem I0.3 wordt dan hoog bij signaaldetectie. Let erop dat bij de PNP open collector uitgang geen pull-up weerstand nodig is. We moeten ons steeds afvragen welk niveau er op de klem aanwezig is. Bij recht inlezen wordt dit niveau ( 1 ) of ( 0 ) overgenomen en doorgegeven aan de rest van de logica. Zie hieronder enkele voorbeelden in de verschillende programmeertalen LAD recht inlezen De programmeervorm LAD (ladder) ligt het dichtst bij de elektricien. Ze lijkt het meest op een Inleiding PLC 44 / 120 LM

45 klassiek elektrisch schema. We stellen een ingang voor door rechte haakjes met daarbij vermeld het nummer van de ingang: IX.Y Bij S7-300 is X is het Byte adres, Y het bit adres. We stellen een uitgang voor met ronde haakjes, daarbij vermeld men eveneens het adres van de uitgang: QX.Y Soms wensen we een resultaat tijdelijk op te slaan zonder hiervoor een uitgang te gebruiken. We kunnen dit doen via een merker. Een merkerbit is de opslagruimte van 1 bit en wordt op dezelfde manier voorgesteld als een uitgang. Voor opslag van gedigitaliseerde analoge waarden wordt, naargelang de breedte van de A/D omzetter, een merker BYTE (8bits) of een merker woord (16 bits gebruikt) Merkers kunnen remanent zijn (behouden hun waarde als de spanning afgezet worden) of niet remanent (verliezen hun waarde). Elke merker krijgt ook een adres. MX.Y Zowel merkers als uitgangen kunnen ook als ingang gebruikt worden. Ze worden dan getekend als ingang. Enkel via de code zie je of een ingang een merker, ingang of uitgang is. I1.3 M9.2 Q4.3,, Bekijken we het onderstaande programmavoorbeeld in LAD Inleiding PLC 45 / 120 LM

46 In netwerk 1 wordt de status van de ingangsklem I0.0 doorgegeven aan uitgang Q4.0 In wat volgt gaan we ervan uit dat de ingangen aangesloten zijn zoals onder punt Dit houdt in dat een relais of lamp aangesloten op de uitgang Q4.0 zal oplichten als er gedrukt wordt op de schakelaar S1. Bij het duwen op S1 komt er een hoog niveau om klem I0.0 en dit wordt doorgegeven aan uitgang Q4.0 In netwerk 2 wordt de status van ingangsklem I0.1 overgenomen in M4.0. Dit wil zeggen dat M4.0 in rust hoog is, bij bedienen van S2 zal M4.0 laag worden. In netwerk 3 wordt de status van merker M4.0 doorgeven aan uitgang Q4.1. Q4.1 volgt M4.0. Een relais, aangesloten op Q4.1 zal afvallen bij het bedienen van S2 omdat dan de spanning op I0.1 laag wordt en bijgevolg de merker M4.0 en de uitgang Q4.1 beide laag worden. Opdracht: Ga, uitgaande van de ingangen geschakeld als onder 12.1 in het programma hieronder na wanneer Q4.2 en Q4.3 hoog worden. Inleiding PLC 46 / 120 LM

47 FBD recht inlezen De programmeervorm FBD( Function Block Diagram) ligt wellicht het dichtst bij de elektronicus omdat deze het meest lijkt op elektronische schema s. Zetten we laddervoorbeelden van om in FBD dan ziet dit er als onderstaand uit. In- uitgangen en functies worden in FBD voorgesteld als blokken. Inleiding PLC 47 / 120 LM

48 STL recht inlezen De programmeervorm STL (STructured Language) lijkt op een hogere programmeertaal en zal wellicht de voorkeur krijgen van de informaticus. De ingangen worden vooraf gegaan door de A van AND (zie verder). Aangezien er hier maar één ingang is zou dit in dit voorbeeld evengoed de O van OR kunnen zijn. De toewijzing aan de uitgang wordt aangegeven door het = symbool Afvragen op 0 of invers inlezen Bij het afvragen op 0 onderzoeken we of een ingang 0 is. Als de ingang laag is wordt een hoog of 1 doorgegeven, is de ingang hoog of 1, dan wordt een 0 doorgegeven. De status van de ingang wordt dus geïnverteerd. We spreken van invers inlezen of afvragen op 0 Het symbool voor het afvragen op 0 in LAD is: IX.Y Men kan zowel ingangen, merkers als uitgangen bevragen op 0 Inleiding PLC 48 / 120 LM

49 LAD invers inlezen Als de spanning op I0.0 laag is wordt dit door het invers inlezen omgezet in een hoog niveau en wordt Q4.0 hoog. Q4.2 zal aan zijn ( 1 ) zijn als I0.1 0 is. Immers, als I0.1 laag is wordt dit invers ingelezen, M10.0 wordt hoog. Int netwerk 3 wordt de hoog status van M10.0 doorgegeven aan uitgang Q FBD invers inlezen Hetzelfde voorbeeld van in FBD. Het invers inlezen van de ingang wordt gesymboliseerd door de kleine cirkel aan de ingang. Inleiding PLC 49 / 120 LM

50 STL invers inlezen Hetzelfde voorbeeld van in STL. Het invers inlezen wordt hier aangeven door de AND operator te laten volgen door de N van NOT 12.3 AND functie De AND of EN functie zal een waar (hoog) opleveren als alle ingangen waar zijn. In een waarheidstabel ziet de AND functie met drie ingangen er als volgt uit. De Booleaanse vergelijking is: C B A X X=A.B.C Als je dit omzet in een elektrisch schakelschema krijg je: Inleiding PLC 50 / 120 LM

51 A B C X De lamp X zal oplichten als A en B en C bediend (gelijktijdig) worden AND in LAD AND in FBD AND in STL Opdracht: Ga, uitgaande van bovenstaand voorbeeld, met de ingangen geschakeld als in 12.1 na wanneer Q4.0 hoog is. Inleiding PLC 51 / 120 LM

52 En hoe is dit bij onderstaand voorbeeld? Welke drukknoppen moeten bediend zijn, welke niet? De sensoren moeten wel/niet een blokje detecteren opdat Q4.0 hoog wordt OR De OR of OF functie zal een waar (hoog) opleveren van zodra één van de ingangen hoog is. De waarheidstabel met drie ingangen ziet er als volgt uit. De Booleaanse vergelijking is: C B A X X=A+B+C Als je dit omzet in een elektrisch schakelschema krijg je: A B X C Inleiding PLC 52 / 120 LM

53 OR in LAD OR in FBD OR in STL Inleiding PLC 53 / 120 LM

54 12.5 NOT De NOT of NIET functie heeft één ingang en één uitgang. De uitgang is het inverse (omgekeerde van de uitgang). De waarheidstabel voor de niet functie A De booleaanse vergelijking X X A elektrisch schakelschema A Y X Als de schakelaar gesloten is, dan is y=1 bij open schakelaar (niet bediend) is y=0. Met ander woorden: Y=A De lamp X gaat uit als het relais aan gaat. Dus Y A en X A NOT in LAD Inleiding PLC 54 / 120 LM

55 NOT in FBD NOT in STL 12.6 Voorrang van bewerkingen Net zoals bij rekenen de vermenigvuldiging voor de optelling gaat zal, bij binaire logica, de AND bewerking voor de OR bewerking gaan. Stel, men wil men het volgend netwerk: Dan kan men dit in STL niet als volgt schrijven Inleiding PLC 55 / 120 LM

56 Want dit zou in LAD resulteren in dit netwerk: En in FBD: Doordat de AND functie eerst uitgevoerd wordt, worden eerst de drie ingangen in AND geplaatst, daarna wordt pas de ingang I0.3 in OR geplaatst. Inleiding PLC 56 / 120 LM

57 De juiste oplossing in STL is: Let op de haakjes die zorgen dat I0.2 en I0.3 eerst in OR geplaatst worden voordat ze met de rest in AND geschakeld worden. in FBD ziet dit er zo uit: 12.7 EXOR De EXOR of EXOF functie zal een hoog aan de uitgang hebben bij ongelijkheid. Dus enkel als één ingang hoog is en de andere laag. B A X A. B A. B Inleiding PLC 57 / 120 LM

