CPU - Central Processing Unit
CPU je hlavním modulem řídícího systému PLC a musí být vždy v sestavě řídícího systému.
SW výstavba CPU
- operační systém pro chod PLC, rutiny pro náběh (po zapnutí napájení) a ukončení běhu (vypnutí napájení)
- synchronizaci taktu a zpracování pokud CPU obsahuje více mikroprocesorů
- vnitřní diagnostiku HW, kontrolu integrity obsahu paměti systému, programu a uživatelské paměti
- datovou výměnu mezi programem, systémem a pamětmi
- zpracování diagnostických přerušení HW, tedy chybové stavy (závady) indikované periferiemi nebo samotným CPU
- zpracování diagnostických přerušení SW (programátora), např. oslovení neexistující periferie, chyby konverze mezi číselnými soustavami, přístup
programu k neexistující oblasti pro data, chybné odskoky (neexistující návěstí, podprogramy) atd.
- zpracování uživatelských přerušení jako je žádané HW přerušení z procesu, cyklické nebo kalendářní přerušení
- zpracování hlavního uživatelského programu, podprogramů, funkcí, logiky, algoritmů, regulace ...
- načítání stavu vstupních periferií a předávání hodnot na výstupní periferie, buď na systémové sběrnici nebo decentrálních periferií připojených přes
průmyslovou síť
- komunikace přes programové rozhraní s programátorem
HW výstavba CPU
- mikroprocesor pro chod PLC, jeden ale zpravidla více podle typu a provedení CPU, kdy je činnost CPU rozdělena mezi několik mikroprocesorů (programový, periferní,
komunikační)
- paměť pro uložení programu, interní / externí, principielně typu ROM
- uživatelskou paměť pro data, zpravidla interní / jako rozšiřující externí, principielně jako RAM
- rozhraní pro komunikaci s programátorem
- budič sběrnice pro připojení periferií případně další rozhraní pro síťovou komunikaci
- některé typy CPU disponují i samostatnou ALU (Arithmetic Logic Unit)
|
Periferie
Periferie jsou jednotky, moduly PLC, určené pro komunikaci s okolím. Mezi základní periferie patří digitální, tedy takové, které zpracovávají dvoustavové
signály charakteru zapnuto / vypnuto na vstupech, a tento stav generují na výstupech. Dalšími periferiemi jsou periferie analogové, opět vstupní / výstupní, kdy
vstupní periferie převádí spojitou analogovou hodnotu na diskrétní číselnou a výstupní naopak. Periferie, které vykonávají složitější činnost než pouhé
předání nebo konverzi signálů se podle konkrétního provedení označují jako funkční moduly, inteligentní periferie, komunikační procesory atd.
Centrální periferie
Za centrální periferie jsou označovány takové, které jsou umístěny v centrálním nebo rozšiřujícím rámu (viz dále). V centrálním, případně rozšiřujícím,
rámu mohou být umístěny typově všechny periferie. Nejedná se tedy o specielní funkčnost periferií, ale pouze o označení příslušnosti k části systému.
Decentrální periferie
Za decentrální periferie jsou označovány takové, které jsou rozmístěny po stroji, technologii, obecně zařízení, tedy nejsou umístěny v centrálním nebo
rozšiřujícím rámu (viz dále).
Z hlediska osazení modulů v decentrální periferii je mimo digitálních a analogových modul možné i použití modulů generující přerušení i modulů
s vyššími nároky na objemový přenos dat, platí však, že je nutno zvolit vhodný interface na straně periferie.
více viz ... periferie
|
Typy PLC
Pokud již máme CPU a periferie, můžeme sestavit PLC (samozřejmě od jednoho výrobce, kompatibilní a vhodného typu).
Kompaktní PLC
Kompaktní PLC (obrázek 1) je takové provedení PLC, kdy je v jednom modulu integrována nejen CPU, určitý počet digitálních
vstupů/výstupů případně i analogových I/O periferií. Poměr vstupů/výstupů je určen výrobcem, pro digitální přibližně
2/1, pro analogové přibližně 4/1.
Z digitálních vstupů mohou být některé použity pro zpracování procesních HW přerušení nebo vstupy rychlých čítačů, měření frekvence. U výstupů
(tranzistorové provedení) bývá implementován výstup PWM a u některých CPU případně další komunikační rozhraní.
 |
Obrázek 1
Principielní vyobrazení kompaktního PLC s možným rozšíření periferií. |
Výhodou kompaktních CPU bývá nejen cena, ale i rychlost přístupu k periferiím, protože tyto jsou přímo integrovány v PLC a signály nemusí procházet přes
řadič sběrnice. Celkově se pak doba cyklu může pohybovat řádově v jednotkách milisekund.
Nevýhodou kompaktních PLC ale může být to, že jsou určeny pro malé řídící systémy, převážně jako centrální systém, tedy mají menší paměť pro
program i data a některé typy není možno dále rozšířit dalšími I/O periferiemi. Pokud je možno k CPU připojit periferní moduly, bývalí shodné s provedením
jako pro modulární PLC. Digitální, analogové,
technologické, komunikační, s různým počtem vstupů/výstupů i pro různá napětí. Je ze však omezení podle typu a výrobce na možný počet připojených modulů
na jednotky až desítky periferních modulů oproti modulárním PLC, kde se počítá s připojením až
stovek periferních modulů.
S rozvojem IT a masivním průnikem síťových prostředků do oblasti automatizace se vyrábějí i kompaktní CPU, které mají mimo rozhraní pro programování, integrováno
další síťové rozhraní. V
takovém případě je možno připojit více periferií v decentrálním provedení a je zvětšena kapacita paměti pro program i data, i tak zpravidla toto navýšení
nedosahuje možností modulárních PLC.
Modulární PLC
Modulární PLC jsou tvořeny několika moduly sestavenými do jednoho celku z čehož jeden modul musí být CPU a k němu připojené periferní moduly (obrázek 2). V jednoduché
sestavě centrálního systému jsou moduly periferií k CPU připojeny v jedné řadě, tedy těsně za sebou. Pro další potřeby, instalace více periferních modulů, je
možno sestavu PLC realizovat s rozšiřujícím(-i) rámem(-y) nebo jako decentrální systém.
 |
Obrázek 2
Principielní vyobrazení modulárního PLC s periferiemi. |
U modulárního systému je k CPU možno připojit různé periferní moduly, digitální, analogové, s různými technologickými funkcemi, komunikačními
schopnostmi atd., s různým počtem vstupů/výstupů i pro různá napětí. Protože modulární systém předpokládá zpracování většího počtu signálů, řádově s více jak desítkou modulů periferií, jsou CPU pro toto řešení
vybaveny větší kapacitou paměti pro program i data.
Stejně jako u kompaktních PCL je CPU vybaveno rozhraním pro programování, případně některé typy mají více komunikačních rozhraní nebo je možno další
rozhraní realizovat přidáním vhodných modulů.
|
Centrální / rozšiřující / decentrální systém
Dále popsané způsoby realizace sestavy PLC vždy závisí na konkrétních podmínkách nasazení řídícího systému (chemické provozy, těžké strojírenství,
ale i objem a topologie signálových cest, konstrukční a realizační možnosti atd...). Není přesné pravidlo, jaká sestava PLC má být kde a kdy použita, vždy záleží
na správné úvaze při projekci. Zohledňování ceny ani prosazování posledních IT trendů nemusí ve výsledku znamenat nejlepší řešení.
Centrální systém
Centrální systém představuje takové uspořádání řídícího systému, kdy jsou všechny signály technologie soustředěny do jednoho centrálního místa.
Zpravidla se toto řešení používá v případech, kdy převážná část signálů vzniká (vstupy) nebo je použita (výstupy) v blízkosti PLC, například v rozvaděči,
který je umístěn poblíž stroje. Jako řídící systém může být použito kompaktní PLC i modulární PLC.
Centrální systém s rozšiřujícími rámy
Centrální systém s rozšiřujícími rámy není nic jiného, než přidání dalších rámů k centrální sestavě PLC (obrázek 3), do kterých se umisťují další
moduly - periferie. Toto řešení se používá v případě, že je stále výhodnější centrální
výstavba, např. pro široká rozvaděčová pole a byla vyčerpána možnost přidávání modulů v základním rámu.
 |
Obrázek 3
Centrální rám PLC s rozšiřujícími rámy periferií, např. v různých rozvaděčích. |
Výhodou rozšiřujících rámů je to, že není nutno veškeré signály technologie koncentrovat do jednoho místa, tedy vzniká úspora jak v délce pokládky signálových
kabelů, ale i úspora místa (prostoru) v kabelových svazcích. Nevýhodou je možnost vytvoření pouze liniového schématu propojení rámů.
