Programozás | PLC programozás » A PLC-technika szerepe az ipari vezérlések fejlődésében és az automatizálás oktatásában

Informatika a felsőoktatásban 2005 Debrecen, 2005. augusztus 24-26 A PLC TECHNIKA SZEREPE AZ IPARI VEZÉRLÉSEK FEJLŐDÉSÉBEN ÉS AZ AUTOMATIZÁLÁS OKTATÁSÁBAN THE RULE OF PLC TECHNOLOGY IN THE DEVELOPMENT OF INDUSTRIAL CONTROLS AND THE TEACHING OF AUTOMATIZATION Bákai Tamás, iitrifle@gold.uni-miskolchu Erdélyi Ferenc, erdelyi@iit.uni-miskolchu Miskolci Egyetem Alkalmazott Informatikai Tanszék Összefoglaló. A gépek és a technológiai folyamatok irányításában növekszik a programozható logikai vezérlések (PLC) szerepe. A PLC programozásban a „folyamat” és az „irányítás” modellezés szétvált, megjelentek a számítógépes programtervező eszközök. Mind a PLC program nyelvi (szintaktikai) eszközökben, mind a folyamat és vezérlés modellekben nagy a változatosság. A platform független fejlesztés paradigmájának erősödése megnöveli az absztrakt modellek jelentőségét. Használatukhoz azonban számítógépes támogatás szükséges A

PLC programozás és a hozzá kapcsolódó modellezés egyre fontosabb a gépészmérnökök oktatásában is. 1. Tendenciák az ipari vezérléstechnika fejlődésében A gépek és a technológiai folyamatok irányításában a XX. században több nagy paradigma- és technológia-váltás zajlott le. A mechanikus (vezértengelyes, bütykös) valamint a hidraulikus és a pneumatikus vezérléstechnika a vezérlés és a végrehajtás (beavatkozás) struktúráját még nagyon szorosan integrálta. Csak a villamos vezérléstechnika alkalmazása tette lehetővé az irányítási és végrehajtási funkciók határozott szétválasztását. A villamos vezérléstechnika „huzalozott” korszakában az összetett logikai funkciók megvalósítását méretbeli és megbízhatósági akadályok korlátozták. Áttörést az 1960-as években a PLC (Programmable Logical Controller) a programozható vezérlők megjelenése hozott. A PLC vezérléseket az autóipari gyártósorok igénye

hozta létre. A „Programozható Vezérlő” már kezdeti korszakában egyfajta ipari számítógép volt, de funkcionálisan csak a folyamatok diszkrét állapotváltozásainak megfigyelésére és irányítására koncentrált. Ezt a célt jól szolgálták az első generációs PLC-k „bit processzorai”. A mikroprocesszorok megjelenése a PLC rendszertechnika számára teljesen új helyzetet és lehetőségeket teremtett. A mikroprocesszoros PLC valódi ipari számítógéppé vált, és lehetővé tette az IT (Information Technology) minden hardver és szoftver eredményének alkalmazását. A fejlődés ezután rohamossá vált a következő irányokba: - A PLC berendezések funkcionális flexibilitása erőteljesen megnőtt. - A PLC programozás a „Véges Állapotú Gépek” (Finite State Machine) modelljére támaszkodva szilárd elméleti hátteret kapott. - A vezérlések megbízhatósága és az irányítási algoritmusok bonyolultsága ugrásszerűen megnőtt. - A

PLC programozásban a „folyamat” és az „irányítás” modellezés szétvált, megjelentek a számítógépes programtervező eszközök. 1 Informatika a felsőoktatásban 2005 Debrecen, 2005. augusztus 24-26 - A hálózati (network) technológia a PLC vezérlések működését a gépek szintjéről a gépcsoportok és a műhely illetve a vállalat szintjére emelte. A PLC programozás számítógépes támogatása lehetővé tette a folyamatirányítás szemléletbeli megváltozását. Az automatizált technológiai folyamatok tervezői és működtetői a PLC programok közvetítésével férhetnek hozzá a folyamatok normális és kivételes állapotsorainak megfigyeléséhez, kezeléséhez. A PLC berendezéseket napjainkban az ipari technológiai folyamatok nagyon széles területén alkalmazzák. A nagy PLC gyártók (Siemens, Omron, Fanuc, stb.) évente sok 10 ezer berendezést értékesítenek Ezek programozása sok folyamatirányításban jártas mérnököt

