Cap. 2. Structuri de

automate programabile

2.1. Automate programabile. Definiii i

caracteristici. Tipuri de automate

programabile

Prelucrarea informaiilor ntr-un sistem cu relee sau tranzistoare

este determinat de conexiunile existente ntre elementele ce

prelucreaz semnalele.

Fiecare aplicaie cere ca proiectantul s selecteze o combinaie

unic de elemente de prelucrare a semnalelor, relee sau circuite

tranzistorizate (de exemplu circuite numerice integrate) i s le

conecteze ntr-un mod particular, pentru a se obine funcia

dorit.

n consecin, exist puine asemnri ntre diferite aplicaii,

ceea ce conduce la creterea costului sistemului. Modificri

ulterioare realizrii sistemului nu se pot face n scurt timp i la un

cost redus.

Automatele programabile (AP) sunt echipamente electronice

destinate automatizrii proceselor industriale cu caracter preponderent

secvenial, situate din punct de vedere al complexitii ntre

echipamentele cu relee sau tranzistorizate i calculatoarele

electronice.

Automatele programabile au depit performanele tehnico-

economice ale dispozitivelor de comand realizate n logic cablat

prin:

capacitate sporit de prelucrare a datelor,

flexibilitate n adaptarea la cerinele procesului de condus i la

modificri post instalare,

simplitate n programare.

Flexibilitatea, fiabilitatea, insensibilitatea la perturbaii

precum i o serie de cerine privind facilitile oferite la

introducerea sau la modificarea programelor de lucru sunt

doar cteva dintre caracteristicile de baz ce se impun la

ora actual echipamentelor de conducere pentru

majoritatea aplicaiilor (inclusiv pentru cele ce utilizeaz

roboi industriali). ntr-o mare msur aceste cerine sunt

acoperite de automatele programabile.

Este foarte important de menionat c n contextul actual este

foarte dificil de dat o definiie a automatului programabil.

Diversitatea firmelor productoare i a tehnologiilor impuse pe

pia au determinat existena unei game variate de automate

programabile.

ntr-un sens general, putem spune c un automat programabil

este un dispozitiv specializat, care asigur, cu un minim de

intervenie uman, funcionarea unei maini sau instalaii de

producie.

Prin concepia sa, automatul programabil:

este adaptat pentru funcionarea n mediu industrial,

poate opera ntr-o plaj larg de temperatur i umiditate,

este uor adaptabil la interfaarea cu orice proces i

nu pune probleme deosebite privind instruirea personalului de

deservire, datorit facilitilor de programare oferite.

Toate aceste caracteristici, la care se mai pot aduga:

robusteea general a echipamentului i

preul de cost relativ redus,

fac ca automatele programabile s constituie o pondere

important n sistemele de conducere ale roboilor industriali i ale

proceselor de producie n general.

Automatul programabil este un sistem ce realizeaz, cu logic

programat, toate funciile cerute de procesul condus (comandat),

diferenele ntre aplicaii fiind doar cele de program de aplicaie

(program nscris n memorii de tip EPROM, care prezint avantajul

modificrii simple i rapide a informaiei nscrise).

Automatele programabile sunt destinate conducerii proceselor

secveniale de complexitate medie, din diverse ramuri de activitate,

cum ar fi:

maini-unelte, maini de injecie, prese;

linii de turnare sau galvanizare de complexitate medie, linii

de transfer;

manipulatoare i roboi industriali etc.

Pentru aplicaii de mare complexitate, caracterizate prin:

timpi de rspuns extrem de redui,

calcule aritmetice complexe,

transferuri multiple de date,

conducerea proceselor devine posibil doar prin utilizarea

calculatoarelor de proces, care:

au ns un cost mare i

necesit personal cu nalt calificare pentru ntreinerea i

dezvoltarea sistemului.

Consideraiile expuse (capacitate sporit de prelucrare, flexibilitate,

simplitate) au determinat introducerea unor dispozitive desemnate s

opereze cu o singur intrare sau ieire binar la un moment de timp dat,

configurate asemntor sistemelor cu relee. Aceste dispozitive au fost

denumite automate programabile cu prelucrare de bit (APB).

Bazndu-se pe o organizare simplificat de calculator de proces i

beneficiind de un set de instruciuni redus, APB realizeaz prelucrri

numerice simple de date, n principal logice i, n proporie redus,

calcule aritmetice, fiind ns capabile s interfaeze, ntr-un context de

siguran n funcionare ridicat, un numr de canale infor- maionale

de intrare i ieire de un bit, asociate procesului condus (de exemplu

4096 I/E).

Pentru aplicaii de vitez mare pot fi folosite automate

programabile algoritmice, realizate cu un nivel de

programare (microprogramate). Acest tip de automate

beneficiaz de o formalizare standard a problemei de

conducere prin organigrame de stri.

Atunci cnd volumul prelucrrilor de date este mare, iar

formatul datelor este de tip paralel, sunt utilizate AP ale cror

uniti centrale, de tip microcalculator, ofer posibilitatea

calculelor logice i aritmetice pe 4, 8, 16 sau 32 de bii.

Aceste AP cu prelucrare de cuvnt (APC) pot fi interfaate,

de obicei, prin tehnici de acces direct la memorie (DMA) cu

uniti de tip APB, constituind astfel sisteme complexe de

conducere, ce acoper n mod eficient totalitatea funciilor

logice i aritmetice.

Cu toate c n arhitectura general a unui APB, dezvoltat

n jurul unei magistrale la care sunt conectate canalele de I/E

asociate procesului, unitatea central i memoria sugereaz

structura unui calculator, diferenele sunt majore.

Unitatea central a APB este o unitate logic capabil s

interpreteze un set restrns de instruciuni (de obicei pn la

64 instruciuni) ce exprim funcii de baz, cum ar fi:

evaluarea expresiilor booleene cu atribuirea rezultatului

logic unei variabile memorate sau unui canal de ieire,

secvene de numrare sau de temporizare.

Execuia instruciunilor este ciclic. Aceast noiune de

"ciclu" permite adesea suprimarea practic a software-ului de

baz i renunarea la principiul ntreruperilor.

Derularea ciclic rapid a unui program liniar (sau n orice

caz fr salturi napoi) n raport cu timpii de rspuns ai

procesului permite sesizarea evenimentelor la puin timp dup

ce apar, fr riscul pierderii de informaie.

Programarea simpl a automatelor programabile const n

scrierea direct a unui ir de instruciuni, conform unei:

diagrame de semnal,

ciclograme,

organigrame sau

unui set de ecuaii booleene.

Diversitatea acestor puncte de plecare pentru programare

demonstreaz intenia constructorilor de automate

programabile de a se adapta cunotinelor i preferinelor

utilizatorilor.

Tipuri de automate programabile

Categoria de automat programabil se bazeaz pe eliminarea n ct

mai mare msur a structurilor logice cablate i pe nlocuirea acestora

cu structuri logice standard programabile cum ar fi:

memorii,

reele logice programabile,

secveniatoare logice programabile,

microprocesoare i

circuite specializate programabile.

Metodele specifice de descriere a comportrii automatelor

programabile rmn metodele organigramei de stri (ASM), metoda

Grafcet, respectiv metoda ladder.

Datorit necesitii de utilizare n aplicaii industriale

diverse, o configuraie de automat programabil conine i o

interfa de intrare/ieire, realizat prin circuite specifice de

multiplexare/demultiplexare, memorare, separare galvanic,

adaptarea nivelului semnalului, care n ansamblu confer

structurii de automat programabil unele similitudini cu

calculatorul de proces.

Structurile de AP asociaz configuraiei de conducere de

baz i o interfa de dialog cu operatorul, dialog ce se

realizeaz prin intermediul consolei de programare a AP.

Clasificarea automatelor programabile se poate face dup dou

criterii de baz:

principiul de funcionare al secveniatorului i

suportul fizic al acestuia.

Dup primul criteriu, automatele programabile se pot clasifica

n dou categorii:

A) AP la nivel de instruciune;

B) AP algoritmice.

Automatele programabile din prima categorie se aseamn cu

structurile de tip calculator de proces, prin aceea c

individualizeaz un ciclu instruciune, n care fazele de extragere a

instruciunii i de execuie a acesteia sunt marcate de un ceas

specific sistemului, iar transferurile de date se execut sincron.

n funcie de dimensiunea unitilor aritmetico-logice i deci a

magistralelor de date se disting:

1. AP cu prelucrare de bit sau scalare, pentru care magistrala de

date are capacitatea de 1 bit, iar prelucrrile (n principal logice)

se efectueaz asupra unor operanzi binari de 1 bit.

2. AP cu prelucrare de cuvnt sau vectoriale, care extind gama

de prelucrri la calcule aritmetice asupra unor operanzi de 8, 16

sau 32 de bii.

3. AP mixte (sau biprocesor), care conin dou uniti

aritmetico-logice ce pot lucra respectiv asupra unor operanzi de

1 bit sau asupra unor operanzi de 8, 16 sau 32 de bii.

Din a doua categorie (a automatelor programabile

algoritmice) fac parte automatele programabile la care

generarea noii stri se execut printr-un ciclu de acces direct

la o memorie n care sunt codificate explicit tranziiile de

stare.

n funcie de nivelurile de programare, se pot distinge

dou tipuri de automate programabile algoritmice:

cu un singur nivel de programare,

cu dou niveluri de programare.

Referitor la suportul fizic de implementare a

secveniatorului ct i a unitii aritmetico-logice, se pot

distinge:

AP cu microprocesor,

AP realizate cu componente discrete.

Cererea n cretere de automate programabile a avut

drept rezultat realizarea de ctre cei mai muli productori a

unei varieti de automate programabile, cu diverse niveluri

de performan i diverse faciliti.

Definiiile uzuale referitoare la mrimea unui automat programabil

sunt date n funcie de dimensiunea memoriei program utilizator i

de numrul de intrri/ieiri pe care l poate suporta automatul

programabil.

Totui pentru a evalua serios un automat programabil trebuie luate

n considerare mai multe caracteristici suplimentare (de exemplu

caracteristicile procesorului su, durata ciclului program, facilitile

limbajului de programare, funcii, capacitatea de extindere etc.).

n tabelul urmtor este dat un exemplu al acestor categorii:

Mrime AP Numr maxim deintrri/ieiri

Dimensiunea memoriei program

utilizator

Mic

Mediu

Mare

64/64

128/128

>128/ >128

1K

4K

> 4K

n general, automatele programabile mici sau mini (au

aprut chiar i aa numitele nano) sunt proiectate ca

uniti robuste, compacte, care pot fi montate pe sau alturi

de echipamentul ce trebuie condus.

Ele sunt n principal utilizate pentru a nlocui logica

cablat, releele, blocurile de temporizare, numrtoarele

etc., dar pot fi utilizate de asemenea la conducerea unor

maini lucrnd n conexiune unele cu altele.

Automatele programabile mici pot avea numrul de

intrri/ieiri extensibil prin adugarea unuia sau a dou

module de intrare/ieire. Dar orice dezvoltare cerut

suplimentar deseori nseamn nlocuirea ntregii uniti. n

mod normal este realizat cu un singur procesor, cu

meninerea la un nivel mediu a facilitilor de programare,

permind controlul secvecial i funcii standard simple:

temporizri, numrri. Pentru programare de obicei se

poate utiliza fie modalitatea listei de instruciuni, fie

diagrama ladder.

La automatele programabile medii predomin

construcia modular plug-in ce se bazeaz pe fundul

de sertar Eurocard 19" sau a unui alt sistem de montare

(de exemplu tip baret). Aceast construcie permite

nlocuirea simpl sau extinderea sistemului prin

introducerea de module (plci) de intrare/ieire adiionale

sau a altor tipuri de module, deoarece cele mai multe

sisteme cu fund de sertar au un spaiu suplimentar

prevzut pentru extensii. Plcile sunt fcute durabile

pentru a permite operarea fiabil ntr-o diversitate de

medii de lucru.

n general acest tip de automat programabil este folosit pentru

sarcini de control ce nu pot fi realizate de automatele programabile

mici, datorit numrului insuficient de intrri/ieiri sau deoarece se

prevede ca sarcina de control s se extind n viitor. Unele

automate programabile medii au incluse faciliti de comunicaii ce

permit ca automatul programabil s fie inclus ntr-un sistem de

control distribuit.

Astfel de automate programabile pot avea att un procesor de bit,

ct i unul de mai muli bii (cuvnt). Programarea se poate face fie

folosind o consol de programare, fie utiliznd un calculator, iar

modalitile de programare sunt fie list de instruciuni, fie

programare grafic prin diagrame ladder sau diagrame Grafcet.

Automatele programabile mari sunt utilizate atunci cnd sunt

necesare funcii complexe de control cu un numr mare de intrri

i ieiri. Sunt construite modular, cu un domeniu larg de tipuri de

module, inclusiv module de intrri/ieiri analogice, module de

control PID i module de poziionare pe 1 sau 3 axe.

Au o structur multiprocesor att cu procesor de bit ct i cu

procesor de 16 sau 32 de bii (chiar 64), dar i cu procesoare

specializate pe modulele funcionale. Aceast soluie

multiprocesor optimizeaz performanele sistemului general

privitor la viteza de operare, permind automatului programabil s

manipuleze programe foarte mari.

2.2. Comparaia automat programabil -

alte sisteme de conducere

Dei automatele programabile sunt similare calculatoarelor

convenionale din punct de vedere al tehnologiei hardware, ele au

caracteristici specifice, potrivite controlului industrial:

echipament robust, imun la zgomot;

construcie modular, permind nlocuirea/adugarea uoar de

uniti (de exemplu module de I/E);

nivele de semnal i conectri intrare/ieire standard;

limbaj de programare uor de neles;

uor de programat sau de reprogramat n proces.

Aceste caracteristici fac ca automatele programabile s fie mult

dorite ntr-o mare varietate de procese industriale i situaii de

control a proceselor.

Automatul programabil a fost iniial conceput de un grup de

ingineri de la General Motors n 1968, pentru care automatul

programabil trebuia s fie:

uor de programat i reprogramat, de preferat n proces,

pentru a modifica secvena sa de operaii;

uor de ntreinut i reparat - de preferat utiliznd module

plug-in;

mai fiabil n mediul industrial;

mai mic dect echivalentul cu relee;

competitiv ca i cost, n raport cu logica cablat sau logica

cu relee ce se utiliza atunci.

Aceasta a strnit interesul inginerilor din toate ramurile

industriale asupra modului n care ar putea utiliza automatele

programabile pentru controlul industrial.

Astfel a aprut o cerere de faciliti i capaciti adiionale

pentru automatele programabile, care au fost rapid

implementate cnd tehnologia a devenit disponibil.

Seturile de instruciuni s-au mutat rapid de la simplele

instruciuni logice ctre includerea contorizrilor,

temporizrilor i registrelor de deplasare, apoi ctre funcii

matematice mai avansate.

S-au produs de asemenea dezvoltri ale hardware-ului, cu

mai mult memorie i cu un numr mai mare de intrri/ieiri

(I/E).

n 1976 a devenit posibil controlul modulelor I/E aflate

la distan fa de sistemul central al automatului

programabil.

Un automat programabil bazat pe microprocesor a fost

introdus n 1977 de ctre Corporaia Allan-Bradley n

America. El se baza pe un microprocesor 8080, dar utiliza

un procesor suplimentar pentru a trata instruciunile logice

pe bit la viteze mari.

Rata n cretere a aplicaiilor cu automate programabile n industrie a

ncurajat productorii s dezvolte familii ntregi de sisteme bazate pe

microprocesor, avnd diverse niveluri de performan. Limitele

automatelor programabile disponibile acum se extind de la uniti

mici, ncorpornd 20 de I/E digitale i 500 de cuvinte instruciune,

pn la sisteme modulare, cu module funcionale ce se pot aduga, de

exemplu pentru:

intrri/ieiri analogice;

control PID;

controlul poziiei unui numr de axe;

comunicaii;

display grafic;

I/E adiionale;

memorie adiional etc.

Abordarea modular permite extinderea sau actualizarea ("upgrade")

sistemului de control cu costuri i perturbaii minime.

Automatele programabile se dezvolt de fapt n acelai pas cu

microcalculatoarele, cu o atenie particular asupra automatelor

programabile mici, controlului numeric/de poziionare i reelelor de

comunicaii.

