D. Popescu Automate programabile, Ed. Sitech, 2001; - Introducere in studiul automatelor programabile

Definire.Un automat programabil este un calculator specializat care realizeaza functii de control de o diversitate de tipuri si nivele de complexitate. Initial, varianta engleza pentru denumire era de PC dar datorita necesitatii unei diferentieri clare a aparut denumirea de Programmable Logic Controller (PLC).

Istoric. Primul automat programabil dezvoltat dintr-un calculator obisnuit a aparut in jurul anului 1970. Odata cu primele modele au aparut si primele probleme. Modul de programare era complicat si necesita persoane foarte bine pregatite in programare pentru a efectua schimbari. Primele imbunatatiri au incercat rezolvarea acestor probleme prin oferirea unor automate mai prietenoase. Prin introducerea microprocesoarelor in 1978 a crescut puterea de operare concomitent cu scaderea pretului de cost. In anii 80 se ajunge astfel la o crestere exponentiala a utilizarii automatelor programabile in cadrul a diverse domenii. Unele companii de produse electronice sau calculatoare pot constata ca vanzarea de automate programabile reprezinta cea mai buna afacere. Piata de automate programabile ajunge de la o cifra de 580 milioane in 1978 la 1 miliard in 1990 si continua sa creasca dupa aceea. Automatele programabile inlocuiesc diverse alte dispozitive de conducere si ajung sa fie utilizate in tot mai multe domenii de activitate.

Avantajele si dejavantajele automatelor programabile.Avantajele lucrului cu automatele programabile sunt urmatoarele: flexibilitate: in trecut era nevoie pentru fiecare dispozitiv care trebuia controlat de un automat care sa-l conduca. Prin intermediul automatelor programabile este posibila conducerea concomitenta a mai multor dispozitive folosind un singur automat programabil. Fiecare dispozitiv va avea programul sau care va rula pe automatul programabil; implementarea schimbarilor si corectia erorilor: prin intermediul unei conduceri realizata in logica cablata era nevoie de timp in cazul unei schimbari sau in corectia unei erori. Prin utilizarea automatelor programabile aceste schimbari sau corectii pot fi efectuate foarte usor in program; cost redus:la acest cost s-a ajuns in decursul timpului si astfel poate fi achizitionat un automat cu numeroase timere, numaratoare si alte functii pentru sume pornind de la cateva sute de dolari; posibilitati de testare: programul poate fi rulat si evaluat inainte de a fi instalat pe automat pentru a realize conducerea dispozitivului. Astfel, pot fi evaluate cu costuri foarte mici erorile care apar precum si posibilitatile de imbunatatire a programului; viteza de operare: este un alt avantaj. Viteza de operare este dependenta de timpul de scanare al intrarilor, timp care in present este de domeniul milisecundelor; modul de programare:prin introducerea diagramelor ladder respectiv ametodei booleeene de programare a fost facilitat accesul la mediul de programare si pentru cei care nu au cunostinte deosebite in domeniul programarii; documentare: este posibila o foarte buna documentare a programelor prin inserarea de comentarii in spatiile allocate acestora facilitand astfel continuarea si depanarea acestora de catre alti programatori; securitatea:marita datorita modului de lucru cu procesul;

Dintre dezavantajele lucrului cu automate programabile putem mentiona: aplicatii fixe: unele aplicatii nu au nevoie de automat programabil datorita gradului foarte mic de complexitate neexistand astfel necesitatea achizitionarii unui automat programabil relative sofisticat; probleme de mediu:in unele medii exista temperature ridicate sau alte conditii care pot duce la deteriorarea automatelor programabile astfel ca acestea sunt greu sau chiar imposibil de utilizat; functionare fixa:daca nu apar schimbari in cadrul procesului de multe ori folosirea automatului poate fi mai costisitoare;

Ioan Margineanu Automate programabile, Editura Albastra,2005

Cap.1. Sistemede informatictehnic1.1. Parte operativ(PO) i parte de comand(PC)1.2. Panouri de comand i circuite de siguran1.3. Tehnologii utilizate pentru realizarea unei automatizri1.4. Metode pentru descrierea unei automatizri1.4.1. Caietul de sarcini1.4.2. Descrierea grafic(Limbajul SFC)1.5. Clasificarea automatelor programabile

1.1 Orice sistem automat cuprinde 2 parti: Parte operativa (PO), care consta in elemente care actioneaza asupra procesului; Parte de comanda(PC), care coordoneaza actiunile partii operative.

fig1. Sistem automatizat

Partea operativa este aceea care acfioneaza asupra procesului propriu-zis si cuprinde elemente de actionare, cum sunt: motoarele electrice, pistoanele hidraulice si pneumatice, rezistenfele de incalzire, electrovanele etc.

Partea de comanda este aceea care emite comerizi catre partea operativa si primeste informa|ie de reacfie tn vederea coordonarii actiunilor. Elementul principal al partii de comanda este Unitatea de Prelucrare (UP), care realizeaza tratarea informatiilor primite pe mai multe cai si elaboreaza, conform unui algoritm , comenzile pentru realizarea evolutiei partii operative in conformitate cu cerintele automatizarii.

De la Proces, inlormatiile sunt transmise spre UP prin intermediul traductoarelor.Plasarea traductoarelor pe linia de separare dintre PO i PC este justificat de faptul c traductoarde se gsesc n imediata apropiere a procesului, dar informaiile obinute de la traductoare sufer de cele mai multe ori transformri, n special filtrri, care au loc n UP.

Din exterior, informaiile spre UC, vin prin intermediul unor interfee. Interfaa DIALOG realizeaz preluarea informaiilor de la operatorul uman. In cazul automatelor programabile aceste interfee se numesc Panou Operator (0perating Panel). Aceste panouri operator pot atinge complexitatea unui display de nalt rezoluie, fiind prevzute cu o tastatur complet sau pot avea o form simplificat cu cteva taste funcionale i unul sau dou rnduri pentru afiarea de text. Modul de lucru cu aceste OP este, aa cum vom arta mai jos, diferit dect moduI de lucru cu tastatura sau display-ul unui calculator.

Interfaa COMUNICAIE este destinat realizrii schimbului de informaie cu sisteme similare, care necesit s fie coordonate ntre ele sau cu calculatoare personale, pe care se realizeaz monitorizri ale procesului sau pe care ruleaz un program de consol, pentru programarea UP. Aceast interfa poate fi echipat cu procesor de comunicaie, putndu-se realiza prin intermediul ei reele de Automate Programabile functionnd la viteze mari i determinist.Elementele de acionare i preacionare sunt realizate n trei tehnologii, pentru a satisface cerinele variate, c&e apar n realizarea unei automatizri.

Elemente de acionare electrice, care utilizeaz energia electric i au forme variate: motoare electrice cu vitez constant sau variabil, elctrovane proporionale, rezistene de nclzire, capete de sudur prin rezisten, capete de sudur prin ultrasunete, capete de tiere cu laser etc. Elementele de preacionare asociate acestora sunt contactoarele i variatoarele de vitez, prevzute cu elemente de protecie. Contactoarele sunt elemente de preacionare care realizeaz comutarea simultan a dou sau trei faze. Comunicaia cu Automatul Programabil se realizeaz prin intermediul unei linii de alimentare a bobinei de anclanare a contactorului, alimentat de la o ieire a automatului, iar informaia de rspuns este preluat de pe un contact auxiliar al contactorului, care se leag pe una din intrrile automatului. Structura unei alimentri de motor electric poate cuprinde separatoare, sigurante fuzibile si relee termice. Variatorui de vitez are o parte de putere i o parte de comand. Partea de putere cuprinde elementele de comutaie i dispozitiveIe asociate: tiristoare, tranzistoare. protectii. Partea de comand cuprinde controlul elementelor de putere, mijloacele de reglare i partea de dialog cu Automatul Programabil i cu diferite traductoare. Variatorul de vitez poate fi folosit n conexiune direct sau n bucl nchis. Dialogul cu Automatul Programabil poate fi, fie o comand simpl printr-un semnal analogic, asociat sau nu cu informaia de la traductoare, fie un dialog evoluat prin semnale numerice. Semnalul de rspuns de la un variator informeaz Automatul Progrmabil despre starea acestuia;

Elemente de actionare pneumatice, utilizeaz direct aerul comprimat. Elementul de acionare este pistonul pneumatic, iar elementul de preacionare este distribuitorul pneurnatic. Distribuitorul primete fie un semnal pneumatic, fie un semnal electric, dac acesta este echipat cu electrovane. Semnalele de ieire ale AP sunt folosite direct pentru comand sau sunt transformate de electrovane in semnale pneumatice, care piloteaz distribuitorul. Comutarea distribuitorului provoac micarea pistonului, sesizat de un traductor, care furnizeaz un semnal de reacie, preluat pe una din intrrile 'automatului; Elemente de actionare hidraulice, sunt asemntoare cu cele pneumatice i se iintrebuineaz atunci cnd efortul dezvoltat este mare sau dac este necesar realizarea unei viteze lente i precis controlate, prin intermediul electrovalvelor proporionale.

