Διπλωματική εργασία Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR

Transcript

1 Πολυτεχνική Σχολή Α.Π.Θ. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Yπολογιστών Τομέας Ηλεκτρονικής και Υπολογιστών Διπλωματική εργασία Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR των φοιτητών Χιονίδη Ιωάννη Παραστατίδη Νικόλαου Επιβλέπων: Αναπληρωτής Καθηγητής Λουκάς Πέτρου Θεσσαλονίκη 2009

2

3 1 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR Χιονίδη Ιωάννη Παραστατίδη Νικόλαου Πολυτεχνική Σχολή Α.Π.Θ. Τμήμα Η.Μ.Μ.Υ.

4 2 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR

5 3 Στην οικογένειά μου και στην Ελένη Γ.Χ. <<Ήρεμα, ήρεμα>>, είπε ο Γουλιέλμος.<<Δεν ξέρω γιατί, αλλά δεν έχω δει ποτέ μια μηχανή, όσο τέλεια και αν την περιγράφουν οι φιλόσοφοι, να είναι τέλεια στην μηχανική της λειτουργία.>> - Umberto Eco Αφιερωμένο στους γονείς μου και στον παππού μου Ν.Π. Ohne Musik wäre das Leben ein Irrtum. Χωρίς τη μουσική η ζωή θα ήταν ένα λάθος. - Friedrich Nietzsche

6 4 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR

7 5 Πρόλογος Η διπλωματική αυτή εργασία έχει ως στόχο την κατασκευή ενός Προγραμματιζόμενου Λογικού Ελεγκτή (PLC) με βάση έναν μικροελεγκτή AVR της εταιρίας Atmel. Κατά την εκπόνησή της, κατανοήσαμε όχι μόνο τον τρόπο που πρέπει να λειτουργεί ένα PLC ως σύστημα αυτοματισμού αλλά και ως μια συσκευή που αποτελείται από επιμέρους κομμάτια τα οποία πρέπει να συνεργαστούν για το συνολικό αποτέλεσμα. Η εργασία αυτή περιλαμβάνει μια τομή ανάμεσα σε υλικό (hardware) και λογισμικό (software) παρέχοντας έτσι τριβή και στα δύο αντικείμενα καθώς και στον τρόπο που αυτά συνδυάζονται. Έτσι, αναγκαστήκαμε να πάρουμε πρωτοβουλίες. Ήρθαμε σε επικοινωνία με εταιρίες, μπήκαμε στην διαδικασία αξιολόγησης των εξαρτημάτων που επρόκειτο να αγοράσουμε, λαμβάνοντας υπόψιν παράγοντες όπως κόστος, αξιοπιστία και παρεχόμενο documentation για κάθε εξάρτημα. Επίσης, στον τομέα του λογισμικού η ανάπτυξη του κώδικα, η αποσφαλμάτωση και διόρθωσή του αποτέλεσαν εξίσου επίπονες αλλά και δημιουργικές διαδικασίες. Πλέον έχουμε μια πρώτη άποψη για το τι επικρατεί στον τομέα τον PLC αλλά και γενικότερα στον τομέα του hardware. Από την όλη διαδικασία κερδίσαμε πρακτικές γνώσεις και εμπειρία, γύρω από το αντικείμενο των PLC αλλά και των μικροελεγκτών γενικότερα. Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον καθηγητή μας, Λουκά Πέτρου, για την καθοδήγηση και τις συμβουλές του, τον υπεύθυνο του εργαστηρίου μικροηλεκτρονικής Γιώργο Βουκαλή για την πολύτιμη βοήθειά του στο τεχνικό μέρος της εργασίας καθώς και τους διδακτορικούς φοιτητές Μάνο Τσαρδούλια και Μπάμπη Σερένη για την στήριξή τους. Ειδικές ευχαριστίες θα θέλαμε να απευθύνουμε στο Νίκο Τζελεπή.

8 6 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR

9 7 Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1: Γενική περιγραφή PLC Το PLC και η ιστορία του Χαρακτηριστικά και Δυνατότητες των PLC Διαβάθμιση Συστήματος Διάδραση με τον Χρήστη Επικοινωνία Αναφορά στο RS Αναφορά στο RS Αναφορά στο Modbus Fieldbuses (DeviceNet, Profibus) Σύγκριση PLC με άλλα συστήματα ελέγχου Σήματα αναλογικά και ψηφιακά Προγραμματισμός PLC Γλώσσα Συναρτησιακών διαγραμμάτων (FBD) Συναρτησιακά διαγράμματα Συναρτησιακές δομές Διαγράμματα σκάλας (Ladder Diagram) Γλώσσα δομημένου κειμένου (Structured Τext) Γλώσσα Λίστας Εντολών (Instruction List) Γλώσσα ακολουθιακών διαγραμμάτων ροής (SFC) Ιστορική αναδρομή στην ανάπτυξη των PLC Αναδρομή Ανάπτυξη Προγραμματισμός Λειτουργικότητα Σημερινή κατάσταση στην αγορά των PLC...30 Κεφάλαιο 2: Σχεδιασμός του PLC Γενική δομή Εσωτερική δομή Πρωτόκολλο για επικοινωνία Πυρήνα - H128CAN Προδιαγραφές (Specifications) Γραφικό περιβάλλον (GUI) Επικοινωνία με PC - Επέκταση πρωτοκόλλου Πυρήνα H128CAN...41 Κεφάλαιο 3: Εξαρτήματα AVR (Atmega128) Κάρτα Ι/Ο με χρήση H128CAN Δομή κάρτας Ι/Ο AVR-H128CAN Το H128CAN πάνω στην κάρτα Ι/Ο Olimex AVR-IO Περιγραφή Digital to Analog Converter (MCP4922)...56 Περιγραφή...56 Σφάλματα INL και DNL Αισθητήρια Αναλογικό αισθητήριο θερμοκρασίας LM35DZ Αναλογικό αισθητήριο υγρασίας HS2000V...61

10 8 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR Κεφάλαιο 4: Εφαρμογές Ανάπτυξη του λογισμικού ελέγχου χημικής διεργασίας Περιγραφή Υλοποίηση και σχολιασμός Εφαρμογή 2η Περιγραφή συστήματος διαχείρισης σιλό Υλοποίηση και σχολιασμός Εφαρμογή 3η Περιγραφή εγκατάστασης βιομηχανικής ψύξης Υλοποίηση και σχολιασμός Εφαρμογή 4η Περιγραφή εγκατάστασης έξυπνου σπιτιού Υλοποίηση και σχολιασμός...78 Κεφάλαιο 5: Σχολιασμός Σχόλια επί του hardware Σχόλια επί των εφαρμογών Γενικός σχολιασμός - Κατακλείδα...82 Παράρτημα...85 Βιβλιογραφικές αναφορές...85 Πηγές εικόνων...85 Software...86

11 Κεφάλαιο 1: Γενική περιγραφή PLC 9 Κεφάλαιο 1: Γενική περιγραφή PLC 1.1 Το PLC και η ιστορία του Ένας Programmable Logic Controller (PLC) είναι ένα ψηφιακό υπολογιστικό σύστημα το οποίο χρησιμοποιείται ως πλατφόρμα για την ανάπτυξη αυτοματοποιημένων εφαρμογών. Τα PLC έχουν ένα ιδιαίτερα ευρύ πεδίο εφαρμογών από την αυτοματοποίηση της βαριάς βιομηχανίας έως απλές χρήσεις όπως ο έλεγχος φωτισμού. Αντίθετα με τους υπολογιστές γενικής χρήσης το PLC έχει σχεδιαστεί με την λογική να ανταποκριθεί σε απαιτήσεις όπως: πολλαπλές είσοδοι και έξοδοι, μεγάλο εύρος θερμοκρασιών λειτουργίας, ανοσία στον ηλεκτρικό θόρυβο, και αντίσταση/αντοχή στην δόνηση και επαφή. Τα προγράμματα που χρησιμοποιούνται αποθηκεύονται στην μνήμη του PLC. Το PLC αποτελεί ένα παράδειγμα συστήματος πραγματικού χρόνου (real-time system) με την λογική ότι οι έξοδοι του προκύπτουν ως απόκριση στις συγκεκριμένες εισόδους εντός προκαθορισμένων χρονικών ορίων. Τα PLC αποτελούν την εξέλιξη των μεθόδων κλασικού αυτοματισμού (relay logic) που κυριαρχούσαν στην βιομηχανία έως και την δεκαετία του 80. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας οδήγησε στην ανάγκη για πιο ευφυή και αξιόπιστα συστήματα αυτοματοποίησης. Ταυτόχρονα η ίδια η τεχνολογία κατέστη ικανή να παρέχει την γνώση για την κατασκευή ενός τέτοιου συστήματος. Έτσι, την δεκαετία του 70 αρχίζουν να εμφανίζονται τα πρώιμα PLC και να χρησιμοποιούνται σε αυτοκινητοβιομηχανίες, όπως η General Motors, για την αυτοματοποίηση της γραμμής παραγωγής της. Αργότερα, οι ραγδαίες εξελίξεις στον τομέα της ηλεκτρονικής έδωσαν τεράστια ώθηση στην ανάπτυξη τωv μονάδων αυτοματισμού έως και σήμερα όπου τα PLC κυριαρχούν στην βιομηχανία παρέχοντας πολύ μεγαλύτερες δυνατότητες στους χρήστες τους. Οφείλουμε να σημειώσουμε εδώ ότι υπήρχαν πάντα δύο γνώμονες πάνω στους οποίους κινείται η φιλοσοφία του σχεδιασμού ενός PLC. Ο πρώτος έχει να κάνει με την αξιοπιστία. Τα PLC είναι μία ακριβή τεχνολογία παρόλο που έχουν πολύ μικρότερη υπολογιστική ισχύ ακόμα και από έναν μέτριο προσωπικό Η/Υ της αγοράς. Αυτό συμβαίνει γιατί σχεδιάζονται ώστε να προσφέρουν υψηλή σταθερότητα και αξιοπιστία στην λειτουργία τους καθώς και στην εμφάνιση βλαβών ενώ δεν υπάρχει τόσο μεγάλη απαίτηση σε ταχύτητα αφού οι αναγκαίοι χρόνοι απόκρισης είναι εύκολα επιτεύξιμοι με την παρούσα τεχνολογία. Ο

12 10 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR δεύτερος γνώμονας είναι η ευελιξία. Ένα PLC πρέπει να μπορεί να προγραμματίζεται, να συναρμολογείται και να εγκαθίσταται εύκολα, αποδοτικά και γρήγορα. 1.2 Χαρακτηριστικά και Δυνατότητες των PLC Η ειδοποιός διαφορά μεταξύ άλλων υπολογιστικών συστημάτων και του PLC, προκύπτει από το γεγονός ότι τα τελευταία είναι εξοπλισμένα έτσι ώστε να μπορούν να αντιμετωπίσουν ακραίες καταστάσεις όπως σκόνη, υγρασία, ζέστη, κρύο. Επίσης τα PLC έχουν την δυνατότητα χρήσης σχετικά εκτεταμένου αριθμού εισόδων/ εξόδων. Οι έξοδοι ενός PLC μπορούν να ελέγχουν ηλεκτρικούς κινητήρες, υδραυλικούς και πνευματικούς κυλίνδρους, μαγνητικά relay και σωληνοειδή. Οι είσοδοι και έξοδοι του PLC μπορεί να είναι τοποθετημένες πάνω στο ίδιο το PLC ή να είναι συνδεδεμένες σε ένα δίκτυο υπολογιστών το οποίο επικοινωνεί με αυτό. Στην ουσία, το PLC αναγνωρίζει την κατάσταση ενός συστήματος, διαβάζοντας διάφορες μεταβλητές στις εισόδους του, και καθορίζει μέσα από μία διαδικασία, η οποία έχει προγραμματιστεί από τον χρήστη, τις επιθυμητές εξόδους. Στόχος της χρήσης του PLC, σύμφωνα με τον πατέρα του PLC Dick Morley, είναι να απαλλάξει την ανθρώπινη κοινωνία, από την ανάγκη διεκπεραίωσης επικίνδυνων για την υγεία των μελών της, εργασιών. Τέτοιες εργασίες υπάρχουν είτε στην αυτοκινητοβιομηχανία είτε στην τομέα της παρασκευής φαρμάκων, όπου ορισμένες θέσεις εργασίας χαρακτηρίζονται από υψηλό επίπεδο επικινδυνότητας ο οποίος απορρέει από την φύση τον χημικών διεργασιών. [B.6] 1.3 Διαβάθμιση Συστήματος Ένα μικρό PLC περιλαμβάνει έναν σταθερό αριθμό ενσωματωμένων συνδέσεων για εισόδους και εξόδους. Στην πράξη υπάρχει η δυνατότητα επέκτασης εάν το βασικό μοντέλο δεν έχει έναν αρκούντως ικανοποιητικό αριθμό εισόδων/ εξόδων. Συνήθως τα PLC αποτελούνται από συστοιχίες συγκεκριμένου τύπου εξαρτημάτων τα οποία τοποθετούνται σε ένα rack και καθένα εκ των οποίων έχει μια διαφορετική λειτουργικότητα. Ο επεξεργαστής και το τμήμα των εισόδων/εξόδων επιλέγεται καταλλήλως για την εκάστοτε εφαρμογή. Ο επεξεργαστής έχει την δυνατότητα να ελέγξει μια σειρά τέτοιων rack και κάποιες χιλιάδες εισόδων και εξόδων. Μια ειδική σειριακή σύνδεση των rack με τον επεξεργαστή υλοποιείται σε περιπτώσεις μεγάλων εγκαταστάσεων για την ελαχιστοποίηση των καλωδιώσεων. 1.4 Διάδραση με τον Χρήστη

13 Κεφάλαιο 1: Γενική περιγραφή PLC 11 Αναγκαία είναι η επικοινωνία των PLC με τον άνθρωπο για την προσαρμογή τους, τον έλεγχο συναγερμών ή τον καθημερινό ελέγχου. Για τους προαναφερθέντες λόγους υπάρχει ανάγκη για την δημιουργία ενός περιβάλλοντος διάδρασης μεταξύ ανθρώπου και μηχανής (Human-Machine Interface). Το περιβάλλον αυτά αναφέρεται ως περιβάλλον διάδρασης ανθρώπου με μηχανές (Man Machine Interface) ή γραφικό περιβάλλον χρήστη (GUI- Graphical User Interface). Ένα απλό σύστημα διάδρασης μπορεί να αποτελείται από πλήκτρα/ διακόπτες και LED για την επίτευξη επικοινωνίας με τον χρήστη. Για την υλοποίηση επικοινωνίας μέσω ενός απλοϊκότερου, για τον χρήστη (User Friendly), τρόπου προτείνεται η ενσωμάτωση οθονών επαφής (Touch Screen) και οθονών LCD. Πιο πολύπλοκα συστήματα χρησιμοποιούν λογισμικό προγραμματισμού και έλεγχου διεργασιών μέσω ενός υπολογιστή, με ένα PLC συνδεδεμένο με τον υπολογιστή μέσω ενός λογισμικού επικοινωνίας. 1.5 Επικοινωνία Τα PLC έχουν ενσωματωμένη δυνατότητα επικοινωνίας μέσω 9-Pin RS-232 και εναλλακτικά με RS485 και ethernet. Ακόμη χρησιμοποιείται και το πρωτόκολλο Modebus ή αλλιώς DF1. Άλλες επιλογές είναι η χρήση fieldbus,το οποίο δεν είναι κάτι άλλο από μια κατηγορία πρωτοκόλλων δικτυακής επικοινωνίας για διανεμημένα συστήματα ελέγχου πραγματικού χρόνου, το οποίο πλέον έχει κυρωθεί και επίσημα ως IEC Δύο μέθοδοι επικοινωνίας οι οποίες ανήκουν στην κατηγορία fieldbuses είναι οι DeviceNet και Profibus. Τα σύγχρονα PLC επικοινωνούν μέσα από ένα δίκτυο με άλλα συστήματα, όπως ένας υπολογιστής ο οποίος τρέχει ένα πρόγραμμα τύπου επίβλεψης ελέγχου και ανάκτησης δεδομένων SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) ή μέσω ενός Web Browser. Τα PLC, τα οποία χρησιμοποιούνται σε μεγαλύτερα συστήματα εισόδου/εξόδου, μπορεί να χρησιμοποιούν peer-to-peer (P2P) επικοινωνία μεταξύ των μικροεπεξεργαστών. Αυτό επιτρέπει στα επιμέρους τμήματα ενός πολύπλοκου συστήματος να έχουν αυτονομία. Αυτοί οι σύνδεσμοι επικοινωνίας χρησιμοποιούνται και την διάδραση ανθρώπου-μηχανής μέσω συσκευών όπως πληκτρολόγια ή υπολογιστικού τύπου σταθμών εργασίας (PC-type workstations) ή μέσω οθονών touch. Κάποια από τα σημερινά PLC μπορούν να επικοινωνούν με διάφορους τρόπους συμπεριλαμβανομένων RS-485, Coaxial ακόμη και Ethernet για συστήματα ελέγχου εισόδου/εξόδου με ταχύτητες δικτύου μέχρι και 100 Mbit/s Αναφορά στο RS-232 Στις τηλεπικοινωνίες το RS-232 (Recommended Standard 232) είναι ένα πρωτόκολλο για σειριακή μετάδοση ψηφιακών σημάτων δεδομένων, το οποίο συνδέει ένα Τερματικό δεδομένων εξοπλισμούω (Data Terminal Equipment) με ένα κύκλωμα δεδομένων τερματικού εξοπλισμού (Data Circuit- terminating Equipment). Η επικοινωνία μέσω του

