PLC-K KIVÁLASZTÁSA, BEÜZEMELÉSE, ÜZEMELTETÉSE

PLC-K KIVÁLASZTÁSA, BEÜZEMELÉSE, ÜZEMELTETÉSE

A PLC-k alkalmazásának egyik legnagyobb előnye, hogy nagymértékben lerövidítik a beru-

házási időt a huzalozott logikájú vezérlésekhez képest. Ez abból adódik, hogy a technológiai

fejlesztéssel egyidejűleg a PLC programozható és tesztelhető, így a beüzemelési idő nagymér-

tékben lecsökkenhet.

A PLC-k alkalmazásának szempontjai:

− technikai jellemzők, amelyek az adott folyamatirányítás feltételeit kielégítik;

− gazdaságossági szempontok, amelyek az automatizált technológiára vonatkoznak, és

amelyek a termék minőségi, mennyiségi jellemzőinek figyelembevételétől a balesetvédelmi

szempontokig figyelembe veendők.

9.1. PLC-k kiválasztásának szempontjai

A megfelelő PLC kiválasztásának számos szempontja lehetséges: gazdasági, műszaki, szak-

ember-ellátottság stb. Ezen szempontok nem függetlenek egymástól, ezért csak a komplex

szemlélet megfelelő eredményű.

A műszaki követelmények követik a PLC-k felépítését. Ennek megfelelően beszélhe-

tünk a CPU, a memóriára, a be/ki vonalak (PLC be/ki egységei) és az informatikai rendszer

kialakításának követelményeiről, valamint az ember-gép kapcsolat igényeiről.

a) CPU követelményei

A CPU követelmény 656f55g ei egyrészt az utasításkészletre, másrészt a valós idejű feldolgo-

zásra, ill. a rendkívüli események feldolgozására csoportosíthatók. A PLC-k utasításkészlete

igen eltérő lehet a néhány utasítástól (6-8) a nagyszámú utasításig (~ 140). Az összetettebb

funkciókat tartalmazó (szubrutinhívás, aritmetika, PID funkció stb.) utasításkészletes PLC-kel

hatékonyabban (kevesebb memória, rövidebb végrehajtási idő) valósítható meg az irányítási

feladat.

Az utasításkészlet minősítésének szempontjai:

− csak Boole-műveletek;

− adat szó/bájt műveletek: olvasás, írás, analóg értékek kezelése stb.;

szorzás/osztás/összeadás/kivonás műveletek (gyakran analóg vagy időzítési adato-

kon, pl. 16 bites integer: - 32768-tól 32767-ig);

− adatbázis-kezelő műveletek;

− lebegőpontos matematikai műveletek, amelyek a +, −, Η és : -on kívül a trigonomet-

riai,    gyökvonási, statisztikai műveleteket is tartalmaznak;

− szubrutinhívási lehetőség, programmegszakítási lehetőség;

− adatkonverzió (pl. bin/BCD, ill. BCD/bin) lehetősége;

− soros kommunikációkezelés;

− taszkkezelési lehetőség;

− PID algoritmushívások lehetősége;

− hálózatkezelésre vonatkozó utasítások.

A CPU értékelésének szempontjai a program végrehajtásával kapcsolatos jellemzők, a

ciklusidő, a taszkszervezés lehetősége, valamint a rendkívüli események feldolgozási jellem-

zői, a megszakításkérések száma, jellege stb. A CPU működésének szempontjai a PLC ellen-

őrzési (önteszt, watch-dog stb.) funkcióinak megléte, valamint a biztonsági PLC-k kialakítá-

sának lehetősége.

b) Memóriával kapcsolatos követelmények

A PLC-kben RAM és EPROM (EEPROM stb.) modulok biztosítják a program végre-

hajtását. A memóriaegységek egy része rendszerint a CPU-val van összeépítve. Fontos szem-

pont, hogy rendelkezik-e a PLC memóriabővítési lehetőséggel. Bár a végleges programot az