Piaa pentru automatele programabile mici a crescut rapid ncepnd cu

anii 1980, cnd un numr de companii japoneze au introdus uniti

foarte mici, cu un pre mic, care au fost mult mai ieftine dect celelalte

disponibile la acea dat. n zilele noastre se observ o tendin

crescnd de achiziionare a AP, ntruct productorii realizeaz

automate din ce n ce mai performante, la preuri din ce n ce mai mici.

An Natura dezvoltrii

19681969

1974

1976

19771980

1983

1985 i apoi

S-a dezvoltat conceptul de automat programabil. Automat programabil cu CPU hardware, cu instruciuni logice, cu 1 K de

memorie i 128 I/E. Utilizarea ctorva procesoare ntr-un automat programabil - temporizri

i contorizri, operaii matematice; 12 K de memorie i 1024 I/E. Au fost introduse sisteme pentru I/E aflate la distan A fost introdus automatul programabil bazat pe microprocesor. S-au dezvoltat module inteligente de I/E. S-au extins facilitile de

comunicaii i caracteristicile software. Utilizarea microcalculatoarelor caajutoare n programare.

S-au introdus automate programabile mici, cu pre redus. Reele de automate programabile, calculatoare sub standardul GM MAP,

la toate nivelurile.

Controlul ierarhizat, distribuit al proceselor industriale.

Terminologie. Exist civa termeni diferii, utilizai pentru a

descrie automatele programabile, n literatura de specialitate de

limb englez:

PC - "programmable controller" = controler programabil

(origine: Marea Britanie);

PLC - "programmable logic controller" = controler logic

programabil (origine: american);

PBS - "programmable binary system" = sistem binar

programabil (origine: suedez).

Echivalentul romnesc al controlerului (logic) programabil este

termenul de automat programabil, termen ce deriv din

echivalentul din limba francez, "Automate programmable".

Prin natura lor, aceti termeni tind s descrie automatele

programabile ca lucrnd normal ntr-un mediu binar (on/off).

Cum toate AP, ncepnd de la cele mai mici sunt echipate

acum pentru a procesa intrri i ieiri analogice, aceste

etichete nu sunt reprezentative pentru capacitile lor. Din

acest motiv (i altele) termenul general de controler

programabil a fost adoptat pe larg pentru a descrie familia de

controlere programabile.

Tabelul de mai jos prezint o comparaie ntre diverse sisteme de

conducere. Informaii tehnice suplimentare pot fi obinute de la

productorii fiecrui sistem specific.

Caracteristic Sisteme cu relee Logic digital(cablat)

Calculatoare de

proces

Automate

programabile

pre/funcie destul de mic mic mare mic

mrime fizic voluminos foarte compact destul de compact foarte compact

vitez de operare mic foarte mare destul de mare mare

imunitate la zgomot

electric

excelent bun destul de bun bun

instalare consumator de timp

pentru proiectare iinstalare

consumator de timp

pentru proiectare

consumator foarte

mare de timp

pentru programare

simplu de

programat iinstalat

capabil de operaiicomplicate

nu da da da

uurin nschimbarea funcieirealizate

foarte dificil dificil destul de simplu foarte simplu

uurin nintreinere

slab; numr marede contacte

slab, daccircuitele integratesunt lipite

slab; mai multeplci uzuale

bun; ctevaplci standard

Dup cum se observ, automatele programabile constituie cea mai

bun alegere general pentru un sistem de control, n afar de cazul n

care fundamental este cerut vitez de operare sau rezisten la zgomot

electric, caz n care sunt alese logica digital cablat i respectiv releele.

Pentru funcii complexe de tratare a datelor, un calculator este

superior multor automate programabile echipate cu module funcionale,

dar doar din punctul de vedere al realizrii funciilor, nu al utilizrii lor.

Un automat programabil este mai eficient datorit trecerii datelor

ctre modulele de funcii speciale, care apoi trateaz funcia de control

independent de procesorul central - un sistem multiprocesor.

Automatele programabile au caracteristici hardware i software care

le fac atractive ca i controlere pentru un domeniu larg de procese i

echipamente industriale.