Struktury automatizace průmyslového podniku

30.9.2013
Průmyslová informatika a
internet (A0M35PII)
Přednáška 1.10.2013
Přednáška používá některé materiály od:
Prof. Dr. H. Kirrmann: Automation Industrielle,
EPFL / ABB Research Center, Baden, Switzerland 2010
Richard Šusta
PLC coby zdroj dat
Logické adresy
pevné tabulky
modulově orientované tabulky
Systémy používající Tag
1

30.9.2013
PLC - programovatelné logické automaty
Opakování z konce minulé přednášky
Dohlížecí
úroveň
PLC1,…
Automaty
Logické řízení
Výkonné spínače
Ovládací
panely
Snímače
Regulace
pohonů
Pohony
Snímače
Stroje, výrobky
Technologický
objekt
3
Opakování z konce minulé přednášky
• skutečnost
PLC jako zahloubený systém
• schéma
Motory
Inputs
Stroje
Okolní prostředí
PLC
P r o g r a m
Outputs
Čidla
Silový rozvadeč
PLC
Transformátor
Stykače
Jističe
Elektrické silové přívody
4
2

30.9.2013
Klasické PLC
Vzorkování
Vstupy
PLC
Program
Výpočet
nového stavu
Výstupy
Vnitřní
paměť
Paměť stavu
Input scan
Output Scan
PLC scan
while(1) {
Cti_vstupy();
PLC program();
Zapis_výstupy();
}
Pozn. ControlLogix nemá synchronizovaný I/O scan s programem 5
Přesněji PLC Program Scan
Housekeeping
Housekeeping tasks are
special tasks a PLC may
have to perform to get ready
for the next scan of the
program
Output Scan
START
Input Scan
Program Scan
6
3

509 -BOD
24vdc
30.9.2013
Čas PLC scanu
src x 1 x 1
src x 2 x 2
t in
src x m
x m
Program
t prog
t plcscan
dst y 1 y 1
dst y 2 y 2
t out
dst y n
y n
7
Example: Rockwell (Allen-Bradley) NetLinx
Programmabl
e Device
Support PC
Desktop
PC
with excel
EtherNet / IP
Controller and Bridge
Servo
ControlNet
HMI
Linking Device
Drive
Bridge or Linking Device
DeviceNet
HM
I
Modular
I/O
Micro
PLC
Sensor
Block I/O
4

30.9.2013
Lokální / Distribuované moduly
Ale počet I/O bodů zůstává,
energie se dodává mnoha malým zařízením
10
DeviceNet Network Example
Prox switch
and cable
KwikLink cable
Stack light
Cable to open-style
connector on
network PLC scanner
Power
supply
Termination
resistor
RightSight
photo sensor
Insulation
displacement
connector
CompactBlock
I/O module
ArmorBlock
maximum
4 I/O points
Termination
resistor
Open-style connection
for power supply
5

30.9.2013
Sample of Some DeviceNet Media
Components
Thick round
drop line cable
Device port
KwikLink drop
line cable
KwikLink flat trunk
line cable insulation
displacement connector
T-port
KwikLink flat trunk
line cable
DeviceLink
Trunk Line Calculation One
Node number
6

30.9.2013
ControlNet: Key Terms
Local: Component in same chassis as controller.
Remote: Component in different chassis from controller:
ControlLogix Controller with
Configuration Information
Remote 1756-I/O
Local 1756-I/O
14
Scanner - adapter
FlexLogix I/O placed on DIN rail:
• Supports one or two banks
– (up to 8 local I/O modules and 8 extended local I/O modules)
Local I/O Modules
Bank 1
Extended Local I/O Modules
Bank 2
15
7

Ř í z e n á t e c h n o l o g i e
30.9.2013
Příklad interní struktury PLC
Externí I/O moduly
Systémová
kom. linka
Programovací prostředí,
panely operátorů,
vizualizace procesu
Interní I/O
moduly
IO komunikace
(remote IO)
Systémová
komunikace
modul
"Watch dog" časovač
Přerušení
Proces
I/O scanu
Interní operační
systém PLC
Stop / Run
Zápis, edice a monitorování
dat a programu
Systémové
informace
Obraz
vstupů a
výstupů
Proměnné,
konstanty
Program
Proces
provádějící
scan programu
Zálohované
napájení paměti
Paměť - typicky od 8 kB do 256 kB
P L C
16
Adresy dat PLC
• Logické
pevné I/O tabulky, do kterých se mapují
vstupy a výstupy
proměnlivé logické tabulky, podle vstupů a
výstupů
• Systémy používající Tagy
17
8

30.9.2013
Logické I/O adresy
Allen-Bradley – PLC5, SLC500
18
Pevné vstupní a výstupní tabulky
Image courtesy of Allen-Bradley, a Rockwell Automation business 19
9

30.9.2013
Data v pevných tabulkách
20
Single-slot Addressing
Logical Rack 0 Logical Rack 1
000 001 002 003 004 005 006 007 010 011 012 013 014 015 016 017
21
10

30.9.2013
Two-slot Addressing
Logical Rack 0
000 000 001 001 002 002 003 003 004 004 005 005 006 006 007 007
22
Half-slot Addressing
Logical Rack 0 Logical Rack 1 Logical Rack 2 Logical Rack 3
000
001
002
003
004
005
006
007
010
011
012
013
014
015
016
017
020
021
022
023
024
025
026
027
030
031
032
033
034
035
036
037
23
11

30.9.2013
Addressing and Remote I/O
P
r
o
c
e
s
s
o
r
Logical Rack 0 Logical Rack 1
000 001 002 003 004 005 006 007 010 011 012 013
P
o
w
e
r
S
u
p
p
l
y
Rack 2
1336
Plus II
VFD
Remote I/O
24
Modulární PLC SLC 500
Image courtesy of Allen-Bradley, a Rockwell Automation business 25
12

30.9.2013
Tabulka vytvářena modulem
26
Modularní PLC a I/O tabulky
27
13

30.9.2013
Přenosy dat – scanované a nescanované
vstupy
I/O modul
Scanované
vstupní
hodnoty
Scan vstupů
Okamžitý scan
Vstupní force
Obraz vstupů
- | 0 | 1
Vstupní
hodnoty
čtené
povelem
Výstupní
hodnoty
zapisované
povelem
Čtení bloku dat
synchr./asynchr.
Zápis bloku dat
Tabulka proměnných
programu
Force aktivní?
Ano / Ne
Scanované
výstupní
hodnoty
Okamžitý scan
0 | 1
Obraz výstupů
Scan výstupů
- | 0 | 1
Výstupní force
28
Tagově orientovaná PLC
Program
Tagy
vstupních
modulů
Private
Shared Data
Tagy
výstupních
modulů
Tagy
Vstupy
Local bus
I/O moduly
Consumed
tagy
Produced
I/O Update Manager
Remote I/O
moduly
Výstupy
Remote
tagy
T e c h n o l o g i c k ý p r o c e s
29
14

30.9.2013
Klasické PLC / ControlLogix
src x 1 x 1
src x 2 x 2
src x m
x m
dst y 1 y 1
dst y 2 y 2
dst y n
Program
y n
t in
t prog
t out
t plcscan
tx
1
src x 1 x 1
tx
2
src x 2 x 2
src x m
tx
m
P
x m r
o
ty
1
g
dst y 1 y 1 r
ty
2
a
dst y 2 y 2 m
ty
n
dst y n y n
t prog
30
Data Types
Using these definitions . . .
Controller Memory
“Drive_Speed” Data
DINT, or 32 Bits
“Start” Data
BOOL, or 1 Bit
“Sensor”
Data
BOOL or
1 Bit
31
15

30.9.2013
Identifying a Module Type
Several characteristics:
RSLogix 5000
Software I/O
Configuration
Module Slot Number
I or O for Input or Output
A for AC, B for DC, F for Fast Response Analog
1756 - O B 16 D
Number of Points or Channels
Suffix – (Diagnostic, Electronic
Fusing, Individually Isolated,
Voltage Only, Current Only, etc.)
32
Identifying an I/O Module Tag
I/O format:
Location:Slot:Type.Member.Bit
“Local” or Module Name for Remote
I/O Point (Optional)
“Data” (I/O values), “Fault,” etc.
“I” for Input, “O” for Output,
“C” for Configuration
Module Slot Number
33
16

30.9.2013
Example: Digital I/O Tags
Digital output module in slot 0 of local chassis:
1756-OB16D Module – Slot 0
Diagnostic
Data
Data Per Point
34
Types of Scans
• Continues task (spojitá úloha)
PLC scans the program code from top to bottom. When it
completes, it goes back to the top and restarts the process.
I/O scans
program scans
1. A continuous task is how PLC traditionally operates.
2. Continues tasks are performed at irregular intervals.
3. A watchdog monitors the scan time. If it exceeds predefined value, an
execution fault is displayed because PLC could accidentally lose an
input signal.
4. First scan (or first pass) – when the PLC is first powered ON or
whenever the PLC program is started – used for initializations
35
17

30.9.2013
Types of Scans
• Periodic task (periodická úloha)
Like the continuous task, a periodic task executes all of its
code from top to bottom. However, when a periodic task
completes its scan, it waits a preconfigured time interval
before restarting.
program scans
1. A periodic task is always required for all numeric control
algorithms, e.g. PID controller.
2. The periodic task lets you control a process that might occur
at a significantly faster rate than the normal scan of the
continuous task can attain.
3. In a periodic task, we must insert I/O instructions if we need
actual data, otherwise it uses I/O data of the continues task.
36
Types of Scans
• Event task (úloha řízená událostí, přerušeni)
Lets you execute a piece of code based on the detection of
some incident that occurs in the control system.
Events
Program scans
1. The event task either immediately take control at a high priority
2. But interrupts are potentially dangerous sources of errors
37
18

30.9.2013
Continues, Periodic, and Even Tasks
• Picture taken from Rockwell Automation: Using Event Tasks with Logix5000 Controllers,
Publication LOGIX-WP003A-EN-P June, 2003, page 15
38
Přehledné programovací jazyky
Function Block Diagram (FBD)
graphical languages
Sequential Flow Chart (SFC)
AUTO
DI
CALC1
CALC
PUMP
START STEP
V
ACT
IN1 OUT >=1
MAN_ON
IN2
DO
V
T1
STEP A
T2
N
D
ACTION D1 D1_READY
ACTION D2 D2_READY
Ladder Diagram (LD)
CALC1
STEP B
T3
N
D
ACTION D3 D3_READY
ACTION D4 D4_READY
AUTO
CALC
PUMP
ACT
MAN_ON
IN1
IN2
OUT
textual languages
Structured Text (ST)
VAR CONSTANT X : REAL := 53.8 ;
Z : REAL; END_VAR
VAR aFB, bFB : FB_type; END_VAR
Instruction List (IL)
A: LD %IX1 (* PUSH BUTTON *)
ANDN %MX5 (* NOT INHIBITED *)
ST %QX2 (* FAN ON *)
bFB(A:=1, B:=‘OK’);
Z := X - INT_TO_REAL (bFB.OUT1);
IF Z>57.0 THEN aFB(A:=0, B:=“ERR”);
ELSE aFB(A:=1, B:=“Z is OK”);
END_IF
http://www.isagraf.com 39
19

30.9.2013
Průmysl potřebuje informace...
1. spolehlivé přenést
2. spolehlivé zpracovat
3. spolehlivě testovat možné chyby
40
The Millennium Bridge London
Slavnostně
otevřen
v sobotu
10.6.2001
Rychle
zavřený
v pondělí
12.6.2001
Přímo učebnicový příklad špatné informace
41
20

30.9.2013
Therac 25 – těžká chyba v IS
42
Mask of Therac 25
2 deadly errors escaped detection
• during 2 years testing by the manufacture
• during 2 deep inspections
•during deep inspection perform by US government
even if all knew what they should look for
43
21

30.9.2013
Operator sidebar
44
Structure of code
[source: Nancy G. Leveson, Clark S. Turner, An Investigation of the Therac-25 Accidents]
45
22

30.9.2013
1 of 2 errors
Error is clear only if you know its exact location
Magnet:
Set bending magnet flag // ..but the flag is reset after 1st call of Ptime
repeat Set next magnet
Call Ptime
if mode/energy has changed, then exit
until all magnets are set // it takes 8 s to adjust magnets!!!
return
Ptime:
repeat
if bending magnet flag is set then
if editing taking place then // it is tested only if bending magnet flag is set
if mode/energy has changed then exit
until hysteresis delay has expired
Clear bending magnet flag return
2nd more complex error appeared when an operator pressed key in the
46
same moment when a byte circular counter overflowed
Centralizované řízení
Výhody
Všechny programy na jednom místě
Lépe se řeší systémové problémy
Rychlý přístup na I/O
Nevýhody
Velké programy
Výkon závisí na počtu I/O
Závada jednoho PLC znamená zastavení
celého programu
47
23

30.9.2013
Hierarchie jsou jednoduché, tradiční
Centralized (Hierarchical) Control Architecture
Central Computer
(Mainframe)
Group
Control
Group
Control
Group
Control
PLCs
Sensors, Actors
plant
Classical, hierarchical, centralized architecture.
The central computer only monitors and forwards commands to the PLCs
24

30.9.2013
P2P komunikace
communication in a control system is evolving from hierarchical to distributed
central master / slave: hierarchical
“master”
PLC
AP
alternate
master
PLC
AP
peer-to-peer: distributed
input
“slaves”
output
PLC PLC PLC
“masters”
AP
AP
AP
separate bus master from
application master !
input
“slaves”
output
50
Distribuované řízení
ALLEN-BRADLEY ALLEN-BRADLEY ALLEN-BRADLEY
Výhody
Rozdělení programu podle úloh
Snáze se hledají lokální problémy
Zvýšení výkonu na lokální síti
Nevýhody
Dostup na některá I/O přes další PLC
Systémové problémy se hůře hledají
Vyšší cena
Udržujeme několik programů
51
25

30.9.2013
složitější distribuované systémy
vyjadřují složitější svět
Decentralized Control System (DCS)
ALLEN-BRADLEY ALLEN-BRADLEY ALLEN-BRADLEY
hierarchical
(vertical communication)
engineering
workstation
operator
workstation
data logger
plant bus
peer-to-peer (horizontal communication)
field bus
controlle
r
controlle
r
controlle
r
controlle
r
plant
all controllers can communicate as peers (without going through a central
master), restricted only by throughput and modularity considerations.
Note: Honeywell's "DCS" stands for "Distributed Control System", it is not a decentralized control
system, but a control system for the process industry.
26

30.9.2013
Busses and processors in industrial plants
Process pictures
disk
instrument bus
(mimic board)
Operator panel
Mimic board
open network, WAN
Process Data Base
workstation bus
Logging
station
station
plant network (500m .. 3 km) – includes control network
processor pool
P
P P C
I/O MEM I/O
PLC nodes
(multi-processors)
P P C P
MEM BC
node bus
fieldbus (30m..2 km)
directly coupled
input/
output
control
stations
sensor bus
backplane bus
sensor bus (0,5.. 30 m)
transducers
valve thermo-couple
position
M
motor
plant (Werk, usine)
Sítě – to je směs protokolů
control
center
IEC 870-6
SCADA
control
center
Inter-Control Center Protocol
ICCP
control
center
HV
High
Voltage
Modicom
IEC 870-5 DNP 3.0 Conitel RP 570
serial links (telephone)
RTU RTU RTU RTU Remote Terminal Units
Příklad:
Elektrárna
COM
RTU
substation
substation
MV
Medium
Voltage
FSK, radio, DLC, cable, fiber,...
RTU
RTU
houses
RTU
RTU
LV
Low
Voltage
Pro pomalé rychlosti a velké vzdálenosti lze použít silové rozvody nebo telefonní linky
Problem: rozmanitost protokolů, dotových formátů, semantik..
55
27