igényel, nemcsak villamosmérnöki de gépész, vegyész és közlekedésmérnöki, sőt épületgépészeti és környezetvédelmi szakmákban is. Az automatizálás oktatásában a PLC berendezések lehetővé teszik az állapot-modellezés és az objektumorientált szemlélet érvényesítését. A számítógépes PLC programozás szoftver eszközei grafikus modellezési és szimulátor funkciókat is ellátnak. Ma már a nagy vezérlésgyártók számos számítógépes alkalmazást kínálnak a tervezőknek, de a vezérlés szintézis feladatai, például a platform független fejlesztés, a modell változatok szisztematikus elemzése, a modellek közötti automatikus konverzió, stb. még sok érdekes fejlesztési feladatot ad a jövő számára. 2. A PLC berendezések szerepe az automatizálási folyamatokban A PLC (Programmable Logical Controller) berendezések olyan ipari mikroszámítógépek, melyeket automatizálási feladatok megoldására fejlesztettek ki. Működési

elvüket az 1 ábra mutatja. 1. ábra: PLC berendezések működési elve A PLC egy véges belső állapotú automata, amely bemeneti szenzorain keresztül értesül a megfigyelt folyamat aktuális állapotáról. A PLC saját állapota, valamint a működést leíró vezérlőprogram alapján meghatározza a rendszer tervezett következő állapotába jutásához szükséges irányító jeleket, majd ezeket - kimenetein keresztül - a beavatkozó szervekhez juttatja. A PLC berendezések kezdetben csak kétállapotú logikai állapotváltozókat tudtak kezelni. Később, az ipari igények hatására képességeiket jelentősen kibővítették, analóg és digitális jelek feldolgozására is. A PLC berendezések programozásának támogatására vezérlőberendezés gyártó cégek fejlesztőeszközökkel igyekeznek könnyebbé és hibamentesebbé tenni a programozó mérnökök munkáját. A PLC-k leggyakoribb bemenetei a kétállapotú szenzorok, helyzetkapcsolók, nyomógombok,

fénysorompók, míg kimenetei általában mágnes-kapcsolók, motor-hajtások, elektromágneses szelepek, különféle kijelző eszközök, stb. A programozható vezérlő berendezés memóriájában külön területeket tart fent bemenetei, kimenetei, belső állapotváltozói, technikai paraméterei valamint a PLC alkalmazás és az Exe (végrehajtó) 2 Informatika a felsőoktatásban 2005 Debrecen, 2005. augusztus 24-26 program számára. Bekapcsolás után a vezérlés kezdőállapotba állítja funkcionális egységeit Ezt követően a belső órája által meghatározott időpillanatokban mintát vesz a bemenetek állapotáról, és az értékeket betölti az input memória megadott területeire. Az inputok, és saját belső állapota aktuális értékének ismeretében a processzor a PLC program-alkalmazás utasításait egymás után végrehajtja, és az itt szereplő logikai és egyéb függvények alapján kiszámítja kimeneteinek kívánt állapotát. Ezt a

kimeneti memóriát olvassák aztán ki mintavételesen a perifériacsatoló elemek, és az aktuális jeleket elküldik az adott perifériaeszközök felé. Amikor az utasításszámláló a PLC alkalmazási program végére ér, a vezérlés automatikusan visszaállítja azt az első műveletre, és a végrehajtási ciklus elölről kezdődik. A legújabb PLC berendezésekben az alkalmazási program végrehajtása különböző prioritású taszkok szervezésével és függvényhívásokkal valamint a hálózati kommunikációval egyre jobban hasonlít a modern általános célú számítógép működéséhez. 3. A PLC programozásnál ma használatos szintaktikai eszközök A PLC alkalmazási programok létrehozása több szakaszra bontható. Az első szakasz az irányítandó gép vagy folyamat modellezését jelenti. Itt a fő szerep a folyamat vagy géptervező konstruktőré. A második szakasz - a modell ismeretében - a PLC program elkészítése A letesztelt program a

