Jste zde

ServoPLC - kombinace PLC a řízení motorů v jednom pouzdře

Antonín Vojáček, 28. Červen 2005 - 19:54

Servo PLC představuje pohonný automatizační systém, který v sobě sdružuje funkce klasického PLC a regulace servopohonu. Může tak převzít regulační úlohy s řízením polohy pohonu, které bylo nutné dříve zpracovávat oddělenými moduly a systémy. Programování lze provádět všemi klasickými přístupy známé z PLC i řízení motorů.

V každém automatizovaném průmyslovém i zákaznickém systému je obvykle nutné zpracované výsledky ze vstupů nějak využít pro nějakou akci - buï sdělit uživateli prostřednictvím nějakého HMI (Human-Machine Interface), nebo často převést na mechanický pohyb prostřednictvím motorů. Takové systémy je možné složit s množství vzájemně propojených komponent od jednoho či více výrobců, nebo použít zařízení zvané Servo PLC, které již obsahuje vše v jednom. Takové zařízení je i 9300 Servo PLC firmy Lenze.

Lenze 9300 Servo PLC již v jedné "krabičce" integruje jednoduché PLC (Programmable Logic Controler) se všemi dnes běžnými vlastnostmi (I/O i programování), širokou podporu prostředků pro externí ovládání a vizualizaci výsledků (HMI), dynamické a přesné řízení motorů (trajektorie pohybu, rozběh atd.) i samotný budič motorů výkonů 0.37 až 75 kW (dle typu v řadě 93xx). Pro aplikace vyžadující uvedené prostředky a vlastnosti tedy ideální řešení.

Obecné vlastnosti

Vlastnosti PLC části

600 kB programové paměti (tj. cca 150 instrukcí)
9.2 kB RAM datové paměti
7 kB EEPROM
8 časově nebo podle událostí řízené úlohy
Minimální čas běhu úlohy 1 ms (1bitová operace 0.7 mikrosekund)
Real-Time a Multi-Tasking operace
2 analogové vstupy a výstupy
7 digitálních vstupů a 4 výstupy
Rozšíření I/O až na 64
Komunikační rozhraní: CAN, RS232/485, PROFIBUS, INTERBUS, INTERBUS-Loop, LON, DeviceNet, CANopen
Množství ochranných funkcí (např. přetížení, hlídání výpadku fází motoru, ochrana proti přepětí a podpětí apod.)
Software & Diagnostika ( např. programovací software Drive PLC Developer Studio, komfortní software pro obsluhu "Global Drive Control" s funkcí osciloskopu, historie závad apod.)

Vlastnosti části pro řízení motorů

rozsah výkonů: 0,37 ... 75 kW
přetížitelnost: podle typu až 150 % jmenovitého proudu po dobu 60 s
metody řízení a regulace: vektorová regulace, řízení podle charakteristiky U/f (lineární nebo kvadratické)

Obr. 1. Servo PLC od firmy Lenze

Použití

řízení pohybu a polohy, resp. řízení motorů je běžnou součástí našeho života a široce využívané v průmyslu i domácích spotřebičích. Dnes již v mnoha aplikacích, při kterých jsou používány servopohony, je nutné pracovat s přesným nastavováním polohy. To znamená dynamicky přivést nějaký mechanický díl do přesně definované polohy přesně definovanou cestou (například posuv ramene robota). Zde je důležitá i možnost nastavovat a kontrolovat parametry jako jsou rychlost, dráha, zrychlení, rázy apod. Všechny nastavení se pak transformují na regulaci otáček servopohonu.