EPROM memóriában célszerű tárolni és ilyenkor jóval nagyobb EPROM memóriára van

szükség, mint RAM memóriára, mégis szükség lehet az EPROM-mal azonos méretű RAM-ra

a programbeüzemelés, a tesztelés idején. A program tesztelését a könnyen módosítható RAM

memóriával célszerű elvégezni, mert ez         gyors prototípus-fejlesztést (rapid prototyping) tesz

lehetővé. A szükséges programmemória mérete a programtól függ, ez pedig összefügg az I/O

vonalak számával, az elvégzendő funkciókkal, azok bonyolultságával és a PLC utasításkész-

letével. A PLC kiválasztásánál a hardverkonfiguráció meghatározásának fontos lépése a szük-

séges memóriakapacitás, azaz a RAM, ill. EPROM memóriakapacitásának meghatározása.

A program méretének becslését az alábbi algoritmus szerint végezhetjük el.

1. lépés: számoljuk meg a szükséges be/ki vonalak számát.

2. lépés: becsüljük meg a program bonyolultsága alapján, hogy egy I/O vonal hány

utasítást igényel. (Ez kellő gyakorlatot igénylő szubjektív érték).

3. lépés: szorozzuk meg a 2. lépésben becsült számot az 1. lépésben meghatározott I/O

számmal. Az így kapott bájtszám olyan esetekben használható, ha csak Boole jellegű funkci-

ók vannak. Ellenkező esetben a 4. lépést kell elvégezni.

4. lépés: az analóg I/O vonalak mintegy 200 bájtot igényelnek vonalanként. Adjuk

hozzá az analóg vonalak számával megszorzott 200 bájtot a 3. lépés eredményéhez.

5. lépés: a különböző programfunkciók további memóriaigény-növelést jelentenek:

− kézi/automatikus átkapcsolás további ~ 25 %;

− automatikus restart sorrend további ~ 25 %;

− diagnosztika hiba üzenetek további ~ 25-30 %.

6. lépés: adatmanipulációs funkciók memóriaigényének becslése (bájt jellegű adatok

száma szorozva a bájtok számával).

7. lépés: operátor display kezelés memóriaigénye: 20 bájt/üzenet.

8. lépés: a naplózás memóriaigénye.

9. lépés: a kommunikáció memóriaigénye.

c) Be/ki vonalak követelményei

A PLC-k be/ki egységeinek követelményei:

− a szükséges I/O vonalak száma;

− a be/ki vonalak optoizolált leválasztása;

− a be/ki vonalak feszültség- és áramszintje, zavarvédettsége;

− távoli I/O kezelés szükségessége, hálózati I/O kezelés szükségessége;

− a speciális be/ki egységek igénye:

− nagy sebességű számlálók;

− időzítők;

− I/O bővítők, analóg be/ki modulok, fuzzy modulok stb.;

− a be/ki egységek tápfeszültség-ellátása;

− speciális jelfeldolgozó modulok szükségessége;

− biztonsági (hibatűrő) I/O vonalak kialakítása.

d) Informatikai rendszer kialakításával kapcsolatos szempontok és követelmények:

− pont-pont kommunikációval kapcsolatos adatok (vonalak száma, átviteli sebesség,

protokoll stb.);

− hálózati kommunikációval kapcsolatos adatok (hardverkialakítás, terepi busz típusa,

buszhozzáférési mód, valós idejű működés, protokollok stb.);

− többszintű informatikai rendszer kialakításával kapcsolatos szempontok (hardverfel-

tételek, átjárók, ETHERNET-csatoló, érzékelő/beavatkozó szervek hálózati kezelése, proto-

kollok stb).

e) Ember-gép kapcsolatra vonatkozó igények:

− adatbeviteli/kiviteli eszközök (numerikus, alfanumerikus, terminál stb.);

− folyamatvizualizálással kapcsolatos szoftverek, ill. SCADA rendszer igénye.