Traductoarele furnizeaz informaia din proces, necesar conducerii. Ele detecteaz poziii, viteze, acceleraii, presiuni, temperaturi, debite, fore etc. in automatizrile secveniale traductoarele de poziie sunt cel mai utilizate. Ele au forme variate: intreruptoare de pozitie cu contacte (lirntatoare), care furnizeaz un semnal logic (tot sau nimic); Detectoare de proximitate, fr contacte; Traductoare de deplasare, care furnizeaz un semnal analogic sau numeric.

Gama de traductoare utilizate n automatizarea proceselor este din ce n ce mai variat i cu performane din ce n ce mai bune.

1.2. Panouri de comand i circuite de siguran Orice sistem automatizat necesit o interfat cu operatorul uman, prin care acesta s poat interveni n proces. Aceast interfa se numete Panou de comand. Un sistem trebuie s poat s fie comandat manual sau poate fi condus numai de ctre automatul programabil. Cele dou posibilitti pot fi selctate prin intermediul unui comutator de pe panoul de comand. Panoul de comand trebuie s contin de asernenea indicatori (lmpi) care s arate starea elementelor componente ale sistemului. De exemplu dac un motor electric este pornit sau oprit, dac un traductor de nivel este atins etc. De multe ori, pe panoul de comand se includ lmpi corespunztoare elementelor care necesit intretinere, dup un numr de porniri. Orice sistem automat este prevzut cu circuite de siguran. Circuitele cle siguran ale unui sistem automat se implementeaz sub forma unui comutatr de tip ciuperc, care ntrerupe alimentarea ntregului sistem de actionare. Acest comutator este de obicei plasat pe panoul de comand, dar poate fi pasat i n alte locuri. Circuitele de sigurant opereaz independent de de automatul programabil, dei semnalele de la acest circuit trebuie s poat fi fi preluate n automat , pentru a fi avute n vedere la efectuarea prograrnului

1.3. Tehnologii utilizate pentru realizarea unei automatizriPentru realizarea unei automatizri se pot utiliza mai multe soluii: Utilizarea unei tehnologiei cablate, care presupune folosirea releelor electrice, pneumatice sau hidraulice; Utilizarea circuitelor integrate universale sau specializate pentru realizarea unor sisteme dedicate; Utilizarea Automatelor Programabile (AP); Utilizarea Calculatoarelor de Proces (CP)Domeniul de utilizare a fiecreia din soluiile prezentate mai sus depinde de complexitatea automatizrii i de numrul de echipamente identice. in fig. 1.3 este prezentat Iocul fiecrei soluii n realizarea unei automatizri.Analiznd figura, rezult urmtoarele: Tehnologia cablat este utilizat pentru probleme n care complexitatea automatizrii este mic; Automatele Programabile se utilizeaz n cazul n care complexitatea automatizrii este medie i trebuie adugat, acolo, unde se cere flexibilitate; Pentru un grad de complexitate ridicat se utilizeaz calculatoare de proces (CP); Utilizarea AP i CP este recomandat dac numrul de echipamente identice care urmeaz s fie realizate nu depete 50; Pentru un numr mai mare de 50 de echipamente identice se recomand dezvoltarea unei cercetri proprii care s permit elaborarea unor module specializate pentru tipul de automatizare i utilizarea lor ca echipamente nglobate;

Fig1.3 . Realizarea unei autornatizri in functie de complexitatea ei i de nurnrul de echipamente

Exist o suprapunere parial a domeniilor de utilizare a soluiilor de automatizare. De exemplu realizarea unor automate programabile performante permite folosirea lor n domeniul n care se folosesc cu aceleai rezultate calculatoarele de proces.

1. 4. Metade utilizate pentru descrierea unei autornatizri secvenialePentru conceperea, realizarea i exploatarea unei automatizri este necesar s se realizeze o descriere a comportrii sale.

1.4.1. Descrierea unei automatizri cu ajutorli caietului de sarciniDescrierea unei automatizri n limbajui curent, enumerndu-se ceea ce trebuie s fac sistemul n fiecare etap i precizndu-se conditfile pe care trebuie s le satisfac n fiecare moment, constituie caietul de sarcini al unei automatizri. Un astfel de caiet de sarcini este insotit de o schem tehnologic a instalatiei de automatizat.

Exemplul de mai jos va arta posibilitile i limitele acestui tip de descriere.

