ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗΣ PLC SIMATIC S7-300

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗΣ PLC SIATIC S Σκοπός του προσομοιωτή. Χωρίς τον προσομοιωτή ο έλεγχος της ορθότητας ενός προγράμματος μπορεί να γίνει μόνο offline με τη χρήση του λογισμικού STEP 7 της Siemens στο παραθυρικό περιβάλλον Simatic anager, μέσω ενός εικονικού προσομοιωτή (PLCSI). Η παραπάνω μέθοδος έχει ως μειονέκτημα ότι ο σπουδαστής βλέπει τη λειτουργία του προγράμματος μόνο στην οθόνη του ηλεκτρονικού υπολογιστή και όχι στο πραγματικό PLC. Με τον προσομοιωτή, ο σπουδαστής έχει τη δυνατότητα να ελέγχει την ορθότητα του προγράμματός του σε πραγματικές συνθήκες. Αυτό σημαίνει ότι θα κατεβάζει (<<download>>) το πρόγραμμά του στον προσομοιωτή και θα βλέπει στην πραγματικότητα πώς ανταποκρίνεται το PLC στις εντολές που του έχει δώσει. 5. Μελέτη και σχεδίαση του προσομοιωτή. 5.. Περιγραφή των παραμέτρων του προσομοιωτή. Ο προσομοιωτής του εργαστηρίου έχει κυρίως εκπαιδευτικό χαρακτήρα, τηρώντας ταυτόχρονα τις προδιαγραφές που ισχύουν στη βιομηχανία. 5.. Εξομοίωση των ψηφιακών σημάτων. Όπως προαναφέρθηκε στο 3 ο κεφάλαιο, η CPU του PLC του εργαστηρίου έχει ενσωματωμένη μία ψηφιακή κάρτα 0 εισόδων-6 εξόδων. Η απλούστερη και πιο οικονομική λύση εισόδου ήταν μέσω της χρήσης 0 μονοπολικών διακοπτών δύο θέσεων (σχήμα 5.): Όταν ο διακόπτης είναι ανοικτός, στην είσοδο της ψηφιακής κάρτας του PLC έχουμε 0V DC, δηλαδή λογικό 0. Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, στην είσοδο της ψηφιακής κάρτας του PLC έχουμε 4V DC, δηλαδή λογικό. 39

2 L N P PS CPU ΨΗΦΙΑΚΗ ΚΑΡΤΑ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ ON-OFF ΛΥΧΝΙΑ 0V P N L Ι4.4 Ι4.5 Ι4.0 Ι4. Ι4. Ι4.3 Ι4.6 Ι4.7 Ι4.8 Ι4.9 Q4.0 Q4. Q4. Q4.3 Q4.4 Q Σχήμα 5.. Εξομοίωση ψηφιακών σημάτων εισόδων/εξόδων. Όπως παρατηρούμε από το σχήμα 5., όλοι οι αριστεροί πόλοι των διακοπτών είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους και έχουν δυναμικό 4V DC. Ο δεξιός πόλος του κάθε διακόπτη, συνδέεται σε μία είσοδο της ψηφιακής κάρτας. Κάθε είσοδος της ψηφιακής κάρτας έχει διαφορετική διεύθυνση, ξεκινώντας από τον αριθμό έως και τον αριθμό. 40

3 Στον αριθμό αντιστοιχεί η διεύθυνση I4.0, στον αριθμό 3 η διεύθυνση I4.,..., στον αριθμό η διεύθυνση I4.9 κ.ο.κ. Όταν κλείσει οποιοσδήποτε από τους παραπάνω 0 διακόπτες, τότε η αντίστοιχη είσοδος της κάρτας δέχεται τάση 4V DC και ενεργοποιείται. Όταν κάποιος διακόπτης είναι κλειστός, η αντίστοιχη είσοδος της κάρτας έχει τάση 0V DC και δεν ενεργοποιείται. Οι αριθμοί και 0 βραχυκυκλώνονται μεταξύ τους και συνδέονται με το σημείο Μ του τροφοδοτικού που έχει δυναμικό 0V. Αυτό συμβαίνει για να επιτευχθεί η επιστροφή του ρεύματος από τη στιγμή που θα κλείσει κάποιος διακόπτης. Από τη στιγμή που ο προσομοιωτής θα δεχτεί στις εισόδους του τα ψηφιακά σήματα, σύμφωνα με το εκάστοτε πρόγραμμα που έχει στη μνήμη του, θα παράγει στις εξόδους του τα αποτελέσματα με τη μορφή ψηφιακών σημάτων 0V ή 4V DC. Τα παραπάνω σήματα γίνονται αντιληπτά στο χρήστη μέσω LEDs τοποθετημένων παράλληλα σε κάθε έξοδο, τα οποία όταν δεχτούν τάση 4V DC ενεργοποιούνται. Όπως παρατηρούμε από το σχήμα 5., οι αριθμοί 4 έως 9 αντιστοιχούν στις εξόδους της κάρτας και σε κάθε μια από αυτές είναι συνδεδεμένο και ένα LED. Κάθε έξοδος της κάρτας έχει διαφορετική διεύθυνση ξεκινώντας από την Q4.0 έως την Q4.5 αντίστοιχα Εξομοίωση των αναλογικών σημάτων. Όπως προαναφέρθηκε στο 3 ο κεφάλαιο, στο ίδιο rack με την CPU, υπάρχει και μία αναλογική κάρτα 8 εισόδων. Ο προσομοιωτής έχει μία συσκευή εξομοίωσης αναλογικών σημάτων, η οποία αποτελείται από μία πλακέτα, η οποία δέχεται στην είσοδό της V AC από το δευτερεύον ενός μετασχηματιστή και στην έξοδό της παράγει 8 DC τάσεις μεταβλητής μέσης τιμής. Έτσι λοιπόν μεταβάλλοντας τη μέση τιμή της τάσης, καταφέρνουμε να προσομοιώνουμε ένα αναλογικό σήμα, το οποίο θα μπορούσε να είναι θερμοκρασία, πίεση κ.τ.λ Μελέτη και σχεδίαση της πλακέτας. Για την κατασκευή της πλακέτας χρησιμοποιήθηκε το μονολιθικό ολοκληρωμένο κύκλωμα L37, που έχει ως σκοπό να ρυθμίζει και να ελέγχει την τάση. Έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να παράγει περισσότερο από,5α ρεύμα φορτίου ρυθμίζοντας ταυτόχρονα και την τάση εξόδου του σε μία περιοχή από,5v έως 37V. Η ονομαστική τάση εξόδου παρέχεται από έναν εσωτερικό ωμικό διαιρέτη τάσης, κάνοντας τη διάταξη εξαιρετικά εύκολη στη λειτουργία της. 4

4 Σχήμα 5. Διάταξη του L37. Σχήμα 5.3. Διάγραμμα συνδεσμολογίας και αριθμοί παραγγελίας του ολοκληρωμένου. 4

