Συμπεράσματα Βιβλιογραφία... 61

Transcript

1 Πρόλογος Ο άνθρωπος είναι ένα ον που πάντοτε είχε την επιθυμία να ελέγχει καταστάσεις και εξελίξεις γύρω του. Στη σημερινή εποχή η επιθυμία αυτή έχει μετατραπεί σε ανάγκη. Ανάγκη για έλεγχο σε πραγματικό χρόνο, όχι μόνον για ότι τον επηρεάζει στο άμεσο περιβάλλον του αλλά και άσκηση ελέγχου χιλιάδες χιλιόμετρα μακριά από αυτόν. Η ανάγκη αυτή με την πάροδο του χρόνου και την εξέλιξη της τεχνολογίας έγινε πιο επιτακτική από ποτέ. Έτσι δημιουργήθηκε η ανάγκη για ένα σύστημα «εποπτικού ελέγχου και συλλογής δεδομένων», όπως και αυτό που πρόκειται να παρουσιάσω στα πλαίσια της Πτυχιακής μου εργασίας. Η Πτυχιακή μου εργασία ασχολείται με το σχεδιασμό και υλοποίηση συστήματος αυτοματισμού. Πιο συγκεκριμένα αποτελείται από ένα λογισμικό SCADA φορτωμένο σε Η/Υ, έναν προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή, 2 ηλεκτρονόμους (για κίνηση δεξιά-αριστερά), ένα μοτέρ και το τροφοδοτικό συνεχούς τάσης για τη κίνησή του. Το σύστημα SCADA (λογισμικό και υλικό) πραγματοποιεί έλεγχο στη θέση του μοτέρ. Το μοτέρ έχει συγκεκριμένο εύρος κίνησης. Επιλέγοντας λοιπόν μια από τις αποδεκτές τιμές μέσα σε αυτό το διάστημα και αφού ικανοποιούνται συγκεκριμένες συνθήκες, το μοτέρ κινείται προς την επιθυμητή θέση. Η εύρεση της επιθυμητής θέσης επιτυγχάνεται με τη βοήθεια ενός συγκριτή και ενός αθροιστή ή αφαιρέτη ανάλογα με την τρέχουσα θέση του μοτέρ και την επιθυμητή θέση. Πολύ σημαντικό στοιχείο είναι και η απόδοση ανοχής στο σύστημα για την αποφυγή μηχανικών ατέρμονων ταλαντώσεων. Το σύστημα SCADA απορρίπτει μη αποδεκτές τιμές εμφανίζοντας ανάλογη ένδειξη. Επιμέρους λειτουργίες και τεχνικά χαρακτηριστικά θα δούμε και παρακάτω. 1

2 Περιεχόμενα Εισαγωγή Κεφάλαιο 1ο: SCADA : Τι είναι SCADA : Ιστορική Ανασκόπηση : Τα βασικά μέρη ενός SCADA : SCADA και HMI : Σκοπός SCADA : Κύριες λειτουργίες ενός συστήματος SCADA : Σύγκριση SCADA και DCS : Τρόποι διασύνδεσης : Ethernet και βιομηχανία : Ασφάλεια στα συστήματα SCADA : Οφέλη και πλεονεκτήματα των συστημάτων SCADA Κεφάλαιο 2ο: PLC (PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER) ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΟΙ ΛΟΓΙΚΟΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ : Εισαγωγή στο PLC : Ιστορική αναδρομή : Σκοπός χρησιμότητα των PLC : Τι είναι PLC

3 2.4: Τα μέρη ενός PLC : Μονάδα τροφοδοσίας : Κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU) : Είσοδοι Έξοδοι ενός PLC (Ι/Ο) : Μονάδες Ψηφιακών Εισόδων : Μονάδες Ψηφιακών Εξόδων : Μονάδες Αναλογικών Εισόδων : Μονάδες Αναλογικών Εξόδων : Ρολόι πραγματικού χρόνου ενός PLC : Τρόπος λειτουργίας ενός PLC : Πλεονεκτήματα ενός PLC : Μειονεκτήματα ενός PLC : Τρόπος τοποθέτησης επιμέρους τμημάτων : Διευθυνσιοδότηση Ονοματολογία : Γλώσσες προγραμματισμού ενός PLC : Επικοινωνία ενός PLC : Μέθοδοι προσπέλασης προγράμματος : Μορφές προγραμματισμού : Σύγκριση τεχνικών προγραμματισμού : Πλεονεκτήματα λίστας εντολών (STL) σε σχέση με τις γραφικές τεχνικές (LAD, FBD) : Μειονεκτήματα λίστας εντολών (STL) σε σχέση με τις γραφικές τεχνικές (LAD, FBD) Κεφάλαιο 3ο: Ηλεκτρονόμοι (relay) : Ιστορική αναδρομή : Εξέλιξη των ηλεκτρονόμων : Τι είναι ο ηλεκτρονόμος : Πώς λειτουργεί ένας ηλεκτρονόμος : Μέρη ηλεκτρονόμου Κεφάλαιο 4ο: Περιγραφή της δικής μου εργασίας : Σχεδίαση του συστήματος SCADA : Προγραμματισμός της CPU του PLC : Είδος PLC που χρησιμοποιήσαμε : Ηλεκτρονόμος (relay) που χρησιμοποιήσαμε : Το μοτέρ που χρησιμοποιήθηκε : Τροφοδοτικό συνεχούς τάσης

4 Συμπεράσματα Βιβλιογραφία Εισαγωγή. Η Πληροφορική αποτελεί έναν από τους βασικότερους και ραγδαία εξελισσόμενους κλάδους της βιομηχανίας. Η απαίτηση για μια πιο αποτελεσματική διαχείριση πληροφοριών, η μείωση της ενέργειας που καταναλώνεται, η ελαχιστοποίηση του ανθρωπίνου λάθους είναι μερικοί λόγοι που οδήγησαν στην ανάπτυξη εξειδικευμένων εφαρμογών βιομηχανικής πληροφορικής. 4

5 Εικόνα 1: Κέντρο ελέγχου SCADA. Σημαντικός επίσης λόγος προς την κατεύθυνση αυτή είναι η ανταλλαγή των πληροφοριών μεταξύ όλων των τμημάτων μιας βιομηχανικής μονάδας παραγωγής αλλά και η αποστολή αυτών των πληροφοριών σε ένα κεντρικό σύστημα Πληροφόρησης και Διαχείρισης (IMS), που ενδεχομένως να βρίσκεται αρκετές δεκάδες χιλιάδες χιλιόμετρα από τη βιομηχανική μονάδα. Κεφάλαιο 1ο: SCADA 1.1: Τι είναι SCADA. Προτού προχωρήσουμε στην ανάλυση και επιμέρους λειτουργία των συστημάτων SCADA, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε την έννοια ενός συστήματος SCADA. Η έννοια SCADA[1][2] αποτελείται από τα αρχικά των αγγλικών λέξεων Supervisory Control And Data Acquisition, πρόκειται δηλαδή για ένα σύστημα εποπτικού ελέγχου και συλλογής δεδομένων. Τα SCADA συστήματα αποτελούν μια εφαρμογή της πληροφορικής στη βιομηχανία με σκοπό τον εποπτικό έλεγχο της παραγωγικής διαδικασίας. Με τα συστήματα SCADA επιτυγχάνουμε on-line παρακολούθηση και έλεγχο σε πραγματικό χρόνο μέσω προγραμματιζόμενων ελεγκτών ή απομακρυσμένων τερματικών μονάδων (π.χ. αισθητήρων) καθώς και την καταγραφή αυτών των κρίσιμων παραμέτρων σε βάσεις δεδομένων του συστήματος. 5

6 Εικόνα 2: Απεικόνιση βιομηχανικών μετρήσεων. Τα SCADA συστήματα δεν ασκούν πλήρη έλεγχο στην παραγωγική διαδικασία. Ο ρόλος τους περιορίζεται μόνο στον εποπτικό έλεγχο της παραγωγής. Τα συστήματα SCADA δεν χρησιμοποιούνται µόνο στη συμβατική βιομηχανική παραγωγή (π.χ. παραγωγή χαλκού, αλουμινίου, ξύλου, ηλεκτρικής ενέργειας) αλλά και σε εγκαταστάσεις όπου η παρουσία του ανθρώπινου παράγοντα κρίνεται αδύνατη ή άκρως επικίνδυνη (π.χ. πυρηνικοί αντιδραστήρες, επιταχυντές, διαστημικά προγράμματα). Το μέγεθος τέτοιων πειραματικών εγκαταστάσεων απαιτεί από 1000 µέχρι 10 χιλιάδες κανάλια επικοινωνίας (I/O). Εντούτοις τα σημερινά συστήματα SCADA αναπτύσσονται γρήγορα βρίσκοντας εφαρμογή σε πολλούς τομείς. Αρχικά υλοποιήθηκαν σε DOS (VMS) και σε UNIX. Πλέον έχουν στραφεί σε Windows NT/2000 και ορισμένα σε Linux. 1.2: Ιστορική Ανασκόπηση. Το πρώτο SCADA σύστημα σχεδιάστηκε για διαστημικά προγράμματα περί το 1960 αφού ενσωματώνει την επιστήμη της τηλεμετρίας. Αντιμετώπισε αρκετές δυσκολίες αφού τα σήματα ήταν αναλογικά και όχι ψηφιακά. Πρωτοεμφανίστηκαν σε mainframe και μικρά σε μέγεθος συστήματα. Στα αρχικά στάδια της εφαρμογής τους τα συστήματα SCADA ήταν ανεξάρτητα μεταξύ τους χωρίς καμία δυνατότητα 6

7 επικοινωνίας. Ο λόγος είναι ότι εκείνη την εποχή τα πρωτόκολλα επικοινωνίας ήταν αυστηρά ιδιόκτητα, αφού ήταν προορισμένα για σαφή και περιορισμένη χρήση και όχι γενικού σκοπού. Αποτέλεσμα όλων αυτών ήταν τα συστήματα SCADA να έχουν ένα και μόνο σκοπό, την υποστήριξη του βασικού συστήματος σε περίπτωση βλάβης. Όπως προαναφέραμε τα σύγχρονα συστήματα SCADA έχουν μεταφερθεί σε διακομιστές (servers) Windows NT/2000 και Windows NT/2000 Workstation ή ακόμη και Windows 9x/Me. Διακρίνονται σε τέσσερις γενιές εξέλιξης [2]: Μονολιθικό SCADA. Κατανεμημένα SCADA (distributed). Δικτυωμένο SCADA (networking SCADA, cloud). Internet of things. 1.3: Τα βασικά μέρη ενός SCADA. Ένα τυπικό σύστημα SCADA [3] περιλαμβάνει ένα κέντρο ελέγχου στο οποίο υπάρχει ένας κεντρικός υπολογιστής αρκετά μεγάλης υπολογιστικής ισχύος, στον οποίο βρίσκεται το λογισµικό SCADA εγκατεστημένο. Επίσης περιλαμβάνει διαγράμματα απεικόνισης της πραγματικότητας (μιμικά) όλων των διεργασιών της παραγωγής, απεικόνιση εργαλείων που χρησιμοποιούνται στην παραγωγική διαδικασία (π.χ. μοτέρ), συναγερμούς (alarms) σε περίπτωση βλάβης ή ένδειξης ασυνήθιστων τιμών, βάσεις δεδομένων για αποθήκευση των πληροφοριών για μελλοντική χρήση. 7

8 Εικόνα 3: Βασικά μέρη ενός SCADA συστήματος. Επίσης ένα σύστημα SCADA περιλαμβάνει τα δίκτυα που είναι συνδεδεμένα με αυτό για την λήψη και αποστολή δεδομένων, τη διεπαφή χρήστη-μηχανής (HMI) καθώς και τον εξοπλισμό που απαιτείται για τη λειτουργία του. 8

9 Εικόνα 4: Αρχιτεκτονική ενός SCADA συστήματος Η αποστολή των δεδομένων στο κέντρο ελέγχου (τηλεμετρία) επιτυγχάνεται µε την εγκατάσταση απομακρυσμένων τερματικών μονάδων RTU [5] (Remote Terminal Units). Οι RTU s είναι συνδεδεμένες με μια πληθώρα αισθητηρίων από τα οποία αντλούνε τα δεδομένα (π.χ. τάση, στάθμη, ροή, θερμοκρασία, θέση) και τα μετατρέπουν σε σήματα. Οι RTU s με τη σειρά τους επικοινωνούν με ένα κεντρικό υπολογιστή ή κεντρική τερματική μονάδα (Master Terminal Unit - MTU). Οι τερματικοί αυτοί σταθµοί «αντιλαμβάνονται» τις τιµές των μεγεθών που µας ενδιαφέρουν τις μετατρέπουν σε ηλεκτρικά σήµατα και τα μεταδίδουν ενσύρματα ή ασύρµατα µε κατάλληλες τηλεπικοινωνιακές ζεύξεις (τηλεφωνικό δίκτυο, δορυφόρος) στον κεντρικό υπολογιστή ανά τακτά χρονικά διαστήματα. 9

10 Εικόνα 5: Έλεγχος απομακρυσμένων συσκευών. Η σχέση μεταξύ MTU s και RTU s είναι ανάλογη με τη σχέση master slave. Έτσι όταν αναφερόμαστε στον όρο SCADA αναφερόμαστε σε ολόκληρο το κεντρικό σύστημα ελέγχου χωρίς όμως να παραβλέπουμε τις επιμέρους προεκτάσεις του : SCADA και HMI. Τα ΗΜΙ (Human-Machine Interface) [3] συστήματα αποτελούν ένα πολύ σημαντικό μέρος της λειτουργίας των συστημάτων SCADA. Ο λόγος είναι ότι αυτά τα συστήματα αλληλεπιδρούν με τον ανθρώπινο παράγοντα (π.χ. χειριστής μηχανήματος). Δέχονται ως είσοδο τις αποφάσεις του ανθρώπινου δυναμικού και έχουν ως έξοδο τα αποτελέσματα αυτών. Τυπικά αποτελούνται από μια εικονική απεικόνιση της διεργασίας, πάνω στην οποία εμφανίζονται τιμές μεταβλητών, μετακινήσεις επιμέρους εργαλείων, αποτελέσματα καταστάσεων ή και συγκεντρωτικά διαγράμματα. Τα συστήματα αυτά επιτρέπουν την εμφάνιση διακύμανσης και εξέλιξης των τιμών των μεταβλητών, ειδικών διαγραμμάτων κατόπιν αιτήματος του χειριστού. Οι πληροφορίες αυτές αντλούνται από τη βάση δεδομένων που διατηρεί το σύστημα SCADA. Γι αυτό όπως είναι κατανοητό τα συστήματα SCADA και HMI είναι στενά συνδεδεμένα μεταξύ τους και για το λόγο αυτό συχνά δεν διαχωρίζονται. 10

11 Εικόνα 6 : Απεικόνιση συστήματος στην οθόνη του χειριστή. Στην εμπορική υλοποίησή τους, οι κατασκευαστές συστημάτων SCADA ενσωματώνουν δυνατότητες ανάπτυξης ΗΜΙ εφαρμογών καθότι απαραίτητες. Βέβαια μια ΗΜΙ εφαρμογή μπορεί να κατασκευαστεί ανεξάρτητα και να τρέχει παράλληλα με το κέντρο καταγραφής ενός SCADA συστήματος. 1.4: Σκοπός SCADA. Η λειτουργία των συστημάτων SCADA περιλαμβάνει την συλλογή των δεδομένων, την αποστολή τους στο κέντρο ελέγχου του συστήματος, την ανάλυση και επεξεργασία τους και τέλος την απεικόνισή τους σε οθόνες ελέγχου ή μιμικά διαγράμματα [4] σε πραγματικό χρόνο. Ο έλεγχος των δεδομένων μπορεί να πραγματοποιείται αυτόματα ή μετά από αίτημα του χειριστού. Το λογισμικό που χρησιμοποιούν τα συστήματα SCADA επιτρέπει την υλοποίηση εξαιρετικά πολύπλοκων λειτουργιών και υπολογισμών, χωρίς κανένα απολύτως κίνδυνο να αλλοιώσει τα αποτελέσματα ελέγχου που διεξάγουν λογικοί ελεγκτές (PLC s). 11

12 Εικόνα 7: Απομακρυσμένος έλεγχος συσκευών. Τα συστήματα εποπτικού ελέγχου δίνουν τη δυνατότητα στους χειριστές τους να ελέγχουν και να παρατηρούν διεργασίες οι οποίες βρίσκονται τοπολογικά διάσπαρτες σε μια μεγάλη γεωγραφική περιοχή. Σε αυτό το σημείο γίνεται ορατό το μεγαλύτερο ίσως πλεονέκτημα των συστημάτων SCADA. Δηλαδή, αντί να στέλνεται ανθρώπινο δυναμικό για ελέγχους και μετρήσεις σε διάσπαρτα σημεία, ο έλεγχος ολόκληρου του συστήματος πραγματοποιείται από μια τοποθεσία σε ελάχιστο χρονικό διάστημα : Κύριες λειτουργίες ενός συστήματος SCADA. Εικόνα 8: Συλλογή δεδομένων από βιομηχανική μονάδα. 12

13 Συλλογή δεδομένων από τα RTU s. Τα σήματα μεταδίδονται (ενσύρματαασύρματα) προς το σύστημα SCADA. Αποθήκευση των δεδομένων, στη βάση δεδομένων και αναπαράστασή τους μέσω ΗΜΙ συστημάτων. Οι πληροφορίες απεικονίζονται με ή χωρίς επεξεργασία. Επεξεργασία δεδομένων και ηχητική ειδοποίηση σε καταστάσεις σφάλματος ή ύπαρξης μη κανονικών τιμών. Ουσιαστικά έγκαιρη ειδοποίηση για αποφυγή καταστροφών. Εικονική απεικόνιση των διεργασιών σε μιμικά διαγράμματα Τα μιμικά διαγράμματα απεικονίζουν πραγματικά τμήματα της παραγωγικής διαδικασίας με στόχο την ευκολότερη εποπτεία από τους χειριστές του συστήματος. Καταγραφή όλων των ενδείξεων των επιμέρους μηχανημάτων για την διατήρηση αρχείου. Στα αρχικά στάδια αυτό γινόταν χειρόγραφα. Τώρα αυτό το έχει αναλάβει η βάση δεδομένων του συστήματος. Υποστήριξη παράλληλου συστήματος με άμεση φόρτωση αν αυτό κριθεί σκόπιμο. Συνήθως υλοποιείται σε διεργασίες πολύ υψηλού κινδύνου (π.χ. πυρηνικούς αντιδραστήρες), για να ελαχιστοποιηθεί το σφάλμα σε περίπτωση εμφάνισης του. Έλεγχος ταυτότητας για πρόσβαση χρηστών στο σύστημα SCADA. Εικόνα 9: Παράλληλος έλεγχος διαφορετικών συσκευών. 13

14 1.4.2: Σύγκριση SCADA και DCS. Για να κατανοήσουμε σε μεγαλύτερο βαθμό το αντικείμενο ελέγχου των συστημάτων SCADA, θα εκθέσουμε παρακάτω τη σημαντικότερη λειτουργία του καθώς επίσης και ορισμένες διαφορές τους από τα συστήματα DCS. Οι στόχοι των συστημάτων SCADA και DCS [4] διαφοροποιούνται σε μεγάλο βαθμό. Βέβαια ένα σύστημα μπορεί να ενσωματώνει λειτουργίες και των 2 συστημάτων αλλά η πολυπλοκότητά του θα επέτρεπε χειρισμό μόνο από πολύ εξειδικευμένο προσωπικό. Ορισμένα από τα χαρακτηριστικά των DCS συστημάτων είναι: Αποτελούνται εξ ολοκλήρου από τοπικούς ελεγκτές. Όλα τα επιμέρους τμήματα συνδέονται σε ένα κεντρικό τοπικό δίαυλο (LAN). Οι Η/Υ που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των διεργασιών είναι και αυτοί συνδεδεμένοι στον κεντρικό τοπικό δίαυλο. Αποκλειστικό αντικείμενό τους είναι η εξέλιξη της διεργασίας. Τα συστήματα SCADA από την άλλη, έχουν ένα αρκετά μεγάλο εύρος αντικειμένων αλλά παράλληλα είναι επικεντρωμένα στη συλλογή των δεδομένων καθώς και στην παρακολούθηση αυτών. Επεμβαίνουν μόνο σε περιπτώσεις σφαλμάτων. 1.5: Τρόποι διασύνδεσης. Είναι ευρέως γνωστό ότι για τη δικτύωση του κεντρικού υπολογιστή με όλους τους χρήστες (πληροφοριακό δίκτυο) χρησιμοποιούνται πρωτόκολλα Ethernet ή token ring, ενώ για δικτύωση επιμέρους μηχανημάτων σε επίπεδο βιομηχανίας (βιομηχανικό δίκτυο) έχουμε πρωτόκολλα όπως Profibus, TCP/IP,CanBus καθώς και Industrial Ethernet με το πρώτο να είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο. Σε συστήματα SCADA που βρίσκονται εγκατεστημένα εντός Η.Π.Α κυριαρχεί το πρωτόκολλο ModBus αν και τις τελευταίες δεκαετίες γίνονται προσπάθειες να επικρατήσει παγκοσμίως το Profibus για λόγους συμβατότητας. 14