Exernplu: Automatizarea unei instalaii de indoit tablO instalatie de indoit tabl (fig. 1.4.) este alctuit dintr-o mas de indoit M i trei pistoane hidraulice Pi, P2 i P3, comandate prin intermediul unor distribuitoare D1, D2 i D3. Pozitfile fiecrui piston sunt controlate prin intermediul a dou limitatoare de curs: unul pentru cilindru retras i altul pentru cilindru n poziie final (actiune executat).

Comanda fiecrui distribuitor se realizeaz prin intermediul a dou semnale electrice: unul pentru micarea activ i altul pentru micarea de retragere. Instalatia va funciona dup urmtorul ciclu:

Tabla este aezat manual pe masa M. La apsarea butonului So, pistonul hidraulic P1 se va deplasa n jos realiznd strngerea tablei, pn la atingerea limitatorului S2. Micarea corespunztoare a pistonului se va realiza prin alimentarea bobinei YI a distribuitorului D1, [2] ; Se realizeaza o prima indoire prin comanda deplasarii pistonului P2, pana la atingerea limitatorului S4. Micarea corespunztoare a pistonului se va reaka prin alimentarea bobinei Y3 a distribuitordui D2; Se redizeaz micarea de retragere a pistonului P2, pn la atingerea limitatordui 53- Micarea corespunztoare a pistonului se va realiza prin alirnentarea bobinei Y4 a distribuitorului D2; Se realizeaz o a doua indoire prin comanda deplasrii pistonului P3. pn la atingerea lirnitatorului S6. Miscarea corespunztoare a pistonului se va realiza prin alirnentarea bobinei Y5 a distribuitorutui D3; Se realizeaza miscarea de retragere a pistonului P3, pana la atingerea lilitatorului S3. Miscarea corespunztoare a pistonului se va realiza prin alimentarea bobinei Y6 a distribuitorului D3; Se realizeaz miscarea de retragere a pistonului P1, pn la atingerea limitatorului S. Micarea corespunztoare a pistonului se va realiza prin alimentarea bobinei Y2 a distribuitorului D1;

Datorit faptului c n practic automatizrile de realizat sunt mult mai complexe dect cele din exemplul anterior, rezult caiete de sarcini greu de utilizat in programarea propriu-zis. Ele sunt indispensabile pentru utilizarea altor rnijloace simbolice sau grafice, care permit o exprimare mai concis i mai clar.1.4.2.Descrierea simbolic sau grafic a unei automatizri [3]Descrierea simbolic sau grafic a unei automatizri se poate face n mai multe moduri: Se pot utiliza variabile logice pentru a exprima combinatiile complexe de conditii sub forma unor ecuatii logice; Se pot utiliza blocuri logice, care realizeaz diferite funcii logice, iar prin interconectarea lor vor rezulta aciunile sistemului de comand; Se pot folosi contacte i relee, pentru a realiza prin conectarea adecvat, diferite funcii logice; Se utilizeaz o metod grafic, derivat din reelele Petri, numit GRAFCET

Comparaie ntre reelele Petri i Grafcet:Grafcet este o reea Petri conform(interpretat, sigur, viabil i fr conflicte). interpretatfiecare poziie are ataato aciune; sigurtoatepoziiile au un numr de mrci mai mic sau egal cu 1; viabilreeaua nu se blocheazntr-o poziie.

Astzi este recunoscut de toat lumea c GRAFCET este limbajul grafic cel mai bine adaptat pentru descrierea unei automatizri secventiale. GRAFCET reprezint o succesiune de etape ntr-un ciclu(fig1.5) Acest limbaj grafic a fost impus, ca standard, de asociaia francez de cibernetic economic i tehnicatehnic (Association Franaise pour la Cybernetique Economique et Technique AFCET). Aceast reprezentare grafic o vom denumi n continuare graf. O etap este reprezentat printr-un dreptunghi.

Fig 1.5 Elementele principale ale unui graf

Evoluia grafului de la o etap la alta este controlat de tranziii dispuse ntre etape. Tranziiile sunt reprezentate prin linii orizontale. Fiecrei etape i se asociaz una sau mai multe aciuni, care se execut dac etapa este activ. Aciunile asociate unei etape se scriu ntr-un dreptunghi, legat de etapa respectiv. Fiecrei tranziii i se asociaz o condiie logic de parcurgere. Aceast condiie este scris in dreptul etapei. 1n cazul n care condiia logic ataat tranziiei este adevrat, tranziia poate fi traversat, rezultnd activarea etapei sau etapelor care urmeaz tranziiei, dac etapa sau etapele anterioare sunt active. intr-un graf, cel puin o etap este activ la pomire. Aceast etap se numete etap initiala si este reprezentata printr-un dreptunghi dublu. In cursul evolutiei in timp a unui graf se vor activa diferite etape, in functie de indeplinirea conditiilor de parcurgere a tranzitiilor si de starea anterioara a grafului. O etapa care este activa la un moment dat este marcata printr-un jeton care se afla in interiorul dreptunghiului care reprezinta etapa.