9.2. Beüzemelés (installálás)

A programozható vezérléseknél mindenki a program elkészítését tekinti elsődlegesnek, de

legalább ilyen fontos a következő hardverkövetelmények betartása is:

− a feszültség, áram, terhelési viszonyok előírásainak betartása;

− a specifikált kábelméretek betartása;

− a rendszer kialakítására vonatkozó cégajánlások betartása;

a földelési pontok szakszerű kialakítása (kis impedancia, valamennyi részegység

azonos földpotenciálon, csomópontszerűen).

A PLC-k elhelyezésének szempontjai:

− a PLC-k mechanikailag biztonságos elhelyezése, valamint az illetéktelen program-

módosítás megakadályozása, a javítás, modulcsere könnyű elvégzésének biztosítása;

− megfelelő védettséggel a biztonságos üzemvitel garantálása (korróziót okozó közeg-

től való védelem, mágneses, sztatikus és nagyfrekvenciás zavarok elleni védelem);

− a teljesítménykapcsolók (relé, mágneskapcsoló, tirisztor) helyi elkülönítése a vezér-

lőszekrényekben.

Az installálás az adott PLC gépkönyvében előírt csatlakoztatások után az ún. "set up"

tábla kitöltésével indul. Ez a PLC rendszer konfigurációtól függő kiindulási adatainak beállí-

tását jelenti. A "set up" tábla az egyes programozóvezérlők adottságaitól függ. Példaként az

Omron CPM középkategóriájú PLC beállítási funkcióit adjuk meg.

Beállítási funkciók:

- indítási funkciók, üzemmód kijelölése (20 szó);

- ciklusidőre vonatkozó beállítások (5 szó): RS 232C portkiszolgálási idő, ciklusidő-

felügyelet beállítása, ciklusidő-felügyelet beállítási ideje;

- I/O és megszakításkezelés beállítása (19 szó);

- gyorsszámlálók beállítása (4 szó);

- RS 232C port beállítása (5 szó): port, a kommunikáció módja, adatátviteli sebesség

és adatformátum beállítása, a start kód meghatározása;

- további kommunikációs portok beállítása (5 szó);

- hibanaplózás beállítása (1 szó).

A teljes beállítási terület az Omron CPM típusú PLC esetén 56 szó. A program fejlesz-

tésére rendszerint a IEC-1131 szabványt támogató           grafikus editorok állnak rendelkezésre

(LAD editor, FBD editor). A szerkesztett programot a PLC RAM-jába, ill. EEPROM-jába

kell betölteni. A vezérlő működése szempontjából kiemelkedő fontosságú az adatok és a

program megfelelő tárolása és a tápfeszültség kimaradása elleni védekezés.

A következőkben a Siemens S7-200 PLC hasonló lehetőségeit mutatjuk be. A RAM és

az EEPROM funkcionális felosztását szemlélteti a 9.1. ábra [2].

9.1. ábra. A RAM és EEPROM funkcionális területei

Az ábrán a nagy tárkapacitású RAM teleppel védett és tartalmazza a felhasználói

programot, a CPU-konfigurációt, a változók memóriaterületét (V), az ún. bit memóriaterületet

(M) és az időzítők, számlálók aktuális értékét tároló memóriaterületet. Az EEPROM-ban

ugyanezen funkcióknak van területük. Programletöltéskor a számítógép átküldi a felhasználói

programot, a CPU-konfigurációt és a V memória tartalmát a RAM-ba. A PLC CPU-ja az át-

vett adatokat az EEPROM-ban tárolja (9.2.ábra) [2].

9.2. ábra. Programletöltés a PLC-be

Az S7-200 lehetőséget nyújt az előző három típusú adatblokk visszatöltésére a fejlesz-

tőrendszerbe a 9.3. ábra szerint [2].