Rozšiřující systém, přesněji rámy, se se základním rámem propojují přes k tomu určené interface moduly, kdy v každém rámu musí být použito po
jednom. Interface potom převádí signály ze systémové sběrnice (adresy, data) na vhodnou úroveň do komunikačního kabelu (vícežilový) a protistrana interface
naopak. Podle typu interface je možno propojovat rozšiřující rámy na vzdálenost od 1m až na vzdálenost stovek metrů, některé až na 1000m. Prakticky se s délkou
propojovacího vedení a počtem rozšiřujících rámů snižuje rychlost sběru a distribuce signálů.
Do rozšiřujícího rámu je možno vždy umístit digitální periferie a ve většině případů i periferie analogové. Pro periferie, které vyžadují větší tok dat, např.
komunikační periferie, je potřeba volit interface, která má mimo periferní sběrnice i sběrnici komunikační (pro výměnu dat s CPU). Dalším omezením je i zpracování přerušení z
rozšiřujícího rámu, ne všechny interface toto umožňují.
Jako PLC v centrálním rámu může být podle typu použito kompaktní i modulární PLC. Kompaktní PLC mívají možnost přidání rozšiřujícího rámu omezenu
na jeden rám, modulární standardně umožňují připojení 4 i 8 rozšiřujících rámů. Vzhledem k rozvoji průmyslových komunikačních sítí bývá takováto
sestava PLC nahrazována decentrálními periferiemi nebo jsou často obě možnosti kombinovány.
| Poznámka |
| První PLC bylo řešeno právě touto koncepcí. |
Decentrální systém
Decentrální systém využívá prostředky síťové komunikace. Nejčastěji používanými sítěmi pro decentrální řídící systém je Profibus a Profinet, obojí
v metalickém, optickém nebo kombinovaném provedení. Není vyloučeno ani použití dvou různých sítí. Z hlediska instalace propojovacího (síťového) kabelu je
toto řešení úspornější, protože síťové kabely mají pouze 2, 4, 8 signálových vodičů oproti mnohožilovým kabelům pro rozšiřující rámy.
 |
Obrázek 4
PLC s decentrálními periferiemi umístěnými v místech koncentrace signálů. |
Výhoda použití decentrálního systému je podobná jako při použití rozšiřujících rámů ale je zde navíc další výhoda a to, že je možno vytvořit více
lokálních míst, kde jsou procesní signály připojeny k řídícímu systému a je možno vytvářet složitější topologii sítě než liniové, tj. hvězdicové i včetně
sítí redundantních.
Pro realizaci decentrálního systému musí být v centrálním rámu umístěn komunikační procesor (komunikační periferie), který řídí výměnu dat mezi CPU a
jednotlivými decentrálními částmi systému - decentrálními periferiemi nebo CPU "vyšší třídy", které mají integrované síťové rozhraní např. 2x
Profibus a až 4x Profinet. Dosažitelná vzdálenost mezi decentrálními periferiemi (od první k poslední) je omezena nejen fyzickou délkou sítě (útlum, což lze řešit
pomocí opakovačů) ale i její topologií, počtem uzlů, objemem přenášených dat, požadovanou rychlostí a dobou odezvy. Prakticky se nejčastěji síť využívá
v desítkách až stovkách metrů, nejsou však vyjímky s kilometrovými vzdálenostmi.
Taktéž je možno kombinovat decentrální systém s rozšiřujícími rámy.
|
Bezpečnostní PLC (Safety)
Výše popisované konfigurace předpokládají nasazení PLC standardního provedení. Pro aplikace vyžadující bezpečnostní funkce se uplatňují a jsou požadovány bezpečnostní řídící systémy s odpovídajícími CPU a periferiemi.
Pro bezpečnostní systémy nebo dílčí část systému platí i některá omezení ohledně tvorby programu, kdy jsou povoleny jen jednodušší funkce, tedy takové funkce,
které nejsou rizikové na chybu při tvorbě programu. Omezení se týká zejména nepřímého a indexové adresování, cykly a programové smyčky. Pro bezpečnostní
funkce jsou výrobci dodávány bezpečností softwarové programové pakety a nadstavby.
Pro odlišení a zvýraznění bezpečnostních funkcí komponent mají žluté provedení *) Pro komunikaci a propojení více modulů systému s
bezpečnostními funkcemi je možno použít síťové propojení, které však musí mít odpovídající bezpečnostní certifikaci.
Při návrhu bezpečnostního systému, řešení bezpečnostních funkcí, se rozlišuje, má-li se jednat o ochranu zdraví osob, vlastní kontrolu systému samotného
a zajištění kontinuity činnosti.
Bezpečnostní systém
Bezpečnostní systém je tvořen specielními moduly sestavy (CPU, periferie) nezaměnitelnými s jinými moduly, tedy moduly, které realizují bezpečnostní
funkce. Na rozdíl od dále popsaných systémů mohou tyto systémy pracovat jako jednoprocesorové i jako redundantní.
Častým řešením je použití samostatných bezpečnostních relé, které autonomně kontrolují bezpečnostní prvky (stop tlačítka, optické závory, dveře a
kryty, nášlapné desky, prostorové senzory, dvojtlačítka ...) a zajišťují odpovídající reakci na vznik porušení bezpečného stavu nezávisle na PLC. Do PLC se
potom zavádí pouze signál o vzniku situace.
Příklady uplatnění (převážně ochrana zdraví osob): automobilový průmysl, lehké a těžké strojírenství, speciální strojní výroba, hromadná a sériová
výroba, plastikářské stroje, lisy, obalový průmysl ...
Poruchově bezpečný systém
Poruchově bezpečný systém, je již vždy tvořen dvěmi samostatnými sestavami PLC, které jsou spolu vzájemně propojeny (zpravidla) optickým kabelem.
Systém vyžaduje dvě specielní CPU (A), CPU (B), která mají stejný řídící program, mezi sebou komunikují a vyměňují si informace o stavu kontrolovaných (vybraných) vstupů a výstupů,
které jsou párové a musí být shodné. Pokud některé CPU zjistí odchylku stavu na druhém CPU, trvající déle než je přípustná doba, obě
CPU přejdou do STOP stavu.
Vstupní signály bývají buď zdvojeny přímo na snímačích nebo jsou rozdvojeny vhodným způsobem. Výstupní signály jsou řešeny tak, že část (A) spíná
kladné napětí na výstup, část (B) pak spíná výstup k nulovému potenciálu. Cívka akčního prvku je potom zapojena mezi tyto dva výstupní body a tyto mohou být
ještě zpětně kontrolovány vstupy. System
dovoluje na jednom z CPU realizovat i řízení, které není párové na druhém CPU, tedy nemá bezpečnostní kontrolu.
Poruchově odolný systém
Poruchově odolný systém, redundantní, vyžaduje instalaci dvou shodných systémů PLC, s dvěmi CPU a se shodným řídícím programem, které jsou vzájemně propojeny (zpravidla) optickým
komunikačním kabelem. Jedna sestava PLC provádí standardní řízení procesu jako provozní jednotka, druhá PLC sestava je záložní a provádí dohled a
kontrolu nad první sestavou. Pokud dojde k poruše na provozní sestavě, je tato sestava odstavena a řízení přebírá záložní sestava. Pro převzetí
řízení druhou sestavou je nutno zajistit přepnutí výstupních signálů na záložní jednotku. Pro zvýšení funkčnosti se aplikuje i redundantní napájení H
systémů.
Příklady uplatnění (nepřerušitelné provozy): výroba a distribuce elektrické energie, chemický průmysl a petrochemie, zpracování a distribuce ropy, plynu, rafinérie,
farmacie, automatizace leteckého provozu, vodárenství a čističky odpadních vod, řízení dopravy a systémy provozu, lodní přeprava, řízení turbín ...
Decentrální periferie pro bezpečnostní PLC
Pro bezpečnostní systémy existují specielní redundantní decentrální periferie s přístupem přes Profibus / Profinet. Podle konfigurace sítě a řešení bezpečnosti
podle redundance se rozděluje připojení na:
- jednostranné připojení - pouze normální odolnost proti poruchám (nevyhovuje)
- přepínané připojení - zvýšená odolnost proti poruchám
- redundantní připojení - odolné proti poruchám
|