Například:

řízení polohy - pohybové sekvence jsou uloženy přímo v ServoPLC
řízení rychlosti motorů
řízení rozběhu a akcelerace podle křivek
řízení elektromotorových vozidel
řízení klimatizace, ventilace
Navinovací stroje (viz. obrázek)
Textilní stroje
Balící stroje
Soustruhy apod.
Roboti a robotizované stroje
Ovládání vrat, dveří, automatické otevírání oken
Zpracování signálů od senzorů, HMI a řízení motorů - vše v jedné "krabičce"

Podrobnější popis

Servo PLC řady 9300 jsou univerzálním víceúčelovým prostředkem pro řízení synchronních a asynchronních motorů, kde zpracování signálů ze senzorů, Human-Machine rozhraní, komunikace je společně s výkonovým budičem motorů takzvaně v jedné "krabičce". Není tedy nutné systém složitě skládat s několika komponent (například samotného PLC nebo PAC a budiče motorů), které je nutné navzájem propojit obvykle množstvím vodičů. Tam, kde tedy se jen nerozšiřuje stávající systém nebo systém nemá být více komplexní, je to myslím dobré řešení. Navíc je lze vzájemně propojovat více Servo PLC v jednom systému prostřednictvím sběrnice CAN, kde pak jeden je Master a ostatní typu Slave.

Servo PLC řady 9300 vzniklo přidáním klasického volně programovatelného PLC dle standardu IEC 61131-3 do již existující řady měničů frekvence řady 9300. Tak lze řídit synchronní a asynchronní motory s výkony 0.37 až 75 kW s využitím inkrementálních senzorů polohy (incremental encoders), SinCos senzory polohy (SinCos encoders) nebo senzory absolutní polohy (absolute value encoders) pro zajištění zpětné vazby systému od řízených motorů. I když jsou Servo PLC volně programovatelné, firma Lenze je také nabízí již softwarově předpřipravené (softwarové balíčky) pro následující typy úloh: pozicionér (pohony s polohováním z bodu do bodu), navíječka/převíječka (pro pohony navíjení s řízením i regulací tahu), vačkové systémy (balící, plnící stroje apod.).

Z pohledu uživatele PLC se zde nabízí k použití digitálních i analogových vstupů a výstupů (viz. následující tabulka), kterých však není mnoho a proto pro složitější regulační systémy bude nutné použít expanzní I/O moduly. Pro datovou komunikaci s okolním světem je možné přímo využít standardní průmyslové sběrnice CAN, RS-232/RS-485, PROFIBUS, INTERBUS, DeviceNet, LON (LonWorks). Jako systémová sběrnice a programovací rozhraní se využívá CAN. Pro jednoduchou obsluhu a diagnostiku pak slouží komfortní software "Global Drive Control" s funkcí osciloskopu (viz. Programování & Software).

Z pohledu řízení motorů nabízí systém takové vlastnosti jako například plynulý, bezrázový rozběh a zastavení s rampami tvaru S, elektronický motorpotenciometr nebo možnost stejnosměrného brždění a kompenzaci skluzu a napětí sítě. Všech těchto vlastností se využívá při řízení pohybu, resp. natočení, zrychlení, brždění jednoho či více motorů. Dále systém umožňuje celou řadu ochranných funkcí jako například :

nastavitelné omezení proudu a chybová hlášení při proudovém přetížení
ochrana proti přepětí a podpětí
výstrahy a chybová hlášení při přehřátí měniče frekvence
vstup pro PTC nebo teplotní spínač a hlídání výpadku fází motoru
řízený doběh při výpadku síťového napájení

Vlastnosti jednotlivých typů v řadě 9300

Motorová specifikace

Typ řady 9300	9321	9322	9323	9324	9325	9326	9327	9328	9329	9330	9331	9332
Jmen. výkon motoru [kW]	0.37	0.75	1.5	3.0	5.5	11.0	15.0	22.0	30.0	45.0	55.0	75.0
Jmen. výstup. proud [A], 8 kHz	1.5	2.5	3.9	7.0	13.0	23.5	32.0	47.0	59.0	89.0	110.0	145.0
Max. výstupní proud [A], 8 kHz	150 % x jmenovitý
Výstupní power [kVA]	1.0	1.7	2.7	4.8	9.0	16.3	22.2	32.6	40.9	61.6	76.2	100.5
Hlavní napětí [V]	320...528 V ± 0 %; 45...65 Hz ± O %
Rozměry (V x Š x D) [mm]	350 x 75 x 250		350 x 97 x 250		350 x 135 x 250		350 x 250 x 250			591 x 340 x 285	680 x 440 x 285
Váha [kg]	3.5		5.0		7.5		12.5			36.5	59