15 Εικόνα 10: Επικοινωνία μέσω ασύρματου δικτύου. Για την επικοινωνία των συστημάτων SCADA με άλλα συστήματα ή τη διασύνδεσή τους σε ένα δίκτυο (π.χ. Internet) απαιτούνται κάποιοι δίαυλοι εξωτερικής πρόσβασης. Αυτοί οι δίαυλοι εξασφαλίζουν την επικοινωνία του συστήματος. Τέτοιοι δίαυλοι είναι οι σειριακοί (RS232, RS485). Πρόσβαση με PC κάρτες (ARCNET, Modbus Plus) ή απευθείας analog/digital I/O. Πιο διαδεδομένοι δίαυλοι είναι οι fieldbuses όπως τo DeviceNet, Profibus ή και δίκτυα Ethernet ή ο Ενιαίος Σειριακός Δίαυλος (USB). Εικόνα 11: Επικοινωνία μέσω διαδικτύου. 15

16 Η επικοινωνία μεταξύ των απομακρυσμένων τερματικών μονάδων (MTU s, RTU s) μπορεί να πραγματοποιείται ενσύρματα με σειριακό τρόπο (RS232, RS485), με δίκτυα Ethernet, δίκτυα Profibus ή και μέσω τηλεφωνικού δικτύου (Internet) αλλά και ασύρματα με τη βοήθεια δορυφορικής σύνδεσης ή ασυρμάτων δικτύων (IEEE ). Τα δεδομένα μεταφέρονται από τις slave στις master απομακρυσμένες μονάδες όπου επεξεργάζονται και στέλνονται σε συσκευές που ενσωματώνουν ΗΜΙ εφαρμογές για την εποπτεία των δεδομένων. Σε περίπτωση εύρεσης σφάλματος ακολουθείται η αντίστροφη πορεία περιλαμβάνοντας εντολές αποσφαλμάτωσης και ελέγχου διεργασιών : Ethernet και βιομηχανία. Με τη χρήση δικτύων Ethernet μπορούμε να έχουμε ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων μέχρι 10Μbit/sec. Χρησιμοποιώντας βέβαια ομοαξονικό καλώδιο μπορούμε να επιτύχουμε μέγιστη απόσταση μεταξύ 2 συσκευών περίπου τα 500 μέτρα, με μέγιστο μήκος καλωδίου περίπου τα 2500 μέτρα. Αντίθετα χρησιμοποιώντας μια πιο σύγχρονη καλωδίωση, όπως είναι τα καλώδια συνεστραμμένου ζεύγους υψηλών συστροφών θωράκισης (π.χ. RJ45 cat6), μπορούμε να πετύχουμε ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων έως 100Μbit/sec. Εδώ η μέγιστη απόσταση κάθε συσκευής και διαμοιραστή είναι τα 100 μέτρα. Βέβαια τα προβλήματα επιμήκυνσης του καλωδίου λύνονται με τη βοήθεια επαναληπτών. Εικόνα 12: Τυπική σύνδεση μέσω πρωτοκόλλου ETHERNET. 16

17 Παρατηρώντας τις μεγάλες ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων που μπορούν να αναπτυχθούν σε δίκτυα Ethernet οι περισσότεροι κατασκευαστές τέτοιων συσκευών στρέφονται σε αυτό το πρωτόκολλο. Ειδικότερα οι κατασκευαστές PLC s τα οποία αποτελούν δομικά εργαλεία των DCS συστημάτων ξεκινούν να κατασκευάζουν συσκευές που υποστηρίζουν λειτουργίες Ethernet. Παράλληλα για να αποφευχθεί η αντικατάσταση των ήδη υπαρχόντων PLC με σειριακές θύρες, το οποίο είναι αρκετά χρονοβόρο και πολύ δαπανηρό, κατασκευάζονται συσκευές που αναβαθμίζουν την σειριακή έξοδο σε Ethernet (Serial to Ethernet). Η κατασκευή ενός SCADA συστήματος μπορεί να στηριχθεί εξ ολοκλήρου σε πρωτόκολλα TCP/IP και UDP. 1.6: Ασφάλεια στα συστήματα SCADA. Στο αρχικό στάδιο της εξέλιξής τους τα συστήματα SCADA δεν χρειαζόταν να ενσωματώνουν προστασία από εξωτερικούς παράγοντες. Ο λόγος ήταν ότι ελάχιστοι γνωρίζανε τα συστήματα SCADA όπως πάρα μόνον οι προγραμματιστές και οι διαχειριστές τους. Στη σημερινή εποχή όμως τα συστήματα SCADA αποτελούν στόχο κακόβουλων ενεργειών. Για το λόγο αυτό η αποστολή των δεδομένων και μετρήσεων πραγματοποιείται με 2048 bit κρυπτογράφησης δημόσιου κλειδιού σε ευαίσθητα δεδομένα όπως (π.χ. δεδομένα πυρηνικών εργοστασίων, χημικών βιομηχανιών). 1.7: Οφέλη και πλεονεκτήματα των συστημάτων SCADA. Τα οφέλη [3] που μπορούμε να αποκομίσουμε από την χρήση των συστημάτων SCADA μπορούν να διαρθρωθούν σε πολλά επίπεδα τόσο για τον ανθρώπινο παράγοντα όσο και για την παραγωγική διαδικασία. Ορισμένα πλεονεκτήματα που αφορούν την παραγωγική διαδικασία είναι: Αύξηση της παραγωγής λόγω αξιοποίησης όλων των παρεχόμενων πόρων στο μέγιστο δυνατό βαθμό. Μείωση του κόστους της παραγωγικής διαδικασίας ανά μονάδα προϊόντος λόγω μείωσης του κόστους εργασίας. Βελτίωση της ποιότητας των προϊόντων που παράγονται διότι τα σφάλματα εντοπίζονται σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Ελαχιστοποίηση του κόστους συντήρησης των επιμέρους μηχανών. 17

18 εξής: Όσον αφορά τον ανθρώπινο παράγοντα ορισμένα πλεονεκτήματα είναι τα Περιορισμός του ρόλου του ανθρωπίνου παράγοντα στον τομέα του ελέγχου και μόνο. Ανάληψη χειρωνακτικών εργασιών από τις μηχανές. Ελαχιστοποίηση κινδύνου εργατικού ατυχήματος σε βιομηχανίες. Οι μηχανές αναλαμβάνουν πλέον τα επικίνδυνα κομμάτια της εργασίας. Ελαχιστοποίηση του ανθρωπίνου λάθους. 18

19 Κεφάλαιο 2ο: PLC (PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER) ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΟΙ ΛΟΓΙΚΟΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ 2.1: Εισαγωγή στο PLC. Στα πλαίσια της βιομηχανικής πληροφορικής και αυτοματισμού, ο προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής, ο οποίος αναπαριστάται και ως PLC (Programmable Logic Controller) παρουσιάστηκε τη δεκαετία του 70, μια πολύ μεγάλη πρόοδος έναντι των κλασσικών ηλεκτρομηχανικών και ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Η μεγαλύτερη ίσως διαφοροποίησή τους είναι ότι στα PLC τα κυκλώματα αυτοματισμού δεν υλοποιούνται με την γνωστή (Συρματωμένη τεχνική) αλλά με πρόγραμμα φορτωμένο στη μνήμη του (προγραμματιζόμενη τεχνική). Εικόνα 13: PLC της εταιρείας SIEMENS. Από τα πρώτα συστήματα που κατασκευάστηκαν για την επικοινωνία των PLC ήταν το Modbus της εταιρείας Modicon. Το σύστημα αυτό επέτρεπε την επικοινωνία απομακρυσμένων PLC s με το προς έλεγχο σύστημα. Παρόμοια συστήματα για επικοινωνία των PLC υλοποιήθηκαν και από άλλες εταιρείες, τα οποία όμως δεν είχαν τη δυνατότητα επικοινωνίας μεταξύ τους. Το σύστημα Modbus χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα με αρκετές βέβαια παρεμβάσεις εξέλιξης. 19

20 2.2: Ιστορική αναδρομή. Στην αμέσως επόμενη δεκαετία (δεκαετία 80), ξεκινάνε οι πρώτες προσπάθειες για τη χρησιμοποίηση κάποιων κοινών πρωτοκόλλων επικοινωνίας για τα δίκτυα των PLC, με σκοπό την εξασφάλιση συμβατότητας και ανταλλαγής δεδομένων. Την χρονική αυτή περίοδο γίνονται παράλληλες ενέργειες για μείωση του όγκου των PLC s, καθώς και ενέργειες για την ανάπτυξη λογισμικού ώστε να καταστεί εφικτός ο προγραμματισμός τους από κοινούς προσωπικούς υπολογιστές και όχι από ειδικά σχεδιασμένα για αυτό το λόγο τερματικά συστήματα. 2.3: Σκοπός χρησιμότητα των PLC. Στη σημερινή εποχή οι Προγραμματιζόμενοι Λογικοί Ελεγκτές (PLC s) βρίσκουν τεράστια εφαρμογή λόγω των δυνατοτήτων τους. Ουσιαστικά η λειτουργία τους συμβαδίζει με την λειτουργία του βιομηχανικού μοτίβου, δηλαδή υπακούουν σε ακολουθιακό έλεγχο (εκκίνηση, στάση, παρακολούθηση). Δέχονται ως είσοδο ψηφιακά και αναλογικά σήματα από τερματικές μονάδες για τον έλεγχο συγκεκριμένης διεργασίας. Έχουν τη δυνατότητα να μεταδίδουν τα απαραίτητα σήματα σε επιμέρους μηχανήματα (π.χ. ηλεκτρονόμοι) για εκκίνηση ή διακοπή τους. Τα PLC s υλοποιούν ενέργειες σύμφωνα με το πρόγραμμα που έχουν στη μνήμη τους. Πέρα από τις βασικές λειτουργίες τους τα PLC s διαθέτουν ενσωματωμένες και επιπλέον συσκευές όπως χρονοδιακόπτες, απαριθμητές : Τι είναι PLC. Ο Προγραμματιζόμενος Λογικός Ελεγκτής αφορά σε μια ψηφιακή συσκευή που περιέχει μικροεπεξεργαστή και ενσωματωμένη αναπρογραμματιζόμενη μνήμη, η οποία αποθηκεύει εντολές ώστε αυτές να εκτελεστούν κατά τη λειτουργία του ελεγκτή. Είναι σε θέση να επεξεργαστεί συναρτήσεις λογικής τύπου Boole, χρονισμό, απαρίθμηση καθώς επίσης και αριθμητικές πράξεις με απώτερο σκοπό τον έλεγχο ενός σύνθετου μηχανήματος ή μιας διεργασίας μέσω των εξόδων του. 20

21 2.4: Τα μέρη ενός PLC : Μονάδα τροφοδοσίας. Εικόνα 14: Βιομηχανικό PLC. Στόχος της μονάδας τροφοδοσίας [4][5] είναι να παρέχει την απαραίτητη τάση για τη λειτουργία της Κεντρικής Μονάδας Επεξεργασίας (CPU) του ελεγκτή, καθώς επίσης και των επιμέρους καρτών εισόδων/εξόδων. Διαθέτει κλέμες για τάση εξόδου 24 V, επιλογέα για τάση εισόδου 100/240 V AC και γείωση. Επίσης περιέχει ενδείξεις LED για ανίχνευση τάσης εξόδου 24 V DC. Εικόνα 15: Απεικόνιση τροφοδοτικού ενός PLC. 21

22 2.4.2: Κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU). α) ΑΠΟ ΤΟΝ ΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗ. Σκοπός του μικροεπεξεργαστή είναι η εκτέλεση των εντολών του προγράμματος που είναι αποθηκευμένο στη μνήμη. Όταν λοιπόν ο επεξεργαστής δεχθεί ως είσοδο αναλογικά ή ψηφιακά σήματα τα επεξεργάζεται και υλοποιεί τις λογικές συναρτήσεις σύμφωνα με τις εντολές του προγράμματος. Η επεξεργασία του προγράμματος είναι συνεχής. Ο μικροεπεξεργαστής παρακολουθεί αδιάλειπτα τις επιμέρους εισόδους για την ύπαρξη τάσης ή μη, επεξεργάζεται τις συνθήκες και εντολές του προγράμματος και με βάση τις λογικές αποφάσεις που προκύπτουν προχωρά σε διέγερση ή όχι των εξόδων. Αυτές με τη σειρά τους ενεργοποιούν ή απενεργοποιούν εξωτερικά συστήματα (π.χ. ηλεκτρονόμοι). Η διαδικασία αυτή είναι γνωστή και ως κυκλική επεξεργασία. Παράλληλα ελέγχει και για τον εντοπισμό σφαλμάτων. Εικόνα 16: Μικροεπεξεργαστής ενός PLC. β) ΤΗ ΜΝΗΜΗ. Εικόνα 17: Πλακέτα μνήμης ενός PLC. 22

23 Η μνήμη της Κεντρικής Μονάδας Επεξεργασίας (CPU) διακρίνεται σε τρεις κατηγορίες: Μνήμη φόρτωσης (Load memory). Μνήμη εργασίας (Work memory). Μνήμη συστήματος (System memory). H CPU (Central Processing Unit) του ελεγκτή, είναι η βάση ολόκληρου του συστήματος και δεν διαφέρει καθόλου από τη CPU ενός κοινού PC. Τα διάφορα ηλεκτρονικά συστατικά από τα οποία αποτελείται η μνήμη, επιλέγονται αφού πρώτα αξιολογηθούν με τα αυστηρότερα πρότυπα. Ο λόγος είναι ότι θα πρέπει να λειτουργούν απρόσκοπτα σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, ηλεκτρικού θορύβου, κραδασμών, όπως π.χ. το βιομηχανικό περιβάλλον. Στις περισσότερες περιπτώσεις ένας λογικός ελεγκτής διαθέτει μια CPU και μπορεί να ελέγξει παράλληλα αρκετές εισόδους και εξόδους. Βέβαια η συνεχής εξέλιξή τους οδηγεί αναπόφευκτα και στη κατασκευή ελεγκτών με παράλληλα εγκατεστημένες CPU s. Το λειτουργικό σύστημα και το πρόγραμμα αυτοματισμού αποθηκεύονται στη μνήμη του λογικού ελεγκτή. Η μνήμη του μικροεπεξεργαστή ενός ελεγκτή μπορεί να είναι πτητική ή μη πτητική. Πτητική είναι εκείνη η μνήμη η οποία χάνει το περιεχόμενό της όταν σταματήσει να τροφοδοτείται με τάση ρεύματος (π.χ. μνήμη RAM). Στους λογικούς ελεγκτές απαιτείται και η ύπαρξη μη πτητικής μνήμης, ώστε το πρόγραμμα να μη χάνεται κάθε φορά που σταματά η τροφοδοσία. Το πρόγραμμα ελέγχου στο οποίο μπορεί να γίνει οποιαδήποτε αλλαγή αποθηκεύεται στη μνήμη RAM. Σε αυτή την περίπτωση απαιτείται η ύπαρξη μιας μπαταρίας (backup battery) για να μην κινδυνεύουμε με απώλεια του προγράμματος από διακοπή της τάσης τροφοδοσίας. Για να αποφύγουμε οποιονδήποτε τέτοιο κίνδυνο μπορούμε να αποθηκεύσουμε το πρόγραμμα ελέγχου σε μια εξωτερική μονάδα μνήμης (card) τύπου EPROM ή EEPROM όπου θα βρίσκεται ολόκληρο και θα σβηστεί μόνο αν το σβήσουμε εμείς. Ορισμένα είδη μνήμης που υπάρχουν στην αγορά και χρησιμοποιούνται από λογικούς ελεγκτές είναι: CMOS RAM: Αναφέρεται σε μνήμη ανάγνωσης και εγγραφής υλοποιημένη από ημιαγωγούς. Ο μικρότερος χώρος αποθήκευσης ονομάζεται κελί (cell). Τα κελιά έχουν συγκεκριμένη στοίχιση και όλα μαζί δημιουργούν ένα πίνακα κελιών με γραμμές και στήλες. Σε κάθε κελί μπορεί να αποθηκευθεί 1 bit πληροφορίας. Η πρόσβαση σε αυτή τη μνήμη είναι πολύ γρήγορη. Παρόλο που η μνήμη RAM είναι πτητική μνήμη και χάνει τα δεδομένα μετά την διακοπή της τάσης τροφοδοσίας, είναι έτσι κατασκευασμένες ώστε να καταναλώνουν ελάχιστη ενέργεια (CMOS). Με τον 23

24 τρόπο αυτό ακόμη και μια πολύ μικρή μπαταρία θα επαρκούσε για τη διατήρηση των δεδομένων. Οι μπαταρίες διαφοροποιούνται, όσον αφορά τη διάρκεια λειτουργίας τους. Μπαταρίες με μικρή χρονική διάρκεια (6-12 μήνες) είναι οι αλκαλικές και μπαταρίες υδραργύρου. Υπάρχουν όμως και μπαταρίες όπου η χρονική διάρκειά τους είναι πολύ μεγαλύτερη (έως 10 έτη). Τέτοιου είδους είναι οι μπαταρίες λιθίου, μολύβδου, νικελίου-καδμίου. Μνήµη EPROM: Πρόκειται για μνήμη μόνο ανάγνωσης. Έχει τη δυνατότητα εγγραφής και διαγραφής δεδομένων όσες φορές το επιθυμούμε. Χρησιμοποιείται για αποθήκευση του προγράμματος μετά την εκτέλεσή του, διότι αποτελεί το ασφαλέστερο μέσο αποθήκευσης σε βιομηχανικό επίπεδο. Το σημαντικότερο μειονέκτημά της είναι ότι για την τροποποίηση του προγράμματος απαιτείται η εξαγωγή της από τον λογικό ελεγκτή και άρα η διακοπή της λειτουργίας του. Ένα άλλο επίσης μειονέκτημά της είναι ότι μπορεί να χάσει τα δεδομένα της αν εκτεθεί σε ηλιακή ακτινοβολία (UV-EPROM). Μνήµη EEPROM: Πρόκειται και εδώ για µνήµη µόνο ανάγνωσης. Έχει επίσης τη δυνατότητα εγγραφής και διαγραφής δεδομένων πολλές φορές. Χρησιμεύει ως μνήμη αποθήκευσης του προγράμματος αυτοματισμού. Χρησιμοποιείται σε μεγαλύτερη συχνότητα από την EPROM. Ο αριθμός εγγραφών και διαγραφών είναι μικρότερος σε σχέση με αυτόν της μνήμης RAM που είναι τεράστιος. Τα επιμέρους τμήματα που διακρίνεται η μνήμη συστήματος είναι: Μνήμη αναπαράστασης εισόδων. Σε αυτό το τμήμα καταχωρούνται οι τιμές των εισόδων που αντιλαμβάνεται η CPU, στην έναρξη κάθε κύκλου λειτουργίας. Μνήμη αναπαράστασης εξόδων. Σε αυτό το τμήμα καταχωρείται η τιμή καθεμιάς από τις εξόδους που χρησιμοποιούνται κατά τον κύκλο λειτουργίας. Αυτό το τμήμα στο τέλος του κύκλου λειτουργίας στέλνεται για να αναπροσαρμόσει τις κάρτες εξόδου. Βοηθητικά (Memory). Σε αυτό το τμήμα της μνήμης καταχωρούνται ενδιάμεσες τιμές οι οποίες έχουν προκύψει κατά την υλοποίηση του προγράμματος. Χρονικά (Timers). Είναι το τμήμα της μνήμης συστήματος όπου καταχωρούνται οι χρονικές διάρκειες των χρονικών που χρησιμοποιήθηκαν. Απαριθμητές (Counters). Είναι το τμήμα της μνήμης του συστήματος όπου καταχωρούνται οι τιμές των απαριθμητών. Διαγνωστικά (Diagnostics). Αποθηκεύονται επιμέρους λειτουργίες που έχουν υλοποιηθεί στο σύστημα με διάφορα στοιχεία (π.χ. ημέρα, ώρα). 24

