Podręcznik

1. Moduł CPU

Bez względu na rodzaj sterownika cyfrowego PLC, czy to typu modułowego (ang. module PLC) czy kompaktowego (ang. Compact PLC), warunkiem poprawnego funkcjonowania tego urządzenia jest poprawne działanie, lub lepiej - współdziałanie wszystkich modułów sterownika cyfrowego PLC. Priorytet swoistej ważności określonych bloków sterownika PLC nie istnieje, gdyż żaden wybrany moduł nie uczyni tego urządzenia jako całości w pełni funkcjonalnym. Jednak uważa się, że najważniejszym modułem sterownika PLC jest moduł CPU (ang. Central Processing Unit), gdyż moduł ten zawiera najistotniejszy z wielu powodów układ cyfrowy urządzenia - mikroprocesor. To od możliwości mikroprocesora zależą, bowiem parametry funkcjonalne samego sterownika PLC oraz sposób współpracy tegoż sterownika z innymi urządzeniami procesowymi w ramach układów sterowania systemami mechatronicznymi. Często spotykane w literaturze technicznej określanie mikroprocesora jako „serca” sterownika cyfrowego PLC jest w pełni uzasadnione.

 

 

Moduł CPU, w zależności od rodzaju sterownika PLC jest różnie usytuowany w konfiguracji fizycznej oraz programowej tego urządzenia. W sterownikach Compact PLC moduł CPU umieszczony jest w jednej obudowie z innymi blokami urządzenia i co najistotniejsze, taki moduł CPU nie jest wymienialny, zaś w sterownikach PLC typu modułowego, moduł CPU stanowi odrębny i wymienialny zespół, do którego dokonfigurowywuje się inne moduły sterownika, czyniąc go w pełni funkcjonalnym do konkretnej aplikacji sterowania procesem mechatronicznym.

Rysunek 19 ilustruje przykładowe postacie fizyczne dwóch rodzajów sterowników PLC: sterownika typu modułowego, w którym możemy wyróżnić moduł CPU (pierwszy z lewej) oraz typu kompaktowego.

Rysunek 19: Typowe postaci sterowników cyfrowych PLC: a) sterownik modułowy firmy SIEMENS rodziny S7 – 300; b) sterownik typu złożonego firmy SIEMENS rodziny S7 - 200

Na rysunku 19a) widać wyraźnie, że moduł CPU (pierwszy z lewej) jest „klockiem”, który jest zestawiany łącznie z innymi modułami sterownika PLC typu modułowego, oraz że wyróżnia się on z pośród pozostałych modułów poprzez m.in. zintegrowany z tym modułem zestaw wskaźników optycznych typu LED, których znaczenie opisano w podrozdziale 1.4. Bez wątpienia widać też z rysunku 19a), iż oparcie konfiguracji sterownika PLC wyłącznie na pojedynczym module CPU byłoby bezcelowe, gdyż taka konfiguracja sterownika nie mogłaby być połączona z jakimkolwiek układem sterowania dla systemu mechatronicznego. Tzn. wprowadzony do pamięci modułu CPU program użytkownika mógłby być wykonywany, tylko nie miałby on przełożenia na sterowanie systemem mechatronicznym, gdyż to wymaga modułów wejścia/wyjścia, a ww. konfiguracja tego nie posiada. Z rysunku 19a) widać również, że do modułu CPU może być dokonfigurowane inne moduły funkcjonalne, których liczba związana jest z określonym typem modułu CPU. Rysunek 19b) pokazuje z kolei przykład sterownika PLC typu Compact PLC, który na swoim „pokładzie” posiada zintegrowany z innymi blokami sterownika (niewidoczny na rys. 19b)) moduł CPU. Ten rodzaj sterownika PLC posiada sztywno określoną konfigurację urządzenia, bez możliwości wymiany modułów, które wchodzą w jego skład. W przypadku potrzeby naprawy sterownika PLC lub zmiany jego konfiguracji na lepszą, inaczej niż to miało miejsce przy sterowniku PLC typu modułowego, należy wymienić cały sterownik PLC na nowy lub o lepszych parametrach. Najczęściej przy oznaczaniu fabrycznym sterowników typu kompaktowego (np. CPU 221, CPU 227, itp.), pod postacią takiego oznaczenia nie kryje się dany rodzaj modułu CPU, tylko konkretny sterownik typu kompaktowego.

Parametry modułu CPU sterownika PLC są ściśle związane z parametrami użytego w nim głównego układu cyfrowego – mikroprocesora i stanowią o wielu ważnych możliwościach układu sterowania systemem mechatronicznym, w którym określony sterownik PLC znalazł zastosowanie. Do najważniejszych z nich należą:

• szybkość działania – liczba wykonywanych rozkazów programowych w jednostce czasu (np. realizacja 1Kbajtu instrukcji programowych w czasie 1ms);
• liczba modułów rozszerzających, która może wchodzić w skład określonej konfiguracji programowej oraz fizycznej sterownika cyfrowego PLC (np.: ilość modułów wejść binarnych, ilość modułów wyjść binarnych, ilość modułów we/wy analogowych, itp.);
• wielkość programu sterującego, który może być umieszczony w pamięci programu sterownika cyfrowego PLC, liczona najczęściej w KBajtach;
• liczba bloków funkcyjnych takich jak liczniki, timery, itp.;
• liczba możliwych do użycia w programie sterującym bloków programowych (np. liczba bloków typu OB (ang. Organization Block), liczba bloków typu PB (ang. Program Block), itp.,).

Potrzeba kontrolowania za pomocą sterowników PLC systemów mechatronicznych o różnym stopniu ich złożoności oraz konieczność modyfikacji układu sterowania, wynikająca z chęci modernizacji istniejącego systemu mechatronicznego, narzuciła na producentów sterowników PLC taką ich budowę, aby nawet najmniejsze te urządzenia, (czytaj: typu kompaktowego) miały możliwość swojej rozbudowy. Doprowadziło to konsekwentnie do tego, że obecnie na rynku sterowników PLC nawet sterowniki typu Compact PLC mają możliwość rozbudowy swojej „sztywnej” konfiguracji o dodatkowe moduły funkcjonalne, takie jak moduły wejść czy wyjść cyfrowych/analogowych, stając się de facto sterownikami typu modułowego. (Zachowano taką prawidłowość, że sterowniki PLC wyłącznie kompaktowe określonego producenta to takie, których numery (serie), określające daną rodzinę sterowników kompaktowych, rozpoczynają się najmniejszymi numerami porządkowymi. Na przykład dla rodziny sterowników typu kompaktowego SIMATIC S7 200 firmy Siemens, posiadających oznaczenia od CPU 221 do CPU 227, sterownik wyłącznie kompaktowy to CPU 221).

Należy podkreślić, że możliwości (parametry) techniczne oraz programowe „takich” sterowników typu modułowego, (czyli utworzonych po rozbudowie sterowników kompaktowych), odbiegają znacznie od parametrów technicznych i programowych sterowników PLC, które z natury rzeczy zostały zbudowane jako sterowniki typu modułowego. O tym należy pamiętać dokonując określonego doboru sterownika PLC do układu sterowania systemem mechatronicznym. Może się bowiem okazać, że przyjęte założenie wykorzystania sterownika kompaktowego z opcją jego późniejszej rozbudowy zamiast sterownika PLC od początku typu modułowego nie zagwarantuje jakości sterowania systemem mechatronicznym. Przyjęta według tabeli szybkość realizacji programu przez określony sterownik Compact PLC byłaby do zaakceptowania, gdyby nie rozbudowano tego sterownika. Po jego rozbudowie, na skutek większego obciążenia obliczeniami mikroprocesora CPU nie jest już on do zaakceptowania. Gdyby od początku przewidziano aplikację sterownika typu modułowego, który jest przewidziany do rozbudowy swojej konfiguracji zamiast Compact PLC, jakość sterowania byłaby utrzymana.

Wybrane parametry dwóch modułów CPU: 312 i 315DP dla sterowników PLC typu modułowego oraz wybrane parametry dwóch sterowników typu Compact PLC, które identyfikuje oznaczenie porządkowe CPU, określające parametry nie modułu CPU, ale całego sterownika zilustrowano odpowiednio w Tabeli 1 i Tabeli 2.

Tabela 1: Wybrane parametry dwóch modułów CPU dla sterowników PLC typu modułowego rodziny SIMATIC S 7 – 300

Parametry	Moduł CPU 312	Moduł CPU 315DP
Narzędzie programujące:	STEP7 v. 5.2 + SP1	STEP7 v. 5.2 + SP1
Zasilanie (wartość nominalna DC 24V)
dopuszczalny, niski limit	20.4 V	20.4 V
dopuszczalny, wysoki limit	28.8 V	28.8 V
zużycie mocy, typ.	2.5 W	2.5 W
Pamięć RAM
zintegrowana	32KBajty dla danych  i programu	128KBajty dla danych i programu
Bloki DB
maks. numer	511, zakres 1 do 511	1023, zakres 1 do 1023
rozmiar maks.	16 K Bajty	16 K Bajty
Bloki FB
maks. numer	1024, sekwencja numerów 0 do 2047	1024, sekwencja numerów 0 do 2047
rozmiar maks.	16 K Bajty	16 K Bajty
Bloki FC
maks. numer	1024, sekwencja   numerów 0 do 2047	1024, sekwencja numerów 0 do 2047
rozmiar maks.	16 K Bajty	16 K Bajty
Bloki OB
rozmiar maks.	16 K Bajty	16 K Bajty
Czasy przetwarzania CPU
Dla operacji na bitach min.	0.2 µs	0.1 µs
Dla operacji na słowach min.	0.4 µs	0.2 µs
Dla operacji stałoprzecinkowych min.	5 µs	2 µs
Dla operacji zmiennoprzecinkowych min.	6 µs	3 µs
Liczniki	128	256
Timery	128	256