14 12 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR πρωτοκόλλου αυτού είναι κατά βάση ασύγχρονη. Στο Σχήμα 1.1 απεικονίζεται χαρακτηριστικά η δομή ενός προς μετάδοση frame είναι. Τα Dx, όπου x=0..7 ως προς μετάδοση bits. Bit εκκίνησης D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Bit ισοτιμιας είναι τα Bit Bit λήξης λήξης Σχήμα 1.1 Frame μετάδοσης σε RS232 Οι πιο κοινοί ρυθμοί μετάδοσης είναι αυτοί των 300, 600, 1200, 1800, 2000, 2400, 4800, 9600, bits ανά δευτερόλεπτο. Τα επίπεδα των τάσεων οι οποίες αντιστοιχούν στα δυαδικά ψηφία 1 και 0 είναι τα 12V και -12V αντίστοιχα. Για την ομαλή διάδοσης πληροφορίας σύμφωνα με το πρότυπο RS-232 χρειάζονται κάποιες μονάδες τερματικού (DTE) και μονάδες επικοινωνίας (DCE). Γενικότερα ενώ το πρότυπο RS-232 προβλέπει ένα μεγάλο αριθμό pin/σημάτων κυρίως για χειραψία τα οποία και διασφαλίζουν την ορθότητα και ακεραιότητα των δεδομένων, υπάρχει επιπλέον η δυνατότητα επικοινωνίας με χρήση μόνο τριών pin RxD, TxD και GND. Είναι προφανές ότι σε αυτή την περίπτωση μειώνουμε το κόστος σε hardware συνδέσεις έχοντας όμως μικρότερη αξιοπιστία για την ορθότητα της ληφθείσας από τον δέκτη πληροφορίας Αναφορά στο RS-485 Στις τηλεπικοινωνίες το EIA-485 (πρώην RS-485) είναι ένα πρωτόκολλο για 2 γραμμές επικοινωνίας, μονόδρομης, πολλαπλών κόμβων. Έχει την δυνατότητα επέκτασης σε αποστάσεις μέχρι και 1200 μέτρα. Αυτό το πρωτόκολλο έχει πλέον περάσει υπό την εποπτεία και ευθύνη του φορέα TIA (Telecomunications Industry Association) και φέρει το όνομα TIA-485-A Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems (ANSI/TIA/EIA-485-A-98) (R2003) το οποίο πρακτικά σημαίνει ότι το πρωτόκολλο επανεκδόθηκε χωρίς κάποιες επιμέρους αλλαγές. Κάνοντας χρήση του RS-485 υπάρχει η δυνατότητα επίτευξης ταχυτήτων μέχρι και 10 Mbits/sec, ενώ το συνολικό μήκος των αντίστοιχων γραμμών επικοινωνίας ανέρχεται μέχρι τα 1000 μέτρα. Ακόμη υπάρχει η δυνατότητα σύνδεσης μέχρι και 32 διαφορετικών μονάδων οδήγησης και λήψης στον ίδιο δίαυλο Αναφορά στο Modbus To Modbus αποτελεί ένα πρωτόκολλο σειριακής επικοινωνίας το οποίο εκδόθηκε από

15 Κεφάλαιο 1: Γενική περιγραφή PLC 13 την Modicon το 1979 για την χρήση του σε Programmable Logic Controllers (PLCs). Αποτελεί πλέον ένα ευρέος διαδεδομένο πρωτόκολλο επικοινωνίας στην βιομηχανία και πλέον αποτελεί το περισσότερο χρησιμοποιούμενο μέσο για την διασύνδεση βιομηχανικών συσκευών. Οι κυριότεροι λόγοι για την προτίμηση του Modbus είναι οι εξής: Ι) ανοιχτή έκδοση του και ελεύθερη χρήση της πατέντας, ΙΙ) σχετικά εύκολα υλοποιήσιμο βιομηχανικό δίκτυο, ΙΙΙ) μεταδίδει bits ή λέξεις χωρίς να θέτει πολλούς περιορισμούς στους χρήστες. Το Modbus επιτρέπει την επικοινωνία μεταξύ πολλών συσκευών συνδεδεμένων στο ίδιο δίκτυο. Ως παράδειγμα μπορούμε να αναφέρουμε ένα σύστημα το οποίο μετρά θερμοκρασία και υγρασία και το οποίο στέλνει τα δεδομένα σε έναν κεντρικό υπολογιστή. Το Modbus συχνά χρησιμοποιείται για την σύνδεση ενός υπολογιστή, ο οποίος επιβλέπει την διαδικασία μέσω ενός τερματικού (Remote Terminal Unit ή RTU), με ένα σύστημα επίβλεψης/ ελέγχου και ανάκτησης δεδομένων (SCADA). Κάθε συσκευή η οποία σκοπεύει να επικοινωνήσει με την χρήση Modbus της δίδεται μια μοναδική διεύθυνση. Σε σειριακά και Modbus+ δίκτυα μόνο ο κόμβος που ονομάζεται master μπορεί να στείλει μια εντολή, σε αντιδιαστολή με τα δίκτυα που χρησιμοποιούν ethernet και στα οποία οποία οποιαδήποτε συσκευή μπορεί να στείλει μια εντολή, παρόλο που μόνο μια master συσκευή συνήθως κάνει αυτό. Μια εντολή Modbus εμπεριέχει την διεύθυνση της συσκευής η οποία θα πρέπει να την λάβει. Όλες οι εντολές Modbus περιέχουν πληροφορίες για την επαλήθευση της ορθότητας, εγκυρότητας και ακεραιότητας της κάθε εντολής η οποία στέλνεται. Οι βασικές εντολές Modbus μπορούν να καθοδηγήσουν ένα RTU να αλλάξει την τιμή ενός εκ των καταχωρητών του, να ελέγξει ή να διαβάσει τις θύρες εισόδου/ εξόδου (I/ O Ports) όπως και επίσης να ζητήσει από μια μηχανή να στείλει μια ή περισσότερες τιμές οι οποίες βρίσκονται στους καταχωρητές της. Υπάρχουν πολλά modem και πύλες διαφυγής που υποστηρίζουν Modbus, καθότι είναι ένα πολύ απλό πρωτόκολλο και συχνά αντιγράφεται. Ορισμένα από αυτά έχουν σχεδιαστεί ειδικά για αυτό το πρωτόκολλο. Υπάρχουν και άλλες υλοποιήσεις του πρωτοκόλλου ενσύρματες, ασύρματες ακόμη και με SMS ή GPRS. Τα προβλήματα τα οποία πρέπει να αντιμετωπίσουν οι σχεδιαστές περιλαμβάνουν την υψηλή καθυστέρηση και τον συγχρονισμό. Μειονεκτήματα: 1. Σχεδιάστηκε στα τέλη του 1970 και οι τύποι δεδομένων που υποστηρίζει περιορίζεται στους τότε διαθέσιμους τύπους δεδομένων, για τα PLC. 2. Δεν υπάρχει ένας τυποποιημένος τρόπος ώστε ένας κόμβος να βρει την περιγραφή ενός αντικειμένου δεδομένων. Για παράδειγμα δεν μπορεί να καθοριστεί εάν ένας

16 14 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR καταχωρητής αναπαριστά θερμοκρασίες μεταξύ 30οC και 175oC. 3. Λόγω του ότι στο Modbus γίνεται χρήση της master/slave λογικής, δεν υπάρχει η δυνατότητα κάποια από τις συσκευές να κάνει αναφορά με εξαίρεση (Interrupt). Κοινώς εφαρμόζεται η τεχνική του polling η οποίο χρονοβόρα αλλά και κοστοβόρα, λόγω της κατανάλωσης bandwidth το οποίο είναι πολύτιμο σε low-bit rate δίκτυα. 4. Περιορίζεται στον χειρισμό μέχρι 247 συσκευών από έναν master. 5. Οι επικοινωνία πρέπει να είναι συνεχής και αδιάλειπτη, γεγονός το οποίο περιορίζει τους τύπους απομακρυσμένων συνδέσεων επιτρέποντας την χρήση μόνο των συσκευών οι οποίες έχουν την δυνατότητα κράτησης των δεδομένων σε έναν buffer, ώστε να μην υπάρξουν κενά στην επικοινωνία Fieldbuses (DeviceNet, Profibus) Fieldbuses είναι το όνομα μιας οικογένειας πρωτοκόλλων που αφορούν στην δικτύωση υπολογιστών στην βιομηχανία και χρησιμοποιούνται σε διανεμημένα συστήματα ελέγχου πραγματικού χρόνου, το οποίο πλέον καταχωρήθηκε ως πρότυπο IEC Ένα πολύπλοκο βιομηχανικό σύστημα αυτοματισμού -όπως η δημιουργία μιας γραμμής κατασκευής (assembly line)- συνήθως χρειάζεται μια οργανωμένη ιεραρχία από ελεγκτικά συστήματα για την παρακολούθησή του. Σε αυτή την ιεραρχία υπάρχει συνήθως ένα σύστημα διάδρασης Ανθρώπου-Μηχανής (Human Machine Interface) στην κορυφή, από όπου ένας διαχειριστής μπορεί να επιβλέπει ή να λειτουργεί το σύστημα. Αυτό είναι ουσιαστικά το ενδιάμεσο στρώμα ενός PLC διαμέσου ενός χρονικά μη-κρίσιμου συστήματος επικοινωνίας (πχ Ethernet). Στο κατώτερο επίπεδο της αλυσίδας ελέγχου βρίσκεται το fieldbus το οποίο ενώνει τα επιμέρους στοιχεία με το PLC, τα οποία είναι και αυτά που επιτελούν καίριες για το σύστημα διεργασίες, όπως αισθητήρες, ηλεκτρικούς κινητήρες, κονσόλες φωτισμού, διακόπτες, βαλβίδες και επαφές. Το fieldbus αποτελεί σύστημα δικτύωσης που χρησιμοποιείται στην βιομηχανία για έλεγχο διανεμημένων συστημάτων σε πραγματικό χρόνο. Ουσιαστικά δεν αποτελεί κάτι άλλο παρά έναν τρόπο για την σύνδεση/δικτύωση επιμέρους οργάνων μιας βιομηχανικής εγκατάστασης. Δουλεύει πάνω σε δίκτυα τα οποία επιτρέπουν τοπολογίες δικτύων όπως daisy-chain, αστέρα, δαχτυλίδι, διακλάδωσης και δένδρου. Στο παρελθόν οι υπολογιστές συνδέονταν με RS-232, όπου επιτρέπεται η επικοινωνία μόνο 2 συσκευών. Πλέον χρησιμοποιείται για την επικοινωνία συνδεσμολογία η οποία απαιτεί από κάθε συσκευή να έχει δικό της σημείο επικοινωνίας στο επίπεδο ελέγχου, ενώ το fielbus είναι το αντίστοιχο του LAN-type connections, όπου απαιτείται η επικοινωνία μόνο ενός στο επίπεδο του ελεγκτή και επιτρέπει πληθώρα αναλογικών και ψηφιακών σημείων συνδεδεμένων ταυτοχρόνως. Έτσι

17 Κεφάλαιο 1: Γενική περιγραφή PLC 15 πλέον μειώνεται το μήκος αλλά και ο αριθμός των καλωδίων που απαιτείται. Λόγω του ότι με την χρήση επικοινωνίας μέσω fieldbus απαιτείται η χρήση μικροεπεξεργαστή, κάθε συσκευή μπορεί να έχει πολλαπλά σημεία στην γραμμή επικοινωνίας ελεγκτή. Πλέον κάποιες συσκευές fieldbus υποστηρίζουν υλοποιήσεις όπως έλεγχος PID από την μεριά της συσκευής αντί να αναγκάζεται ο μικροελεγκτής να επιτελεί το κομμάτι της επεξεργασίας. Το πρότυπο IEC 61158, κυρώθηκε το 1999 από την επιτροπή τυποποίησης IEC SC65C/WG6. Εκεί ορίστηκαν 8 διαφορετικοί τύποι πρωτοκόλλων, οι οποίοι αναφέρονται παρακάτω επιγραμματικά: Τύπος-1 Foundation Fieldbus H1 Τύπος-2 ControlNet Τύπος-3 PROFIBUS Τύπος-4 P-Net Τύπος-5 Foundation Fieldbus HSE (High Speed Ethernet) Τύπος-6 SwiftNet (ένα πρωτόκολλο το οποίο αναπτύχθηκε για τα Boeing, από την στιγμή που αποσύρθηκε). Τύπος-7 WorldFIP Τύπος-8 Interbus 1.6 Σύγκριση PLC με άλλα συστήματα ελέγχου Τα PLC είναι ευπροσάρμοστα και λειτουργικά για μια μεγάλη γκάμα εφαρμογών αυτοματισμού του κατασκευαστικού τομέα της βιομηχανίας, στον σχεδιασμό τέτοιων συστημάτων λαμβάνουμε υπόψιν ότι πρόκειται για ένα σύστημα του οποίου η δομή και λειτουργικότητα μπορεί να αλλάξουν. Αλλαγές μπορούν να αφορούν είτε στο Hardware, όπως αλλαγή λόγω εσφαλμένης λειτουργίας εξαρτήματος ή προσθήκη εξαρτήματος λόγω ανάγκης επέκτασης λειτουργικότητας PLC, είτε στο software, για την διαφοροποίηση της διαδικασίας για λόγους προγραμματιστικής βελτιστοποίησης της ήδη υπάρχουσας βιομηχανικής διεργασίας ή με τον επανασχεδιασμό του software, μερικώς ή ολικώς, για την υλοποίηση μιας νέας διεργασίας. Τα PLC περιέχουν συσκευές εισόδου και εξόδου συμβατές με βιομηχανικούς ελεγκτές. Οι διασυνδέσεις και η γενικότερη ηλεκτρολογική σχεδίαση αποτελεί το μικρότερο μέρος της διαδικασίας, σε αντιδιαστολή με τον σχεδιασμό της επιθυμητής αλληλουχίας γεγονότων, ουσιαστικά πρόκειται για την δημιουργία ενός προγράμματος, σε γλώσσα ladder logic ή function chart το οποίο υλοποιεί τον επιθυμητό αλγόριθμο ροής. Οι εφαρμογές των PLC είναι αρκούντως συγκεκριμένες οπότε το κόστος ενός PLC, μη-προγραμματισμένου, είναι σχετικά χαμηλό σε σχέση με αυτό ενός ελεγκτή ο οποίος έχει δημιουργηθεί για την υλοποίηση μιας

18 16 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR συγκεκριμένης διεργασίας. Σε αντιδιαστολή, για την μαζική παραγωγή αγαθών ειδικής χρήσης εξατομικευμένοι ελεγκτές είναι πιο οικονομικοί λόγω του χαμηλού κόστους των εξαρτημάτων που τα απαρτίζουν, τα οποία εξαρτήματα μπορούν να επιλεχθούν με βέλτιστο τρόπο σε σχέση με την γενικού τύπου κατασκευή ενός PLC και όπου αυτό το κόστος το οποίο εξοικονομείται είναι ανάλογο του μεγέθους της βιομηχανικής εγκατάστασης. Οι εφαρμογές των PLC δημιουργήθηκαν στην λογική της εισαγωγής προγραμματισμού σε αυτά. Η λειτουργία ενός PLC, και κυρίως ο χρόνος ενός κύκλου εργασίας, ο οποίος ουσιαστικά δεν είναι κάτι εκτός από τον επαναλαμβανόμενο έλεγχο συσκευών, μπορεί να επιταχυνθεί με την χρήση απλών εντολών οι οποίες εν τέλει μειώνουν τον χρόνο κύκλου εργασίας. Πλέον τα PLC χρησιμοποιούνται ευρέως στους στις διεργασίες ελέγχου: 1. έλεγχο κίνησης, 2. έλεγχο θέσης, 3. έλεγχο περιστροφής. Πολλοί κατασκευαστές παράγουν PLC τα οποία έχουν στο εσωτερικό τους προ εγκατεστημένες μονάδες ελέγχου κίνησης ώστε ο G-code, για παράδειγμα μιας Computer Numerical Control (CNC) μηχανής, να μπορεί να οδηγεί την μηχανή να εκτελέσει καθορισμένες κινήσεις. Η δημιουργία ενός συστήματος ελέγχου βασισμένο σε μικροελεγκτή χρησιμοποιείται κυρίως σε περιπτώσεις όπου θα υπάρξει μαζική παραγωγή αγαθών. Αυτό γιατί το κόστος ανάπτυξης θα επιμεριστεί σε ένα μεγάλο αριθμό παραγόμενων αγαθών. Έτσι το κόστος ανάπτυξης του συστήματος ανά προϊόν είναι αμελητέο. Αυτό συμβαίνει κυρίως στον τομέα του αυτοματισμού όπου ο τελικός χρήστης κάνει χρήση του προϊόντος απαράλλακτου, λίγοι χρήστες είναι αυτοί οι οποίοι θα επαναπρογραμματίσουν τον μικροελεγκτή ή θα προσπαθήσουν να μεταβάλλουν την λειτουργία του συγκεκριμένου προϊόντος του οποίου και είναι κάτοχοι. Από την άλλη αρκετά πολύπλοκα συστήματα όπως οι δίαυλοι μετάβασης χρησιμοποιούν για λόγους κόστους PLC αντί ειδικά κατασκευασμένων ελεγκτών διότι οι ποσότητες είναι μικρές πράγμα το οποίο δεν συμφέρει από οικονομικής πλευράς λόγω του κόστους της ανάπτυξης ελεγκτών συγκεκριμένης χρήσης. Πολύπλοκες διαδικασίες ελέγχου, όπως αυτές της χημικής βιομηχανίας, μπορεί να απαιτούν αλγορίθμους και αποδοτικότητα τα οποία ακόμη και το πιο υψηλής απόδοσης PLC δεν μπορεί να υλοποιήσει. Πολύ υψηλές ταχύτητες ή μεγάλη ακρίβεια επιτυγχάνεται με συγκεκριμένες για την εφαρμογή λύσεις. Τα PLC μπορεί να περιλαμβάνουν προγραμματιστικές λογικές αναλογικό έλεγχο διαμέσου ανάδρασης, μιας μεταβλητής, δηλαδή έναν PID ελεγκτή. Μια επαναληπτική διαδικασία PID μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της θερμοκρασίας σε μια κατασκευαστική διεργασία. Λόγω της μεγάλης βελτίωσης και εξέλιξης των δυνατοτήτων των PLC, η διαφορά μεταξύ εφαρμογών οι οποίες χρησιμοποιούν τους 2 μηχανισμούς(plc, Distributed Control System) έχει σχεδόν εξαλειφθεί. Η λειτουργικότητα των PLC είναι παρόμοια με αυτή των απομακρυσμένων τερματικών

19 Κεφάλαιο 1: Γενική περιγραφή PLC 17 μονάδων (Remote Terminal Unit). Ένα RTU δεν χρησιμοποιεί αλγορίθμους ελέγχου ή επαναληπτικές διαδικασίες ελέγχου. Με την πάροδο του χρόνου παρατηρούμε την πτώση των τιμών στο hardware το οποίο έχει αντίκτυπο και στην αγορά του αυτόματου ελέγχου, δίνοντας την δυνατότητα για πιο φτηνά και εξελιγμένα RTU, PLC και DCS τα οποία έχουν αρχίσει να επικαλύπτουν το ένα τις δυνατότητες του άλλου αφού σε πολλές εφαρμογές PLC χρησιμοποιούνται PLC και αντιστρόφως. Η βιομηχανία έχει δημιουργήσει το πρότυπο IEC λειτουργικό μπλοκ γλωσσών για την δημιουργία προγραμμάτων τα οποία θα τρέχουν σε RTU και PLC, παρόλο που σχεδόν όλοι οι κατασκευαστές προσφέρουν κατάλληλα εναλλακτικά περιβάλλοντα ανάπτυξης εφαρμογών. 1.7 Σήματα αναλογικά και ψηφιακά Ψηφιακά ή διακριτά σήματα συμπεριφέρονται σαν δυαδικοί διακόπτες, υποστηρίζοντας μια on/off κατάσταση του σήματος. Παραδείγματα αυτών είναι τα push buttons (Εικόνα 1.1), οι ψηφιακοί αισθητήρες φωτός, πίεσης, υγρασίας, θερμοκρασίας, ανίχνευσης διαρροής φυσικού αερίου και πολλοί άλλοι. Εικόνα 1.1 Ένα push button [1] Τα αισθητήρια αυτά μπορεί να χρησιμοποιούν είτε ρεύμα ή τάση, όπου μια συγκεκριμένη τιμή αυτών αντιστοιχεί στο on και μια άλλη στο off. Για παράδειγμα υπάρχουν PLC, τα οποία λειτουργούν σε DC επίπεδα της τάξης των 24 Volt, σε αυτά τάσεις μεγαλύτερες των 22 Volt σημαίνουν ON, τάσεις μικρότερες των 2 Volt σημαίνουν off και όλες οι άλλες τάσεις δεν συμβολίζουν τίποτε. Για την ιστορία να σημειωθεί ότι τα πρώτα PLC είχαν μόνο ψηφιακές εισόδους και εξόδους. Πίνακας 1.1 State Off x On Voltage (Volt) <2 [2,22] > 22

20 18 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR Τα αναλογικά σήματα μεταφράζονται ως 8-bit ακέραιες τιμές από το PLC, με διαφορετική ακρίβεια η οποία εξαρτάται από τον αισθητήρα, μερικές φορές την συνδεσμολογία του, αλλά και το εύρος των bit που θα χρησιμοποιηθούν για την αποθήκευση της πληροφορίας. Τα PLC στην πλειοψηφία τους χρησιμοποιούν προσημασμένη ακρίβεια 16bit το οποίο πρακτικά περιορίζει το εύρος τιμών στο [-32,768, +32,767]. Πίεση, θερμοκρασία, ροή και βάρος μετριούνται συνήθως αναλογικά. Τα αναλογικά σήματα χρησιμοποιούν τάση ή ρεύμα ανάλογης της τιμής του εκάστοτε σήματος. Για παράδειγμα, ένα αναλογικό σήμα 4-20 ma ή μια τάση 0-10 V μπορεί να μετατραπεί σε έναν ακέραιο από 0 μέχρι Τα αισθητήρια που χρησιμοποιούν ρεύμα είναι λιγότερο ευαίσθητα στον θόρυβο από αυτά που χρησιμοποιούν τάση. 1.8 Προγραμματισμός PLC Ο προγραμματισμός των PLC γίνεται μέσα από ειδικές σουίτες λογισμικού σε PC, στην συνέχεια μεταφορτώνονται στο PLC μέσω ενός απευθείας καλωδίου ή μέσω ενός δικτύου. Τα πρόγραμμα αποθηκεύεται είτε σε μια μνήμη RAM ή σε μια flash. Συχνά ένα PLC μπορεί να προγραμματιστεί ώστε να αντικαταστήσει χιλιάδες από relays. Σύμφωνα με το πρότυπο IEC τα PLC μπορούν να προγραμματιστούν μέσω κάποιων συγκεκριμένων προγραμματιστικών γλωσσών. Το πρότυπο αυτό ορίζει τις ακόλουθες 5 γλώσσες προγραμματισμού για PLC. Ι) FBD (Functional Block Diagramm) ΙΙ) LD (Ladder Diagram) ΙΙΙ) ST (Structured text, όμοιο με Pascal) ΙV) IL (Instruction List,όμοιο με assembly) V) SFC (Sequential Function Chart) Αυτές οι τεχνικές δίνουν έμφαση στην λογική ιεράρχηση/ οργάνωση των διεργασιών Γλώσσα Συναρτησιακών διαγραμμάτων (FBD) Συναρτησιακά διαγράμματα Η γλώσσα Συναρτησιακών διαγραμμάτων επιτρέπει στον προγραμματιστή να συνθέσει πολύπλοκες διαδικασίες χρησιμοποιώντας και διασυνδέοντας διάφορα έτοιμα προγράμματα βιβλιοθήκης. Κάθε συνάρτηση αποκαλείται συναρτησιακό διάγραμμα. Στο εσωτερικό κάθε συναρτησιακού διαγράμματος (παραλληλογράμμου) σημειώνεται συμβολικά η συνάρτηση

21 Κεφάλαιο 1: Γενική περιγραφή PLC 19 που υλοποιείται. Υπάρχει η δυνατότητα σύνδεσης πολλών διαγραμμάτων με αποτέλεσμα την υλοποίηση σύνθετων συναρτήσεων με περισσότερες εισόδους και εξόδους. Είσοδοι ενός συναρτησιακού διαγράμματος μπορεί να είναι: Ι) μια σταθερά ή μια μαθηματική έκφραση, ΙΙ) μια τοπική μεταβλητή ή μεταβλητή φυσικής εισόδου του υπολογιστή, ΙΙΙ) μια γραμμή εξόδου άλλου συναρτησιακού διαγράμματος ή μεταβλητή φυσικής εξόδου του υπολογιστή. Η Έξοδος ενός συναρτησιακού διαγράμματος μπορεί να συνδεθεί με : Ι) μια μεταβλητή ή μεταβλητή φυσικής εξόδου του υπολογιστή ΙΙ) το όνομα ενός προγράμματος. Κατηγορίες συναρτήσεων διαγράμματος: Ι) συναρτήσεις μετατροπής τύπου μεταβλητής, ΙΙ) αριθμητικές και τριγωνομετρικές συναρτήσεις μιας μεταβλητής, ΙΙΙ) συναρτήσεις αριθμητικών πράξεων ΙV) συναρτήσεις λογικών πράξεων V) συναρτήσεις ολίσθησης ακολουθίας δυαδικών ψηφίων VI) συναρτήσεις επιλογής και σύγκρισης Παράδειγμα σε γλώσσα συναρτησιακών διαγραμμάτων: Υλοποίησης της συνάρτησης GetMax := max(value3,max(value1,value2))

22 20 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR Value1 Value2 MAX Value3 MAX Σχήμα 1.2 Υλοποίηση συνάρτησης GetMax:σε γλώσσα συναρτησιακών διαγραμμάτων [2] Συναρτησιακές δομές Οι συναρτησιακές δομές αποτελούν σύνθετες δομές προγραμμάτων, οι οποίες απαρτίζονται από συναρτησιακά διαγράμματα, πρακτικά δημιουργώντας αλγόριθμους επίλυσης μαθηματικών και λογικών σχέσεων που χρησιμοποιούνται συχνά σε μεγάλο αριθμό εφαρμογών βιομηχανικού ελέγχου. Ουσιαστικά μια συναρτησιακή δομή ορίζεται ως ένα οργανωμένο, σε μια αυτοτελή ενότητα, σύνολο τυπικών συναρτήσεων της οποίας μπορούν να δημιουργηθούν πολλαπλά στιγμιότυπα. Κάθε στιγμιότυπο έχει το δικό του όνομα και μια δομή δεδομένων που περιέχει τη μεταβλητή εξόδου του, τις μεταβλητές εισόδου και τοπικές μεταβλητές του. Υπάρχουν πέντε κατηγορίες συναρτησιακών δομών: 1) Τυπικές δομές flip-flop: 1.1 Συναρτησιακή δομή flip-flop που θέτει την έξοδο σε λογικό Συναρτησιακή δομή flip-flop που θέτει την έξοδο σε λογικό Σημαιοφόρος τύπου test-set 2) Δομές αναγνώρισης μετώπων σε αλλαγή της κατάστασης μιας μεταβλητής: 2.1 Ενεργοποιητής με θετική (0 1) αιχμή 2.2 Ενεργοποιητής με αρνητική (1 0) αιχμή 3) Δομές συναρτήσεων μέτρησης: 3.1 Αύξουσα καταμέτρηση παλμών

23 Κεφάλαιο 1: Γενική περιγραφή PLC Φθίνουσα καταμέτρηση παλμών 3.3 Αύξουσα ή φθίνουσα καταμέτρηση παλμών 4) Δομές συναρτήσεων καταμέτρησης χρόνου 4.1 Δομή μέτρησης χρόνου διαμεσολάβησης μεταξύ δυο γεγονότων 4.2 Συναρτησιακή δομή ρολογιού πραγματικού χρόνου 5) Διάφορες συναρτησιακές δομές Η κατηγορία αυτή περιέχει συναρτησιακές δομές οι οποίες δεν μπορούν να ενταχθούν σε κάποια άλλη κατηγορία. Από αυτές, θα εξετάσουμε την συναρτησιακή δομή PID η οποία συναντάται με μεγάλη συχνότητα. Δομή PID Η συναρτησιακή δομή τριών όρων (PID) χρησιμοποιείται για την ρύθμιση μιας φυσικής μεταβλητής σε μια επιθυμητή τιμή μέσω του του αλγορίθμου PID. Το πρότυπο IEC συνιστά/ προτείνει την ενσωμάτωση ρουτίνας η οποία θα μπορεί να εκτελεστεί μέσω του αντίστοιχου γραφικού συμβόλου, για την γλώσσα συναρτησιακών διαγραμμάτων. PID Bool AUTO ANY_REAL PV ANY_REAL SP ANY_REAL X0 ANY_REAL KP ANY_REAL TR ANY_REAL TD INT XOUT CYCLE Σχήμα 1.3 Συναρτησιακή δομή PID [2] ANY_REAL

24 22 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR Πίνακας 1.2 Επεξήγηση χαρακτηριστικών PID PV Στην μεταβλητή αυτή τίθενται οι τιμές οι οποίες λαμβάνονται από την δειγματοληψία της ως προς έλεγχο μεταβλητής. SP Επιθυμητή τιμή ελεγχόμενης μεταβλητής KP Επιθυμητή τιμή κέρδους αναλογικού όρου TR Επιθυμητή τιμή σταθεράς χρόνου ολοκλήρωσης TD Επιθυμητή τιμή σταθεράς χρόνου διαφόρισης CYCLE Αποθηκεύει την περίοδο δειγματοληψίας του αναλογικού σήματος και εκτέλεσης των προβλεπόμενων λειτουργιών από την δομή Το PID έχει δύο modes λειτουργίας το αυτόματο και χειροκίνητο. Α) Αυτόματη λειτουργία (AUTO=1) Δυνατότητα ρύθμισης της φυσικής μεταβλητής με την δημιουργία κλειστού βρόχου ελέγχου με ανατροφοδότηση. Αλγοριθμική ακολουθία μαθηματικών πράξεων: ERROR n = PV n SP I) II) Xout= KP ERROR n ITERM DTERM TD RT όπου ITERM = XOUT ERROR n CYCLE DTERM = 3.0 ERROR n ERROR n 3 ERROR n 1 ERROR n 2 10 CYCLE Οι συμβολισμοί ERROR(n), ERROR(n-1), ERROR(n-2) και ERROR(n-3) εκφράζουν τις τιμές της μεταβλητής ERROR στην παρούσα φάση και στις τρεις προηγούμενες στιγμές δειγματοληψίας αντίστοιχα. Β) Χειροκίνητη λειτουργία (AUTO=0)

25 Κεφάλαιο 1: Γενική περιγραφή PLC 23 Σε αυτό το mode η μεταβλητή Xout παρακολουθεί τις τιμές της μεταβλητής X0, οι δύο αυτές μεταβλητές συνδέονται μέσω μιας μαθηματικής σχέσης. Για την εύρεση της κατάλληλης τιμής X0 η οποία θα οδηγήσει την Xout στην επιθυμητή τιμή λαμβάνουμε υπόψιν τόσο την απόκλιση της από την επιθυμητή τιμή (ERROR) όσο και την εσωτερική διαρρύθμιση της δομής Διαγράμματα σκάλας (Ladder Diagram) Η γλώσσα του σχεδίου επαφών είναι μια γλώσσα απεικόνισης εξισώσεων της άλγεβρας Boole με γραφικά σύμβολα. Κάθε λογική μεταβλητή που εκφράζει τις αλλαγές κατάστασης της διακριτής εισόδου, μπορεί να συνδέεται λογικά με τις καταστάσεις άλλων διακριτών εισόδων ή εξόδων μέσω των γραφικών συμβόλων που ονομάζονται επαφές. Κάθε λογική μεταβλητή που εκφράζει τις αλλαγές κατάστασης της διακριτής εξόδου, μπορεί να συνδέεται λογικά με τις κατάστασης άλλων διακριτών εισόδων ή εξόδων μέσω των γραφικών συμβόλων που ονομάζονται πηνία. Σε ένα πρόγραμμα γραμμένο σε γλώσσα σχεδίου επαφών, τα τυποποιημένα γραφικά σύμβολα τοποθετούνται το ένα δίπλα στο άλλο και συνδέονται μεταξύ τους, έτσι ώστε να σχηματίζουν σχέδια όμοια με αυτά που χρησιμοποιούνται για την περιγραφή λογικών συναρτήσεων, με βοηθητικές επαφές ηλεκτρονόμων. Σχήμα 1.4 Πρόγραμμα σε γλώσσα σχεδίου επαφών [2] Κάθε ευθύγραμμο τμήμα θεωρούμε ότι μπορεί να βρίσκεται σε μια δυαδική κατάσταση 0 ή 1. Η κατάσταση της αριστερής γραμμής ισχύος είναι πάντα 1, ενώ δεν προσδιορίζεται κατάσταση για την δεξιά γραμμή ισχύος η οποία μπορεί πολλές φορές να παραλείπεται. Η δυαδική τιμή κάθε κάθετου τμήματος προκύπτει από ένα λογικό OR μεταξύ των τιμών των ευθυγράμμων τμημάτων, τα οποία το τέμνουν από τα αριστερά. Η τιμή του κάθετου τμήματος είναι αυτή που παίρνουν τα ευθύγραμμα τμήματα δεξιά του.

26 24 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR Επαφές Οι επαφές πρακτικά λειτουργούν ως πύλες AND μεταξύ της τιμής του αριστερού ευθύγραμμου τμήματος και της λογικής μεταβλητής της επαφής (bool_var1). Η τιμή του δεξιού ευθύγραμμου τμήματος δεν είναι άλλη από το αποτέλεσμα της προαναφερθείσας λογικής πράξης. Σχήμα 1.5 Σύμβολο επαφής και λογικό ισοδύναμο Πηνία Το πηνίο αποθηκεύει, στη μεταβλητή που συσχετίζεται με αυτό, τη λογική κατάσταση στην οποία βρίσκεται το οριζόντιο ευθύγραμμο τμήμα, στην αριστερή πλευρά. Εναλλακτικά μπορεί να αποθηκεύει την αλλαγή της λογικής κατάστασης κατά την εμφάνιση θετικού ή αρνητικού μετώπου. Στο Σχήμα 1.6 παρατίθεται ο συμβολισμός που χρησιμοποιείται για τη γραφική αναπαράσταση ενός πηνίου. bool_var1 Αριστερό ευθύγραμμο τμήμα Δεξιό ευθύγραμμο τμήμα Σχήμα 1.6 Σύμβολο πηνίου Αν η ετικέτα του πηνίου είναι το όνομα κάποιου υποπρογράμματος, τότε το πηνίο αποθηκεύει και μεταδίδει την τιμή επιστροφής του προγράμματος, που υπολογίζεται με βάση την κατάσταση του αριστερού συνδέσμου ευθύγραμμου τμήματος. Παράδειγμα προγράμματος σε γλώσσα σχεδίων επαφών.