25 2.4.3: Είσοδοι Έξοδοι ενός PLC (Ι/Ο). Μια τυπική μονάδα εισόδων [3] περιέχει 8,16 ή 32 εισόδους ανάλογα φυσικά με την έκδοση και τα επίπεδα τάσης που χρειάζεται για τη λειτουργία της. Οι πιο χρησιμοποιούμενες τάσεις ρεύματος για τα σήματα στην είσοδο είναι 24V DC ή 230V AC. Τα άκρα μιας κάρτας εισόδων/εξόδων πρέπει να έχουν την ίδια τάση ενώ στα άκρα ολόκληρου του συστήματος μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μονάδες εισόδων/εξόδων με ποικίλες τάσεις. Εικόνα 18: Είσοδοι και έξοδοι ενός PLC. Μια κάρτα που περιέχει συστοιχία ψηφιακών εισόδων στα 24VDC καταλαβαίνει ως τιμή +1 τα +24VDC και ως τιμή 0 τα 0VDC. Σε ορισμένες περιπτώσεις, όπου η τάση δεν είναι σταθερή οι ψηφιακές κάρτες περιλαμβάνουν εύρος τιμών (ανοχή). Άρα λοιπόν ως τιμή +1 αντιλαμβάνεται το εύρος τάσεων +13 έως +30VDC και ως τιμή 0 το εύρος τάσεων -3 έως +5VDC. Για το ενδιάμεσο εύρος τάσεων (+6 έως +12VDC) δεν μπορούμε να κατανοήσουμε πως θα τις αντιληφθεί ο λογικός ελεγκτής : Μονάδες Ψηφιακών Εισόδων. Ο σκοπός τους είναι να ενημερώνουν συνεχώς τη CPU για την κατάσταση του συστήματος. Αν δηλαδή έχει ενεργοποιηθεί κάποια διεργασία ή αν ο χειριστής ενεργοποίησε κάποιο διακόπτη. Αυτά τα δεδομένα μεταφέρονται μέσω ηλεκτρικού σήματος σε κλέμμες της συστοιχίας εισόδων, επεξεργάζονται και αποθηκεύονται στη μνήμη αναπαράστασης εισόδων. 25

26 Το πιο σπουδαίο ίσως πλεονέκτημα που προσφέρει η γαλβανική θωράκιση (απομόνωση) είναι η ασφάλεια των ψηφιακών κυκλωμάτων της CPU, απέναντι σε εναλλαγές τάσης ή λανθασμένων παροχών τάσης στη κάρτα εισόδων. Εικόνα 19: Ψηφιακές είσοδοι και έξοδοι ενός PLC. P Bus (Peripheral Bus): Ο κύριος σκοπός του είναι η μεταφορά πληροφοριών από την περιφέρεια (επικοινωνία με επεκτάσιμες κάρτες εισόδων/εξόδων), με ταχύτητα μεταφοράς πληροφοριών 1.5Μbps. K Bus (Communication Bus): Έχει ως αντικείμενο την αμφίδρομη επικοινωνία με κάρτες ειδικού σκοπού (PID, FM). Και σε αυτόν το δίαυλο η επικοινωνία πραγματοποιείται σειριακά με ταχύτητα 187.5Kbps : Μονάδες Ψηφιακών Εξόδων. Στόχος τους είναι να λαμβάνουν τις αποφάσεις της CPU και να τις μετατρέπουν σε εντολές προς το σύστημα. Αυτές οι αποφάσεις βρίσκονται αποθηκευμένες στη μνήμη αναπαράστασης των εξόδων της CPU και κατόπιν μορφοποιούνται σε ηλεκτρικά σήματα από τις μονάδες εξόδων. Οι μονάδες εξόδων δουλεύουν σαν διακόπτες παίρνοντας ή όχι τάση από την υλοποίηση του προγράμματος που εκτελεί η CPU. Όταν κλείσει ο διακόπτης το σήμα περνά προς το υπόλοιπο σύστημα. 26

27 Εικόνα 20: Ψηφιακές είσοδοι και έξοδοι ενός PLC. Ένας πολύ σημαντικός παράγοντας που πρέπει να γίνει κατανοητός είναι ότι η τάση και η ένταση του ρεύματος στην έξοδο του λογικού ελεγκτή θα πρέπει να είναι σε αντιστοιχία με τα χαρακτηριστικά του άμεσα συνδεδεμένου μηχανήματος (π.χ. ηλεκτρονόμος) : Μονάδες Αναλογικών Εισόδων. Υλοποιούν παρόμοια λειτουργία με τις μονάδες ψηφιακών εισόδων. Βέβαια σε αυτή τη περίπτωση μπορούν να διαβαστούν συνεχείς τιμές τάσης. Αυτό σημαίνει ότι μια μονάδα αναλογικών εισόδων αντιλαμβάνεται τις τιμές ενός αναλογικού σήματος π.χ. εύρους 0-10V και τις αντιστοιχεί με ένα ακέραιο αριθμό από Βέβαια πριν τις αναλογικές εισόδους θα πρέπει να παρεμβάλλεται ένας μετατροπέας σήματος, ώστε το σήμα να παίρνει αποδεκτές τιμές τάσης ή έντασης οι οποίες θα είναι κατανοητές από τη μονάδα εισόδων. 27

28 Εικόνα 21: Αναλογικές είσοδοι και έξοδοι ενός PLC. Όπως προαναφέραμε για να αναλύσουμε ηλεκτρικά σήματα τα οποία παρουσιάζουν μεταβολές στην τάση ή την ένταση χρειαζόμαστε μονάδες αναλογικών εισόδων. Αυτό σημαίνει ότι το αναλογικό σήμα ψηφιοποιείται ώστε να είναι σε θέση η CPU του λογικού ελεγκτή να το επεξεργαστεί. Οι καθορισμένες τιμές έντασης ρεύματος που μπορεί να αντιληφθεί μια αναλογική μονάδα εισόδων είναι 0-20mA αλλά και 4-20mA. Ενώ για τα σήματα τάσης, το εύρος είναι 0-10V αλλά και -10 έως +10V. Επίσης σημαντικό χαρακτηριστικό μιας μονάδας αναλογικών εισόδων είναι η ακρίβειά της (διακριτική ικανότητα) : Μονάδες Αναλογικών Εξόδων. Οι μονάδες αναλογικών εξόδων λειτουργούν κατά αντιστοιχία με τις μονάδες ψηφιακών εξόδων. Ο ρόλος τους είναι να μετατρέψουν το δυαδικό αριθμητικό μέγεθος από τη CPU του λογικού ελεγκτή σε σήμα αντίστοιχης τάσης ή έντασης ρεύματος, με σκοπό την απευθείας ενεργοποίηση συνδεδεμένων μηχανών. 28

29 Τα χαρακτηριστικά των αναλογικών εξόδων βρίσκονται σε πλήρη αρμονία με αυτά των αναλογικών εισόδων μιας και εκτελούν την αντίστροφη λειτουργία. Πάντα σε συνεργασία με το πρόγραμμα αυτοματισμού : Ρολόι πραγματικού χρόνου ενός PLC. Υπάρχει ενσωματωμένο ρολόι πραγματικού χρόνου, για τυχόν εφαρμογές που χρειάζονται έλεγχο με βάση το χρόνο. 2.5: Τρόπος λειτουργίας ενός PLC. Όπως προαναφέραμε, στους λογικούς ελεγκτές η υλοποίηση των επιμέρους λειτουργιών πραγματοποιείται με συγκεκριμένη ακολουθία. Ολόκληρη η διαδικασία ενσωματώνει τρεις καταστάσεις οι οποίες επαναλαμβάνονται κυκλικά: Ανάγνωση εισόδων. Εκτέλεση προγράμματος. Πληροφόρηση εξόδων. Σε κάθε κύκλο λειτουργίας πραγματοποιείται σάρωση των εισόδων και μετατροπή των λαμβανόμενων σημάτων εισόδου σε ψηφιακή μορφή. Αποθηκεύονται στη μνήμη αναπαράστασης εισόδων. Κατόπιν ο μικροεπεξεργαστής σαρώνει τα δεδομένα από τη μνήμη και παράλληλα εκτελεί το πρόγραμμα. Σε αυτή τη φάση εκτέλεσης της λειτουργίας του PLC, τα παραγόμενα δεδομένα αποθηκεύονται στη μνήμη αναπαράστασης εξόδων. Εικόνα 22: Επεξεργασία δεδομένων ενός PLC. 29

30 Στην συνέχεια διαβάζεται η μνήμη αναπαράστασης εξόδων και ενεργοποιούνται οι αντίστοιχες έξοδοι για να παραχθούν τα ανάλογα σήματα εξόδου. 2.6: Πλεονεκτήματα ενός PLC. Τα πλεονεκτήματα [5] από τη χρήση των προγραμματιζόμενων λογικών ελεγκτών έναντι των κλασσικών κυκλωμάτων αυτοματισμού ποικίλουν: Εύκολη μετατροπή προγράμματος. Αν κάποιες συνθήκες ελέγχου τροποποιηθούν στο πρόγραμμα μπορούμε εύκολα να επέμβουμε και να τις αλλάξουμε. Εύκολη εύρεση σφαλμάτων. Διότι μας παρέχει αναλυτική απεικόνιση της λειτουργίας. Μικρή έκταση. Οι σύγχρονοι ελεγκτές είναι μικρές συσκευές που ενσωματώνουν πληθώρα χρήσιμων εργαλείων μεγάλων δυνατοτήτων. Έλλειψη χρησιμοποίησης πολλών καλωδίων. Καλώδια χρησιμοποιούνται μόνο για την σύνδεση των επιμέρους συσκευών στο PLC. Εικόνα 23: Απεικόνιση επέκτασης εσόδων και εξόδων ενός PLC. Πληθώρα επαφών. Οι σύγχρονοι ελεγκτές ενσωματώνουν αρκετές επαφές εισόδων/εξόδων. Βέβαια δεν ξεχνάμε και τις επεκτάσιμες κάρτες εισόδων/εξόδων που ανεβάζουν τον αριθμό επαφών σε αρκετές εκατοντάδες. Αξιοπιστία. Δεν έχει κινούμενα μέρη ώστε να παρουσιάσει μηχανικές βλάβες. Συστοιχία αναλογικών και ψηφιακών εισόδων/εξόδων. Δυνατότητα επικοινωνίας με επιμέρους συστήματα με στόχο τον έλεγχο. Πρόκειται για συσκευές πολλών και διαφορετικών χρήσεων. Ευκολία στον έλεγχο λειτουργίας ή μη αφού διαθέτει ενδείξεις LED. Απαιτούν μηδαμινή συντήρηση. Παρέχουν υψηλές δυνατότητες δικτύωσης σε βιομηχανικό επίπεδο. 30

31 2.7: Μειονεκτήματα ενός PLC. Τα μειονεκτήματα που είναι δυνατόν να παρουσιάσουν οι σύγχρονοι λογικοί ελεγκτές έναντι του κλασσικού αυτοματισμού είναι: Σε μια σχετικά απλή εφαρμογή, θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε μια συστοιχία ηλεκτρονόμων και όχι να επιλέξουμε έναν λογικό ελεγκτή που αποτελεί ακριβή λύση. Σε περίπτωση τεχνικού προβλήματος του λογικού ελεγκτή, υπάρχει περίπτωση μη επισκευής και ανάγκη για ολική αντικατάσταση γεγονός αρκετά δαπανηρό. Ενώ αν είχαμε σύστημα με ηλεκτρονόμους η αντικατάστασή του θα γινόταν πολύ γρήγορα με την προσθήκη ενός ηλεκτρονόμου. Η εγκατάσταση και ο προγραμματισμός του λογικού ελεγκτή απαιτεί εξειδικευμένο προσωπικό ή επιμόρφωση του ήδη υπάρχοντος. Γεγονός που σημαίνει αυξημένο κόστος. 2.8: Τρόπος τοποθέτησης επιμέρους τμημάτων. Σε βιομηχανικό κυρίως επίπεδο οι λογικοί ελεγκτές τοποθετούνται σε πίνακες ελέγχου μαζί με τα επιμέρους τμήματά τους. Οι πίνακες αυτοί διαθέτουν οριζόντιες ράγες στήριξης (rack) σε κάθετη συνδεσμολογία. Τα επιμέρους τμήματα του λογικού ελεγκτή (τροφοδοτικό, κάρτες Ι/Ο ) δεν τοποθετούνται τυχαία. Εικόνα 24: Συστοιχία CPU και καρτών I/O τοποθετημένη σε ράγες. Στη πρωτεύουσα θέση της ράγας τοποθετείται η μονάδα τροφοδοσίας. Στην δεύτερη θέση τοποθετείται η CPU του ελεγκτή. Η τρίτη θέση χρησιμοποιείται για την τοποθέτηση της κάρτας διασύνδεσης των rack. Από εκεί και πέρα συνδέονται τα υπόλοιπα στοιχεία. Αυτή είναι η σειρά τοποθέτησης για την αρχική ράγα (rack 0). Σε 31

32 κάθε ράγα επέκτασης μπορούν να τοποθετηθούν μέχρι 8 κάρτες Ι/Ο. Η θέση 3 για κάθε ράγα είναι δεσμευμένη για την τοποθέτηση της κάρτας διασύνδεσης. 2.9: Διευθυνσιοδότηση Ονοματολογία. Ορολογίες όπως bit, Byte, Word είναι στενά συνδεδεμένες με τη χρήση και τον προγραμματισμό των λογικών ελεγκτών. Το bit είναι η στοιχειώδης μονάδα αποθήκευσης. Ένα bit μπορεί να πάρει 2 τιμές. Λογικό <1> για να μας δείξει την ύπαρξη τάσης και λογικό <0> για να μας δείξει την μη ύπαρξη τάσης. 1 Byte= 8 bit. 2 1 Word= 2 συνεχόμενα Byte. 3 Double Word= 4 συνεχόμενα Byte. 2.10: Γλώσσες προγραμματισμού ενός PLC. Οι λογικοί ελεγκτές υποστηρίζουν διάφορες γλώσσες για τον προγραμματισμό τους. Τέτοιες είναι οι LADDER, FBD (με χρήση λογικών πυλών), STL (λίστες εντολών), οι οποίες υπακούουν στα διεθνή πρότυπα IEC Υποστηρίζει διάφορες τεχνικές όπως δομημένος προγραμματισμός με χρήση μπλοκ οργάνωσης, μπλοκ δεδομένων (DB), μπλοκ δεδομένων συστήματος (SDB), μπλοκ λειτουργιών συστήματος (SFC). Εικόνα 25: STL γλώσσα προγραμματισμού. 32

33 Χρησιμοποιούνται οι εντολές λογικής BOOLEAN (AND, OR), λογικής Word Boolean (AND, OR), λογικής Double Boolean (AND,OR). Επίσης χρησιμοποιούνται εντολές Set / Reset (πχ. Inputs, Outputs, Memory s), εντολές ολίσθησης δεξιά, αριστερά και κυκλικής. Χρησιμοποιούνται εντολές για χρονικά και απαριθμητές. Καταχώρηση και μεταφορά δεδομένων. Εντολές σύγκρισης (16bit, 32 bit integer number, 32 bit float number). Εικόνα 26: Απεικόνιση γλώσσας προγραμματισμού ladder. Επίσης υποστηρίζει αριθμητικές πράξεις: α) Πρόσθεση, β) πολλαπλασιασμό, γ) Συνδυασμούς πράξεων, δ) τετραγωνική ρίζα, ε) λογαριθμική πράξη, ζ) τριγωνομετρική λειτουργία. 2.11: Επικοινωνία ενός PLC. Σειριακή επικοινωνία μέσω [6] συνδυασμού (RS 232/485). Εξυπηρετεί ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων 2.4 Kbit/sec Kbit/sec. Πλήρως αμφίδρομη επικοινωνία με τη χρήση του πρωτοκόλλου Ethernet/IP. Υποστηρίζονται ταχύτητες 10/100/1000 Μbit/sec. Οι λογικοί ελεγκτές είναι από τα βασικότερα εργαλεία παραγωγής και ελέγχου στα βιομηχανικά περιβάλλοντα. Ορισμένοι λόγοι που τον καθιστούν τόσο σημαντικό είναι οι εξής: 33

34 Ανοχή σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία που δημιουργούνται από ρεύματα υψηλής τάσης αλλά και από τη λειτουργία μεγάλων γεννητριών. Αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες (περίπου 65 βαθμούς Κελσίου). Αντοχή σε περιβάλλον με δονήσεις. 2.12: Μέθοδοι προσπέλασης προγράμματος. Το πρόγραμμα αυτοματισμού που εισαγάγει ο χρήστης είναι δυνατό να υλοποιείται από επιμέρους τμήματα, τα οποία η CPU του ελεγκτή εκτελεί λαμβάνοντας υπόψη αν συμβαίνουν κάποιες καταστάσεις. Τέτοιες καταστάσεις μπορεί να είναι η εκκίνηση του συστήματος, η ύπαρξη κάποιου σφάλματος. Τα προγράμματα που η υλοποίησή τους εξαρτάται από μια σειρά γεγονότων διακρίνονται σε τάξεις προτεραιότητας. Το κυρίως πρόγραμμα είναι χαμηλής τάξης προτεραιότητας, το οποίο υλοποιείται κυκλικά από τη CPU του ελεγκτή. Τα υπόλοιπα επιμέρους προγράμματα μπορούν να διακόψουν την εκτέλεση του κυρίως προγράμματος σε οποιαδήποτε φάση της υλοποίησής του. Όταν η CPU εκτελέσει την ανάλογη ρουτίνα (π.χ. ρουτίνα αποσφαλμάτωσης) επιστρέφει στο κυρίως πρόγραμμα. Εικόνα 27: Μέθοδος προσπέλασης προγράμματος. 34

35 Πριν ακόμη αρχίσει η εκτέλεση του κυρίως προγράμματος, η CPU υλοποιεί μια ρουτίνα εκκίνησης του συστήματος του λογικού ελεγκτή. Η ρουτίνα αυτή είναι δυνατό να ενεργοποιείται με το άνοιγμα της μονάδας τροφοδοσίας. Το σταμάτημα της εκτέλεσης του βασικού προγράμματος μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε από το υπόλοιπο σύστημα είτε από τη CPU του λογικού ελεγκτή. Οι περιπτώσεις σφαλμάτων που θα διακόψουν την υλοποίηση του κυρίως προγράμματος διακρίνονται σε δυο κατηγορίες. Τα σύγχρονα σφάλματα, που δεν σχετίζονται με την κυκλική εκτέλεση του προγράμματος και μπορούν να εμφανιστούν ανά πάσα στιγμή. Τέτοιου είδους σφάλμα είναι για παράδειγμα η διακοπή της τροφοδοσίας ενός βραχίονα του συστήματος. Στην αντίθετη περίπτωση τα σύγχρονα σφάλματα, προκαλούνται κατά την υλοποίηση του προγράμματος σε επίπεδο κυρίως λογισμικού. Όπως έχουμε ήδη αναφέρει και πιο πάνω η CPU του λογικού ελεγκτή εκτελεί τις λειτουργίες με κυκλική τροχιά. Ο χρόνος που χρειάζεται για να πραγματοποιηθεί μια κυκλική λειτουργία δηλαδή να ενημερωθεί η CPU από τις εισόδους, να επεξεργαστεί και να εκτελέσει όλες τις εντολές του προγράμματος μια φορά και να ενημερώσει τις εξόδους, ονομάζεται χρόνος κύκλου. 2.13: Μορφές προγραμματισμού. Όπως είναι ευρέως γνωστό, για να αναλύσουμε και να κατανοήσουμε ένα πολύπλοκο πρόγραμμα αυτοματισμού, το διασπούμε σε μικρότερα μέρη. Αυτός ο επιμέρους διαχωρισμός μπορεί να ακολουθηθεί και στη περίπτωση του προγραμματισμού, και τέλος να υλοποιηθεί η συγχώνευση σε ένα ολοκληρωμένο πρόγραμμα. 35

36 Εικόνα 28: Block διάγραμμα προγράμματος ενός PLC. Ένα πρόγραμμα αυτής της τεχνικής είναι δυνατό να διαμορφωθεί πιο εύκολα, τα επιμέρους στοιχεία του να κατασκευαστούν από διαφορετικές ομάδες ανθρώπων και να είναι εύκολα μεταφέρσιμο. Επίσης γίνεται πιο εύκολη η διόρθωση σφαλμάτων που ενδέχεται να προκύψουν καθώς και οι δοκιμές των αποτελεσμάτων του. Οι διάφορες τεχνικές που μπορούν να ακολουθηθούν για τη δημιουργία ενός προγράμματος αυτοματισμού είναι: Γραμμικός προγραμματισμός: Σε αυτή τη περίπτωση όλο το κυρίως πρόγραμμα βρίσκεται σε ένα μπλοκ. Προσφέρεται για μικρής έκτασης και χαμηλού βαθμού δυσκολίας προγράμματα. Μερικός προγραμματισμός: Βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στο γραμμικό προγραμματισμό. Η βασική διαφορά τους είναι ότι το κυρίως πρόγραμμα χωρίζεται σε παραπάνω του ενός μπλοκ. Προσφέρεται για την ανάπτυξη μεγάλων προγραμμάτων. Επειδή διασπάται σε επιμέρους μπλοκ είναι πιο εύκολο στην κατανόηση. Δομημένος προγραμματισμός: Ο δομημένος προγραμματισμός υλοποιείται σε εφαρμογές μεγάλης έκτασης αλλά και σε εφαρμογές που έχουν να αντιμετωπίσουν πολύπλοκα και κρίσιμα προβλήματα. Σε αυτή την τεχνική διασπούμε το κυρίως πρόγραμμα σε μπλοκ. Κάθε μπλοκ αναλαμβάνει μια ξεχωριστή λειτουργία. Καθορίζουμε εμείς τη σειρά των μπλοκ καθώς και τις κλήσεις αυτών, ανάλογα με το ποια θέλουμε να επεξεργαστεί πρώτα η CPU. 36

37 2.14: Σύγκριση τεχνικών προγραμματισμού. Η βασικότερη χωρίς καμία αμφιβολία γλώσσα προγραμματισμού κάθε ελεγκτή είναι η λίστα εντολών. Μερικοί λόγοι προς αυτό το συμπέρασμα είναι ότι παρέχει τις περισσότερες δυνατότητες καθώς και μεγαλύτερη ευελιξία. Βέβαια οι διαγραμματικές τεχνικές (λογικό διάγραμμα, διάγραμμα επαφών) έχουν το μεγάλο πλεονέκτημα της οπτικής παρακολούθησης για τη σωστή λειτουργία τους : Πλεονεκτήματα λίστας εντολών (STL) σε σχέση με τις γραφικές τεχνικές (LAD, FBD). Παρέχει τις περισσότερες δυνατότητες, διότι υπάρχουν εντολές που δεν μπορούν να δηχθούν ως σχήματα. Βέβαια αυτό θα αλλάξει στο μέλλον. Υπάρχει ακριβής ακολουθία εκτέλεσης εντολών από τη CPU. Διεκδικεί μικρότερο χώρο αποθήκευσης από τη μνήμη. Είναι πιο κατανοητή από σχετιζόμενους ανθρώπους. Πιο γρήγορη δημιουργία εντολών από ότι γραφικών απεικονίσεων : Μειονεκτήματα λίστας εντολών (STL) σε σχέση με τις γραφικές τεχνικές (LAD, FBD). Προγράμματα υλοποιημένα με λίστες εντολών δεν μπορούν να ελεγχθούν οπτικά, σε αντίθεση με τις γραφικές τεχνικές. Πλέον όμως υπάρχει δυνατότητα πρόσθεσης σχολίων τα οποία μειώνουν αυτή τη δυσκολία. Με τη βοήθεια μιας οθόνης που θα είναι συνδεδεμένη με το PLC μπορούμε ανά πάσα ώρα να ελέγξουμε τη φάση υλοποίησης του προγράμματος. Η βέλτιστη λύση σε αυτό το θέμα είναι, να δίνεται η δυνατότητα στους λογικούς ελεγκτές να προγραμματίζονται και με τις τρεις τεχνικές. Η επιλογή της τεχνικής δηλαδή να είναι θέμα μόνο του εκάστοτε προγραμματιστή. Επίσης σημαντικό γεγονός είναι και η συμβατότητα των τριών τεχνικών. Δηλαδή το πρόγραμμα της μιας τεχνικής να μετατρέπεται αμέσως σε πρόγραμμα της άλλης τεχνικής. 37

38 Ορισμένες εταιρείες κατασκευής PLC s είναι: SIEMENS Εικόνα 29: PLC της εταιρείας Siemens, σειρά s7 simatic. ALLEN BRADLEY Εικόνα 30: PLC της εταιρείας ALLEN BRADLEY, σειρά

39 MITSUBISHI Εικόνα 31: PLC της εταιρείας MITSUBISHI, σειρά FX2N. TELEMECHANIQUE Εικόνα 32: PLC της εταιρείας, TELEMECHANIQUE, TSX

40 Κεφάλαιο 3ο: Ηλεκτρονόμοι (relay). 3.1: Ιστορική αναδρομή. Σε πολύ μεγάλο ποσοστό των βιομηχανιών παγκοσμίως, χρησιμοποιούνται ηλεκτρομηχανικά μέσα τα οποία έχουν ως είσοδο ηλεκτρική τάση και ως έξοδο την κίνηση κάποιου μηχανικού μέρους. Ένα τέτοιο μέσο είναι και ο ηλεκτρονόμος (relay). Οι ηλεκτρονόμοι χρησιμοποιούν τετραγωνικούς παλμούς για την ενεργοποίησή τους. Πολλά αυτοματοποιημένα συστήματα χρησιμοποιούν εξελιγμένους ηλεκτρονόμους από ειδικά υλικά για άμεση απόκριση. Στη χώρα μας πολλές βιομηχανίες χρησιμοποιούν αρκετά παλαιά συστήματα με ηλεκτρονόμους, οι οποίοι χρησιμοποιούν πυρήνες παραδοσιακού σιδήρου. Με συνέπεια μεγάλη καθυστέρηση στην απόκριση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ολόκληρο το σύστημα να λειτουργεί σε χαμηλούς ρυθμούς. 3.2: Εξέλιξη των ηλεκτρονόμων. Μία σύγχρονη μέθοδος, με σκοπό την αύξηση της παραγωγής είναι η σύνδεση ενός ανεξάρτητου τροφοδοτικού που θα πραγματοποιεί κατάλληλη διαμόρφωση στον τετραγωνικό παλμό ελέγχου του ηλεκτρονόμου, με συνέπεια την ταχύτερη απόκρισή του. Μια παρόμοια συσκευή παρουσιάζουμε στην παρακάτω εικόνα. Εικόνα 33: Τρόπος λειτουργίας ηλεκτρονόμου. 40

41 3.3: Τι είναι ο ηλεκτρονόμος. Έχει πάρει διάφορες ονομασίες όπως ηλεκτρονόμος ή ρελές ή ρελέ (relay). Ο ηλεκτρονόμος [7] συμπεριφέρεται σαν ένας ηλεκτρικός διακόπτης που ενεργοποιεί ή απενεργοποιεί ένα κύκλωμα, κάτω από την άμεση επίδραση ενός άλλου ηλεκτρικού κυκλώματος. Στα πρώιμα στάδια της εξέλιξής του αποτελούνταν από ένα ηλεκτρομαγνήτη ο οποίος καθιστούσε ενεργό το διακόπτη με το κλείσιμο ή άνοιγμα επαφών. Ανακαλύφθηκε από τον Τζοζεφ Χένρυ περί το Ο ηλεκτρονόμος έχει την εξής ιδιότητα. Μπορεί να καθορίζει ένα ηλεκτρικό κύκλωμα εξόδου πολύ υψηλότερης τάσης από το κύκλωμα εισόδου. Κατά μια έννοια δηλαδή λειτουργεί και σαν ηλεκτρικός ενισχυτής. Ο ηλεκτρονόμος αποτελείται από επαφές. Οι επαφές αυτές μπορούν να έχουν τρεις καταστάσεις. Κανονικά ανοιχτή (ΝΟ) ή Κανονικά κλειστή (ΝC) ή μεταγωγικό, το οποίο διαφέρει από τύπο σε τύπο. Εικόνα 34: Ηλεκτρονόμος της εταιρείας OMRON. 41

42 3.4: Πώς λειτουργεί ένας ηλεκτρονόμος. Οι ηλεκτρονόμοι έχουν 2 ηλεκτρικές τάσεις ενεργοποίησής τους. Την ηλεκτρική τάση έλξης του ελάσματος και την ηλεκτρική τάση συγκράτησης του ελάσματος. Η ηλεκτρική τάση έλξης πρέπει να είναι μεγαλύτερη από αυτή της ηλεκτρικής τάσης συγκράτησης, η οποία εφαρμόζεται στα άκρα του πηνίου ώστε να υλοποιήσει ένα μαγνητικό πεδίο αρκετά ισχυρό που να μπορεί να μετακινήσει το μεταλλικό έλασμα. Επίσης η ηλεκτρική τάση έλξης πρέπει να είναι τόσο ισχυρή ώστε να υπερνικήσει την αδράνεια του μεταλλικού ελάσματος. Ένας εμπορικός ηλεκτρονόμος έχει τυπική ηλεκτρική τάση έλξης 24V και ηλεκτρική τάση συγκράτησης 19V. Άρα αμέσως αντιλαμβανόμαστε ότι ο τετραγωνικός παλμός στην έξοδο του PLC πρέπει να είναι τουλάχιστον 24V. Αν εφαρμόσουμε υψηλότερη τάση στον ηλεκτρονόμο, θα έχουμε από τη μια ταχύτερη απόκριση αλλά από την άλλη γρηγορότερη καταστροφή του (θερμική γήρανση). Οι ηλεκτρονόμοι υλοποιούνται για να αποκρίνονται ταχύτατα. Εικόνα 35: Τρόπος λειτουργίας ηλεκτρονόμου. Επαφή Κανονικά ανοικτή: Όταν o ηλεκτρονόμος ενεργοποιηθεί, τότε η επαφή κλείνει το κύκλωμα και έχουμε την ενεργοποίησή του. Όταν ο ηλεκτρονόμος απενεργοποιηθεί το κύκλωμα μένει ανοιχτό δηλαδή απενεργοποιείται. Ονομάζεται και επαφή μορφής Α. Επαφή Κανονικά κλειστή: Όταν ο ηλεκτρονόμος ενεργοποιηθεί, τότε η επαφή ανοίγει το κύκλωμα και έχουμε την απενεργοποίησή του. Όταν ο ηλεκτρονόμος 42