harmadik szakaszban kerülhet implementálásra. A 2 és 3 szakaszban a fő szerep az irányítástervező mérnöké. A PLC berendezések programozására (PLC alkalmazási programok létrehozására) ma már sokféle szintaktikai és modellezési eszköz létezik. Az IEC (International Electrotechnical Commission) a 61.131-3 szabvánnyal kísérletet tett ezek egységesítésére A technika gyors fejlődése és a vezérlésgyártók érdekeinek különbözősége azonban nem tette lehetővé a szabványok maradéktalan elterjedését. Az IEC standardnak megfelelően a nyelvi eszközök közül a legismertebbek: utasítássoros, RLD ábrás, funkció-blokk ábrás, strukturált szöveges nyelvi megoldás. A modellezési eszközökben még nagyobb a változatosság. Alacsonyabb és magasabb szintű, vezérlési és folyamat-modellezési módszerek használatosak. A legismertebbek: Petri hálók, ütem-diagrammok, állapotfolyam diagrammok, Grafcet ábrás modellező eszközök.

Utasítássoros programmegadás: Ez a legalacsonyabb szintű szintaktikai eszköz, ezért a program készítőjének itt nyílik legnagyobb lehetősége a PLC képességeinek teljes körű kihasználására. A kódolás során rendelkezésre áll az adott típusú PLC teljes utasításkészlete és speciális szolgáltatásai. (A modern PLC-k utasításkészlete meghaladhatja a 250 utasítást!) Mivel azonban ez a fajta programmegadás a PLC berendezések hardverfüggő módja, ezért különböző típusok esetén más és más szintaktikai követelményeket kényszerít a programozóra. A megírt programok csak meghatározott PLC típuson futtathatók, így adott esetben erősen sérül a kódok hordozhatósága. Másik nagy hátránya, hogy nem támogatja az objektum-orientált megközelítést, ezért a gyakorlatban ma már csak kis és speciális feladatok megoldására használják. RLD ábrás programmegadás: A platformfüggetlenség problémájának áthidalására

fejlesztették ki az RLD ábrás programleképzési módszert. Nagy előnye, hogy az ilyen módon megírt programok már hordozhatókká váltak az egyes PLC típusok között, hiszen az elkészített relés logikai ábra nem kötődött közvetlenül a hardverhez. Másik nagy előnye ennek a megadásnak, hogy megtette az első lépéseket a modell orientált programozás felé. A grafikus formában 3 Informatika a felsőoktatásban 2005 Debrecen, 2005. augusztus 24-26 megjelenő RLD szimbólumok ugyanis kapcsolódásukkal szemléltetően mutatják a logikai feltételek, valamint a funkciók és funkció blokkok kapcsolatát. Minthogy kölcsönösen egyértelmű megfeleltetés konstruálható az utasítás sorok és az RLD grafika között, a vezérlésgyártók többsége ma már az RLD grafikus ábra file, és az adott PLC utasítás-soros lista formátuma között, fordító programot szolgáltat. Funkció blokk ábrás programozás: Az elektronikus rajzi kommunikációs

eszközökre alapozták, de nincsenek előnyei az RLD grafikához képest. Érdekes, hogy a funkció blokkok grafikus reprezentációjának előnyi a szimbólumok egy részét az RLD ábrás grafikába integrálták. A mai RLD ábra ily módon egy RLD-funkció alapú szintaktikai eszköznek tekinthető. Strukturált szöveges programozás: Számos kísérlet történt Boole egyenletek, függvények és logikai operációk kulcs-szavaiból ilyen szintaktikák, PLC programozási nyelvek létrehozására, de az elterjedés mérsékelt sikerű. 4. A PLC programozás modellezési eszközei és módszerei Az ipari vezérlési feladatok modellezésére az esetek nagy többségében szekvenciális, (időben egymás után rendezett) funkcionális leírást szolgáltató modellre van szükség. Ezek a modellek tehát egyfelől a folyamat (a vezérelt gép) másfelől a vezérlés, mint véges állapotú automata belső állapotának időbeli változásait írják le. Az alkalmazott modellezési