27 Κεφάλαιο 1: Γενική περιγραφή PLC 25 Στο Σχήμα 1.7 παρατίθεται ένα πρόγραμμα γραμμένο σε γλώσσα σχεδίου επαφών. Το παραπάνω πρόγραμμα λειτουργεί ως εξής: Σε περίπτωση που η μεταβλητή Input1 είναι 1, τότε το δεξί μέρος του ευθύγραμμου τμήματος της επαφής Input1 γίνεται 1. Στην συνέχεια το πηνίο, το οποίο είναι τύπου-s, δηλαδή ενεργοποιείται όταν έχει στην είσοδο του 1 (SET), ενεργοποιείται και θέτει την τιμή της Out1 ίση με 1. Αντίστροφα, όταν η μεταβλητή Input2 γίνει μηδέν το πηνίο το οποίο είναι low level triggered θέτει την τιμή της Out1 ίση με 0. Σε κάθε χρονική στιγμή η τιμή της μεταβλητής Οut2 προκύπτει από το λογικό OR των τιμών που βρίσκονται δεξιά των πηνίων ενεργοποίησης και απενεργοποίησης αντίστοιχα. Σχήμα 1.7 Παράδειγμα προγραμματισμού σε γλώσσα σχεδίου επαφών [2] Γλώσσα δομημένου κειμένου (Structured Τext) Η γλώσσα δομημένου κειμένου, αποτελεί την βέλτιστη λύση για την υλοποίηση σύνθετων και πολύπλοκων διεργασιών βιομηχανικού ελέγχου, οι οποίες δεν υλοποιούνται εύκολα με τις γραφικές γλώσσες. Ένα πρόγραμμα γραμμένο σε αυτή την γλώσσα αποτελείται από μια ακολουθία εντολών. Η γλώσσα αυτή μοιάζει αρκετά με την Pascal και προσφέρει την δυνατότητα της κλήσης υποπρογραμμάτων και συναρτήσεων γραμμένες σε C ή ακόμη και σε γλώσσα συναρτησιακών διαγραμμάτων, η οποία αναλύθηκε σε προηγούμενη παράγραφο. Η κλήση υποπρογραμμάτων, ρουτινών ή ακόμη και συναρτησιακών δομών γίνεται σύμφωνα με το παρακάτω πρότυπο: <όνομα υποπρογράμματος ή συναρτησιακής δομής ή συνάρτησης>(λίστα ορισμάτων)

28 26 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR Παράδειγμα σε γλώσσα δομημένου κειμένου SUM := 0 FOR I:=1 TO 3 DO FOR I:=1 TO 3 DO IF FLAG THEN EXIT; END_IF SUM := SUM+J; END_FOR; SUM := SUM+I; END_FOR Το τμήμα κώδικα που παρατέθηκε στο παράδειγμα δείχνει οικείο σε κάποιον ο οποίος έχει ασχοληθεί με άλλες γλώσσες προγραμματισμού όπως C και Pascal και δεν χρήζει κάποιας ιδιαίτερης επεξήγησης λόγω της απλοϊκότητας του Γλώσσα Λίστας Εντολών (Instruction List) Η γλώσσα Λίστας Εντολών είναι μια γλώσσα χαμηλού επιπέδου και μοιάζει σε μεγάλο βαθμό με την γλώσσα μηχανής (assembly). Η κύρια χρήση της αφορά την βελτιστοποίηση επιμέρους τμημάτων ενός προγράμματος και όχι τη συγγραφή ολοκλήρου προγράμματος σε αυτή, πράγμα το οποίο θεωρητικά είναι επιτεύξιμο αλλά πρακτικά αποφεύγεται. Η δομή ενός προγράμματος γραμμένου σε γλώσσα Λίστας εντολών αποτελείται από μια αλληλουχία εντολών εκφρασμένων με συμβολικά ονόματα. Κάθε εντολή αποτελείται από έναν τελεστή (operator) και προαιρετικούς τροποποιητές (modifiers) του εν λόγω τελεστή. Ακόμη υπάρχει και η δυνατότητα προσθήκης ετικέτας ακολουθούμενης από διαλυτικά(:). Η ετικέτα αποτελεί ένα σημείο αναφοράς, στο οποίο μπορεί να επιστρέψει η ροή του προγράμματος διαμέσου μιας εντολής JMP. Το πρότυπο για την σύνταξη μιας εντολής είναι: Αποτέλεσμα = Αποτέλεσμα ΤΕΛΕΣΤΗΣ Όρισμα, ουσιαστικά το αποτέλεσμα προκύπτει από τον συνδυασμό της επίδρασης του τελεστή επί της τρέχουσας τιμής του αποτελέσματος και του ορίσματος της εντολής. Εδώ πρέπει να αναφερθεί ότι η δράση ενός τελεστή μπορεί να μεταβληθεί με την χρήση ενός τροποποιητή, ο οποίος δεν είναι κάτι άλλο από έναν χαρακτήρα, μετά το βασικό συμβολικό όνομα της εντολής χωρίς κενό. Δεν θα αναφερθούμε λεπτομερώς στους τροποποιητές. Τα παραπάνω μπορούν να γίνουν κατανοητά με την χρήση ενός παραδείγματος εντολής.

29 Κεφάλαιο 1: Γενική περιγραφή PLC 27 ANDN(IX12) R=R.AND.(~IX12) Συναρτήσεις και συναρτησιακές δομές βιβλιοθήκης, όμοιες με αυτές που περιγράφηκαν στο τμήμα για την επεξήγηση της γλώσσας συναρτησιακών διαγραμμάτων, είναι δυνατόν να κληθούν χρησιμοποιώντας στο πεδίο του τελεστή μιας εντολής, τα συμβολικά ονόματα που έχουν δοθεί στις συναρτήσεις αυτές. Εδώ ως παράδειγμα για τον τρόπο κλήσης μιας συναρτησιακής δομής παρατίθεται εξής εντολή: CAL C10 (CU:=%IX10, PV:=15) Όπου η εντολή CΑL χρησιμοποιείται για την κλήση δομών. Κάθε μεταβλητή εξόδου αποτελείται από τον χαρακτήρα C και από έναν αριθμό ο οποίος δηλώνει τις φορές τις οποίες έχει χρησιμοποιηθεί η συγκεκριμένη συναρτησιακή δομή στο πρόγραμμα. To σύμβολο % προσδιορίζει τον τύπο μεταβλητής άμεσης αναφοράς σε καταχωρητή μνήμης. Η τιμή του PV καθορίζει το πότε θα γίνει η μεταβλητή CV=1, δηλαδή μετά από πόσες μεταβολές από 0 1 της μεταβλητής IX10 θα συμβεί αυτό Γλώσσα ακολουθιακών διαγραμμάτων ροής (SFC) Η γλώσσα αυτή ουσιαστικά είναι ένας μηχανισμός οργάνωσης προγράμματος σε μικρές αυτόνομες ρουτίνες και καθορισμού των συνθηκών μετάβασης από την μια ρουτίνα στην άλλη. Κάθε μια από τις ρουτίνες μπορεί να γραφεί σε οποιαδήποτε από τις άλλες 4 γλώσσες που προαναφέρθηκαν, συνήθως σε γλώσσα δομημένου κειμένου. Τα ακολουθιακά διαγράμματα ροής αποτελούν, μια γλώσσα περιγραφής ακολουθιακών λειτουργιών και αναλύονται στα εξής επιμέρους τμήματα: I) τα βήματα, II) τα αρχικά βήματα, III) τις μεταβάσεις από ένα βήμα σε ένα άλλο, IV) διανύσματα σύνδεσης βημάτων μεταξύ τους και V) τις διακλαδώσεις. Το παρακάτω παράδειγμα, Σχήμα 1.8 αποτελείται από τα κύρια στοιχεία ενός προγράμματος γραμμένου σε γλώσσα ακολουθιακών διαγραμμάτων ροής. 1.9 Ιστορική αναδρομή στην ανάπτυξη των PLC

30 28 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR Αναδρομή Το PLC δημιουργήθηκε με σκοπό να καλύψει τις ανάγκες της Αμερικανικής βιομηχανίας κατασκευής αυτοκινήτων. Οι προγραμματιζόμενοι ελεγκτές χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά στην βιομηχανία αυτοκινήτων, όπου η επαναληπτική διαδικασία ελέγχου μέσω Software αντικατέστησε την πολύ δύσκολη διαδικασία επανασύνδεσης πινάκων ελέγχου, κάτι το οποίο συνέβαινε κάθε φορά που έβγαιναν νέα μοντέλα στην αγορά. Πριν την δημιουργία του PLC για την κατασκευή, για παράδειγμα οχημάτων, χρησιμοποιούνταν εκατοντάδες ή χιλιάδες relays, cam timers, drum sequencers και κλειστής επανάληψης ελεγκτές. Η διαδικασία ανανέωσης ενός τέτοιου συστήματος ήταν χρονοβόρος άλλα και κοστοβόρος. Αυτό διότι τα relays του συστήματος έπρεπε να επανακαλωδιωθούν από ειδικούς ηλεκτρολόγους/ τεχνικούς. Σχήμα 1.8 Παράδειγμα γλώσσας ακολουθιακών διαγραμμάτων ροής [2] Η διαδικασία για την δημιουργία του πρώτου PLC ξεκίνησε το 1968 από την GM Hydramatic, η οποία αποτελεί το τμήμα της General Motors, το οποίο είχε αναλάβει τον τομέα

31 Κεφάλαιο 1: Γενική περιγραφή PLC 29 της αυτοματοποιημένης μετάδοσης. Ουσιαστικά ζητούσαν, μέσω διαγωνισμού, σχεδίαση ενός συστήματος το οποίο θα αντικαθιστούσε το προϋπάρχον δημιούργημα, που μέχρι τότε επιτελούσε το έργο του αυτοματισμού βιομηχανικών διεργασιών. Η ομάδα που κέρδισε ήταν η Bedford Associates του Bedford της Μασαχουσέτης. Tο πρώτο PLC, που σχεδιάστηκε ονομάστηκε 084. Αυτή η κάπως περίεργη ονομασία προήλθε από το γεγονός ότι αυτό ήταν το ογδοηκοστό τέταρτο project της ομάδας Bedford Associates. Η ομάδα αυτή δημιούργησε μια εταιρία για την ανάπτυξη,πώληση και προώθηση του εγχειρήματος τους, την Modicon, της οποία η ονομασία προήλθε από το Modular Digital Controller. Ένας από αυτούς που δούλεψαν στο project αυτό ήταν ο Dick Morley, ο οποίος θεωρείται ο Πατέρας του PLC. Η Modicon αγοράστηκε από την Gould Electronics το Εν συνεχεία η Gould Electronics εξαγοράστηκε από την Γερμανική AEG και η οποία εν τέλει εξαγοράστηκε, από την σημερινή ιδιοκτήτρια της Modicon, την Γαλλική Schneider Electric. Το πρώτο μοντέλο PLC που δημιουργήθηκε, το 084, εκτίθεται στα κεντρικά της Modicon στο Andover, της Μασαχουσέτης. Παραδόθηκε στην Modicon από την GM μετά από 20 χρόνια αδιάλειπτης λειτουργίας, Η βιομηχανία κατασκευής οχημάτων παραμένει ο νούμερο ένα χρήστης PLC,και η Modican ακόμη παράγει μοντέλα τα οποία τελειώνουν σε Ανάπτυξη Τα πρώτα PLC σχεδιάστηκαν για την αντικατάσταση των συστημάτων, που είχαν σχεδιαστεί σε relay λογική. Προγραμματίζονταν σε ladder logic η οποία αποτελούσε ένα διάγραμμα της λογικής relay. Τα σύγχρονα PLC μπορούν να προγραμματιστούν σε ακόμη περισσότερες γλώσσες όπως C και Basic. Μια ακόμη μέθοδος προγραμματισμού είναι αυτή της Λογικής Κατάστασης (state logic), μια γλώσσα πολύ υψηλού επιπέδου προγραμματισμού, σχεδιασμένη ώστε να προγραμματίζει PLC μέσω Διαγραμμάτων Μετάβασης Καταστάσεων (State Transition Diagrams). Πολλά από τα πρώτα PLC εξέφραζαν όλη την λογική με την οποία παίρνονταν οι αποφάσεις μέσω ladder logic, λόγω του ότι ήταν τρόπος παρόμοιος με τα ηλεκτρικά διαγράμματα. Οι ηλεκτρολόγοι μπορούσαν εύκολα, μέσω αυτών των διαγραμμάτων, να εντοπίσουν ευκολότερα διάφορα σφάλματα. Συνεπώς με αυτή την αναπαράσταση αποφεύχθηκε η επανεκπαίδευση των μηχανικών σε νέες τεχνολογίες, δίνοντας την δυνατότητα στις εταιρίες να αποφύγουν επιπλέον κόστος, είτε αυτό ήταν χρόνος είτε χρήματα. Άλλα PLC χρησιμοποιούσαν ένα είδος προγραμματισμού μέσω Λίστας Εντολών, το οποίο χρησιμοποιεί μια λογική επίλυσης διαμέσου στοίβας Προγραμματισμός Αρχικά μέχρι και τα μέσα της δεκαετίας του 1980, τα PLC προγραμματίζονταν μέσω

32 30 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR προγραμματιστικών πάνελ, τα οποία τα παρέχονταν από την κατασκευάστρια εταιρία, ή δια μέσω ειδικών προγραμματιστικών τερματικών. Τα τελευταία σε πολλές περιπτώσεις περιείχαν πλήκτρα τα οποία αναπαριστούσαν τα διάφορα λογικά στοιχεία των PLC προγραμμάτων. Τα προγράμματα αποθηκεύονταν σε μια κεφαλή μαγνητικής κασέτας. Ελλείψει χωρητικότητας μνήμης δεν υπήρχαν μεγάλες δυνατότητες για εκτύπωση και δημιουργία επεξηγηματικών εγγράφων (documentation). Αυτή η έλλειψη χώρου αποθήκευσης προέκυπτε από το γεγονός ότι οι παλιοί υπολογιστές χρησιμοποιούσαν μαγνητική μνήμη πυρήνα (magnetic core memory) Λειτουργικότητα Η λειτουργικότητα των PLC φαίνεται να αναπτύσσεται προσθέτοντας δυνατότητες όπως: Ι) έλεγχο relay II) έλεγχο κίνησης ΙΙΙ) έλεγχο διαδικασιών ΙV) έλεγχο κατανεμημένων συστημάτων και V) έλεγχο δικτύων O χειρισμός δεδομένων, η αποθήκευση τους, η διαχείριση ενέργειας και οι δυνατότητες επικοινωνίας κάποιων σύγχρονων PLC, είναι χαρακτηριστικά εξίσου αξιόπιστα και αποδοτικά με τα αντίστοιχα ενός σταθερού υπολογιστή. Ο προγραμματισμός ο οποίος έχει πολλά κοινά χαρακτηριστικά με αυτά του προγραμματισμού ενός PC, κοινώς PC-like Programming, σε συνδυασμό με κινητά τμήματα εισόδου εξόδου hardware, επιτρέπουν την υλοποίηση, ορισμένων PLC εφαρμογών σε PC Σημερινή κατάσταση στην αγορά των PLC Πλέον στην σημερινή αγορά, υπάρχει μία τεράστια ποικιλία επιλογών PLC. Κάποιες από τις κυρίαρχες και πρωτοπόρες εταιρίες στον χώρο είναι η Siemens, η Allen-Brandley (πρόσφατα αγορασμένη από την Rockwell Software), η Fatec, η IDEC, Omron, ABB και πολλές άλλες. Κατασκευαστές PLC, όπως η Siemens και η Allen-Brandley -που από μόνες τους κατέχουν ένα σημαντικό κομμάτι της αγοράς παρέχουν ολοκληρωμένες λύσεις αυτοματισμού που μπορούν να προσαρμοστούν εύκολα στις ανάγκες του χρήστη μέσω συναρμολογούμενων μεταξύ τους εξαρτημάτων όπως επεξεργαστές (CPUs), κάρτες εισόδων/εξόδων για αναλογικά και ψηφιακά σήματα (analog & digital Ι/Ο) και διαφόρων ειδών οθόνες για διάδραση με τον χρήστη σε σχετικά χαμηλό κόστος για βιομηχανικές εφαρμογές. Τα τελευταία χρόνια, και καθώς η τεχνολογία των ηλεκτρονικών συστημάτων εμφανίζει

33 Κεφάλαιο 1: Γενική περιγραφή PLC 31 πρωτόγνωρη εξέλιξη, έχουν αρχίσει να εμφανίζονται προηγμένα συστήματα που ανταγωνίζονται επάξια τα PLC σε όλους τους τομείς και υπόσχονται μεγαλύτερες δυνατότητες και χαμηλότερο κόστος. Έτσι υπάρχει μια ολοένα αυξανόμενη τάση προς την χρήση ευέλικτων και ικανών μικροελεγκτών, ενσωματωμένων συστημάτων (embedded systems) και κυκλωμάτων ASICs για την επίτευξη αποδοτικού και αξιόπιστου ελέγχου. Κατασκευαστές μικροελεγκτών όπως η Atmel και η Motorola έχουν κάνει βήματα προς την καθιέρωσή τους στην αγορά των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου.

34 32 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR

35 Κεφάλαιο 2: Σχεδιασμός του PLC 33 Κεφάλαιο 2: Σχεδιασμός του PLC 2.1 Γενική δομή Ο σχεδιασμός του PLC που κατασκευάσαμε βασίστηκε στην φιλοσοφία των εμπορικών PLC, προσαρμόστηκε όμως, ανάλογα με τις ιδιαιτερότητες των εξαρτημάτων που χρησιμοποιήθηκαν. Αναφορικά: Πυρήνας με κεντρική CPU, με χρήση της αναπτυξιακής πλακέτας STK500 σε συνδυασμό με την STK501 και του μικροελεγκτή Atmega128 της εταιρίας Atmel. Πρέπει να σημειωθεί ότι ο μικροελεγκτής διαθέτει 8 ενσωματωμένες εισόδους για αναλογικά σήματα. Κάρτα I/O, υλοποιημένη σε ειδική πλακέτα που διαθέτει 16 ψηφιακές εισόδους και 8 ψηφιακές εξόδους. Να αναφέρουμε ότι η κάρτα λειτουργεί μέσω του module AVR-H128CAN της Olimex που είναι εξοπλισμένο με τον μικροελεγκτή At90CAN128 της Atmel. 2 Κάρτες I/O, που υλοποιήθηκαν με εναλλακτική αξιοποίησης της αναπτυξιακής πλακέτας AVR IO της εταιρίας Olimex. Κάθε μία από αυτές διαθέτει 4 ψηφιακές εισόδους και 4 relay σαν εξόδους. 1 εξάρτημα για αναλογική έξοδο, με χρήση των μοντέλων DAC board με δύο κανάλια εξόδου της εταιρίας Futurlec. Στο Σχήμα 2.1 δίνεται, μια πιο σαφής, γραφική αναπαράσταση για το πως δομείται η συσκευή συνολικά και τον τρόπο με τον οποίο συνεργάζονται τα επιμέρους εξαρτήματα με την κεντρική CPU. Σχήμα 2.1 Αναπαράσταση της δομής PLC

36 34 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR Όπως παρατηρείται και στο σχήμα όλα τα εξαρτήματα επικοινωνούν με τον πυρήνα με απευθείας καλωδιώσεις εκτός από το H128CAN το οποίο επικοινωνεί μέσω του πρωτοκόλλου ασύγχρονης σειριακής επικοινωνίας RS232 (UART). Η επικοινωνία αυτή βασίζεται σε ένα πρωτόκολλο με απλούς κανόνες, που θα εξηγηθούν αναλυτικά στην επόμενη παράγραφο. 2.2 Εσωτερική δομή Όσον αφορά την εσωτερική λειτουργία του PLC, ο πυρήνας αποτελεί το πιο σημαντικό κομμάτι του. Εκτελεί τα προγράμματα στην CPU του και διαχειρίζεται τους πόρους της συσκευής, δηλαδή τις κάρτες I/O. Το εκτελέσιμο πρόγραμμα, που αφορά κάποια εφαρμογή του PLC με συγκεκριμένη συνδεσμολογία, αποθηκεύεται στην μνήμη flash του μικροελεγκτή Atmega128 και αρχίζει να εκτελείται σε ατέρμονα βρόχο με την ενεργοποίηση της τροφοδοσίας. Ο μικροελεγκτής Atmega128 συνδέεται και επικοινωνεί με τις κάρτες I/O μέσω των δικών του περιφερειακών συστημάτων. Πιο συγκεκριμένα: Για τις αναλογικές εισόδους χρησιμοποιήθηκε ο μετατροπέας A/D που περιλαμβάνεται στο ολοκληρωμένο κύκλωμα του Atmega128, οπότε ο μικροεπεξεργαστής μπορεί να έχει πρόσβαση στα αναλογικά σήματα άμεσα Για την επικοινωνία με τη μονάδα H128CAN, συγκροτήθηκε ένα απλό πρωτόκολλο για ανταλλαγή δεδομένων μέσω σειριακής σύνδεσης RS232. Η σύνδεση με τα AVRIO επιτεύχθηκε με απευθείας καλωδιώσεις από τις ψηφιακές εισόδους και προς τα ρελέ εξόδου. Η σύνδεση με τον μετατροπέα D/A έγινε μέσω του πρωτοκόλλου σειριακής επικοινωνίας SPI. Ένα σχέδιο των εσωτερικών διασυνδέσεων παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.2 για την βαθύτερη κατανόηση της δομής και της λειτουργίας του PLC. Να σημειώσουμε ότι το σχέδιο αυτό δεν ανταποκρίνεται στη χωροταξική τοποθέτηση των εξαρτημάτων αλλά έχει σκοπό μόνο να επιδείξει την μεταξύ τους διασύνδεση και επικοινωνία. Μια πραγματική άποψη του PLC, κατασκευαστικά ολοκληρωμένου, δίνεται στην Εικόνα 2.1(α) και 2.1(β).

37 Κεφάλαιο 2: Σχεδιασμός του PLC 35 Σχήμα 2.2 Εσωτερική δομή Εικόνα 2.1 (α) Μία άποψη της συσκευής (β) Η συσκευή με το τροφοδοτικό

38 36 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR 2.3 Πρωτόκολλο για επικοινωνία Πυρήνα - H128CAN Για την επικοινωνία μεταξύ των δύο αυτών modules ορίστηκαν απλοί κανόνες που περιλαμβάνουν την ανταλλαγή εντολών ενός byte μέσω πρωτοκόλλου RS232. Η μέθοδος σειριακής επικοινωνίας αυτή, που ονομάζεται USART (Univeral Synchronous Asychronous Receiver Transmitter), επιλέχθηκε γιατί είναι δοκιμασμένη, αξιόπιστη και σταθερή για επικοινωνία σε αυτό το επίπεδο. Σχήμα 2.3 Επικοινωνία πυρήνα H128CAN Μέσω δοκιμών και παρατηρήσεων, δοκιμάστηκαν διάφορες ταχύτητες μεταφοράς (BAUD rate) και διαπιστώθηκε ότι το σφάλμα διαφέρει ανάλογα με την ταχύτητα BAUD. Τα σφάλματα που προκαλούνται είναι κατά κύριο λόγο σφάλματα συγχρονισμού στην δειγματοληψία του απεσταλμένου σήματος. Η έλλειψη συγχρονισμού πηγάζει από την διαφορά στις συχνότητες του ρολογιού συστήματος στις οποίες λειτουργούν οι επεξεργαστές Atmega128 και AT90CAN128. Τα σφάλματα ενδέχεται να επιδεινώνονται από ηλεκτρικό θόρυβο επάνω στην γραμμή μεταφοράς του σήματος. Η ταχύτητα που επιλέχθηκε εν τέλει ήταν τα 4800 bits/sec όπου το σφάλμα ήταν αρκετά μικρό (~0.2%). Να σημειωθεί οτι δοκιμάστηκε ως λύση στα προβλήματα των σφαλμάτων, η επιπλέον γραμμή συγχρονισμού. Με αυτήν ο επεξεργαστής, που λειτουργεί ως master στην επικοινωνία, δίνει μαζί με το σήμα και τους παλμούς στο μέτωπο των οποίων πρέπει να γίνεται η δειγματοληψία. Η μέθοδος αυτή βελτίωσε πολύ την επικοινωνία αλλά εν τέλει εγκαταλείφθηκε αφού βρέθηκε ικανοποιητική λύση και στο asychronous mode. Η επικοινωνία πραγματοποιείται με τον πυρήνα ως master να ζητά δεδομένα όποτε τα χρειάζεται (on-demand) και το H128CAN module ως slave να απαντά πράττοντας ανάλογα με την εντολή που έλαβε. Η διαδικασία που ακολουθείται απεικονίζεται γραφικά στο Σχήμα 2.4.

39 Κεφάλαιο 2: Σχεδιασμός του PLC 37 Οι εντολές είναι δύο και αφορούν τις δύο λειτουργίες του I/O module, η: λειτουργία ανάγνωσης εισόδου (Read), κατά την οποία διαβάζεται η κατάσταση μίας από τις ψηφιακές εισόδους του H128CAN και αποστέλνεται μία απάντηση που χαρακτηρίζει την κατάσταση αυτή, και η λειτουργία ορισμού εξόδου (Write), κατά την οποία δίνεται εντολή να ανοίξει ή να κλείσει η σύνδεση του καθορισμένου relay εξόδου και αποστέλνεται μια απάντηση που δηλώνει ότι η εντολή ολοκληρώθηκε Σχήμα 2.4 Διαδικασία πρωτοκόλλου Το πλαίσιο (frame) που αποστέλλεται από τον πυρήνα έχει μήκος ενός byte και περιέχει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες. Στο Σχήμα 2.5 φαίνεται η δομή ενός τέτοιου πλαισίου. Στην περίπτωση της λειτουργίας ανάγνωσης, οι απαντήσεις που στέλνει είναι οι εξής: Κατάσταση SET με κωδικό 0xB4 σε δεκαεξαδικό σύστημα ή 0b σε δυαδικό, απεικονίζει ότι η καθορισμένη είσοδος είναι σε επίπεδο high (+5V) Κατάσταση ZERO με κωδικό 0x69 σε δεκαεξαδικό σύστημα ή 0b σε δυαδικό, απεικονίζει ότι η καθορισμένη είσοδος είναι σε επίπεδο low (0V)

40 38 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR Στην περίπτωση της λειτουργίας ορισμού εξόδου, η απάντηση είναι το byte SET όπως περιγράφηκε παραπάνω. Σχήμα 2.5 Πλαίσιο αποστολής από πυρήνα Να σημειωθεί εδώ ότι τα bytes αυτά επιλέχθηκαν ώστε να έχουν χαρακτηριστικό bit string πράγμα που διευκολύνει πολύ τον εντοπισμό σφαλμάτων κατά την αποστολή και λήψη του κωδικού. Τέλος όσον αφορά το βασικό πρωτόκολλο, το RS232, πάνω στο οποίο βασίζεται η επικοινωνία αυτή χρησιμοποιούνται οι απλές και αξιόπιστες ρυθμίσεις που φαίνονται στον Πίνακα 2.1. Πίνακας 2.1 Προδιαγραφές RS232 baud rate 4800 parity bits 0 stop bits 1 mode asynchronous 2.4 Προδιαγραφές (Specifications) Οι προδιαγραφές του PLC καθορίζονται από τις δυνατότητες που παρέχουν τα επιμέρους κομμάτια του και φυσικά ο συνδυασμός τους. Στον Πίνακα 2.2 παρουσιάζονται οι δυνατότητες εισόδου/εξόδου που παρέχει η συσκευή. Τα μεγέθη είναι συγκρίσιμα και αρκετά ικανοποιητικά σε σχέση με αυτά που παρέχουν τα PLC τις αγοράς και τις απαιτήσεις απλών εφαρμογών.

41 Κεφάλαιο 2: Σχεδιασμός του PLC 39 Πίνακας 2.2 Εξάρτημα Είσοδοι Έξοδοι Πυρήνας (ATmega128) 8 αναλογικές H128CAN 2x8 ψηφιακές 8 ψηφιακές 2xAVRIO 2x4 ψηφιακές 2x4 ψηφιακές με relay 1xDAC (2-κάναλο) Σύνολο αναλογικές - 24 ψηφιακές 2 αναλογικές - 16 ψηφιακές (8 με ρελέ) - 2 αναλογικές Προκειμένου να αποφευχθούν παρεξηγήσεις και να υπάρχει ένα κοινό σημείο αναφοράς για τις εισόδους και τις εξόδους δόθηκε μία ενοποιημένη ονοματολογία ανεξάρτητα από ποιο εξάρτημα προέρχεται η είσοδος ή η έξοδος. Με βάση αυτή την ονοματολογία θα αναφέρονται οι είσοδοι/έξοδοι και παρακάτω. Στον Πίνακα 2.3α φαίνονται τα ονόματα για τις εισόδους και στον Πίνακα 2.3β για τις εξόδους Πίνακας 2.3α Εξάρτημα Αριθμός εισόδων Όνομα Πυρήνας 8 αναλογικές AI0 - AI7 AVRIO 1 4 ψηφιακές DI0 - DI3 AVRIO 2 4 ψηφιακές DI4 - DI7 H128CAN 16 ψηφιακές DI8 - DI23 Πίνακας 2.3β Εξάρτημα Αριθμός εξόδων Όνομα AVRIO 1 4 ψηφιακές DO0 - DO3 AVRIO 2 4 ψηφιακές DO4 - DO7 H128CAN 8 ψηφιακές DO8 - DO15 DAC board 2 αναλογικές AO0, AO1 Όσον αφορά τις δυνατότητες προγραμματισμού και μνήμης, προγραμμάτων και δεδομένων, αυτές έχουν να κάνουν με τις αντίστοιχες προδιαγραφές του μικροελεγκτή που λειτουργεί ως πυρήνας, δηλαδή του Atmega128. Στον Πίνακα 2.4 συνοψίζονται οι σημαντικότερες από αυτές.

42 40 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR Πίνακας 2.4 Μνήμη Τύπος Τιμή flash 128 kb Μνήμη RAM SRAM 4 kb Μνήμη ROM EEPROM 4 kb Μνήμη προγράμματος Ο προγραμματισμός μπορεί να γίνει σε μία από τις πολλές γλώσσες για τις οποίες υπάρχουν μεταγλωττιστές (compilers) για την αρχιτεκτονική του μικροελεγκτή AVR. Σ' αυτές περιλαμβάνονται εκτός από την γλώσσα μηχανής του (assembly): η C, η C++ (με περιορισμούς) η Pascal και παραλλαγές της η BASIC και παραλλαγές της Να σημειώσουμε πληροφοριακά ότι συνήθως προτιμούνται η assembly και η C ή και ο συνδυασμός των δύο για λόγους απόδοσης, ευκολίας στον προγραμματισμό και δυνατοτήτων που μπορούν να επιτευχθούν. Τα προγράμματα που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια αυτής της εργασίας είναι γραμμένα εξ ολοκλήρου σε assembly εκτός από το firmware του HR168 module το οποίο για καθαρά τεχνικούς λόγους υλοποιήθηκε σε γλώσσα C. Εικόνα 2.2 Ο μικροελεγκτής ATmega128 Ο μικροελεγκτής προγραμματίστηκε έτσι ώστε να χρησιμοποιεί σαν ρολόι συστήματος τον εσωτερικό ταλαντωτή, που υπάρχει ενσωματωμένος στο ολοκληρωμένο κύκλωμα, ρυθμισμένος στην συχνότητα του 1MHz. Η συχνότητα για το ρολόι συστήματος κρίθηκε επαρκής καθώς μπορεί να αποδώσει ικανοποιητικούς χρόνους απόκρισης για εφαρμογές βιομηχανικού ελέγχου.

43 Κεφάλαιο 2: Σχεδιασμός του PLC Γραφικό περιβάλλον (GUI) Ως επιπλέον βοηθητικό εργαλείο για την κατανόηση της λειτουργίας του PLC και κυρίως για την οπτικοποίηση της εκτέλεσης των διαδικασιών των παραδειγμάτων που δοκιμάσαμε (περιγράφονται αναλυτικά στο Κεφ. 4), αναπτύχθηκε στον Η/Υ ένα απλό γραφικό περιβάλλον. Στο GUI (Graphical User Interface), το οποίο περιέχει 4 σελίδες -μία για κάθε παράδειγμα- παρουσιάζεται ένα μιμικό διάγραμμα της εφαρμογής, μια σύντομη περιγραφή της διαδικασίας και οι έξοδοι του PLC. Στις εξόδους σημειώνονται οι συσκευές στις οποίες είναι συνδεδεμένες ενώ ο χρήστης μπορεί να παρατηρεί τη λογική κατάσταση της κάθε εξόδου. Στην Εικόνα 2.3 απεικονίζεται ένα στιγμιότυπο του GUI την ώρα που εκτελείται. Εικόνα 2.3 Άποψη του GUI Επικοινωνία με PC - Επέκταση πρωτοκόλλου Πυρήνα H128CAN Ως πρόσθετη πρόκληση, εκμεταλλευόμενοι το ήδη υπάρχον πρωτόκολλο σειριακής επικοινωνίας μεταξύ του πυρήνα και της κάρτας Ι/Ο (Η128CAN), το επεκτείναμε έτσι ώστε οι εντολές αλλαγής καταστάσεων εξόδου να καλύπτουν και τις ψηφιακές εξόδους των εξαρτημάτων AVRIO που χρησιμοποιήθηκαν για τις εξόδους DO0 DO7. Έτσι προσθέτοντας

44 42 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR μία διακλάδωση από την γραμμή αποστολής δεδομένων TX του πυρήνα συνδέσαμε το PLC με τον Η/Υ. Για την σύνδεση απαιτήθηκε η παρεμβολή μίας κυκλωματικής διάταξης (Σχήμα 2.6) με χρήση του οδηγού MAX232. Ο οδηγός αυτός μεταβάλλει το σήμα που αποστέλλεται από τον μικροελεγκτή Atmega128 από τα επίπεδα τάσης TTL (0V εώς 5V), όπου βρίσκεται, στα επίπεδα RS232 (-12V εώς 12V) στα οποία λειτουργεί η σειριακή θύρα του Η/Υ. Σχήμα 2.6 Κύκλωμα με MAX232 Το πρωτόκολλο που περιγράφηκε στην παράγραφο 2.3 επεκτάθηκε για να καλύψει το σύνολο των εξόδων του PLC. Για τις εξόδους DO8 DO15 δεν απαιτείται το κεντρικό πρόγραμμα να στέλνει επιπλέον δεδομένα αφού το πρωτόκολλο υλοποιήθηκε και στο περιβάλλον Η/Υ ώστε να αντιλαμβάνεται τις εντολές που στέλνει ο πυρήνας όταν θέλει να ενεργοποιήσει κάποια έξοδο του H128CAN και να πράττει αναλόγως. Για τις εξόδους DO0 DO7 όμως απαιτείται προσθήκη κώδικα, σε κάθε διαδικασία, για την ενημέρωση του GUI αφού οι έξοδοι αυτές ενεργοποιούνται με απευθείας καλωδιώσεις από τον πυρήνα. Λήφθηκε μέριμνα ώστε οι επιπλέον εντολές που εντάχθηκαν στον πρωτόκολλο να μη δημιουργούν προβλήματα στην επικοινωνία πυρήνα-h128can αφού ο τελευταίος διαθέτει μια υλοποίηση του μη-επεκταμένου πρωτοκόλλου. Έτσι δεν μπορεί να ερμηνεύσει τις επιπλέον εντολές και τις αγνοεί. Να σημειώσουμε ότι η επέκταση του πρωτοκόλλου είναι μονόδρομη. Αυτό σημαίνει ότι ο Η/Υ δεν αποστέλλει δεδομένα προς τον πυρήνα, παρά μόνο λαμβάνει από αυτόν. Στο Σχήμα 2.7 απεικονίζεται το πλαίσιο το οποίο ακολουθούν μόνο οι πρόσθετες εντολές του επεκταμένου πρωτοκόλλου.

45 Κεφάλαιο 2: Σχεδιασμός του PLC Σχήμα 2.7 Πλαίσιο επεκταμένου πρωτοκόλλου 43

46 44 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR

47 Κεφάλαιο 3: Εξαρτήματα Κεφάλαιο 3: Εξαρτήματα 3.1 AVR (Atmega128) Ο μικροελεγκτής Atmega128 της Atmel (Εικόνα 2.2) αποτέλεσε τον πυρήνα του PLC. Παρακάτω συγκεντρώνονται, περιγραφικά, τα χαρακτηριστικά του μικροελεγκτή. - Αρχιτεκτονική RISC (Reduced Instruction Set) εντολές, οι περισσότερες εκ των οποίων εκτελούνται σε έναν κύκλο εργασίας - 32x8 γενικούς καταχωρητές και περιφερειακούς καταχωρητές ελέγχου ΚBytes εσωτερική, αυτοπρογραμματιζόμενη μνήμη Flash - 4 KBytes EEPROM - 4K Bytes Internal SRAM - SPI interface για In-System Programming - 4 Timer/ Counters, 2 των 8-bit και 2 των 16-bit - Real time Clock με ξεχωριστό ταλαντωτή bit κανάλια PWM - 6 κανάλια PWM με προγραμματιζόμενη ανάλυση από 2 μέχρι 16 bit - 8 κανάλια, 10-bit ADC - TWI - 2xUSARTs - SPI - WatchDog Timer - Αναλογικό συγκριτή - Εσωτερικό ρολόι - Χειρίζεται εσωτερικές και εξωτερικές πηγές διακοπών - Sleep Modes - Προγραμματιζόμενο scalling της συχνότητας λειτουργίας Τάσεις λειτουργίας V Στην συνέχεια θα αναλυθούν, σε κάποιο βαθμό, τα χαρακτηριστικά του AVR τα οποία 45

48 46 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR χρησιμοποιήσαμε. Interrupts Οι διακοπές χρησιμοποιήθηκαν για τον χειρισμό διαφόρων καταστάσεων οι οποίες ανέκυπταν σε μη προβλεπόμενη χρονική στιγμή. Για παράδειγμα, μια διακοπή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό υψηλής θερμοκρασίας σε κάποιο μηχάνημα. Αφού ανιχνευθεί η αλλαγή αυτή διακόπτεται η ροή του προγράμματος και εκτελείται ο κώδικας που βρίσκεται στο αντίστοιχο interrupt. Τα interrupts εκτελούνται με μια σειρά προτεραιότητας, σε περίπτωση που προκύψουν ταυτόχρονα. Τα interrupts τα οποία βρίσκονται σε χαμηλότερες διευθύνσεις έχουν την μεγαλύτερη προτεραιότητα. Εναλλακτική επιλογή, αντί των διακοπών, είναι η μέθοδος polling κάποιων σημαιών. Η μέθοδος αυτή είναι αποτελεσματική όταν μπορούμε να προβλέψουμε περίπου πότε θα συμβεί ένα γεγονός. Ουσιαστικά αποτελεί έναν επαναληπτικό βρόχο, ο οποίος ελέγχει μια επιθυμητή σημαία. Το κύριο μειονέκτημα της χρήσης διακοπών είναι η δημιουργία ενός κώδικα ο οποίος δεν γίνεται εύκολα debug, λόγω του τυχαίου παράγοντα που εισάγουν τα interrupts. Πλεονεκτούν όμως διότι λύνουν με αποδοτικότερο τρόπο προβλήματα τα οποία είναι πολύ δύσκολο να αντιμετωπιστούν μέσω polling. Εάν κάποιες από τις διακοπές δεν ενεργοποιηθούν τότε, στην διεύθυνση αυτών, μπορεί να εισαχθεί κανονικός κώδικας. USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver / Transmitter) Η USART χρησιμοποιήθηκε για την επικοινωνία μεταξύ των δύο AVR, αυτόν που βρίσκεται στον πυρήνα και αυτόν που βρίσκεται στο mini-module GMM AM128. Ο Atmega128 έχει 2 θύρες USART τις USART0 και USART1. Για την έναρξη της επικοινωνίας μέσω αυτών των καναλιών απαιτείται η αρχικοποίηση τους και ο καθορισμός των χαρακτηριστικών της επικοινωνίας. Ουσιαστικά απαιτείται η επιλογή ενός φυσικού πρωτοκόλλου πχ 8-bit frame, 1 Stop bit, no parity, η επιλογή μεταξύ ασύγχρονου και σύγχρονου τρόπου επικοινωνίας αλλά και ο καθορισμός της ταχύτητας επικοινωνίας (baud rate). Ο Atmega128 έχει την δυνατότητα λειτουργίας σε mode διπλάσιας ταχύτητας, το οποίο ενεργοποιείται θέτοντας το bit U2X=1. Με την χρήση του mode διπλής ταχύτητας ο μικροελεγκτής μπορεί να φτάσει, σε μια ταχύτητα ανταλλαγής δεδομένων, ίση με 2Mbps. Ένα πολύ ενδιαφέρον mode λειτουργίας της USART είναι αυτό του multi-processor communication. Ο master avr στέλνει πακέτα δεδομένων στους slaves, κάποια από αυτά είναι διευθύνσεις τις οποίες λαμβάνουν όλοι οι slaves. Στην συνέχεια ο Master στέλνει δεδομένα τα οποία μόνον ο Slave, του οποίου η διεύθυνση είχε τοποθετηθεί στο προηγούμενο frame, λαμβάνει. Το πρωτόκολλο αυτό αποτελεί μια καλή λύση για την επίτευξη της διασύνδεσης μεταξύ των μικροελεγκτών και επιλέγεται κυρίως λόγω της απλότητας του στην υλοποίηση, τόσο από άποψη software όσο και από hardware

49 Κεφάλαιο 3: Εξαρτήματα 47 SPI (Serial Peripheral Interface) Το συγκεκριμένο interface χρησιμοποιήθηκε για την επικοινωνία με την περιφερειακή μονάδα DAC-MCP4922. Υλοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τα pin MOSI και SCK του μικροελεγκτή, Όπως και στην USART έτσι και στην SPI καθορίζουμε κάποια χαρακτηριστικά για την επικοινωνία μεταξύ των διαφόρων μονάδων, όπως το εάν μια μονάδα είναι master ή slave, το clock επικοινωνίας. Επίσης πρέπει να ενεργοποιηθεί η SPI μέσω του bit SPE. Υπάρχει η δυνατότητα ενεργοποιήσεως μιας διακοπής μετά το πέρας της μεταφοράς των δεδομένων, η οποία δεν έχει καμία πρακτική εφαρμογή στην επικοινωνία μας με το περιφερειακό, DAC. ADC (Analog to Diigital Converter) Ο μετατροπέας από αναλογικό σε ψηφιακό ενός σήματος, χρησιμοποιήθηκε για την δειγματοληψία αναλογικών σημάτων διαφόρων αισθητηρίων όπως τα : αισθητήριο θερμοκρασίας LM35DZ (παράγραφος 3.5.1) και αισθητήριο υγρασίας HS2000V (παράγραφος 3.5.2). Προσφέρει την δυνατότητα, μέσω πολυπλέκτη, της δειγματοληψίας μέχρι 8 αναλογικών σημάτων. Επίσης μπορεί να δειγματοληπτήσει μέχρι 7 διαφορικά κανάλια, επιλέγοντας ως τάση αναφοράς κάποια εκ των 8 σημάτων που βρίσκονται στα άκρα των αντίστοιχων pin (PortF του AtMega128). Έχει μη γραμμικότητα της τάξης των 0.5 LSB και απόλυτη ακρίβεια +/- 2LSB. Μπορεί να επιλεχθεί η ενίσχυση των διαφορικών σημάτων εισόδου, πριν από την μετατροπή, με τα ακόλουθα κέρδη : -1x (0dB), -10x (20dB) και -200 (46dB). Η συχνότητα η οποία χρησιμοποιείται για την δειγματοληψία των αναλογικών σημάτων μπορεί να μεταβληθεί μέσω prescaling του clock του AVR. Λόγω του ότι μια μετατροπή διαρκεί κύκλους μηχανής η συχνότητα μετατροπής μειώνεται, περίπου, στο 1/13. Σε περίπτωση που θέλουμε να δειγματοληπτήσουμε όλες τις εισόδους τότε πρέπει να αναλογιστούμε ότι οι μετατροπές συμβαίνουν η μια μετά την άλλη και όχι παράλληλα, μειώνοντας, έτσι την ταχύτητα δειγματοληψίας. Ακόμη, μπορούμε να επιλέξουμε διαφορετικές τάσεις αναφοράς για το μετατρεπόμενο σήμα, μεταβάλλοντας ουσιαστικά το βήμα μετατροπής. Ως πηγές τάσης αναφοράς μπορούν να χρησιμοποιηθούν η AVCC, η εσωτερική πηγή των 2.56 Volt ή το εξωτερικό pin AREF. Για την περίπτωση της single conversion, την οποία και χρησιμοποιήσαμε, η έξοδος του μετατροπέα A/D δίνεται από τον παρακάτω τύπο:

50 48 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR ADC = Vin 1024 Vref Για την αποφυγή θορύβου, συνδέσαμε έναν πυκνωτή της τάξης των 100nF μεταξύ των AREF και GND. Χωρίς την προσθήκη του πυκνωτή τα αποτελέσματα ήταν απογοητευτικά, για αυτό και χρησιμοποιήθηκε η τεχνική καταστολής του θορύβου μέσω πυκνωτή. Επίσης ο μετατροπέας A/D μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε 2 modes, το single conversion mode, όπου κάθε φορά γίνεται μία και μόνο μετατροπή με την ενεργοποίηση ενός bit και το free running mode όπου γίνεται ακατάληπτη δειγματοληψία της εισόδου. Timers O μικροελεγκτής AVR προσφέρει 4 timers, 2 των 8-bit και 2 των 16-bit. Εμείς επιλέξαμε τον Timer-1, 16-bit, για την δημιουργία των απαραίτητων καθυστερήσεων. Όπως και στα άλλα περιφερειακά έτσι και εδώ μπορούμε να διαιρέσουμε την συχνότητα λειτουργίας. Τα modes λειτουργίας των timer είναι: - Normal Mode: Ο counter μετρά από το 0x0000 μέχρι το 0xFFFF και πάλι από την αρχή. - CTC (Clear Timer On Compare Match): Όπου ο προγραμματιστής καθορίζει την τιμή έως την οποία μετρά ο Counter μέχρι να ξανακάνει restart. - Fast PWM Mode: Δημιουργεί μια υψίσυχνη PWM κυματομορφή. - Phase Correct PWM: Παρέχει δυνατότητα δημιουργίας μια υψηλής ανάλυσης PWM phase correct κυματομορφής. - Phase and frequency corect PWM : Παρέχει δυνατότητα δημιουργίας μια υψηλής ανάλυσης PWM phase and frequency correct κυματομορφής.

51 Κεφάλαιο 3: Εξαρτήματα 49 Εμείς χρησιμοποιήσαμε το mode CTC για την δημιουργία ρουτινών δημιουργίας σταθερών χρονικών καθυστερήσεων. Από τεχνικής πλευράς, εισήχθησαν σφάλματα λόγω της χρήσης του εσωτερικού ρολογιού του AVR. Σε περιπτώσεις όπου υπάρχει η ανάγκη για μεγαλύτερη ακρίβεια πρέπει να χρησιμοποιηθεί εξωτερικός κρύσταλλος ταλαντωτής ο οποίος εγγυάται μεγαλύτερη ακρίβεια. 3.2 Κάρτα Ι/Ο με χρήση H128CAN Δομή κάρτας Ι/Ο Η κάρτα την οποία κατασκευάσαμε για τις ανάγκες τις εργασίας υλοποιήθηκε πάνω σε διάτρητη πλακέτα γενικής χρήσης. Κύριο της στοιχείο είναι το εξάρτημα AVR-H128CAN της εταιρίας Olimex με ενσωματωμένο μικροελεγκτή AT90CAN128 της Atmel. Η κάρτα Ι/Ο διαθέτει 16 ψηφιακές εισόδους που μπορούν να ενεργοποιηθούν με την βοήθεια δύο συστοιχιών από διακόπτες τύπου DIP και 8 ψηφιακές εξόδους. Σε κάθε έξοδο υπάρχει κατάλληλα συνδεδεμένη φωτοδίοδος (LED) για την απεικόνιση της κατάστασής της. Στις εικόνες 3.1(α) και 3.1(β) φαίνεται μια πραγματική άποψη της πλακέτας ενώ στο Σχήμα 3.1 δίνεται το σχέδιο της. Εικόνα 3.1 (α), (β) Kάρτα Ι/Ο με H128CAN Στην κάρτα έχουν τοποθετηθεί και συνδεθεί με τον μικροελεγκτή pins που διευκολύνουν την διασύνδεση με τον πυρήνα (Atmega128) που βρίσκεται στην πλακέτα STK501. Όπως περιγράφηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο η διασύνδεση των δύο επεξεργαστών βασίζεται στο πρότυπο RS232. Για την επικοινωνία απαιτούνται 2 γραμμές, οι RX και TX, που συνδέονται διασταυρούμενες ανάμεσα στους δύο επεξεργαστές.

52 50 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR Σχήμα 3.1 Ηλεκτρολογικό σχέδιο της κάρτας Ι/Ο Οι διακόπτες DIP (Εικόνα 3.2) που χρησιμοποιήθηκαν για τον έλεγχο των ψηφιακών εισόδων έχουν δύο καταστάσεις. Η πρώτη είναι η κατάσταση OFF όπου κατά την ηλεκτρολογική ορολογία ανοιχτο-κυκλώνονται οι είσοδοι του μικροελεγκτή. Αυτό δεν δημιουργεί πρόβλημα αφού οι ψηφιακές είσοδοι των μικροελεγκτών AVR είναι εσωτερικά συνδεδεμένες με αντιστάσεις pull-up παρεμποδίζοντας έτσι την αστάθεια των κλάδων αυτών του κυκλώματος. Εικόνα άδα από DIP switches Η εναλλακτική κατάσταση είναι η κατάσταση ON κατά την οποία βραχυκυκλώνονται

53 Κεφάλαιο 3: Εξαρτήματα 51 μεταξύ τους τα ζεύγη των pins που αντιστοιχούν σε κάθε διακόπτη. Όταν οποιοσδήποτε από τους 16 διακόπτες DIP μεταβεί στην κατάσταση ΟΝ τότε το αντίστοιχο pin εισόδου του AVR τροφοδοτείται με την τάση λειτουργίας ( V cc =5V ) δηλαδή το λογικό 1. Διαφορετικά βρίσκεται στο λογικό 0. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω για την οπτικοποίηση των 8 εξόδων χρησιμοποιήθηκαν φωτοδίοδοι LED διαμέτρου 5mm συνδεδεμένοι ώστε να απεικονίζουν τις καταστάσεις σε θετική λογική AVR-H128CAN Το module H128CAN (Εικόνες 3.3α και 3.3β) ουσιαστικά αποτελεί μια συσκευή που διευκολύνει την χρήση του μικροελεγκτή AT90CAN128 αφού ο τελευταίος παρέχεται μόνο σε ολοκληρωμένο κύκλωμα τύπου SMD. Εικόνα 3.3 (α), (β) Όψεις του Η128CAN Το Η128CAN είναι ένα τυπωμένο κύκλωμα (PCB) με ενσωματωμένο εργοστασιακά τον προαναφερθέντα μικροελεγκτή. Τα 64 pins του τυπωμένου κυκλώματος αντιστοιχούν ένα προς ένα στα 64 pins του AT90CAN128 κάνοντας εφικτή την χρήση του σε breadboards ή διάτρητες πλακέτες. Το τυπωμένο κύκλωμα παρέχει επιπλέον διευκολύνσεις στον χρήστη: Ενσωματωμένο εξωτερικό κρύσταλλο ταλαντώσεων στα 16 MΗz σε κατάλληλη συνδεσμολογία με πυκνωτές Ενοποίηση της τροφοδοσίας του επεξεργαστή Vcc με του μετροπέα A/D AVcc σε μία κεντρική με χρήση σταθεροποιητή τάσης εξόδου 5V και πυκνωτές κατάλληλα συνδεδεμένους για την μείωση του θορύβου στην τάση τροφοδοσίας Pin-header τύπου ICSP για τον προγραμματισμό του μικροελεγκτή μέσω

54 52 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR οποιουδήποτε προγραμματιστή υποστηρίζει το πρωτόκολλο (πχ. STK500) Δυνατότητα χρήσης JTAG για debbuging εσωτερικά του κυκλώματος μέσω του αντίστοιχου pin-header. Κυκλωματική διάταξη Reset. Για να γίνει κατανοητή η συνολική λειτουργία του τυπωμένου κυκλώματος στο Σχήμα 3.2 δίνεται το σχέδιο του όπως παρέχεται από την εταιρία κατασκευής. Σχήμα 3.2 Σχέδιο του H128CAN Ο AT90CAN128 είναι ένας σύγχρονος μικροελεγκτής με πληθώρα περιφερειακών συσκευών και δυνατοτήτων. Είναι πολύ παρόμοιως στα χαρακτηριστικά του με τον Atmega128 που περιγράφηκε στην παράγραφο 3.1 και χρησιμοποιήθηκε στον πυρήνα του PLC. Η κυρίως διαφορά τους είναι ότι ο AT90CAN128 περιέχει περιφερειακό σύστημα για επικοινωνία με άλλες συσκευές μέσω του πρωτοκόλλου CAN (Controller-Area Network). Αναφέρουμε εδώ εν συντομία τα γενικά χαρακτηριστικά του AT90CAN128: Προηγμένη αρχιτεκτονική RISC