43 απενεργοποιηθεί το κύκλωμα μένει κλειστό δηλαδή ενεργοποιείται. Ονομάζεται και επαφή μορφής Β. Εικόνα 36: Βασική ιδεολογία λειτουργίας ηλεκτρονόμου. Επαφή μεταγωγική: Έχει τη δυνατότητα να ελέγχει 2 κυκλώματα. Είναι ισοδύναμη με μια επαφή κανονικά ανοιχτή και μια επαφή κανονικά κλειστή, οι οποίες συνδέονται με ένα καλώδιο. Ονομάζεται και επαφή μορφής C. Η δομή ενός ηλεκτρονόμου είναι δυνατόν να περιέχει περισσότερες από μια επαφές. Περιλαμβάνει κύριες και βοηθητικές επαφές. Οι κύριες διαρρέονται συνήθως από υψηλότερες τάσεις ρεύματος, και έχουν τον έλεγχο ενεργοποίησης ή απενεργοποίησης του κύριου κυκλώματος. Οι βοηθητικές είναι υπεύθυνες για την ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση βοηθητικών λυχνιών για την ένδειξη καλής λειτουργίας. 3.5: Μέρη ηλεκτρονόμου. Καθώς η ηλεκτρική τάση περνά διαμέσου του πηνίου του ηλεκτρονόμου, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που παράγεται έλκει το μεταλλικό έλασμα. Με αυτό το τρόπο το μεταλλικό έλασμα συνδέεται πάνω σε μια επαφή. Μόλις η ηλεκτρική τάση μηδενιστεί τότε το μεταλλικό έλασμα επανέρχεται στην αρχική του θέση με τη βοήθεια ενός ελατηρίου. Το ελατήριο αυτό ασκεί δύναμη ίση με το μισό της ελκτικής. Πολλές φορές χρησιμοποιείται και η βαρύτητα για την επιστροφή του ελάσματος στην θέση ηρεμίας του. Η διακοπή της ηλεκτρικής τάσης στο πηνίο, δημιουργεί ένα ρεύμα αντίστροφης φοράς που ονομάζεται επαγωγικό. 43

44 Εικόνα 37: Βασικά μέρη ηλεκτρονόμου. Η φόρτιση του πηνίου και η μετακίνηση του μεταλλικού ελάσματος χρειάζονται αρκετά μεγάλη ένταση ηλεκτρικού ρεύματος. Όταν όμως η επαφή κλείσει τότε το ηλεκτρικό ρεύμα που χρειάζεται για κλειστή επαφή είναι το 1/10 του αρχικού. Αυτό βέβαια γίνεται για συγκεκριμένο σκοπό. Σε συστήματα χαμηλής τάσης σκοπεύει στη μείωση του θορύβου. Ενώ σε συστήματα υψηλής τάσης αποσκοπεί στη μείωση των σπινθηρισμών. Εικόνα 38: Ηλεκτρονόμος στερεάς κατάστασης.. Υπάρχουν δύο κατηγορίες ηλεκτρονόμου: Ηλεκτρομηχανικοί ηλεκτρονόμοι. Στερεάς κατάστασης ηλεκτρονόμοι. 44

45 Κεφάλαιο 4ο: Περιγραφή της δικής μου εργασίας. 4.1: Σχεδίαση του συστήματος SCADA. Για την γραφική απεικόνιση του συστήματος SCADA χρησιμοποιήσαμε την εφαρμογή FactoryTalk View Studio-Site Edition. Η δημιουργία του γραφικού περιβάλλοντος του συστήματος SCADA γίνεται μέσα από μια πληθώρα μενού επιλογών, ξεκινώντας από την δημιουργία μιας νέας εργασίας. Θα παραθέσουμε ενδεικτικά ορισμένες εικόνες. Εικόνα 39: Δημιουργία πλαισίου για την εισαγωγή τιμών. Εύρος τιμών 0-135mm. 45

46 Εικόνα 40: Απεικόνιση της οριζόντιας κίνησης του μοτέρ καθώς και το εύρος των pixels που καταλαμβάνει στην οθόνη. 46

47 Εικόνα 41: Δημιουργία αισθητηρίου εναλλαγής χρωμάτων (κόκκινο-πράσινο) που σχετίζεται με την θέση του μοτέρ. 47

48 Εικόνα 42: Απεικόνιση της θέσης του μοτέρ για το δεύτερο αισθητήριο. 4.2: Προγραμματισμός της CPU του PLC. Ο προγραμματισμός του μικροεπεξεργαστή του ελεγκτή έγινε σε γλώσσα προγραμματισμού LADDER. Το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε είναι το RSLogix 500 Pro Edition 8.0. Πρόκειται για λογισμικό της εταιρείας Rockwell. Παραθέτουμε ορισμένες εικόνες από την δημιουργία του προγράμματος. Και εδώ το πρόγραμμα ξεκινά με την δημιουργία μιας νέας εργασίας. 48

49 Εικόνα 43: Πληροφορίες σχετικά με το πρόγραμμα RSLogix 500 Pro Edition 8.0. Εικόνα 44: Δημιουργία νέου αρχείου, διαλέγουμε τον τύπο του PLC. 49

50 Εικόνα 45: Δημιουργία πρώτου rung. Περιλαμβάνει έναν συγκριτή ορίων και δυο συνθήκες σε παράλληλη συνδεσμολογία. Συγκρίνει την δοτή θέση από το SCADA (F8:10) να είναι μέσα στα όρια και εφόσον ισχύει, πηγαίνει και κοιτάζει αν η τιμή είναι μεγαλύτερη από την πραγματική θέση του μοτέρ F8:0 τότε Β3:0/3 είναι η βοηθητική εντολή για κίνηση έξω. Αν είναι μικρότερη ή ίση, τότε Β3:0/4 η βοηθητική εντολή για κίνηση μέσα. Εικόνα 46: Δημιουργία δευτέρου rung. Προσθέτουμε και αφαιρούμε στο F8:10 (scada setpoint) μια ανοχή για να καλύψουμε τα μηχανικά κενά και αποθηκεύουμε την τιμή στα F8:1 (θετική ανοχή) και F8:2 (αρνητική ανοχή). 50

51 Εικόνα 47: Δημιουργία τρίτου rung. Συγκρίνει το F8:0 (υπάρχουσα θέση μοτέρ) ώστε να βρίσκεται εντός ορίων μεταξύ F8:1 και F8:2 και εφόσον είναι αληθής, οπλίζει το Β3:0/5 (που σημαίνει ότι βρήκε τη σωστή θέση). Εικόνα 48: Δημιουργία τέταρτου και πέμπτου rung. Όταν πατηθεί το διακοπτάκι για έξω θέση I:0/4 δίνει έναν θετικό ανερχόμενο παλμό Β3:0/7 και κάνει Move την σταθερή τιμή 30.0 στο F8:0. Αντίστοιχα και το I:0/3 που είναι το τερματικό όριο μέσα θέσης δίνει ένα ανερχόμενο παλμό Β3:0/0 και αποθηκεύει την τιμή 0 και είναι το 0 στο F8:0. Εικόνα 49: Δημιουργία έκτου rung. Το μπλοκ αυτό Scale with parameters κάνει αναγωγή κλίμακας. 51

52 Εικόνα 50: Δημιουργία έβδομου rung. B3:0/3 εάν συνθήκη για κίνηση έξω αληθής και όσο συνθήκη Β3:0/5 που είναι θέση οκ ισούται με ψευδής και δεν έχει πατηθεί ο διακόπτης τέρμα έξω (Ι:0/4) και δεν ισχύει συνθήκη για κίνηση μέσα Β3:0/2 τότε Β3:0/1 συνθήκη για κίνηση έξω ισούται με αληθής (οπλίζει). Εικόνα 51: Δημιουργία όγδοου rung. Αντίστοιχα όπως και προηγουμένως αλλά για κίνηση μέσα. Εικόνα 52: Δημιουργία ένατου και δέκατου rung. Στο ένατο rung εφόσον ισχύει η συνθήκη για κίνηση έξω Β3:0/1 τότε προσθέτει στο F8:0 την σταθερή τιμή Δηλαδή είναι ένας εικονικός encoder έλεγχου θέσης, όσο κινείται έξω προσθέτει την τιμή 0.01 διότι δεν έχουμε ανάδραση. Στο δέκατο rung εφόσον ισχύει η συνθήκη για κίνηση μέσα Β3:0/2 τότε αφαιρεί την τιμή 0.01 για τον ίδιο λόγο. 52

53 Εικόνα 53: Δημιουργία εντέκατου και δωδέκατου rung. Εφόσον ισχύει η συνθήκη Β3:0/1 που είναι για κίνηση έξω, δίνει εντολή στη φυσική έξοδο Ο: 0/0 που είναι το ρελέ για κίνηση έξω. Αντίστοιχα στο δωδέκατο rung, εφόσον ισχύει η συνθήκη Β3: 0/2 που είναι για κίνηση μέσα τότε οπλίζει τη φυσική έξοδο Ο:0/1 που είναι το ρελέ για κίνηση μέσα : Είδος PLC που χρησιμοποιήσαμε. Χρησιμοποιήσαμε PLC βιομηχανικού τύπου MicroLogix 1100 [6] της εταιρείας ALLEN BRADLEY. Εικόνα 54: Το PLC σε run mode. 53