 

 

Tabela 2: Wybrane parametry dwóch modułów CPU dla sterowników PLC typu złożonego rodziny SIMATIC S 7 – 200

Parametry	Sterownik CPU 221	Sterownik CPU 224
Narzędzie programujące	MicroWin	MicroWin
Pamięć programu: Z edycją w trybie RUN Bez edycji w trybie RUN	4096 bajtów 4096 bajtów	8192 bajtów 12288 bajtów
Pamięć danych:	2048 bajtów	8192 bajtów
Bloki funkcyjne:	1 x OB	1 x OB
Wbudowane wejścia/wyjścia: Cyfrowe analogowe	6 wejść/4 wyjścia brak	14 wejść/10 wyjścia brak
Możliwość rozbudowy konfiguracji	0 modułów	7 modułów
Szybkie liczniki: jednofazowe dwufazowe	4 do 30 kHz 2 do 20 kHz	6 do 30 kHz 2 do 20 kHz
Impulsowe wyjścia (DC):	2 do 20 kHz	2 do 20 kHz
Potencjometr analogowy	1	2
Porty komunikacyjne	1 x RS 485	1 x RS 485
Szybkość wykonywania operacji cyfrowych	0,22 mS / 1 instrukcję	0,22 mS / 1 instrukcję
Napięcie zasilania	DC 24V, AC 230V	DC 24V, AC 230V

 

 

Analizując parametry z Tabeli 2 pod kątem porównania sterownika typu Compact PLC ze sterownikiem Module PLC (Tabela 1) zauważyć można, że sterownik typu kompaktowego w podstawowej jego konfiguracji jest w pełni użytecznym urządzeniem do sterowania systemami mechatronicznymi. Widać to w liczbie parametrów, zamieszczonych w Tabeli 2. Wystarczy zatem doprowadzić do tego urządzenia napięcie zasilające (tutaj DC24V lub AC230V), dalej, doprowadzić sygnały wejścia/wyjścia oraz uruchomić utworzony wcześniej program użytkownika i sterownik taki może już kontrolować niewielki system mechatroniczny.

Niewielką wskazaną złożoność systemu mechatronicznego, który może być kontrolowany przez takie wyszczególnione w Tabeli 2 sterowniki kompaktowe widać po liczbie wbudowanych w strukturę tych sterowników wejść oraz wyjść. Na przykład do urządzenia, które oznaczone jest symbolem CPU 221 można podłączyć tylko 6 wejść cyfrowych oraz wyprowadzić sygnał do 4 wyjść, (do których możemy podłączyć np. cztery układy wykonawcze typu stycznik, przekaźnik czy sygnalizator optyczny), zaś do sterownika, który oznaczony jest symbolem CPU 224 możemy w podstawowej jego konfiguracji podłączyć analogicznych 14 wejść cyfrowych oraz wyprowadzić sygnał cyfrowy do 10 wyjść. Dodatkowo kontrolowany system mechatroniczny „ma do dyspozycji” m.in. szybkie liczniki w odpowiedniej ich liczbie oraz potencjometry analogowe, których pokrętła wpisują przeliczoną wartość nastawy do rejestru sterownika PLC. Dla porównania moduły sterownika modułowego: CPU 312 i CPU 315DP (Tabela 1) nie posiadają możliwości bezpośredniego podłączenia do tych jednostek jakichkolwiek sygnałów wejścia/wyjścia, które by pochodziły lub były przeznaczone dla systemu mechatronicznego. Widać, zatem, że aby sterownik PLC typu modułowego stał się w pełni funkcjonalny, do modułu CPU należy dokonfigurować przynajmniej moduł zasilacza (najczęściej z lewej strony modułu CPU, niewidoczny na rysunku 19a)) oraz po jednym module wejść oraz wyjść (jak na rysunku 19a)) lub moduł mieszany wejść/wyjść (tzw. dwa w jednym). 

Jak już wspomniano wcześniej obecnie prawie wszystkie oferowane na rynku automatyki sterowniki typu kompaktowego mają możliwość rozbudowy swojej konfiguracji o dodatkowe moduły, oczywiście w liczbie modułów zdecydowanie mniejszej niż sterowniki typu modułowego. (Dla sterownika CPU 224 liczba ta wynosi 7 – Tabela 2). Rysunek 20 ilustruje taki sterownik kompaktowy - CPU 224, do którego dokonfigurowano trzy dodatkowe moduły wejść/wyjść. (Pokazany przypadek jednoczesnej sygnalizacji wszystkimi diodami LED jest tylko demonstracyjnym).   

