Porozmawiajmy o automatyce, część 2

Wstęp

Elementy automatyki

Spójrzmy na automatykę tylko z pozycji wyposażenia szafy, nie biorąc pod uwagę samych pomiarów, napędów itd.

Szafa automatyki jest to coś, co określamy na początku zadania ale i podczas uruchomienia może okazać się że czegoś nam brakuje lub klient zażyczył sobie coś ekstra. Mamy różne sterowniki PLC do różnych zadań, które mogą sterować różnego rodzaju modułami. Dla uproszczenia zajmiemy się najprostszymi przypadkami i sieciami sterowników. Sterowniki mogą być wyposażone w wiele modułów ale najczęściej spotykane to:

• Moduły binarne wejść/wyjść(DI/DO). Czyli przyjmujemy wejścia binarne np. na wejście modułu binarnego podpięto pod przycisk, jego wciśnięcie powoduje zmianę stanu wejścia i np. jeśli tak wynika z logiki wystawienie na module wyjściowym odpowiendiego stanu(powiedzmy zapalenie diody LED).
• Moduły analogowe(AI/AO). Służą do pomiarów prądów/napięć w przypadku wejść a wyjścia do wydawania sygnału prądowego lub napięciowego o określone wartości. Wejścia stosujemy do przyjmowania pomiarów itp. A wyjścia do sterowania urządzeniami np. wydając sygnał prądowy w zakresie 4..20 mA o wartości 12 mA powodujemy otwarcie zaworu na 50%.

Same sterowniki mogą być:

[numlist] [item]Pojedynczymi instalacjami sterowników gdzie sterownik jest:[/item][list] [item]PLC jest wyposażone w CPU,zasilacz i określoną liczbę wejść/wyjść których liczba nie może ulec zmianie. Taki sterownik dostarczany jest jako jedno duże plastikowe pudło np. siemens logo czy s7‑200.[/item][item]PLC który wyposażony jest w moduły komunikacyjne, zasilacza i opcjonalnie przyłączone na nim do szyny moduły ale ich liczba może być zmieniana a za pomocą modułów komunikacyjnych może:[/item][item]Łączy się z wyspami posiadającymi różnego rodzaju moduły np. wejścia/wyjścia. [/item][item]Sterownik taki może także komunikować się z bezpośrednio z uradzeniami np. falownikami za pomocą profibus.[/item][item]Komunikować się z innymi PLC w sieci.[/item][/list]

[item]Sterowniki redundantne, jest to para sterowników w których drugi sterownik jest zapasowy i w wypadku awarii pierwszego przejmuje jego rolę. Nie każdy sterownik może pracować w trybie redundantnym. Konstrukcja np. popularna energetyce.[/item][item]Sterowniki zabezpieczeń. Są to sterowniki w których zaszyto najważniejszą logikę odpowiedzialną za bezpieczeństwo. Sterownik taki wraz z specjalni wersjami modułów We/Wy ma charakteryzować się najwyższym stopniem odporności na różnego rodzaju przypadki. Co więcej często sterowniki zabezpieczeń obejmują tylko podstawowe bloki(and,or itp.) i działają one tylko na liczbach całkowitych. Zaszywana jest w nich logika odpowiedzialna ze krytyczne części instalacji np. zgoda na pracę kotła parowego, czy zgoda na prace palników gazowych. Warunki te są następnie przekazywane interfejsem komunikacyjnym do zwykłego sterownika(można także dodatkowo użyć sygnału hardwarowego) i ponadto, sterowniki wyposażone są w moduły WE/WY które wydają najbardziej krytyczne rozkazy. Sterowniki te mają zawsze kolor żółty(poczytajcie o tzw. SIL).[/item][/numlist]

Kiedy mamy już nasze sterowniki i ich moduły co teraz? Cóż w szafie najczęściej możemy znaleźć:

• Przekaźniki, wejść/wyjść binarnych PLC nie podłączamy bezpośrednio np. do silnika a przez przekaźniki.
• Separatory służą do izolacji obwodów np. Pomiar temperatury który przekazuje wartość interfejsem 4..20 mA(najczęściej 4 mA 0% a 20 mA 100% wartości mierzonej) i chcemy odizolować wejście modułu od samego przetwornika pomiarowego. Szczególnie ma to sens jeśli z innej szafy sterowników z modułu AO podajemy sygnał na wejście modułu AI w drugiej szafie.
• Powielanie sygnału poprzez separator/powielacz np. Gdy dany sygnał analogowy musi fizycznie znaleźć się w dwóch systemach. W takim wypadku do modułu wchodzi jeden sygnał analogowy i zostaje powielony aby dwa systemy mogły go przyjąć.
• Falowniki, panele, wskaźniki, stacyjki itp. Urządzenia które bezpośrednio z sterowników pobierają dane i sterują procesami lub wyświetlają ich stan. Na przykład stacyjki sterowania lokalnego mogą być umieszczone w szafie w torze sterowania zaworu(z sterownika plc sygnał 4..20 wchodzi do stacyjki a wyjście stacyjki połączone jest do zaworu). W normalnym trybie to sterownik PLC(stacyjka przepuszcza sygnał) steruje zaworem ,a sama stacyjka wyświetla tylko pozycję zaworu. Jeśli obsługa za pomocą przycisku przełączy taką stacyjkę w tryb ręczny to sygnał z PLC jest ignorowany, i za pomocą przycisków +/- obsługa ręcznie steruje zaworem.
• Urządzenia autonomiczne, mogą to być urządzenia które nie mają połączenia z plc lub tylko informują plc o swoim zadziałaniu. Mogą to być urządzenia zabezpieczające czy tzw. SZR(samoczynne załączenie rezerwy). SZR w wypadku wypadnięcia jednego zasilania przełącza się na zapasowe i w ten sposób nadal zasilamy np. szafę.

Teraz taki może mały przykład może niezbyt sensowny i przekombinowany ale jednak. Nasza przykładowa sieć składa się z:

• Dwóch sterowników wymieniających dane poprzez ethernet. Żaden z sterowników nie jest redundantny.
• Każdy sterownik ma wbudowane wejście profibus i dodatkowy moduł komunikacyjny profibus. Czyli każdy obsługuje dwie sieci profibus.
• W szafie nr 1 pierwsza sieć profibus odpowiada za połączenie z jedną wyspą wejść/wyjść. A druga za komunikację z silnikiem który można uruchomić lub zatrzymać.
• W szafie nr.2 pierwsza sieć odpowiada za połączenie z dwiema wyspami a druga za połączenie z panelem wyświetlającym np. stan napędu sterowanego z szafy 1. A drugim urządzeniem podłączonym do tej sieci jest np. wyświetlacz temperatury uzwojeń silnika.

Powiedzmy że nasz napęd to pompa która dolewa wody do zbiornika kiedy jest jej za mało. Pomyślmy jak można by rozłożyć zadania? Szafa automatyki 2:

• Sterownik PLC przyjmuje na jedno z wejść AI pomiar poziomu wody,
• Na panelu sterującym ustawiamy od jakiej wartości pompa się uruchamia i przy jakiej wyłącza.
• Za pomocą interfejsu ethernet przesyła do szafy automatyki jeden rozkazy załącz/wyłącz napęd i analogową wartość poziomu w zbiorniku(w procentach).
• Informuje użytkownika na panelu o problemach itp.

Szafa automatyki 1:

• Za pomocą wyjść DO uruchamia lub wyłącza napęd,
• Przesyła po interfejsie ethernet informację o stanie napędu(załączony,wyłączony czy gotowość elektryczna). Sygnały binarne podawane na wejście DI,
• Wyświetla na bargrafie(wskaźnik) poziom wody. Wskaźnik to linijka diod led w obudowie sterowane sygnałem 4..20 mA. Sygnał z portu AO.

Dość prosta sprawa :) Ale przestrzegam w przypadku małych systemów przed manewrami w stylu w jednym miejscu będę zbierał dane a po etherneicie wysyła rozkazy załącz/wyłącz, choćby z pkt. Bezpieczeństwa jest to mniej pewne. Co do systemów DCS cóż, tu jest silne rozproszenie i różnie to bywa, ale i systemy działają trochę inaczej.

Teraz mając proste założenia w  środowisku programistycznym, podpinamy odpowiednie interfejsy komunikacyjne, zapisujemy logikę. Po przyjeździe przystępujemy do testów sieci a następnie testów wejść/wyjść tzn. poprzez zadawanie sygnałów binarnych czy analogowych testujemy ścieżki. Potem ustawiamy rozdzielnie napędów w tryb test, i w tym momencie możemy wydać np. rozkaz załącz napęd, on sam się nie odpali ale może potwierdzić że istotnie taki rozkaz przyszedł. A potem cóż, odpalamy na żywca :).

Systemy

Teraz bardzo krótka charakterystyka trzech różnych rodzajów systemów PLC:

STEP7 i podobne

Zasadniczo są to standardowe systemy PLC tzn. o szerokiej gamie zastosowań i rozsądnej cenie. Programuje się w nich w standardowych językach takich jak drabinka, fbd czy języki pascalo/assemblero podobne. Charakteryzują się one:

• Brakiem zintegrowanych systemów SCADA. Użytkownik może podpiąć dowolny obsługiwany system scada np. Sterownik Siemens S7 z Woderware Intouch. Brak silnej integracji jest plusem ponieważ można dobrać scadę do odpowiedniego zadania(a w zasadzie chodzi o cenę softwareu), jednak w wypadku dużych aplikacji jest to minus ponieważ wydłuża czas tworzenia kompletnej aplikacji.
• Mała liczba gotowych bloków. W zależności od producenta dostajemy pewien określony zestaw bloków np. operacje logiczne(and,or), przesyłanie danych po sieci czy timery. Nie ma co liczyć jednak na kompletne procedury obsługi zaworów czy napędów.
• Zazwyczaj używane z sterownikami o mniejszej mocy aczkolwiek np. Step7 może być używany z najwyższa serią S7-400 jednak rodzi się pytanie po co?

Przykładowi reprezentanci to S7‑300 i Step7(obecnie przechodzi się do serii S7‑1500 i TIA Portal) lub Schneider electric Quantum i UnityPro.

PCS7 i podobne. Tego typu systemy przeznaczone są już dla nieco większych instalacji np. kotły parowe średniej wydajności. Są one mniej lub bardziej zintegrowane z systemami SCADA, dzięki czemu odwzorowanie elementów automatyki w softwarze i systemu SCADA jest płynniejsze i łatwiejsze. W systemach z poprzedniego pkt. Ze względu na sillne oddzielenie obu systemów dla scady ostatecznie napędy to były tylko pkt. W pamięci i nic więcej. Tu można powiedzieć jest podobnie ale jednak integracja jest na wyższym poziomie np. gotowe są już bloki zaworów które mają odwzorowanie w gotowych piktogramach w SCADA.

W zasadzie brak języków tekstowych, oparte tylko i wyłącznie o języki graficzne. Środowiska takie wyposażone są w większą liczbę predefiniowanych bloków np. obsługa zaworów trójstawnych, napędów itd. Aczkolwiek nie do końca wszystko jest poręczne i przydatne. Same bloki mogą być dedykowane dla poszczególnych branż np. papiernictwa. Współdziałają zazwyczaj z mocniejszymi sterownikami, a koszty oprogramowania są większe.

Przykładem tu może być szeroko rozpowszechniony Siemens PCS7(dodatkowa nakładka na Step7 zmieniająca jego zachowanie i WinCC).

Systemy DCS Systemy przeznaczone dla największych instalacji przemysłowych. Wyposażone w duża liczbę predefiniowanych bloków, łatwość w konfiguracji i archiwizacji pomiarów czy zmiany ustawień alarmowania. Ułatwienia w konfiguracji urządzeń np. Siemens SPPA 3000 reprezentuje inne urządzenia jako elementy softwareu np. każdy moduł wej/wyj itp. reprezentowany jest poprzez blok w softwarze a nie jak w systemach niższej klasy jako urządzenie konfigurowane za pomocą osobnych kreatorów. Silna integracja SCADA i narzędzi programistycznych a w zasadzie można myśleć o nich jako o jednym produkcie.

Wiele udogodnień pociąga za sobą także większe koszty, ponieważ konieczne są tu już serwery(których się nie demontuje! Aczkolwiek można) i najwyższej klasy sterowniki. Systemy te przystosowane są do pracy w środowisku silnie rozproszonym(dziesiątki tysięcy wej/wyj).

Re prezentatami są np. Siemens SPPA-3000T czy Emerson Ovation.

W trakcie i po uruchomieniu

W trakcie uruchomienia i po uruchomieniu spotkamy się z dość trudnym zagadnieniem optymalizacji(tylko na większych obiektach). Czyli regulatory PID różnej maści. Tu nie rozpisując się podsumuję to krótko. Ważne jest doświadczenie i logiczne myślenie i to w zasadzie tyle. Część z tego co mówili na politechnice odnośnie kryteriów doboru nastaw może być pomocne ale to tylko wskazówki. Optymalizacja jest jak układanka tzn. sprawdzamy czy układ niedziała w przeciw fazie, jeśli nie to jaki rodzaj oscylacji pojawia się w układzie itd. Krok po korku. W pełni to zagadnienie rozumie zazwyczaj wąska grupa automatyków.

Czym by była inżyniera bez papierologi? Cóż czeka was wypełnianie wielu notatek służbowych(brać ile się da!), protokołów(zdawczo-odbiorczych itp.) czy zbieranie dokumentacji i jej wydawanie(dokumentacja jakościowa czy algorytmów).

Podsumowanie

Druga i ostatnia część była tylko krótkim przeglądem tego jak może wyglądać uruchomienie. Niestety dla przyszłych automatyków uprzedzam ta praca to wyjazdy.