55 Κεφάλαιο 3: Εξαρτήματα 53 Δυνατότητα εκτέλεσης εώς 16MHz 128ΚΒ μνήμη προγράμματος τύπου Flash 4K μνήμη EEPROM 4K μνήμη RAM CAN controller 2.0A & 2.0B 4 timers των 8 και 16 bit Μετατροπέα A/D με ανάλυση 10 bits 53 προγραμματιζόμενες γραμμές Ι/Ο Ο AT90CAN128 διαθέτει πολλές ακόμα δυνατότητες και έχει επιπλέον μικρές διαφορές με τον Atmega128. Η ανάλυση των προαναφερθέντων ξεφεύγει από τους στόχους αυτής της εργασίας Το H128CAN πάνω στην κάρτα Ι/Ο Όπως περιγράφηκε στις προηγούμενες παραγράφους ο ρόλος του είναι να λαμβάνει εντολές για την ανάγνωση των τιμών των εισόδων ή και την ανάθεση τιμών στις εξόδους και να απαντάει αναλόγως. Για την σύνδεση με τις γραμμές εισόδων και εξόδων χρησιμοποιήθηκαν 3 πόρτες I/O του ΑΤ90CAN128. Στον Πίνακα 3.1 απεικονίζεται η αντιστοίχιση αυτή. Πίνακας 3.1 Αντιστοίχιση των I/O Είσοδοι/Έξοδοι AT90CAN128 Port DI8 - DI15 PORTA DI16 - DI24 PORTC DO8 - DO15 PORTB 3.3 Olimex AVR-IO Περιγραφή Η κάρτα AVR-IO της Olimex περιλαμβάνει ένα σύστημα με 4 ψηφιακές εισόδους και 4

56 54 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR relay εξόδων. Η κάρτα φαίνεται στην Εικόνα 3.4. Στο PLC μας ενσωματώσαμε 2 τέτοιες κάρτες, χρησιμοποιώντας μόνο τις εισόδους και εξόδους της. Υπάρχει η δυνατότητα προσθήκης ενός μικροελεγκτή στον πυρήνα της κάθε κάρτας για την αυτόνομη λειτουργία της. Παρακάτω δίνονται τα χαρακτηριστικά και οι δυνατότητες της κάρτας αυτής. Εικόνα 3.4 Αναπτυξιακή κάρτα AVR-IO της Olimex [4] 4 οπτικά απομονωμένες εισόδους 4 relay με 5A/240V AC επαφές 10 Mhz κρυσταλλικό αντηχητή(resonator) LED ένδειξης καταστάσεων RS232 Tx,Rx ICSP 10 pin σύνδεσμο συμβατό με STK RESER IC ZM33064C 10 MHz ταλαντωτή quartz DIL20 θύρα μικροελεγκτή Είσοδο για παροχέα ενέργειας, δηλαδή DC τάσης μεταξύ 10 και 14 Volt Σταθεροποιητή στα 5 Volt, για την παροχή ενέργειας Η κάρτα είναι συμβατή με τους μικροελεγκτές AT90S1200 και ΑΤ90S2313 η οποίοι μπορούν να προγραμματιστούν on-board με 2 τρόπους. Ο πρώτος τρόπος είναι μέσω της παράλληλης θύρας, με την χρήση του καλωδίου προγραμματισμού παράλληλης θύρας AVR ICSP (AVR-PG2B) (Εικόνα 3.5) και το πρόγραμμα AVR ISP της εταιρίας Atmel.

57 Κεφάλαιο 3: Εξαρτήματα Εικόνα 3.5 Καλώδιο μετατροπής Παράλληλης σε ICSP Stk Compatible [5] Ο άλλος τρόπος προγραμματισμού είναι διαμέσου της σειριακής θύρας του υπολογιστή, με το καλώδιο μετατροπής σειριακής σε ICSP (AVR-PG1B) (Εικόνα 3.6) και το πρόγραμμα PonyProg. Εικόνα 3.6 Καλώδιο μετατροπής Σειριακής σε ICSP SΤΚ Compatible [6] 55

58 56 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR 3.4 Digital to Analog Converter (MCP4922) Περιγραφή Ο συγκεκριμένος μετατροπέας είναι της εταιρίας Futurlec, και χρησιμοποιήθηκε στις περιπτώσεις που απαιτούνταν έλεγχος εξωτερικών εξαρτημάτων μέσω αναλογικών σημάτων. Έχει περισσότερα πλεονεκτήματα σε σχέση με τα αντίστοιχα εξαρτήματα της κατηγορίας του. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.7, φωτογραφία του μετροπέα D/A MCP4922, αλλά και στο Σχήμα 3.3, block διάγραμμα του εξαρτήματος, η πλακέτα περιλαμβάνει 2 εξόδους, OUTA και OUTB. Οι ψηφιακές τιμές οι οποίες καθορίζουν τις τιμές των αναλογικών εξόδων, είναι αποθηκευμένες σε κάποιους καταχωρητές, DACA και DACΒ. Αρχικά οι τιμές που φτάνουν αποθηκεύονται στον καταχωρητή εισόδου, Input Register A και Input Register B αντίστοιχα, του κάθε DAC. Η διαδικασία εγγραφής σε κάποιο από τα 2 DAC, είναι η εξής: Θέτουμε την γραμμή CS=0, επιτρέποντας ουσιαστικά την αποστολή των bytes, Στο δεύτερο βήμα στέλνουμε μέσω SPI δύο byte, πρώτα to high byte και μετά το low byte, χειρισμού της πλακέτας, Εν συνεχεία θέτουμε την γραμμή CS=0, επιτρέπει εγγραφή των δεδομένων που έλαβε το καθορισμένο DAC, στον καταχωρητή εισόδου του. Τέλος για την εγγραφή των δεδομένων στις εξόδους του DAC απαιτείται o μηδενισμός του pin LDAC=0. Αυτό γίνεται για το συγχρονισμό των δεδομένων σε περιπτώσεις όπου θέλουμε να αλλάξουμε ταυτόχρονα τις OUTA και OUTB. Σε περίπτωση που δεν μας ενδιαφέρει ο συγχρονισμός των 2 εξόδων, μπορούμε να έχουμε το pin LDAC μόνιμα στο 0. Εικόνα 3.7 To DAC board [7]

59 Κεφάλαιο 3: Εξαρτήματα 57 Σχήμα 3.3 Block διάγραμμα του DAC [8] Το προς αποστολή frame απαρτίζεται από 2 bytes. Η ακριβής δομή των δύο byte, high και low, φαίνεται στον Πίνακα 3.2. Τα 12 εκ των 16 bits χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό της τιμής του VoutX, όπου Χ είναι το Α ή Β DAC. Η τάση στην κάθε έξοδο δίνεται από τον ακόλουθο τύπο: V out = V ref G D N 2n [Β.9] Όπου: 1. Vref, είναι η τάση αναφοράς η οποία ρυθμίζεται διαμέσου ποτενσιομέτρου. Η τάση αναφοράς είναι διαφορετική για κάθε ένα από τα DAC, αφού κάθε ένα από αυτά έχει δικό του ποτενσιόμετρο για την ρύθμιση της, 2. G, είναι το επιλεγόμενο κέρδος της, 1x ή 2x, 3. DN, είναι ο ψηφιακός αριθμός εισόδου, 4. n, είναι ο αριθμός bits που χρησιμοποιούνται για την αναπαράσταση της ψηφιακής εισόδου, στο συγκεκριμένο εξάρτημα, n=12. Τα υπόλοιπα 4 bits, τα οποία bit καθορίζουν την λειτουργία της πλακέτας παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.3.

60 58 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR Πίνακας 3.2 High byte Bit 15 /B A Bit 14 BUF Bit 13 GA Bit 12 SHDN Bit 11 Bit 10 Bit 9 Bit 8 D10 D9 D8 D11 Low byte Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Πίνακας 3.3 Επιλογές μετατροπής A / B, καθορίζει το κανάλι εξόδου Bit 15 Bit 14 BUF, Vref Input buffer control bit 1= γράψε στο DACB, 0= γράψε στο DACB, 1= buffered, 0= unbuffered, Bit 13, επιλογή ενίσχυσης εξόδου GA Bit 12 SHDN, έλεγχου Power Down εξόδου 1= Output Power Down enabled 0= Output buffer disabled 1= 1x (Vout=VREF * D/4096), 0= 2x (Vout=2*VREF * D/4096) Πρέπει να αναφέρουμε ότι ο χρόνος απόκρισης ισούται με τον χρόνο αποστολής των δεδομένων συν τον χρόνο μετατροπής του MCP4922, δηλαδή t response =t transfer t conversion Ο χρόνος μεταφοράς της δυαδικής πληροφορίας υπολογίζεται ως περίπου 16 φορές επί την περίοδο του ρολογιού που χρησιμοποιείται στην μεταφορά με SPI αφού μεταφέρονται συνολικά 2 bytes, δηλαδή 16 bits, και ο χρόνος μετατροπής δίνεται από τα τεχνικά έγγραφα του μετατροπέα. Οπότε t transfer 16 T SPI =16 30=480 ns t conversion 6 μs Άρα t response =6,48 μs Σφάλματα INL και DNL Το σφάλμα INL ορίζεται ως η μέγιστη απόκλιση του πραγματικού σημείου μετάβασης

61 Κεφάλαιο 3: Εξαρτήματα 59 από αυτό που θεωρητικά θα έπρεπε να ήταν, αφού πρώτα έχουν εξαλειφθεί τα σφάλματα offset και κέρδους. Σχήμα 3.4 Σχέση INL με (α) θερμοκρασία (β) επίπεδο τάσης αναφοράς [8] Η σχέση, του σφάλματος INL, με την θερμοκρασία και την τάση αναφοράς φαίνεται στα Σχήματα 3.4(α) και (β) αντίστοιχα. Το σφάλμα DNL πόσο περισσότερο του ενός LSB απέχουν δύο αναλογικές τιμές μετάβασης. Η σχέση, του σφάλματος DNL, με την θερμοκρασία και την τάση αναφοράς φαίνεται στα Σχήματα 3.5(α) και 3.5(β) αντίστοιχα. Σχήμα 3.5 Σχέση DNL με (α) θερμοκρασία (β) επίπεδο τάσης αναφοράς [8] Όπως παρατηρούμε από τα διαγράμματα συσχέτισης των σφαλμάτων με την τάση αναφοράς και την θερμοκρασία, βλέπουμε ότι η τροφοδοσία των 5 Vοlt αποτελεί μια πολύ καλή, από άποψη ελαχιστοποίησης σφαλμάτων, επιλογή. Επίσης, τα σφάλματα τα οποία εισάγονται λόγω θερμοκρασίας, σε αυτή της θερμοκρασίας δωματίου, είναι αρκετά μικρά.

62 60 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR 3.5 Αισθητήρια Αναλογικό αισθητήριο θερμοκρασίας LM35DZ Το αισθητήριο αυτό χρησιμοποιήθηκε για την μέτρηση θερμοκρασίας. Ανήκει στην οικογένεια των αισθητηρίων θερμοκρασίας LM35. Το αισθητήριο φαίνεται στην Εικόνα 3.8. Εικόνα 3.8 Αναλογικό αισθητήριο θερμοκρασίας [9] Παρουσιάζει μια γραμμική συμπεριφορά. Το εύρος λειτουργίας του ποικίλει αναλόγως με την συνδεσμολογία που θα επιλεχθεί. Εμείς επιλέξαμε την συνδεσμολογία του Σχήματος 3.11 η οποία επιτρέπει την μέτρηση θερμοκρασιών από 2 έως 150 oc. Η θερμοκρασία των 0 o C αντιστοιχεί σε 0 mv. Για κάθε αύξηση 1oC το αισθητήριο δίνει 10 mv παραπάνω στην έξοδο. Σχήμα 3.6 Συνδεσμολογία αναλογικού αισθητηρίου [9] Το μικρότερο σφάλμα του αισθητηρίου δίνεται σε θερμοκρασία δωματίου, όπως φαίνεται και από το Σχήμα 3.7. Η πλειονότητα των αισθητηρίων θερμοκρασίας που χρησιμοποιούνται μεταδίδουν τις μετρήσεις τους σε ψηφιακή μορφή μέσω I2C, SPI, 1-Wire και UART. Εκτός των τρόπων άντλησης πληροφορίας από τον αισθητήρα, μεγάλη ποικιλία υπάρχει και στο μέγεθος αυτών, όπου υπάρχουν αισθητήρες πολύ μικρότεροι του LM35. Χαρακτηριστικά αισθητηρίου: Δίνει αποτέλεσμα κατευθείαν σε ocelsius

63 Κεφάλαιο 3: Εξαρτήματα Γραμμικό με +10 mv/ oc Εγγυημένη ακρίβεια 0.5 oc (στους 25 οc) Μέγιστο εύρος -55 oc με 150 oc. Τάση λειτουργίας από 4 Volt μέχρι 30 Volt DC. Προσθέτει, λόγω θέρμανσης λειτουργίας του ιδίου, 0.08 oc σε συνθήκες δωματίου. Μη-γραμμικότητα μόνο ¼ oc 61 Σχήμα 3.7 Διάγραμμα θερμοκρασίας-σφάλματος για τα LM35 [9] Αναλογικό αισθητήριο υγρασίας HS2000V Το αισθητήριο HS2000V (Εικόνα 3.9) επιλέχθηκε για την μέτρηση υγρασίας. Από την πληθώρα αισθητηρίων που κυκλοφορούν στην αγορά το συγκεκριμένο είχε τις πιο ικανοποιητικές προδιαγραφές: Ρυθμισμένο εργοστασιακά Ακρίβεια ±2 % Καλή σταθερότητα Καλή χημική αντίσταση Έξοδος αναλογικής τάσης Καλή γραμμικότητα Χαμηλό κόστος Ένα τέτοιο αισθητήριο που κατασκευάζεται από την εταιρία αισθητηρίων Kele κοστίζει

64 62 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR περίπου 25-35$ ανά τεμάχιο (η τιμή κυμαίνεται ανάλογα με τον προμηθευτή). Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω το HS2000V προσφέρει ως έξοδο αναλογική τάση και μάλιστα γραμμική σε σχέση με την μετρούμενη ποσότητα υγρασίας. Εικόνα 3.9 Αισθητήριο υγρασίας HS2000V [10] Η έξοδος 0V αντιστοιχεί σε 0% μετρούμενη υγρασία ενώ η έξοδος 5V αντιστοιχεί σε περίπου 100% υγρασία. Λόγω της γραμμικής ιδιότητας του HS2000V μία τάση εξόδου 2,5V δείχνει την ύπαρξη 50% υγρασίας στον περιβάλλοντα χώρο του αισθητηρίου. Συνοπτικά ο υπολογισμός της υγρασίας σε σχέση με την τάση εξόδου υπολογίζεται από τον παρακάτω τύπο: H= V out 100 Vs όπου V out η μετρούμενη τάση εξόδου και V s η τάση τροφοδοσίας. Το αποτέλεσμα είναι σε ποσοστό %. Τέλος κάποια από τα πιο σημαντικά τεχνικά χαρακτηριστικά του HS2000V συνοψίζονται στον Πίνακα 3.4. H Πίνακας 3.4 Χαρακτηριστικά του HS2000V Περιγραφή Τιμή Τάση τροφοδοσίας 4,5 έως 5,5V Ρεύμα λειτουργίας 1,2mA (τυπικό) Θερμοκρασίες λειτουργίας Χρόνος απόκρισης Σταθερότητα -30οC έως 100οC ~25 sec +-0,5% / έτος Να σημειωθεί ότι το HS2000V έχει την δυνατότητα μέτρησης και θερμοκρασίας η οποία όμως δεν αξιοποιήθηκε. Πωλείται σε συσκευασία τύπου SIP που είναι αρκετά πρακτική για διάφορες εφαρμογές.

65 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογές 63 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογές 4.1 Ανάπτυξη του λογισμικού ελέγχου χημικής διεργασίας Περιγραφή Η διαδικασία εκκινεί με την πίεση ενός πλήκτρου έναρξης (START) και μπορεί να τερματιστεί σε οποιαδήποτε στιγμή με την μέσω του πλήκτρου επανεκκίνησης (RESET). Η δομή του όλου συστήματος φαίνεται πλήρως στο Σχήμα 4.1. Το πραγματικό σύστημα αποτελείται από : 3 δεξαμενές 3 βαλβίδες (SOL1, SOL2,SOL3) 1 αντιδραστήρα (reactor) 1 θερμαντήρα (heater) 1 μείκτη (mixer) 1 αναλογικό αισθητήρα θερμοκρασίας 2 αισθητήρες ύψους (LL1, LL2) 2 διακόπτες (START, STOP) Με την εκκίνηση της διεργασίας, ενεργοποιείται ο θερμαντήρας (heater) με ένα διακριτό σήμα και παραμένει ανοικτός μέχρις ότου η θερμοκρασία στο εσωτερικό του αντιδραστήρα γίνει 800C. Τότε να διακόπτεται η λειτουργία του θερμαντήρα και επανέρχεται κάθε φορά που η θερμοκρασία πέφτει κάτω από 700C μέχρις ότου φθάσει πάλι τους 800C. Στην συνέχεια ανοίγει η βαλβίδα SOL1 και παραμένει ανοικτή μέχρι ότου η στάθμη του εισερχόμενου ρευστού να φθάσει στο ύψος LL1, ενεργοποιώντας τον τερματικό διακόπτη που βρίσκεται στο συγκεκριμένο ύψος. Αμέσως μετά κλείνουμε την βαλβίδα SOL1 και αν ο θερμαντήρας ήταν ενεργοποιημένος παραμένει σε αυτή την κατάσταση αλλιώς ενεργοποιείται μέχρις ότου η θερμοκρασία φθάσει τους 1100C και επανέρχεται κάθε φορά που η θερμοκρασία πέφτει κάτω από 1000C μέχρις ότου φθάσει πάλι τους 1100C. Στην συνέχεια ανοίγει η βαλβίδα SOL2 και παραμένει ανοικτή μέχρι ότου η στάθμη του ρευστού στον αντιδραστήρα να φθάσει στο ύψος LL2, ενεργοποιώντας τον τερματικό διακόπτη που βρίσκεται στο συγκεκριμένο ύψος. Αμέσως μετά κλείνουμε την βαλβίδα SOL2. Τότε ανοίγει ο αναδευτήρας (mixer) για 20 λεπτά. Στη συνέχεια ανοίγει η βαλβίδα SOL3 και παραμένει ανοικτή για 10 λεπτά. Στην συνέχεια να κλείσει κα να μπορεί να επαναληφθεί η διαδικασία με το πάτημα το διακόπτη START. Με το πάτημα του κουμπιού Reset θα κλείνουν όλες οι βαλβίδες και να απενεργοποιείται ο θερμαντήρας.

66 64 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR Σχήμα 4.1 Διάγραμμα περιγραφής του συστήματος [11] Υλοποίηση και σχολιασμός Για την υλοποίηση της διεργασίας, ακολουθήθηκε επακριβώς η λογική που ζητείται κατά την περιγραφή, πράγμα που φαίνεται στο διάγραμμα ροής (Σχήμα 4.2). Ο αισθητήρας που χρησιμοποιήθηκε για την μέτρηση, αναλογικά, της θερμοκρασίας ήταν ο LM35DZ. Πληρέστερη περιγραφή του αισθητήρα υπάρχει στην παράγραφο Το πρόβλημα το οποίο γεννάται σε χημικές διεργασίες έχει να κάνει με την ακρίβεια στην υλοποίηση. Στην συγκεκριμένη εφαρμογή υπάρχουν δύο στοιχεία τα οποία εισάγουν μικρά σφάλματα στο σύστημα. Το πρώτο είναι το Clock του AVR το οποίο εισάγει στον timer σφάλματα και το δεύτερο είναι το αναλογικό αισθητήριο θερμοκρασίας. Το σφάλμα κατά την δεύτερη περίπτωση οφείλεται κυρίως στην A/D μετατροπή η οποία εκ φύσεως εισάγει διαφόρων ειδών σφάλματα. Λεπτομερείς αναφορές στα σφάλματα που εισήχθησαν υπάρχουν στην παράγραφο περιγραφής του ADC Από την στιγμή που θα ξεκινήσει ο σχεδιασμός για την υλοποίηση μιας διεργασίας πρέπει να τεθούν τα όρια ανοχής σφάλματος, έτσι ώστε να παρθούν τα απαραίτητα μέτρα, λαμβάνοντας υπόψιν ότι η βελτίωση των σφαλμάτων επιβαρύνει το κόστος ενός project. Οι παράγοντες κόστος και ακρίβεια πρέπει να σταθμιστούν

67 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογές 65 καταλλήλως για τις ανάγκες του εκάστοτε project. Στους Πίνακες 4.1 και 4.2 παρατίθενται αναλυτικά οι συνδέσεις των εισόδων και των εξόδων για την υλοποίηση του παραδείγματος. Πίνακας 4.1 Είσοδοι Κωδικός Περιγραφή Είσοδος PLC B01 Κουμπί START DI0 B02 Κουμπί STOP DI1 L01 Αισθητήρας στάθμης LL1 DI8 L02 Αισθητήρας στάθμης LL2 DI9 T01 Αισθητήρας θερμοκρασίας AI0 Το παράδειγμα αυτό βασίστηκε στην εργασία που διεκπεραιώσαμε ως ομάδα, στο μάθημα Βιομηχανική Πληροφορική του κ. Χασάπη. Η επιλογή αυτού έγινε με σκοπό την εξοικείωση μας με τον εργαστηριακό εξοπλισμό, λόγω του σχετικά χαμηλού βαθμού δυσκολίας. Πίνακας 4.2 Έξοδοι Κωδικός Περιγραφή Είσοδος PLC H01 Ενεργοποίηση θερμαντήρα DO0 M01 Ενεργοποίηση κινητήρα αναδευτήρα DO1 V01 Σωληνοειδές βαλβίδας SOL1 DO8 V02 Σωληνοειδές βαλβίδας SOL2 DO9 V03 Σωληνοειδές βαλβίδας SOL3 DΟ10

68 66 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR Σχήμα 4.2 Διάγραμμα ροής ελέγχου χημικής διεργασίας

69 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογές Εφαρμογή 2η Περιγραφή συστήματος διαχείρισης σιλό Στην εφαρμογή αυτή, που απεικονίζεται γραφικά στο Σχήμα 4.3, πραγματοποιήθηκε έλεγχος σε μία απλή μονάδα μεταφοράς υλικού από ένα κεντρικό σιλό αποθήκευσης σε δύο σιλό παραγωγής μέσω ενός ιμάντα. Για την εκτίμηση της ποσότητας του περιεχομένου των σιλό χρησιμοποιήθηκαν αισθητήρες βάρους (load cells) καθώς και κινητήρες για τον έλεγχο του ιμάντα και των βαλβίδων ροής. Πιο συγκεκριμένα τα βασικότερα στοιχεία του συστήματος αυτού είναι: Το κεντρικό σιλό στη βάση του οποίου βρίσκεται μια βαλβίδα που ενεργοποιείται μέσω ενός κινητήρα. Το σιλό διαθέτει αισθητήρα βάρους. Τα δύο σιλό παραγωγής τα οποία επίσης διαθέτουν αισθητήρες βάρους Το σύστημα ενός ιμάντα με ένα μετακινούμενο αγωγό εκφόρτωσης πάνω από τα βοηθητικά σιλό. Ο ιμάντας τίθεται σε λειτουργία με την βοήθεια ενός κινητήρα. Ένα απλό πάνελ ελέγχου με κουμπιά START, STOP και ACK, μία σειρήνα συναγερμού και μία ένδειξη LED. Η διαδικασία ξεκινά με την πίεση του κουμπιού START οπότε, εφόσον τα σιλό παραγωγής είναι άδεια και το σιλό αποθήκευσης έχει αρκετό υλικό μέσα, δίνεται εντολή να ξεκινήσει ο κινητήρας του ιμάντα μεταφοράς. Όταν η ταχύτητα του ιμάντα σταθεροποιηθεί τότε ανοίγει σταδιακά η βαλβίδα στον πυθμένα του σιλό αποθήκευσης και το υλικό εναποτίθεται επάνω στον ιμάντα. Το μεταφερόμενο υλικό οδηγείται στην πρώτη δεξαμενή παραγωγής και όταν αυτή γεμίσει ο αγωγός εκφόρτωσης μετακινείται στην δεύτερη θέση, οδηγώντας έτσι το υλικό στο δεύτερο σιλό. Όταν πληρωθεί η χωρητικότητα και του δεύτερου τότε η διαδικασία σταματά. Να συμπληρώσουμε ότι σε περίπτωση εκτάκτου ανάγκης η διαδικασία μπορεί να σταματήσει οποιαδήποτε στιγμή με την πίεση του διακόπτη STOP οπότε και ηχεί η σειρήνα. Η σειρήνα επίσης ηχεί σε περίπτωση που ληφθεί σήματα από τα θερμικά στοιχεία των κινητήρων. Σε κάθε περίπτωση συναγερμού πρέπει να πατηθεί το κουμπί ACK προκειμένου να φύγει το σύστημα από την κατάσταση αυτή και στη συνέχεια αναβοσβήνει η ένδειξη LED με περίοδο 1 δευτερολέπτου. Αν η διαδικασία τελειώσει φυσιολογικά τότε στέλνεται σήμα και τα σιλό παραγωγής σφραγίζονται. Οι κινητήρες σταματούν και όλα επανέρχονται στην αρχική κατάσταση μέχρι να δοθεί πάλι σήμα εκκίνησης Υλοποίηση και σχολιασμός

70 68 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR Το παράδειγμα αυτό πάρθηκε από τις εργαστηριακές ασκήσεις του μαθήματος Συστήματα Μικροϋπολογιστών του Λ. Πέτρου. Αποτελεί μία κλασσική και σχετικά απλή εφαρμογή βιομηχανικού ελέγχου καθώς περιλαμβάνει ανταλλαγή πληροφορίας μόνο μέσω ψηφιακών σημάτων σε μία εν γένει απλή διαδικασία. Παρόλα αυτά η υλοποίησή της είναι εκπαιδευτικά χρήσιμη. Σχήμα 4.3 Εγκατάσταση διαχείρισης σιλό [12] Στους Πίνακες 4.3 και 4.4 απεικονίζονται οι συνδέσεις εισόδων/ εξόδων αντίστοιχα για την λειτουργία του PLC στην εφαρμογή αυτή. Για την επανειλημμένη ενεργοποίηση-απενεργοποίηση της ένδειξης LED χρησιμοποιήθηκαν οι εσωτερικοί timers του μικροελεγκτή AVR ρυθμισμένοι να μετρούν προσεγγιστικά 1 δευτερόλεπτο. Στο Σχήμα 4.4 απεικονίζεται το διάγραμμα ροής για την διαδικασία ελέγχου.

71 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογές 69 Πίνακας 4.3 Συνδέσεις εισόδων Κωδικός Περιγραφή Είσοδος PLC S01 Κουμπί START DI0 S02 Κουμπί STOP DI1 Q01 Θερμικό κινητήρα Μ1 DI2 Q02 Θερμικό κινητήρα Μ2 DI3 A01 Αισθητήριο βάρους σιλό αποθήκευσης DI4 K01 Κουμπί ACK DI5 B01 Αισθητήριο βάρους Α σιλό παραγωγής 1 DI8 B02 Αισθητήριο βάρους Β σιλό παραγωγής 1 DI9 B03 Αισθητήριο βάρους Α σιλό παραγωγής 2 DI10 B04 Αισθητήριο βάρους Β σιλό παραγωγής 2 DI11 V01 Ένδειξη κανονικής ταχύτητας ιμάντα DI12 Πίνακας 4.4 Συνδέσεις εξόδων Κωδικός Περιγραφή Έξοδος PLC Μ01 Ενεργοποίηση κινητήρα βαλβίδας DO0 Μ02 Ενεργοποίηση κινητήρα ιμάντα DO1 D01 Ένδειξη LED DO2 H01 Ενεργοποίηση σειρήνας DO8 Y01 Σφράγισμα σιλό αποθήκευσης 1 DO9 Y02 Σφράγισμα σιλό αποθήκευσης 2 DO10

72 70 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR Σχήμα 4.4 Διάγραμμα ροής για το παράδειγμα 2

73 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογές Εφαρμογή 3η Περιγραφή εγκατάστασης βιομηχανικής ψύξης Στο Σχήμα 4.5 απεικονίζεται η θεωρητικά ο θερμοδυναμικός κύκλος ψύξης. Στην πράξη θα θεωρήσουμε ένα απλοποιημένο πραγματικό παράδειγμα εγκατάστασης βιομηχανικής ψύξης με έναν συμπιεστή (compressor), έναν συμπυκνωτή (condenser) και ένα θάλαμο ψύξης. Στην εγκατάσταση υφίσταται και διαχωριστής για τον διαχωρισμό της υγρής από την αέρια αμμωνία, η οποία χρησιμοποιείται ως ψυκτικό μέσο. Για λόγους απλοποίησης, θα θεωρήσουμε επίσης ότι ο αμμωνιοδιαχωριστής ελέγχεται από ξεχωριστή μονάδα ελέγχου. Σχήμα 4.5 Θεμελιώδης κύκλος ψύξης [] Η εγκατάσταση εκκινείται από το κουμπί START και υπάρχει κουμπί επείγουσας διακοπής STOP. O αυτοματισμός καλείται να ρυθμίζει την λειτουργία του συμπιεστή και του συμπυκνωτή ώστε να επιτευχθούν και να παραμένουν σταθερές οι θερμοκρασίες στον θάλαμο ψύξης που προορίζεται για συντήρηση φρούτων και λαχανικών. Τόσο ο συμπυκνωτής όσο και ο συμπιεστής λειτουργούν σχεδόν ανεξάρτητα (με μόνη προϋπόθεση ότι για να ξεκινήσει ο συμπιεστής πρέπει ήδη να λειτουργεί ο συμπυκνωτής). Η συμπεριφορά τους καθορίζεται από την πίεση στην έξοδο τους (όπου υπάρχουν αισθητήρια πίεσης) σύμφωνα με τις διαδικασίες που περιγράφονται παρακάτω. Συμπυκνωτής Ο υδρόψυκτος συμπυκνωτής (water-cooled condenser) είναι μία διάταξη που

74 72 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR αποτελείται από μια υδρολεκάνη, μία αντλία (pump) και έναν ισχυρό ανεμιστήρα (ventilator). Ο συμπυκνωτής εκτονώνει το συμπιεσμένο και υπέρθερμο ψυκτικό αέριο που βγαίνει από τον συμπιεστή. Για τον συμπυκνωτή υπάρχει μία τιμή της πίεσης (setpoint) και μία ποσότητα πίεσης που αφήνεται ως νεκρή ζώνη (deadband) συμμετρικά γύρω από το setpoint. Οι τιμές αυτές καθορίζονται από τον υπεύθυνο μηχανικό της εγκατάστασης ανάλογα με τις ανάγκες ψύξης. Όταν η πίεση στην έξοδο του συμπυκνωτή πέσει κάτω από το όριο Pressure=Setpoint Deadband για παραπάνω από 15 sec τότε η αντλία του συμπιεστή πρέπει να εκκινήσει και 15 sec αργότερα ο ανεμιστήρας πρέπει να εκκινήσει στη χαμηλή ταχύτητα. Αν συνεχίσει να υπάρχει ζήτηση για πίεση στην έξοδο του συμπυκνωτή για 15 sec τότε ο ανεμιστήρας μεταβαίνει στην υψηλή ταχύτητα. Ο ανεμιστήρας και η αντλία λειτουργούν με δύο κινητήρες που ελέγχονται από ψηφιακά σήματα. Η αντίστροφη διαδικασία λαμβάνει χώρα σε περίπτωση που δεν υπάρχει ζήτηση για πίεση, δηλαδή εν αντιθέσει με την προηγούμενη περίπτωση το σύστημα οδηγείται σε υπερφόρτωση: Pressure=Setpoint Deadband Συμπιεστής Ο κοχλιοφόρος συμπιεστής (screw compressor) είναι μία διάταξη που λειτουργεί με ζεύγος κοχλιών κατάλληλα τοποθετημένους ώστε η περιστροφή τους να επιτρέπει την παγίδευση ψυκτικού αερίου και εν συνεχεία την σύνθλιψή του σε πολύ μεγαλύτερη πίεση. Το όλο σύστημα οδηγείται από κινητήρα μεγάλης ισχύος. Η πίεση στην έξοδο μεταβάλλεται ανάλογα με την παροχή του ψυκτικού αερίου στον συμπιεστή. Η παροχή αυτή ελέγχεται από μία αναλογική βαλβίδα της οποίας η θέση επιτρέπει να περάσει και μία ανάλογη ποσότητα ψυκτικού μέσου στην είσοδο του συμπιεστή. Με τον έλεγχο της βαλβίδας αυτής σε σχέση με τη ζήτηση πίεσης στην έξοδο του συμπιεστή που καθορίζεται, όπως και στον συμπυκνωτή, από μία προτεινόμενη τιμή (setpoint), λαμβάνει χώρα η ρύθμιση της απόδοσης του συμπιεστή (compressor capacity control). Ι/Ο configuration

75 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογές 73 Πίνακας 4.5 Είσοδοι PT010 AI0 Πίεση στην έξοδο του συμπιεστή PT020 AI1 Πίεση στην έξοδο του συμπυκνωτή TH010 DI0 Θερμικό κινητήρα συμπιεστή ΤΗ020 DI1 Θερμικό κινητήρα αντλίας συμπυκνωτή (M020) ΤΗ021 DI2 Θερμικό κινητήρα ανεμιστήρα συμπυκνωτή (M021) LH010 DI8 Πιεσοστάτης λαδιού στον συμπιεστή (1=alarm) START DI4 Κουμπί εκκίνησης STOP DI10 Κουμπί διακοπής ACK DI Κουμπί acknowledge συναγερμού Πίνακας 4.6 Έξοδοι V010 DO Πίεση στην έξοδο του συμπιεστή M010 AO Ενεργοποίηση κινητήρα συμπιεστή M020 AO Ενεργοποίηση κινητήρα αντλίας συμπυκνωτή M AO Ενεργοποίηση κινητήρα ανεμιστήρα συμπυκνωτή (low speed) M AO Ενεργοποίηση κινητήρα ανεμιστήρα συμπυκνωτή (high speed) ALARM AO Ενεργοποίηση συναγερμού /SIREN Υλοποίηση και σχολιασμός Για την υλοποίηση της διεργασίας, ακολουθήθηκε επακριβώς η λογική που ζητείται κατά την περιγραφή, πράγμα που φαίνεται στα διαγράμματα των Σχημάτων 4.7, 4.8 και 4.9. Στο διάγραμμα ροής του Σχήματος 4.7 φαίνεται η συνολική ροή του ελέγχου,

76 74 Κατασκευή PLC με μικροελεγκτή AVR ξεκινώντας με τον έλεγχο της πρώτης διεργασίας, η οποία περιγράφεται στο Σχήμα 4.9, συνεχίζοντας στον έλεγχο της δεύτερης η οποία φαίνεται στο διάγραμμα ροής του Σχήματος 4.8. Σχήμα 4.6 Μιμικό διάγραμμα της εφαρμογής Σχήμα 4.7 Συνολικό Διάγραμμα Ροής Ελέγχου Σχήμα 4.8 Διάγραμμα ροής ελέγχου Συμπυκνωτή