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 


• 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 


• 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 


Ladder Diagram (LD) 

CALC1 

STEP B 

T3 

N 

D 



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

Struktury automatizace průmyslového podniku

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?