PLC specifikace

Program. paměť	600 kB
Datová paměť	9.2 kB
EEPROM	6 kB
Typy úloh (Task)	1 cyklická task, 8 tasks (řízené časově nebo událostmi)
Výpočetní čas	0.7 µs / 1bit. operace
Počet čítačů/časovačů	volně volitelné (podle IEC61131)
Digitální vstupy	6 = 1 uvolňovací vstup (enable) + 3 volné, vstupy s řízením přerušení + 2 vstupy
Rozšíření	decentralizovanými terminály
Digitální výstupy	4 (50 mA každý výstup)
Rozšíření	decentralizovanými terminály
Analogové vstupy	1 (11bitové + znaménko) –10 . . . +10V nebo –20 . . . +20 mA 1 (11bitové + znaménko) –10 . . . +10V
Analogové výstupy	2 (9bitové + znaménko) –10 . . . +10V max. 20 mA
Vstupní frekvence	0 . . . 500 kHz
Výstupní frekvence	0 . . . 500 kHz
Připojení encoderů	Inkrementální, absolutní nebo SinCos senzory polohy
Komunikační rozhraní	Systémová sběrnice (CAN) Programování pouze přes CAN ) - RS232/485, PROFIBUS, INTERBUS, INTERBUS Loop, DeviceNet
Programovací software	Drive PLC Developer Studio s programovacími jazyky: Instrukční popis, ladder diagram a jazyk funkčních bloků, strukturovaný text, SFC, debugging a monitorování, vizualizace

Programování & software

Pro práci se Servo PLC jsou k dispozici softwarové prostředky / programy:

Drive PLC Developer Studio - tento software umožňuje tvorbu programu pro PLC několika způsoby (viz. obrázek 2.).
Global Drive Control software (součást PLC Developer Studio) - software pro monitorování a diagnostiku s grafickým rozhraním v podobě digitálního osciloskopu (viz. obrázek 3).

Drive PLC Developer Studio

Pro programování vnitřního PLC se využívá zmíněné studio, které poskytuje několik možností přístupu (viz. obrázek 2.):

Klasický přístup - programování pomocí posloupnosti instrukcí (Instruction List)
Žebříčkový reléový diagram (Ladder Diagram)
Skládání aplikace z funkčních bloků (Function Block Diagram) - umožňuje program navrhovat prostřednictvím propojování logických členů tak, jako by byl systém realizován hardwarově.
Strukturovaný text (Structured Text) - programování funkce prostřednictvím zápisu rovnic a matematických operací.
Sekvenční diagram (Sequential Function Chart) - programování pomocí určování / propojování sekvencí jednotlivých kroků

V praxi lze jednotlivé metody programování v jedné aplikaci kombinovat dle potřeby. Pro určité aplikace jsou některé metody výhodnější než jiné. K programování metodou funkčních bloků je určen CFC Editor (Countinuous Function Chart Editor), který umožňuje vytvářet z jednotlivých sekvencí elementů a bloků makromodely.

Obr. 2. Příklady možností programování PLC v systému Servo PLC prostřednictvím softwaru Drive PLC Developer Studio

Z pohledu programování řízení polohy a pohybu lze návrh rozdělit do následujících kroků:

Generování dat pro nastavení konkrétních poloh zahrnující mezní hodnoty osy pohyby (max. rychlost, zrychlení, konstanta posuvu). Zadání polohy, rychlosti a zrychlení se provádí v mm, m, ° nebo inch. Tyto parametry se pak mohou měnit během provozu.
Uspořádání dat do sekvencí pro najetí na polohu ve správném pořadí a definovanou cestou (trajektorií). Programování sekvence lze i v grafické formě v vývojovém prostředí.
Zadání žádané hodnoty pro modulaci motoru, kdy sekvencí se automaticky generují data pro řízení motoru.

Obr. 3. Global Drive Control software

Závěr

V tomto článku jsem chtěl upozornit na existenci zařízení Servo PLC, které kombinuje klasické PLC s modulem řízení a budiče motorů v jednom pouzdře. Servo PLC v české republice distribuuje a prodává česká pobočka firmy Lenze (viz. DOWNLOAD & Odkazy).

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz