3 Opbouw en karakteristieken van de PLC 3.1 Blokschema Een PLC bestaat uit 3 delen: - een voeding of PS (Power Supply). Deze zet de netspanning van 230V AC om in 24V DC. - een centrale verwerkingseenheid of CPU (Central Processing Unit). Deze zorgt voor de uitvoer van het gebruikersprogramma. - een aantal in- en uitgangsbouwgroepen. Deze kunnen geïntegreerd zijn (bv 314IFM die we in het labo gebruiken), als extra module in het centraal rack bij te plaatsen of als decentrale periferie (DP) (Er is dan een busverbinding tussen CPU en in/uitgangskaart. Bv PROFIBUS / ASI / Ethernet ) Als randapparatuur hebben we een programmeerapparaat (PG of PC). Deze is enkel nodig bij ontwerp/wijzigen en indienstname van een sturing. Eens opgestart werkt een PLC standalone. KHLim dep IWT MeRa 8/141
3.2 CPU of centrale verwerkingseenheid De centrale verwerkingseenheid of CPU is het brein van de PLC. De CPU verwerkt al de aangeboden informatie. Deze informatie wordt in verschillende vormen aangeboden aan de CPU. - Instructies: het gebruikersprogramma en systeemprogramma - Ingangssignalen Het is deze CPU die de performantie van de PLC bepaald. Vroeger waren dit 8-bit processoren, vandaag 16 en 32-bit. Niet alleen de snelheid is van belang maar ook de ongevoeligheid voor storing die in industriële omgeving steeds aanwezig zijn. De CPU bestaat uit: - Logische eenheid (processor): deze verwerkt het programma, dat in het programmageheugen staat, instructie per instructie (serieel) in tegenstelling tot de klassieke sturingen waarbij de verwerking parallel geschied dwz dat meerdere logische functies gelijktijdig uitgevoerd kunnen worden. Hierbij moet zeker rekening gehouden worden bij het schrijven van het programma. - Controle Unit. Deze zorgt voor onderlinge synchronisatie en het geven van de besturingssignalen aan alle modules. (bv bij inlezen van PII) - Accumulatoren: geheugen plaatsen voor het opslaan van tussenresultaten (dataaccumulatoren (2 of 4)) en adres van de uit te voeren instructie (adresaccumulator) - Geheugens: programmageheugen, systeemgeheugen, werkgeheugen. - PII / PIQ: periferie input image, periferie output image. - Bussysteem - Voedingseenheid: deze zet de 24V DC van de PS om in 5V DC nodig voor de processor - bufferbatterij KHLim dep IWT MeRa 9/141
Eigenschappen van een CPU 314IFM / systeemfamilie standaard CPU s 300 reeks Siemens KHLim dep IWT MeRa 10/141
KHLim dep IWT MeRa 11/141
Karakteristieken van de CPU die de keuze van een geschikte CPU bepalen (zie P 10) - Work memory: geheugengebied dat gebruikt wordt voor de verwerking van het programma (RAM) - Load memory: geheugengebied voor de opslag van het programma. (RAM/EEPROM/ SD) - System memory: geheugengebied met het systeem programma (ROM) - Speed: snelheid van uitvoeren van de instructies, uitgedrukt in ms of s per 1k byte instructies - Memory bits (*) : hulpgeheugen of merkers - Tellers/counters (*) - Clock memories: aantal memory bits (merkers) die ingesteld kunnen worden als clock memory. Meestal 8 bits (1 byte ). Deze zullen allen een pulstrein generen met een verschillende frequentie, die niet instelbaar is. Deze pulstrein kan in het gebruikersprogramma gebruikt worden voor het aansturen van bv een knipperlicht. - Retentive data area: Instelbaar gedeelte van het datageheugen dat bij spanningsuitval ook zonder bufferbatterij zijn waarde niet verlies (vb meetgegevens). - Digitale en analoge in- en outputs : max aantal in- of uitgangen (digitaal/analoog) die geadresseerd kunnen worden en eventueel het aantal geïntegreerde in/uitgangen (onboard) - Proces image: PII/POQ - Blocks: max aantal blokken in het gebruikersprogramma. - MPI: aantal MPI (Multi point interface) verbindingen - Configuration: max aantal modules/racks (*) adjustable retentively : de waarde gaat niet verloren bij spanningsonderbreking. Het aantal hiervan is meestal instelbaar. 