58 Via de SOP (som of products) verkrijgen we de booleaanse vergelijking van de EXOR X A. B A. B Maken we gebruik van het EXOF symbool dan is de vergelijking X A B EXOR in LAD EXOR in FBD EXOR uitgevoerd met basisblokken in FBD Inleiding PLC 58 / 120 LM

59 EXOR uitgevoerd met het EXOR blok in FBD EXOR in STL of Opdracht: Onderzoek hoe de uitgang Q4.0 zal reageren op de drukknoppen geschakeld als in 12.1 op de EXOR schakeling. Inleiding PLC 59 / 120 LM

60 12.8 NAND De NAND of NEN functie (NOT AND of NOT EN) is de AND functie gevolgd door een NOT functie. De NAND functie levert in de waarheidstabel dus dezelfde waarden, als de AND maar dan omgekeerd. C B A X Booleaans: X A. B. C De streep boven A.B wil zeggen dat het resultaat moet geïnverteerd worden. Let op: X A. B A. B In het linkse geval reken je eerst A.B uit en inverteer je daarna het resultaat. In het rechtse geval inverteer je eerst A en B en laat je de AND functie los op de geïnverteerde resultaten Volgens DE MORGAN kan je een NAND functies omzetten naar een OR met geïnverteerde ingangen. Namelijk: X A. B. C A B C en bijgevolg is X A. B. C A. B. C A B C Nand in LAD Er zijn verschillende mogelijkheden: Inleiding PLC 60 / 120 LM

61 met gebruikmaking van de NOT functie Of omgezet naar OR met inverse ingangen via De Morgan *** *** NAND in FBD Ook hier zijn er verschillende mogelijkheden: met de uitgang geïnverteerd (eigenlijk de ingang van de uitgang) Inleiding PLC 61 / 120 LM

62 Via de Morgan NAND in STL met de uitgang geïnverteerd (eigenlijk de ingang van de uitgang) of via de Morgan Inleiding PLC 62 / 120 LM

63 12.9 NOR De NOR functie is de OR fucntie gevolgd door een inversie. Het levert ons onderstaande waarheidstabel op. En deze Booleaanse vergelijking C B A X X A B C En, via De Morgan kunnen we terug aantonen dat: X A. B C en bijgevo lg is A. B. C X A B C A B C A. B. C NOR in LAD Inleiding PLC 63 / 120 LM

64 NOR in FBD NOR in STL Let op de haakjes, wiskundig genomen zijn deze niet nodig, maar S7 voegt deze toe. Je krijgt als het ware een AND schakeling met één ingang. Opdracht: Zet de NOR functie zelf om naar AND met geïnverteerde ingangen gebruik makend van De Morgan. Inleiding PLC 64 / 120 LM

65 12.10 EXNOR Net zoals NAND en NOR omgekeerde functies zijn van AND en OR is de EXNOR het inverse van de EXOR. De EXOR onderzocht op ongelijkheid, de EXNOR op gelijkheid B A X Via de SOP (som of products) verkrijgen we de booleaanse vergelijking van de EXOR X A. B A. B Uiteraard kunnen we de EXNOF ook schrijven als de inverse EXOR functie X A. B A. B We kunnen bovenstaande vergelijking omwerken tot: X A. B A. B want: X A. B A. B A. B. A. B A B. A B A B. A B A. A A. B B. A B. B A. B B. A A. B A. B Eenvoudiger met gebruikmaking van het EXOR symbool: = X A B. Er zijn dus veel manieren om een exnor uit te werken, we geven telkens één voorbeeld. Inleiding PLC 65 / 120 LM

66 EXNOR in LAD EXNOR in FBD EXNOR in STL Inleiding PLC 66 / 120 LM

67 13 Voorbeeld: start stop met voorrang stop Werken we nu een eenvoudig voorbeeld uit. We programmeren en verbinden een eenvoudige start stop met voorrang stop. Frissen we eerst even het elektrisch schakelschema op: 13.1 Stuurkring Stellen we de booleaanse vergelijking op met uitzondering van F3 (smeltveiligheden van de stuurkring die niet teruggekoppeld worden naar de PLC) dan krijgen we: F2.S1.S2+(S3+K1)=K1 Hierbij zijn: F2= thermiek S1= noodstop S2=Stop S3= start K1= overnamecontact relais K1 K1 relais Inleiding PLC 67 / 120 LM

68 13.2 Vermogenkring 13.3 Toewijzingstabel In de toewijzingstabel maken we de link tussen de benodigde in- en uitgangen, de symbolische namen en de fysische adressen van de in- en uitgangen op de PLC Schema Nr Symb. Naam Fysisch Adres I/O F2 THE I0.0 S1 NSTO I0.1 S2 STO I0.2 S3 STA I0.3 S4 K1 Q4.0 K1 K1 Q4.0 In veel gevallen is het beter zich niet meer te baseren op het relaisschema maar zich te concentreren op de booleaanse voorwaarden. Maar, als eerste oefening, kan het een houvast zijn om te vertrekken van een gekend gegeven Programma in LAD Inleiding PLC 68 / 120 LM

69 Let erop dat, alhoewel de stop, noodstop en thermiek, normaal gesloten contacten zijn deze toch recht ingelezen worden. Deze contacten worden verbonden met de +24V (zie punt 12.7). Moesten we deze invers inlezen dan zou, het hoog niveau, dat in rust op de klemmen I0.0 t/m I0.2 aanwezig is, verwerkt worden als een laag niveau. Dit zou de verdere werking van de schakeling verhinderen (Als bij een AND functie één ingang 0 is is de uitgang altijd 0 ). Bekijken we hetzelfde programma, ditmaal met gebruikmaking van symbolische namen dan ziet het er als volgt uit: De tabel met symbol information kan naar believen via het menu view in de programmeersoftware aan- of afgezet worden. Inleiding PLC 69 / 120 LM

70 13.5 Programma in FBD 13.6 Programma in STL Inleiding PLC 70 / 120 LM

71 13.7 Verbindingen Bekijken we even de fysische verbindingen op de PLC: F3 PS 230V/24V 2A CPU DI 8x24V D0 8x24v 0,5A THE NSTO STO STA +24V +24V +24V L1 N I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 0V 0V 0V 0V K1 0V 14 Voorbeeld: twee motoren, slechts één motor mag draaien. In een kelder staan twee motoren die elk een pomp aandrijven. Het is de bedoeling dat er maximum één motor draait. De tweede motor/pomp is een reserve voor het geval er iets fout loopt met de eerste. Teken het schema met relais, maak de toewijzingslijst, schrijf het programma in de drie talen en teken het aansluitschema voor PLC. Inleiding PLC 71 / 120 LM

72 14.1 Relaisschema L1 F3 1 F2 2 1 S1 2 1 S2 2 3 S3 1 K1 3 S4 1 K K2 K1 2 2 K1 K2 N 14.2 Toewijzingslijst Aangezien het twee gelijke motoren zijn en deze nooit gelijktijdig draaien beperken we ons tot één thermiek. De noodstop en de stop worden ook enkel uitgevoerd. Voor de start hebben we uiteraard twee drukknoppen nodig (één voor elke motor). Inleiding PLC 72 / 120 LM

73 Schema Nr Symb. Naam Fysisch Adres I/O F2 THE I0.0 S1 NSTO I0.1 S2 STO I0.2 S3 STA1 I0.3 S4 STA2 I0.4 K1 K1 Q4.0 K2 K2 Q Programma 2 motoren in LAD Inleiding PLC 73 / 120 LM

74 14.4 Programma 2 motoren in FBD Inleiding PLC 74 / 120 LM

75 14.5 Programma 2 motoren in STL Inleiding PLC 75 / 120 LM

76 14.6 Verbindingsschema F3 PS 230V/24V 2A CPU DI 8x24V D0 8x24v 0,5A +24V THE NSTO STO STA1 STA2 +24V +24V L1 N I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 K2 K1 0V 0V 0V 0V K1 K2 0V Let erop dat in serie met de uitgangen nog een NC contact van de andere relais blijft staan. Dit beschermt de schakelingen tegen het blijven plakken van relais. Op deze manier is het onmogelijk dat twee relais gelijktijdig aantrekken. In de software is een vergrendeling ingebouwd door de uitgang K1 in AND te schakelen met K2 en vice-versa. Het is echter niet zeker dat, als K1 laag is K1 eveneens afgevallen is. Beter is, om een NC contact van K1 en K2 terug te verbinden met de ingang van de PLC en dit in te lezen. Op die manier weet de PLC zeker dat het relais afgevallen is. Een dergelijke aanpak helpt niet tegen een eventuele programmeerfout. Daarom is de hardware vergrendeling zoals hierboven toegepast een extra veiligheid. Opdracht: Herschrijf het programma en herteken het aansluitschema van de PLC zodat er van elk relais een NC contact teruggekoppeld wordt naar de PLC. De hardware vergrendeling op de uitgangskringen van de PLC moet behouden blijven Uitbreiding toewijzingslijst: NC terugkoppelcontact van K1 -> I.5 NC terugkoppelcontact van K2 -> I.6 Inleiding PLC 76 / 120 LM

77 15 Set Reset functie De Set Reset functie lijkt sterk op de start stop. De Set Reset functie is een functie met twee ingangen en één uitgang. De ingangen zijn: Set: als deze ingang actief is dan wordt de uitgang hoog en blijft deze hoog tot een reset gegeven wordt. (vergelijk dit met een start bij een start stop) Reset: als deze ingang actief is dan wordt de uitgang laag en blijft deze laag tot er een set gegeven wordt. (vergelijk met de stop bij een start stop uitgang) Er zijn twee soorten set/reset schakelingen. Het verschil is de reactie van de uitgang bij het gelijktijdig optreden van een set en reset aan de ingang SET /RESET met voorrang RESET Als beide ingangen gelijktijdig actief zijn dan krijgt de reset ingang voorrang. De uitgang wordt hoog. In het symbool heeft de onderste ingang van het de SR voorrang, dus in onderstaand voorbeeld de set. Opmerking: de onderste ingang heeft voorrang. Dit is de laatste regel in STL Inleiding PLC 77 / 120 LM

78 15.2 SET /RESET met voorrang SET Als beide ingangen gelijktijdig actief zijn dan krijgt de set ingang (onderste ingang in het SR symbool ) voorrang. De uitgang wordt hoog 16 Voorbeeld: Alarmbewaking In een vat wordt het proces bewaakt met 3 sensoren S1 verbonden met I0.1 meet de druk, hoog niveau bij te hoge druk S2 verbonden met I0.2 meet de tempratuur, hoog niveau bij te hoge temperatuur S3 verbonden met I0.3 meet het niveau, laag niveau bij te laag niveau Q1 indicator, druk te hoog Q2 indicator temperatuur te hoog Q3 indicator niveau te laag Q4 er doen zich twee alarmen gelijktijdig voor. Van zodra er geen twee alarmen meer zijn gaat Q4 uit. Bij 3 alarmen is Q4 ook uit. Q5 Drie alarmen gelijktijdig. Een geluidssignaal wordt gestart. Dit alarm blijft aan, ook nadat de er geen drie sensoren meer alarm geven. Er kan enkel gereset worden met een NO drukknop op I0.4 Inleiding PLC 78 / 120 LM

79 16.1 Toewijzingslijst 16.2 Programma in Lad Inleiding PLC 79 / 120 LM

80 In bovenstaande schakeling is er een probleem. Als we op de reset drukknop duwen en er zijn nog 3 alarmen actief, dan zal het alarm weer starten bij het loslaten van de drukknop. We lossen dit probleem later op met behulp van flankdetectie. Inleiding PLC 80 / 120 LM

81 17 Flankdetectie Soms zijn we niet geïnteresseerd in het al dan niet bekrachtigd zijn van een schakelaar of input, maar willen we het moment detecteren dat de input verandert. In het geval van een drukknop is dit dan het indrukken of loslaten van de knop. Op het moment van verandering treedt een transitie of flank op. Naargelang de soort input krijgen we een overgang van laag naar hoog (0->1 transitie of stijgende flank) of een overgang van hoog naar laag (1->0) transitie of dalende flank) In de plc S7-300 is een functie ingebouwd om de zowel een positieve als een negatieve flank te detecteren. In de S5 moest men deze nog zelf schrijven, daar loste men dit op met een klein programma. De uitgang na een flankdetectie is slechts een cyclustijd hoog, dus zeer kort. Dit is echter voldoende om bijvoorbeeld een teller of een counter mee aan te sturen Detectie op de positieve flank Bij detectie op de positieve flank zal de uitgang van de flankdetectie één cyclustijd hoog zijn bij een 0->1 overgang aan zijn ingang (RLO Result of logic operations van de voorgaande functies) Bij een positieve flank op de ingang I0.0 zal via de flankdetectie M0.0 de merker 0.1 hoog worden gedurende één cyclustijd. Voor de flankdetectie is steeds een merker nodig, in bovenstaand voorbeeld is dat M0.0. Zoals hierboven reeds aangehaald bestaat er hiervoor bij de S5 geen functie en moet men dit zelf schrijven door een kort programma. Men loste dit zo op: E32.0 = ingang M50.1 = de uitgang U E 32.0 U M 50.0 = M 50.1 *** Inleiding PLC 81 / 120 LM

82 UN E 32.0 = M Detectie op de negatieve flank Bij detectie op de negatieve flank zal de uitgang van de flankdetectie een cyclustijd hoog zijn bij een 1->0 overgang aan de ingang (RLO Result of logic operations van de voorgaande functies) Oplossing bij S5: Detectie van de negatieve flank bij S5. UN E 32.0 U M 50.0 = M 50.1 *** U E 32.0 = M 50.0 Opdracht Gegeven onderstaande schakeling, golfvormen en programma. Vervolledig het verloop van de spanningen Inleiding PLC 82 / 120 LM

83 +24V S2 S1 +24V I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 0V 0 S1 bediend J S2 bediend M4.0 M4.1 M4.2 M4.3 M4.4 t t t t t t t Inleiding PLC 83 / 120 LM

84 17.3 Voorbeeld: aanpassing Alarmbewaking met flankdetectie In de oefening van voorbeeld 3 zal het alarm na het loslaten van drukknop reset alarm (I0.3) terug actief worden als het probleem nog niet verholpen is. Want, er is dan nog steeds een hoog niveau op de set ingang van de flip-flop, deze wordt terug actief. Dit kan vervelend zijn voor de servicetechnicus en de omstaanders. We kunnen natuurlijk een schakelaar gebruiken voor de reset, dan is de kans groot dat deze niet uitgeschakeld wordt waardoor de bewaking inactief blijft. We kunnen dit beter oplossen door de set - reset enkel te setten op een stijgende flank van druk, temp en niveau. Op die manier wordt de flip-flop geset bij een 0-1 transitie van het alarm (begin of optreden van het alarm) en gereset door de drukknop reset alarm. Zelfs al is het probleem nog niet verholpen, er is geen stijgende flank op de set ingang, het alarm wordt niet opnieuw opgestart. Hiervoor moet één of meerdere sensoren terug laag worden en daarna alle drie weer hoog, want anders komt er geen stijgende flank op de set ingang. Inleiding PLC 84 / 120 LM

85 17.4 Voorbeeld: aan uit met één drukknop Willen we iets in- en uitschakelen met één drukknop, dan zal dit niet lukken zonder flankdetectie. Stel, we willen een lamp in en uitschakelen (aangesloten Q4.0) met een drukknop (N.O op I8.0). Stellen we even de waarheidstabel op: I8.0 Q4.0 (oud) Q4.0 (nieuw) Inleiding PLC 85 / 120 LM