Rysunek 20: Rozszerzona o dodatkowe moduły konfiguracja sterownika PLC typu kompaktowego: CPU 224

 

Inicjacja pracy i kontrola modułu CPU pierwszych sterowników PLC odbywała się za pośrednictwem tzw. paneli kontrolno-sterujących, które bez względu na typ sterownika były zintegrowane z panelem frontowym obudowy modułu CPU (w przypadku sterowników typu kompaktowego z frontem obudowy sterownika). Później, gdy nastąpił burzliwy rozwój systemów monitorujących pracę sterownika PLC w trybie bezpośrednim (ang. ON-Line mode), czyli bez zatrzymania wykonywania programu użytkownika (lub z pewnymi jego ograniczeniami), wprowadzono możliwość zdalnego uruchamiania modułu CPU za pośrednictwem połączeń przewodowych lub bezprzewodowych. Jednak we wszystkich tych przypadkach chodzi o uruchomienie oraz monitorowania stanu pracy programu użytkownika, czyli de facto stanu pracy modułu CPU.

Rozwój techniki mikroprocesorowej doprowadził do sytuacji, że za pośrednictwem odpowiedniego oprogramowania narzędziowego (lub diagnostycznego) mikroprocesor modułu CPU sterownika PLC może wygenerować olbrzymią liczbę komunikatów o stanie pracy modułu CPU, które poddane analizie dadzą aktualny obraz kontrolowanego systemu mechatronicznego, oczywiście obraz w postaci odpowiednich przyjętych znaków. Jednak należy podkreślić, że takie dane które pochodzą z takiej kontroli stanu pracy modułu CPU najczęściej analizowane są przez personel techniczny wyższego szczebla, lub wręcz przez projektantów systemów mechatronicznych, którzy odpowiednio przeszkoleni posiadają wiedzę do oceny zarówno prawidłowości jak również i nieprawidłowości w działu modułu CPU. Dla operatorów systemów mechatronicznych, którzy znajdują się lub pracują w bezpośrednim otoczeniu sterowników PLC przewidziano uproszczony dostęp do uruchamiania oraz kontroli pracy modułu CPU danego sterownika PLC.

Typowo panel kontrolno-sterujący każdego modułu CPU (bez względu na rodzaj sterownika PLC) wyposażony jest w przełącznik rodzaju pracy (ang. Mode Selector) oraz sygnalizację optyczną statusu pracy modułu (ang. Status LED).

Przykład modułu CPU, w którym możliwe jest bezpośrednie sterowanie ręczne podstawowymi trybami jego pracy oraz możliwe jest również optyczne jego diagnozowanie ilustruje rysunek 21.

Rysunek 21: Górna część panelu frontowego modułu CPU 312 sterownika PLC rodziny SIMATIC S7 - 300 firmy Siemens

 

Znaczenie poszczególnych funkcji, które są realizowane za pośrednictwem trzypozycyjnego przełącznika trybów pracy modułu CPU ilustruje Tabela 3, zaś opis diagnostyki za pomocą diod LED zawarto w Tabeli 4.

Tabela 3: Funkcje realizowane za pośrednictwem trzypozycyjnego przełącznika trybów pracy modułu CPU 312 firmy Siemens

Lp.	Pozycja przełącznika	Znaczenie wywołanej funkcji
	RUN	tryb pracy CPU, w którym odbywa się realizacja programu użytkownika; brak możliwości ładowania nowego programu (wymiana);
	STOP	tryb zatrzymania CPU – program użytkownika nie jest realizowany;
	MRES	wymuszanie zerowania pamięci programu CPU.

 

Tabela 4: Znaczenie sygnałów optycznych LED w czasie pracy modułu CPU

Wskaźnik LED	Kolor	Znaczenie
SF	Czerwona	LED zapalona - błąd programowy lub sprzętowy.
DC5V	Zielona	LED zapalona - obecność zasilania DC 5V dla modułu CPU i magistrali rozszerzającej
FRCE	Żółta	LED zapalona – aktywne forsowanie; LED migająca 2Hz – test pamięci Flash (jeżeli występuje)
RUN	Zielona	LED zapalona - CPU w trybie RUN; LED migająca 2Hz – start programu użytkownika; LED migająca 0.5Hz - stan HOLD;
STOP	Żółta	LED zapalona – CPU w trybie STOP, HOLD lub STARTUP; LED migająca 0.5Hz – żądanie CPU resetu pamięci; LED migająca 2Hz – wywołana funkcja resetu pamięci.