5 Σχήμα 5.4. Διάγραμμα του ωμικού διαιρέτη τάσης. Το L37 παράγει μια εσωτερική τάση αναφοράς,5 V μεταξύ των ακροδεκτών <<output>> και <<adjust>>. Αυτή η τάση χρησιμοποιείται για να δημιουργηθεί ένα σταθερό ρεύμα σε έναν εξωτερικό ωμικό διαιρέτη τάσεως (βλέπε σχήμα 5.4), παρέχοντας μία εξωτερική τάση V o που δίνεται από τον παρακάτω τύπο: R V = V ( + ) + I R 0 REF R Το L37 έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να ελαχιστοποιεί τον όρο I (00μΑ μέγιστο) και να τον διατηρεί σταθερό, ανεξάρτητα από τις μεταβολές του φορτίου. Συνήθως, ο όρος I R μπορεί να παραλειφθεί. Από τη στιγμή που το L37 είναι ένας ρυθμιστής τάσης και «βλέπει» μόνο τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των ακροδεκτών εισόδου-εξόδου, μπορεί να μας παρέχει μια υψηλή τάση εξόδου ως προς τη γη. Η προηγούμενη τάση ως προς τη γη μπορεί να ρυθμιστεί, έως ότου η μέγιστη διαφορά δυναμικού μεταξύ των ακροδεκτών εισόδου-εξόδου δεν ξεπεράσει κάποιο όριο που θέτει ο κατασκευαστής του ολοκληρωμένου. Η λειτουργία του ρυθμιστή τάσης μπορεί να βελτιωθεί αν στο κύκλωμα προσθέσουμε κάποιους πυκνωτές: Επειδή το L37 χρειάζεται μια αρκετά σταθεροποιημένη τάση μεταξύ του ακροδέκτη εισόδου και του ακροδέκτη γης, τοποθετείται ένας πυκνωτής 0,μF μεταξύ αυτών των ακροδεκτών, για να εξασφαλίσει την προηγούμενη προϋπόθεση. Επίσης τοποθετείται ένας πυκνωτής 0μF παράλληλα με την αντίσταση R, για να βελτιώσει την κυμάτωση του ρεύματος. Ακόμη τοποθετείται ένας πυκνωτής τανταλίου μf μεταξύ του ακροδέκτη εξόδου και του ακροδέκτη γης, για να βελτιωθεί η μεταβατική αντίδραση της τάσης εξόδου του ρυθμιστή. Σε συνεργασία με τους παραπάνω πυκνωτές είναι σκόπιμο να τοποθετηθούν δύο δίοδοι προστασίας του L37: Η δίοδος D προστατεύει το ολοκληρωμένο κύκλωμα από τυχόν βραχυκυκλώματα στην είσοδό του. Η δίοδος D προστατεύει το ολοκληρωμένο κύκλωμα από τυχόν βραχυκυκλώματα στην έξοδό του. 43

6 Στο σχήμα 5.5 φαίνεται το ολοκληρωμένο κύκλωμα L37, σε συνεργασία με τους πυκνωτές και τις διόδους που προαναφέρθηκαν. Σχήμα 5.5. Το L37σε συνεργασία με του πυκνωτές και τις διόδους. Όπως έχει ήδη σημειωθεί, η εξωτερική τάση V o του παραπάνω κυκλώματος δίνεται από τον παρακάτω τύπο, αν αμελήσουμε τον όρο I R : V 0 = V + R REF ( ) R Η τάση V REF είναι δεδομένη και ίση με,5v. Άρα ο παραπάνω τύπος γίνεται: V 0 = + R, 5( ) R Βλέπουμε λοιπόν ότι αν επιλέξουμε τον κατάλληλο συνδυασμό αντιστάσεων θα μπορέσουμε να πάρουμε στην έξοδο του ρυθμιστή μια τάση από,5v έως ένα άνω όριο που το θέτουμε εμείς. Αυτό το όριο καθορίστηκε στα 0V. Το πρόβλημα όμως είναι, ότι στο εμπόριο δεν υπάρχουν όλες οι τιμές των αντιστάσεων που επιθυμούμε, αλλά μόνο ορισμένες τυποποιημένες τιμές, με αποτέλεσμα το όριο των 0V να μην επιτυγχάνεται. Η αντίσταση R είναι σταθερής τιμής (επιλέχθηκε 40Ω). Η αντίσταση R είναι μεταβλητής τιμής και επιλέχθηκε ένα ποτενσιόμετρο.κω 44

7 Μεταβάλλοντας λοιπόν την αντίσταση του ποτενσιόμετρου μπορούμε να πάρουμε μία τάση στην έξοδο του ρυθμιστή από,5v έως,7v σύμφωνα με το σχήμα 5.6. R(Ω) Vout(V) R(Ω) Vout(V) Όλα τα παραπάνω ισχύουν για την υλοποίηση ενός ρυθμιστή τάσης. Στην εφαρμογή μας όμως, χρειάστηκε να υλοποιήσουμε 8 τέτοιους ρυθμιστές τάσης, με την τοποθέτηση παράλληλα οκτώ κυκλωμάτων, όπως φαίνεται στο σχήμα