eszközöknél fontos a grafikus reprezentáció, a szemléletesség. A fizikai reprezentációhoz közelebb álló, u.n „vezérlési állapot” modellek a PLC állapotváltozásait írják le Ezekből tehát könnyebb futtatható PLC programot (esetleg RLD ábrát) szintetizálni. A jól megkonstruált modellnek is általában végtelen sok PLC program megoldása van, ezek közül a (méret, konfiguráció, megbízhatóság, stb.) szerint választás tipikus szintézis feladat A feltételek (korlátozások) maradéktalan kielégítése egy elsőrendű szintézis feladat, egy valamilyen kritérium szerinti optimálás már másodrendű szintézis feladat. Ha a magasabb szintű, absztraktabb folyamatleíró modelleket használjuk, bonyolult feladatokra akár több szintű modell is készülhet. A folyamat modellek hátránya, hogy azokból közvetlenül általában nehéz PLC programot szintetizálni, szükség van egy a folyamathoz közelebb álló „vezérlés” modellre.

Folyamat modell analízise Szöveges leírás Petri gráf Kinematikai vázlat Mozgásterv Kvalitatív szintézis (vezérlésleírás) DFA modell Grafcet DES modell Platform független fejlesztési fázis Feladat Ütemdiagram Vezérlés szintézis Boole diff. egyenletek Post processzor Utasítás soros nyelv Közvetlen bevitel Kézi programíró Platform függő fejlesztési fázis RLD 2. ábra: A PLC alkalmazásfejlesztés általános folyamatai 4 Informatika a felsőoktatásban 2005 Debrecen, 2005. augusztus 24-26 Állapotfolyam gráfok és diagrammok: A véges állapotú automaták elmélete fejlesztette ki az állapot-gráfokon alapuló modelleket. Ezek elméleti (matematikai) alapjai szilárdak, de a mérnöki gyakorlatban csak ritkán és/vagy áttételesen használják az absztrakciós szint miatt. A véges automata modell (DFA) egy absztrakt „ötös”: M = (Q, I , q0 , qF ,α ) , ahol Q a diszkrét állapotok (gráf csúcspontok) véges halmaza, I

az input vezérlő jelek véges halmaza, q0 ∈ Q a kiinduló állapot, qF ∈ Q az elérendő végső t +1 állapot, és α : (Q × I ) Q az állapotváltozásokat leképző gráf „él halmaz”. Petri hálók: A diszkrét, időben soros és/vagy párhuzamos folyamatok dinamikájának leírására kiválóan alkalmasak a C. A Petri által kifejlesztett speciális gráfok Elsősorban a magasabb szintű folyamatleírás eszközeként használatosak. A „hagyományos” Petri-gráf egy absztrakt „négyes”: G = ( P, T ,α , m0 ) , ahol P az állapotokat leíró gráf „helyek” (Place) véges halmaza, T az t állapot átmeneteket leíró elemek (Transition) véges halmaza. α ⊆ P × T ∪ T × P , a helyeket és az átmeneteket összekapcsoló irányított gráf élek, és m0 az aktív helyek „megjelölésének” kezdeti állapota. (Sokféle továbbfejlesztett: időzített, súlyozott, színes stb Petri háló is létezik). Grafcet ábrás modell: A Grafcet modell a

nagyméretű rendszerek tervezésének bevált eszköze. Ez egy objektum orientált modellező rendszer, amely a folyamatok állapotváltozásait írja le, a Petri hálók „transition” objektumát használva de „szigorú” logikai leírás nélkül. Alkalmazásával leírhatók a folyamatok műveletei, a gépek beavatkozó szerveinek dinamikája, a vezérlőrendszer működés közbeni felügyeletének megvalósítása stb. A folyamatok leképzését és azok sorrendi helyességét grafikus alapokra épülő rendszer támogatja. A tervezői munka nem kötődik a konkrét hardverhez. A modellezésre használható elemeket, és azok definiálható tulajdonságait egy eszközkönyvtár tartalmazza, mely támogatja a bonyolultabb feladatok leképzését is. A modellező rendszer első lépésben ezeket az elemeket kínálja fel a tervezési feladat elvégzésére. A rendszernek ez a szintje képes több párhuzamos rész modellből előállítani az összes hozzá tartozó

tevékenységet. A modell generálás második lépcsőjében a fejlesztőrendszer tudás-intenzív modulokat használva felállítja az egyes tevékenységek helyes szekvenciáját, követési sorrendjét. A rendszer grafikus eredményeit a Grafcet ábrás formátum jeleníti meg. Ütemdiagram alapú modellezés: Ez a módszer a kis és közepes bonyolultságú, tipikusan ciklikus elemeket tartalmazó feladatokra igen jól alkalmazható platform független, feladatorientált megközelítést nyújt. A tervező, az ütemdiagram oszlopaiban, sorban felveheti a megtervezett folyamat egymás utáni lépéseit, így a folyamatleírás még inkább ember-közelibbé válik. A grafikus formában megjelenő ütemdiagramból feltételekkel egymáshoz kapcsolódó többszintű modell is felépíthető. A folyamat és vezérlés modellezés nagy problémája, hogy a diszkrét, szekvenciális állapotváltozási modellek alapján automatikusan RLD ábrát, vagy utasítássoros PLC programkódot

generáló általános tervező szoftver jelenleg még nem létezik a piacon. Így ez a munka szinte teljes egészében a programozóra hárul. 5 Informatika a felsőoktatásban 2005 Debrecen, 2005. augusztus 24-26 5. A platform független fejlesztés paradigmája Mint az a fentiekből látható a PLC alkalmazások egyik problémája a vezérlőberendezések programozási nyelveinek platformfüggősége. A PLC gyártó cégek általában törekednek programfejlesztő szoftvereik szolgáltatási körének bővítésére, azonban – főként üzletpolitikai okokból – nem fektetnek hangsúlyt a fejlesztőrendszerek platform-független megvalósítására. A 90-es évek közepétől nyilvánvalóvá vált a számítógépi szoftverfejlesztés minden területén, hogy hatékony fejlesztés csak platform-független módszerekkel valósítható meg. Egy alkalmazás fejlesztés végcéljának ugyanis már nem tekinthető csak egy jól definiált feladat elvégzésére alkalmas

szoftver előállítása. Az alkalmazásoknak, ezen túlmenően összekapcsolhatónak kell lenniük, hogy egy nagyobb rendszer részeként is tudjanak működni. Ez a koncepció megköveteli, hogy a szoftverfejlesztési munkák eredményei – részben vagy egészben – újrahasznosíthatóak legyenek különböző rendszerekben. Ebből kiindulva a modern szoftverfejlesztési paradigma igyekszik kitolni a platform-független fejlesztés határait. Ezen a területen az objektum orientált (OO, Object Oriented) szemlélet, és az egységes modellezési nyelvek (UML, Unified Modeling Language) megjelenése hozott jelentős eredményeket. A platform-független programtervezés elvének a PLC területére való átültetése hatékonyabb vezérléstervezéssel kecsegtet. Az automatizálási feladatok PLC berendezésekkel történi megoldása a mai gyakorlat szerint a következő lépésekből áll: 1. 2. 3. 4. 5. Az elvégzendő automatizálási feladat részleteinek feltárása,

modellezése. A vezérlés elvégzésére képes konkrét PLC típus kiválasztása. A hatékony fejlesztéshez szükséges fejlesztőrendszerek megválasztása. A kívánt működést eredményező PLC program elkészítése. A megoldás installálása. E módszer hátránya, hogy már a 2. lépésben implementációs eszköz-szintű kérdésben kell dönteni. Ez kedvezőtlen mind az elkészített programok hordozhatósága, mind a hosszú távú fejlesztés stabilitása szempontjából. A platform-független fejlesztés bevált koncepciója úgy ültethető át a PLC programozás területére, hogy az implementációs eszköz szintű kérdéseket a fejlesztés minél későbbi szakaszára toljuk át. 3. ábra: A platform-független alkalmazásfejlesztés lépései E programtervezési feladat megoldására olyan modellezésre van szükség, amely az automatizálandó feladat leírásának ismeretében egy fejlesztő eszköz támogatásával elkészíti a vezérlés kívánt

működésének platform-független modelljét. Ilyen, az emberi gondolkodáshoz közel álló, (lehetőleg grafikus) modell alapján, a fejlesztő rendszer támogatásával olyan vezérlő programot generálhatunk (Processzálási művelet), amely még nem tartalmaz konkrét vezérlőberendezésre vonatkozó információkat, de a gépi absztrakciós szinthez közeli formában jelenik meg. Az így elkészült vezérlőprogram csak az automatizálandó feladat logikai működését írja le, következésképpen hordozható az egyes PLC berendezések között. 6 Informatika a felsőoktatásban 2005 Debrecen, 2005. augusztus 24-26 A vezérlőberendezésre vonatkozó döntés után ez a modell viszonylag egyszerű fordítóprogramokkal transzformálható az egyes PLC típusok egyedi utasításkészletére. (Poszt-processzálási művelet) Egy ilyen platform-független modellező metodika segítségével lehetőség nyílna a modellezési tervezési feladat és az azt megvalósító

PLC programtervezés szintjeinek szétválasztására. 6. A PLC vezérlések az oktatásban Az automatizálási feladatok megoldásában egyre nagyobb szerepet játszanak a vezérlési és szabályzási feladatok megoldásra egyaránt képes PLC berendezések. A vezérlők piacán kapható modellező és PLC programozást támogató szoftverek kellő segítséget nyújtanak egy automatizálási folyamat tervezett és kivételes állapotainak leírására, valamint a rendszer üzemmódjainak megtervezésére. Ezeknek az eszközöknek a használata fejleszti a modellezési és folyamat-leírási képességeket. Napjainkban ez már nem csak a villamos és informatikus, hanem pl. a gépészmérnök oktatásban is egyre nagyobb jelentőséget kap A gyártásautomatizálás szerepe folyamatosan erősödik, egyre több rendszer-tervező és üzemeltető mérnökre van szükség. Ez az oka, hogy a gyártásirányítás és az automatikus berendezések (PLC, NC, Robotvezérlő) programozása

tananyaggá vált a nappali és a mérnök továbbképzésben egyaránt a világ számos műszaki egyetemén. A folyamat modellezési igény megfelelő matematikai alapokat és a szoftver eszközök használata intenzív informatikai jártasságot is igényel. A PLC programozás feladat- és modell-orientált mérnöki szintézis feladat. Oktatásánál teret kaphat a mérnök hallgatók egyéni kreativitása, probléma megoldó készsége. A megoldott feladatok helyessége látványosan ellenőrizhető A Miskolci Egyetemen, a gépész, informatikus és villamos mérnök képzésben jó tapasztalataink vannak ezen a területen. Irodalomjegyzék [1] Bánhidi László, Oláh Miklós: Automatika mérnököknek. Tankönyvkiadó, Budapest 1992 [2] Ajtonyi István, Gyuricza István: Programozható irányítóberendezések hálózatok és rendszerek. Műszaki Könyvkiadó Budapest 2002 [3] Tóth Tibor: Tervezési elvek, modellek és módszerek a számítógéppel integrált gyártásban.

Miskolc, Miskolci Egyetemi Kiadó, 1998. [4] Castillio I., Smith JS: Formal Modeling Methodologies for Control of Manufacturing Cells, Survey and Comparison. Journal of Manufacturing Systems V 21 N 1 2002 p40-51 [5] Erdélyi Ferenc: Számítógéppel segített gyártás. Oktatási jegyzet Kézirat Miskolci Egyetem 2003. 7