3.3 In- en uitgangskaarten 3.3.1 ingangseenheden Signalen van besturing en proces worden aan de PLC aangeboden via de ingangskaarten. Deze kaarten bestaan uit : - storingsfilter: Dit is een RC netwerk om storingen buiten de PLC te houden. Deze storingen kunnen bv contactdender zijn. Nadelig aan deze filter is echter de vergroting van de responsietijd. Zo zal de PLC een ingangssignaal tussen 0 en 5 V aanzien als een logisch 0, en pas vanaf een drempelwaarde van bv 13V een logisch 1 genereren. - galvanische scheiding. Ingangen zijn galvanisch gescheiden van de centrale verwerkingseenheid, zodat uitwendige fouten geen invloed hebben op het processorgedeelte. Dit is een optische koppeling mbv een opto-coupler. Hierbij wordt het ingangssignaal omgezet in een optisch signaal (licht) en vervolgens terug naar een elektrisch signaal. KHLim dep IWT MeRa 12/141
- LED indicatie: Op de ingangskaart wordt voor iedere ingang zichtbaar een LED gemonteerd zodoende dat de toestand van een ingang zeer makkelijk te controleren is. Hierbij moet men wel rekening houden met het arbeids- of ruststroomprincipe (*) - Voeding: meestal 24C VC (*) Arbeidsstroomprincipe: als de sensor of schakelaar bediend is zal er een stroom vloeien naar de ingangskaart. Voorbeeld hiervan is een startknop Ruststroomprincipe: als de sensor of schakelaar niet bediend is zal er een stroom vloeien naar de ingangskaart. Dit wordt gebruikt bij stopsignalen bv een stopknop, eindeloop contact. Dit verhoogt de veiligheid aangezien een draadbreuk wordt aanzien als een stopcommando. Soorten ingangskaarten: - digitale ingangskaarten zowel op DC (24V) als op AC (24, 42, 110, 230V) verkrijgbaar. De AC versie wordt tegenwoordig bijna niet meer toegepast. - Analoge ingangskaarten: o spanningsgestuurde 0-10V / -10 10V (zeer gevoelig voor storingen, vooral bij gebruik van lange aansluitdraden) o stroomgestuurde 0-20mA / 4 20mA (minder storingsgevoelig) - snelle tellerkaarten: kunnen ingangssignalen met zeer hoge frequentie verwerken. De duurtijd of intervaltijd van de pulsen mag kleiner zijn dan de cyclustijd van de centrale verwerkingseenheid. De tellerfrequentie kan zelfs tot 750 khz bedragen. - positioneringsmodules: voor positionering van bv transportbanden - interrupt ingangen: bij signaalverandering wordt de cyclische programmaverwerking onderbroken en overgeschakeld naar een interruptroutine, waarna de cyclische verwerking wordt verdergezet. - KHLim dep IWT MeRa 13/141
3.3.2 uitgangseenheden De resultaten van de uitvoering van het gebruikersprogramma, opgeslagen in de PIQ,worden aan de machine doorgegeven mbv de uitgangskaarten. Deze kaarten bestaan uit: - galvanische scheiding - LED indicatie Soorten uitgangskaarten: - digitale uitgangskaarten: hierin kunnen we enkele types onderscheiden o Relaisuitgang: toepasbaar voor zowel gelijk als wisselspanning, nadeel: traag (lage schakelfrequentie) en onderhevig aan slijtage. Voordeel: bij kaarten met potentiaal vrije contacten kunnen toestellen met verschillende spanning worden aangesloten aan 1 kaart, tevens is de max toegelaten stroom vrij groot (van 100mA tot 3A) o transistoruitgang: enkel toepasbaar voor gelijkspanning. Is sneller en niet onderhevig aan slijtage maar kan enkel voor 24V DC o solide-state uitgang. Een solid state relais ( SSR ) is een interface tussen het besturingscircuit en vermogencircuit. Er zijn geen bewegende onderdelen Dit type uitgang is zeer snel, geschikt voor AC, niet onderhevig aan slijtage maar is zeer duur en een foutieve aansluiting kan leiden tot een blijvend defect. - analoge uitgangskaarten (0-10V / -10 10V / 0-20mA / 4-20mA) Keuze van in - en uitgangseenheden Bij de keuze van een in- en/of uitgangskaart houden we rekening met volgende eigenschappen: - aantal in/uitgangen (kaarten van 8 /16 of 32 DI / DO) - aansluitspanning (AC / DC) - stoorgevoeligheid (spanning / stroomsturing bij analoog) - analoog / digitaal - snelheid van ingangssignaal (standaard of snelle tellerkaart) - dient de ingang het programma te onderbreken of niet? (interrupt) SM 321 (16DI) SM 322 (16DO) Digitale in en uitgangsmodule voor S7 300 KHLim dep IWT MeRa 14/141
3.4 Geheugens Geheugens kunnen we op verschillende manieren indelen: - Leesgeheugens: deze geheugens kunnen enkel gelezen worden - Lees- en schrijfgeheugens: deze geheugens kunnen zowel gelezen als geschreven worden. Verder kunnen we ook een onderscheid maken als volgt: - remanent of niet-vluchtig: de inhoud van het geheugen blijft behouden bij spanningsuitval. - niet-remanent of vluchtig: de inhoud van het geheugen blijft niet behouden bij spanningsuitval De types geheugen die er bestaan zijn: - RAM: Random Access Memory : Lees- en schrijfgeheugen met vluchtig karakter. Meestal wordt een buffer batterij voorzien om de gegevens niet te verliezen bij spanningsstoring. - ROM: Read Only Memory: Leesgeheugen. Kan niet geprogrammeerd worden. Deze geheugens worden door de fabrikant reeds voorzien van de nodige inhoud. - PROM: Programmable Read Only Memory. Dit is een ROM geheugen dat door de gebruiker 1 keer kan geprogrammeerd worden mbv een PROM programmeertoestel. Na programmatie is het enkel een leesgeheugen. - EPROM: Erasable Programmable Read Only Memory. Een PROM die o.i.v. UV licht kan gewist worden waarna programmatie weer mogelijk is. Dit proces kan men 10 tot 100 keer herhalen. EPROM chip - EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read Only Memory. EPROM die mbv spanningspulsen kan geschreven en ook weer gewist worden. - SD of MC : memory card. Gegevens kunnen gelezen en geschreven worden. KHLim dep IWT MeRa 15/141
Geheugens gebruikt in de CPU: - Work memory: geheugengebied dat gebruikt wordt voor de verwerking van het programma (RAM) - Load memory: geheugengebied voor de opslag van het programma. (RAM/EEPROM/SD) - System memory: geheugengebied met het systeem programma (ROM) Oudere PLC s zijn voorzien van een ingebouwde EEPROM voor de opslag van het programma of er is een EEPROM slot om een EEPROM card in te pluggen. Het opslaan van het programma op EEPROM heeft als voordeel dat we geen bufferbatterij meer nodig hebben om het programma te behouden bij spanningsuitval. Het wissen van deze EEPROM is echter nogal omslachtig zodat enkel programma s die reeds uitvoerig getest zijn, worden opgeslagen op EEPROM. Tijdens de testperiode wordt echter enkel het RAM geheugen gebruikt zodat het programma indien nodig snel kan worden aangepast. Na de testperiode wordt het definitieve programma opgeslagen in het EEPROM geheugen. Bij spanningsuitval en afwezigheid van een buffer batterij, zal de CPU automatisch het programma van EEPROM kopiëren naar RAM. Deze EEPROM is echter niet noodzakelijk voor de goede werking van de PLC. De CPU is voorzien van een systeemgeheugen en een RAM geheugen. Indien een bufferbatterij aanwezig is, is deze EEPROM dus niet noodzakelijk. De nieuwere PLC s worden voorzien van een SD slot. De gebruiker kan zelf een kleine of grotere SD kaart plaatsen. Op deze kaart kan dan naast het programma ook extra gegevens worden opgeslagen zoals symbolen, commentaar, Word documenten, Let er wel op dat deze PLC s niet kunnen functioneren zonder deze SD kaart. De CPU s zijn enkel voorzien van een systeemgeheugen en geen laadgeheugen. Hiervoor wordt de SD kaart gebruikt. De PLC is niet meer voorzien van een bufferbatterij. 3.5 Voeding De voeding zal de netspanning omzetten in een gelijkspanning van 24V. Er zijn verschillende voedingen van verschillende grootte : 2 / 5 en 10A. De keuze is afhankelijk van het aantal in- en uitgangskaarten. Soms wordt ook een aparte voeding voorzien voor de uitgangskaarten, dit om zo veel mogelijk storingen te vermijden. Voedingseenheid PS 307 ( Siemens ) KHLim dep IWT MeRa 16/141