9.3. ábra. Adatok automatikus mentése tápfeszültség-csökkenéskor

A tápfeszültség csökkenésének detektálása esetén a V jelű memóriaterület tartalma au-

tomatikusan áttöltődik az EEPROM memória fenntartott területére a 9.4. ábrának megfelelően

9.4. ábra. Adatmentés tápfeszültség-csökkenéskor

Tápfeszültség-bekapcsoláskor az S7-200 automatikusan áttölti a CPU konfigurációs

adatokat és a felhasználói programot a RAM-ba a 9.5. ábra szerint [2].

9.5. ábra. RAM-feltöltés a tápfeszültség bekapcsolásakor

A tápfeszültség bekapcsolásakor a teljes RAM-tartalom feltöltésére is lehetőség van

(9.6. ábra) [2].

9.6. ábra. A RAM teljes feltöltése az EEPROM-ból

Az EEPROM mellett a tartós adattárolás céljára ma már a memóriakártya is használa-

tos. Az S7-200 a 9.7. ábra szerinti adatok mágneskártyára töltését biztosítja.

9.7. ábra. Adatok letöltése mágneskártyára

A mágneskártyán tárolt program és adatok visszatöltését szemlélteti a 9.8. ábra [2]. A

feltöltési folyamat bekapcsoláskor, ill. installáláskor automatikusan végrehajtható.

9.8. ábra. Memóriafeltöltés mágneskártyáról

9.3. Tesztelés

A PLC programok tesztelését installálás előtt szimulált, majd installálás után valós

be/kimenetekkel célszerű elvégezni. Installálás előtt a szimulált be/kimenettel történő teszte-

lés igen fontos a be/kimenetek összerendelése és a program funkcionális tesztelése szempont-

jából. Minél hatékonyabban végezzük a tesztelést az installálás előtt, annál kevesebb problé-

ma adódik installálás után. Az installálás előtti tesztelést szemlélteti a 9.9. ábra.

9.9. ábra. Programtesztelési mód szimulált hardver be/kimenetekkel

Egyes cégek ún.     statikus diagnosztikai szoftvereket is ajánlanak a teszteléshez. Ezek

révén a program formai hibái könnyen felismerhetők (9.10. ábra) [1].

9.10. ábra. Diagnosztikai módszer grafikus szoftverrel

Az ilyen szoftver lehetőséget nyújt a kontaktusok állapotának változtatására,

MERKER funkció tesztelésére stb.

Léteznek ún. dinamikus monitorozást segítő szoftverek is. Ezek a grafikus program

egyes elemeinek szoftveres vizsgálatát teszik lehetővé. A dinamikus monitorozás lehetőséget

nyújt az időzítések, számlálók, összetettebb funkciók ellenőrzésére is.

Az installálás utáni tesztelés egyik célja a hardveregységek tesztelése, a kábelezések

ellenőrzése stb. Fontos, hogy installáció utáni tesztelésnél már előzőleg a szoftverfunkciókat

teszteljük, mert a technológiában ez vagyonbiztonsági és balesetvédelmi problémát okozhat.

9.4. PLC-rendszer karbantartása, üzemeltetése

A programozható vezérlők nem tartalmaznak mozgó alkatrészeket (kivéve a bemeneti, ill.

beavatkozószerveket), így hosszú élettartamra vannak tervezve. Rendszerint robosztus kivite-

lűek, a mechanikai hatásoktól védettek. A be/kimenetek optoleválasztásúak, így a külső zava-

rok nem juthatnak a készülékbe. A RAM jellegű memóriák teleppel védettek, ami a tápfe-

szültség-kiesés elleni védelmet biztosítja. A PLC-k időbeli meghibásodási aránya a 8.2. ábrán

bemutatott élettartamgörbe szerinti.

Az ábra szerint a meghibásodások az üzemelés első periódusában (ami lehet néhány

óra, ill. nap) jelentkeznek kiemelkedően magas százalékban. Ezt egy átlagos meghibásodási

arány követi. A PLC élettartamának végén a meghibásodások aránya ismét emelkedik. Emiatt

a nagy megbízhatósági zónában kell üzemeltetni a PLC-ket.

A PLC-k üzemvitelének jellemzői:

− MTBF, meghibásodás közötti átlagos idő;

− MTTF, hiba kiesésre jutó átlagos idő;

− MTTR, javításra fordított átlagos idő, ahogyan erről a 8. fejezetben volt szó.

A PLC üzem közben rendszerint önteszttel ellenőrzi a legfontosabb funkciókat.

A GEM 80 PLC kilenc öntesztfunkcióval ellenőrzi önmagát és háromjegyű számkód-

dal jelzi ki a hibát. Ilyen tipikus öntesztfunkciók: az EPROM, a RAM, a logikai és a Watch-

dog teszthiba. A felsorolt önteszteket rendszerint a bekapcsolás után futtatják le. Emellett a

felhasználó is építhet tesztfunkciókat a rendszerbe.

Belső teszthiba esetén a rendszert (CPU-t) le lehet állítani HALT állapotba vagy visz-

sza lehet állítani a kiinduló állapotba. Gyakran a kimeneti eszközök aktiválását (tápfeszültség-

ellátását) egy relével engedélyezik. Teszthiba esetén azonnal letiltják az összes kimenetet a

relével. A mikroprocesszor bázisú PLC-ket rendszerint watch-dog áramkörrel is ellátják. A

9.11. ábra szerint a kimeneti eszközök tápfeszültségét a watch-dog relé kapcsolja [1]. Amikor

a PLC-t bekapcsolják és az hibátlanul elindul, akkor watch-dog relé működik. Hibadetektálás

esetén a watch dog relé elejt és a PLC nem tudja működtetni a kimeneteket. Az egyes gyártók

egyre speciálisabb watch-dog modulokat fejlesztenek ki.

9.11. ábra. Watch-dog funkció

A PLC működésének biztonságát a 8. fejezetben leírt módszerekkel növelhetjük.

Az üzem közbeni állapotok szoftveres ellenőrzéséhez a CPU operációs rendszere

fenntartott RAM területre teszi azokat az adatokat, amelyek a hibajelzést, nyomkövetést segí-

tik. Ezek flag-ek, bájtok vagy szavak lehetnek. Az Omron CPM típusú PLC-k operációs rend-

szere kétszer 24 szó területen tárolja a legfontosabb jelzőbiteket és szavakat.

A teljesség igénye nélkül felsorolunk néhány jellegzetes funkciót:

− RS 232C kommunikációs kód (3 bit): normális átvitel, paritáshiba, formátumhiba,

túlcsordulás;

− RS 232C hibaflag, amely 1-be billen, ha a hiba bekövetkezett;

− RS 232C vételszámláló;

− gyorsszámláló-tartomány figyelése;

− impulzuskimenetet figyelő bit;

− PLC ciklusidő-hibafigyelés bitcímzési hiba (nincs a cím a rendszerben);

− aktuális ciklusidő (4 digit);

− maximális ciklusidő;

− óra-, dátum-, naptáradatok stb.

A PLC-k leggyakoribb külső hibái:

− I/O eszközhiba (pl. távadó vagy beavatkozó);

− kábelezési hiba;

− kommunikációs hiba;

− tápfeszültséghiba;

− külső zavarok okozta hiba.

A gyakorlatban a hibák eloszlása a következő:

− 45 %-ban érzékelő-, távadó hiba;

− 30 %-ban beavatkozóhiba;

− 5 %-ban kábelezési hiba (szakadás, zárlat);

− 5 %-ban CPU hiba;

−15 %-ban I/O hiba, kommunikáció.

Irodalomjegyzék

Ian G. Warnock: Programmable Controllers Operation and Application.

Prentice Hall International, 1988.

Siemens: PCS7 gépkönyv. 1997.

Omron: CPM PLC Felhasználói kézikönyv. 1999.

GEM: 80 PLC Users Manual. 1988.

Omron: CS1 Users Manual. 1999.