8 DN4003 D DN4003 D C9 0.u U L37K 3 IN OUT C 0u R 40 R 0.K C u U U L37K 3 IN OUT c40 0.u C 0u R3 40 R4 0.4K C u U U3 L37K 3 IN OUT C3 0.u C3 0u R5 40 R6 0.8K C4 u U3 U4 L37K 3 IN OUT C5 0.u C4 0u R7 40 R8 K C6 u U4 VOFF = 0 VAPL = 7 FREQ = 50 V0 C0 000u U5 L37K 3 IN OUT C7 0.u C5 0u R9 40 R0.K C9 u U5 U6 L37K 3 IN OUT C0 0.u C6 0u R 40 R.8K C u U6 U7 L37K 3 IN OUT C 0.u C7 0u R3 40 R4 K C3 u U7 U8 L37K 3 IN OUT DN4003 D3 DN4003 D4 C4 0.u C8 0u R5 40 R6.K C5 u U8 0 Σχήμα 5.7. Τοποθέτηση παράλληλα 8 κυκλωμάτων. Τα παραπάνω κυκλώματα σχεδιάστηκαν με τη βοήθεια του λογισμικού P-SPICE της εταιρίας ORCAD. Από τη στιγμή που προσομοιώνουμε τα αναλογικά σήματα, μετράμε κάθε χρονική στιγμή την τιμή τους με δύο DC βολτόμετρα, όπως φαίνεται στο σχήμα

9 V ΒΟΛΤΟΜΕΤΡΟ Α ΒΟΛΤΟΜΕΤΡΟ Β ΜΕΤΑΓΩΓΙΚΟΣ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ Α 4 ΘΕΣΕΩΝ V ΜΕΤΑΓΩΓΙΚΟΣ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ Β 4 ΘΕΣΕΩΝ PIW PIW PIW PIW6 9 0 PIW64 3 PIW PIW PIW ΕΙΣΟΔΟΣ ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΟΥ ΕΙΣΟΔΟΣ ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΟΥ ΕΙΣΟΔΟΣ ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΟΥ 3 ΕΙΣΟΔΟΣ ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΟΥ 4 ΕΙΣΟΔΟΣ ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΟΥ 5 ΕΙΣΟΔΟΣ ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΟΥ 6 ΕΙΣΟΔΟΣ ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΟΥ 7 ΠΛΑΚΕΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ ΕΙΣΟΔΟΣ ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΟΥ 8 L N ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ Σχήμα 5.4. Διάγραμμα συνδεσμολογίας DC βολτομέτρων. Οι δύο αρνητικοί πόλοι των βολτομέτρων είναι βραχυκυκλωμένοι και ενώνονται με τον αρνητικό ακροδέκτη της πλακέτας. Ο θετικός πόλος κάθε βολτομέτρου καταλήγει στο ένα άκρο δύο 47

10 μεταγωγικών διακοπτών τεσσάρων θέσεων. Οι παραπάνω μεταγωγικοί διακόπτες έχουν τοποθετηθεί για να μετράμε οκτώ τάσεις με τη βοήθεια μόνο δύο βολτόμετρων. Δηλαδή μεταβάλλοντας τη θέση του διακόπτη μπορούμε να μετρήσουμε τις τέσσερις τάσεις με το ένα βολτόμετρο και τις άλλες τέσσερις με το άλλο. Από τους τέσσερις πόλους του κάθε διακόπτη καταλήγουμε στους θετικούς ακροδέκτες της πλακέτας για να κλείσουμε το κύκλωμα. Κάθε θετικός ακροδέκτης της πλακέτας, εκτός από τη σύνδεσή του με τους τέσσερις πόλους του εκάστοτε διακόπτη, συνδέεται επίσης και με την αναλογική κάρτα εισόδων του PLC. Δηλαδή ο πρώτος από αριστερά θετικός ακροδέκτης της πλακέτας συνδέεται με τον ακροδέκτη της κάρτας, ο αμέσως επόμενος με τον ακροδέκτη 4 κ.ο.κ. Επίσης, κάθε αρνητικός ακροδέκτης της πλακέτας συνδέεται με την αναλογική κάρτα εισόδων του PLC. Δηλαδή, ο πρώτος από αριστερά αρνητικός ακροδέκτης συνδέεται με τον ακροδέκτη 3 της κάρτας, ο αμέσως επόμενος με τον ακροδέκτη 5 κ.ο.κ. Με τον παραπάνω τρόπο, η κάρτα αναλογικών εισόδων «αντιλαμβάνεται» μια διαφορά δυναμικού μεταβλητής μέσης τιμής μεταξύ των ακροδεκτών της. Για παράδειγμα, οι ακροδέκτες και 3 δέχονται τάση από,5v έως,7v, ανάλογα με την τιμή της αντίστασης του ποτενσιόμετρου. Κάθε ζευγάρι ακροδεκτών έχει διαφορετική διεύθυνση, ξεκινώντας από την PIW56 μέχρι την PIW70, όπως φαίνεται στο σχήμα