Reprezentarea sub form de graf poate fi fcut n mai multe moduri: Graful caietului de sarcini, n care caz, actiunite i conditiile de parcurgere a tranzitillor sunt prezentate sub form unor fraze din caietul de sarcini. Aceast reprezentare este fcut imediat dup ce caietul de sarcini este agreat de beneficiar; Graful aciunilor, n care caz, se pot reprezenta n graf aciunile i condiiile de parcurgere a tranziiilor. Acest tip de graf se elabora dup ce s-au ales elementele de acionare i traductoarele; Graful de comand, n care se pot reprezenta n graf semnalele de comand generate de automat n locul aciunilor i a semnalelor de la traductoare, pentru condiiile de parcurgere a tranziiilor. Acest tip de graf se elabora dup ce s-au ales elementele de preactionare.

Ultimul tip de graf este cel care se programeaz, dac mediul de programare permite utilizarea limbajului SFC, sau este folosit pentru elaborarea programului n cazul n care mediul de programare este mai puin evoluat. n cazul exemplului de mai sus graful de comand este reprezentat n fig. 1.6

Caietul de sarcini al unei automatizri si descrierea sa sub form grafic constituie un punct de plecare pentu realizarea unui program pentru un AP. Dac automatizarea este complex atunci pe baza caietului de sarcini trebuie intocmit un proiect al automatizrii, care s cuprind schema electric complet. Aceast schem se realizeaz de obicei folosind un program CAD. Facilitile deosebite ale programelor mai sus amintite fac din acestea un instrument indispensabil n realizarea unor programe performante pentru AP i n acelai timp pentru documentarea i execuia practic a unei automatizari.

1. 5. Clasificarea automatelor programabile

Dac nu se iau n considerare structurile cu logic cablat. o automatizare secvenial se poate realiza cu dou tipuri de AP: Automate Programabile algoritmice i Automate Programabile vectoriale. Automatele Programabile algoritmice implementeaz cu ajutorul memoriilor de tip ROM (EEPROM) mainile algoritmice de stare-ASM sau se realizeaz ca structuri microprogramate. Evolutia n timp a acestora din urm este determinat de o secven coerent de microinstructiuni din memoria intem. Structura lor este asemntoare cu aceea a unittilor de control ale procesoarelor. Acestea se construiesc, ca sisteme nglobate, de ctre firme care realizeaz sisteme de serie mare. Programarea acestor automate este destul de greoaie i este fcut de ctre un personal cu pregtire superioar. Prezentarea acestor automate va fi fcut n capitolul urmtor. intelegerea modului de functionare i programarea acestor tipuri de automate este util pentru completarea cunotintelor referitoare la modul de funcionare al procesoarelor i n general, al automatelor sincrone.Automatele Programabile vectoriale sunt microcalculatoare special construite pentru tratarea prin program a problemelor de logic secvenial i combinaional. Aceste tipuri de automate sunt construite de firme specializate i sunt foarte flexibile deoarece sirnuleaz structurile logice de comand printro configuraie elastic, programabil. Limbajele de programare ale acestor automate sunt, n general, simple i accesibile persoanelor care nu sunt farniliarizate cu tehnici specifice de informatic. Pentru cele mai multe dintre automatele programabile vectoriale sunt implementate limbaje similare unei Iogici cablate sau imprimate. Aceste limbaje au permis folosirea experientei acumulate de personalul tehnic, care a realizat multe structuri de conducere cablate sau imprimate. Este sigur c programarea acestor automate este la ndemna unui personal cu pregtire medie, dar realizarea unor programe mari, pentru multe variabile de intrare i ieire impune i aici realizarea unor programe structurate. Tehnicile de programare structurat a AP vectoriale sunt accesibile doar unui personal cu o pregtire superioar. in general se poate spune ns c, formarea personalului pentru programarea utilizarea AP vectoriale nu pune attea probleme ca cea a programatorilor pentru calculatoarele de proces. in cadrul acestui volum vom acorda o atenie special acestor tipuri de automate i tehnicilor de programare a acestora.Toate tipurile de automate programabile sunt special adaptate s functioneze ntr-un mediu industrial, adic in medii cu o plaj larg de temperatur si umiditate. Sunt structuri usor de interfaat cu orice proces. Fa de calculatoarele de proces au preuri de cost relativ reduse si de aceea au o pondere important n structurile de conducere.