11 L N P PS CPU ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΚΑΡΤΑ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ ON-OFF ΛΥΧΝΙΑ 0V P N L PIW PIW PIW PIW6 9 0 PIW64 3 PIW PIW PIW ΠΛΑΚΕΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ Σχήμα 5.5. Διευθύνσεις κάρτας αναλογικών εισόδων. 49

12 Στο σχήμα 5.6 φαίνεται η συνδεσμολογία ολόκληρου του προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή με τους διακόπτες, τα LEDs, και την πλακέτα. L N P PS CPU ΨΗΦΙΑΚΗ ΚΑΡΤΑ ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΚΑΡΤΑ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ ON-OFF ΛΥΧΝΙΑ 0V P N L ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ ΠΛΑΚΕΤΑ Σχήμα

13 PS 307 A SIEENS CPU 3 C DI0/DO8 AI8 DC4V SF VOLTAGE SELECTOR RUN-P RUN BAF DC5V FRCE RUN ON STOP STOP OFF RES A B ΜΠΟΡΝΕΣ ΕΞΟΔΩΝ Q4.0 Q4. Q4. Q4.3 Q4.4 Q4.5 V V ΛΥΧΝΙΕΣ ΕΞΟΔΩΝ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ ΟΝ-ΟFF ΛΥΧΝΙΑ ΔΙΑΚΟΠΤΗ ΟΝ-ΟFF ΚΟΙΝΟΣ ΚΟΜΒΟΣ ΕΞΟΔΩΝ ΜΠΟΡΝΕΣ ΕΙΣΟΔΩΝ ΜΕΤΑΓΩΓΙΚΟΣ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ 4 ΘΕΣΕΩΝ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ ΕΙΣΟΔΩΝ Α ΜΕΤΑΓΩΓΙΚΟΣ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ 4 ΘΕΣΕΩΝ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ ΕΙΣΟΔΩΝ Β I4.0 I4. I4. I4.3 I4.4 PIW56 PIW58 PIW60 PIW6 ΨΗΦΙΑΚΕΣ ΕΙΣΟΔΟΙ ΜΠΟΡΝΕΣ ΕΙΣΟΔΩΝ ΑΝΑΛΟΓΙΚEΣ ΕΙΣΟΔΟΙ A I4.5 I4.6 I4.7 I5.0 I5. PIW64 PIW66 PIW68 PIW70 ΚΟΙΝΟΣ ΚΟΜΒΟΣ ΕΙΣΟΔΩΝ ΨΗΦΙΑΚΕΣ ΕΙΣΟΔΟΙ ΑΝΑΛΟΓΙΚΕΣ ΕΙΣΟΔΟΙ B Στην επιφάνεια του πίνακα φαίνονται: Σχήμα 5.7. Εμπρόσθια όψη του προσομοιωτή. 5

14 Η ράγα του PLC Οι διακόπτες Οι μπόρνες Τα LED Τα βολτόμετρα Τα ποτενσιόμετρα Η τελική εμπρόσθια όψη του προσομοιωτή μετά την τοποθέτηση των εξαρτημάτων επάνω στην επιφάνεια του πίνακα φαίνεται στο σχήμα 5.7. Παρακάτω παρατίθενται φωτογραφίες του προσομοιωτή. 5

15 Φωτογραφία 5.. Εμπρόσθια όψη του προσομοιωτή. Φωτογραφία 5.. Εσωτερική όψη της πόρτας του προσομοιωτή. 39

16 Φωτογραφία 5.3. Το εσωτερικό μέρος του προσομοιωτή. Φωτογραφία 5.4. Το εσωτερικό όλου του προσομοιωτή. 40