Příklady použití programovatelného automatu Simatic S7-200

Příklady použití programovatelného automatu Simatic S7-200

Článek ukazuje na několika příkladech možnosti použití programovatelného automatu Simatic S7-200 (Siemens) pro řízení v náročném průmyslovém prostředí. Volně navazuje na předchozí příspěvek Možnosti použití logického modulu LOGO! v průmyslových aplikacích, uveřejněný v čísle 6/2003 tohoto časopisu na str. 17 až 21. Všechny popsané příklady byly realizovány a jejich uveřejnění je možné díky laskavému souhlasu firem, pro které byly navrženy. V závěru příspěvku jsou porovnány popsané aplikace programovatelných přístrojů LOGO! a PLC Simatic S7-200, shrnuty jejich výhody a nevýhody a na základě zkušeností z praxe blíže specifikovány možné oblasti jejich využití.

1. Dopravník ve firmě Kostelecké uzeniny, a. s.

Předmětem první ukázkové aplikace, realizované ve firmě Kostelecké uzeniny, a. s., je zařízení pro přepravu, rozřazování, vyskladňování a třídění prázdných přepravek. Pro řízení a kontrolu pohonů je použit programovatelný automat Simatic S7-200 CPU 224 a rozšiřující moduly EM 223 s celkem třiceti osmi digitálními vstupy a třiceti čtyřmi tranzistorovými výstupy. Přehledové schéma prostorového uspořádání celého zařízení je na obr. 1.

Jako vyhodnocovací jednotka pro částečnou detekci závad v řídicích obvodech pro nouzové zastavení je použit bezpečnostní modul Preventa typu XPS-AL (Schneider Electric). Po zapnutí hlavního vypínače rozváděče je bezpečnostní modul vypnutý, na cívce hlavního stykače není napětí (stykač je vypnutý) a zároveň je odpojeno napájecí napětí 24 V DC pro napájení výstupů Simatic S7-200 CPU 224 a rozšiřujících modulů EM 223. Všechny stykače připojené na výstupy PLC a rozšiřujících modulů mají tzv. nucené vedení kontaktů a jejich klidové kontakty jsou zapojeny ve startovacím obvodu bezpečnostního modulu pro nouzové zastavení. Tímto zapojením se při spuštění zařízení automaticky kontroluje, zda se nesvařily pracovní kontakty některého ze stykačů. Po stisknutí bílého tlačítka SB4 PROVOZ sepne bezpečnostní modul a hlavní stykač (rozsvítí se kontrolka HL4) a současně je přivedeno napájecí napětí na výstupní obvody Simatic S7-200 CPU 224 a rozšiřujících modulů EM 223. Podmínkou pro start bezpečnostního modulu je, že žádný z řídicích přístrojů pro nouzové zastavení není aktivován. Z předchozího popisu je zřejmé, že vlastní programovatelný automat Simatic S7-200 nezajišťuje bezpečnostní funkce, ale pouze je monitoruje.

Na vstup I0.0 je zavedena informace z výstupu bezpečnostního modulu pro nouzové zastavení. Není-li zapnut bezpečnostní modul, musí být softwarově vypnuty výstupy ovládající stykače pohonů a je ignorováno stisknutí tlačítka SB6 ZAPNOUT. Po zapnutí bezpečnostního modulu (stiskem tlačítka SB4 PROVOZ) se objeví signál na vstupu I0.0. Nyní se čeká na stisk tlačítka SB6 ZAPNOUT. Po jeho stisku se rozsvítí kontrolka HL6 ZAPNUTO a na 1 s je spuštěna houkačka HA2. Po 5 s jsou spuštěny potřebné pohony. Po stisku tlačítka SB5 VYPNOUT je zhasnuta kontrolka HL6 ZAPNUTO, jsou softwarově vypnuty všechny silové výstupy a čeká se opět na stisk tlačítka SB6 ZAPNOUT. Je-li během automatického procesu stisknuto tlačítko nouzového zastavení (změna signálu na vstupu I0.0 způsobená vypnutím bezpečnostního modulu), jsou okamžitě vypnuty všechny silové výstupy a rozsvítí se kontrolka HL7 NOUZOVÉ ZASTAVENÍ. Opětovné uvedení do automatického režimu činnosti je možné až po vypnutí a zapnutí hlavního vypínače rozváděče.

Po stisknutí tlačítka SB4 PROVOZ je zapnut bezpečnostní modul a současně hlavní stykač. Zpětné hlášení od pomocného kontaktu tohoto stykače je zapojeno na vstup I0.1. Nepřijde-li od tohoto stykače po zapnutí bezpečnostního modulu zpětné hlášení, je rozsvícena kontrolka HL5 PORUCHA, je nutné detekovanou poruchu odstranit a pak opět vypnout a zapnout hlavní vypínač rozváděče. Nepřijde-li zpětné hlášení od hlavního stykače, je ignorováno stisknutí tlačítka SB6 ZAPNOUT.

Na vstup I0.2 je přivedeno napětí od pomocných kontaktů spouštěčů jednotlivých motorů. Chybí-li napětí na tomto vstupu, je porucha signalizována rozsvícením kontrolky HL5 a všechny silové výstupy jsou programově vypnuty.

Sepnutí jednotlivých stykačů (KM7 až KM18) je kontrolováno zpětným hlášením od pomocných kontaktů těchto stykačů. Nesepne-li stykač po aktivování požadovaného výstupu ve stanovené době, je signalizována porucha rozsvícením kontrolky HL5 a příslušný výstup je programově vypnut.

Automatický cyklus zařízení se spouští tlačítkem SB6 ZAPNOUT. Signalizaci zapnutí automatického cyklu obstarává rozsvícením kontrolka HL6. Spouštění automatického provozu linky je rozděleno na několik částí. Podmínkou pro spuštění linky je, že není optickým snímačem BQL21 detekováno zaplnění zásobníku 4. To je řešeno softwarově. Druhou podmínkou je, že se v prostoru přesouvadla 1 nesmí nacházet žádná přepravka. To nelze zařídit softwarově, je nutné poučit obsluhu, která musí prostor přesouvadla zkontrolovat před spuštěním automatického provozu. Po stisknutí tlačítka SB6 ZAPNOUT je po dobu 1 s spuštěna houkačka HA2 a po dalších 4 s je zahájeno spouštění linky. Automatický cyklus je možné kdykoliv zastavit stisknutím tlačítka SB5 VYPNOUT. V tomto případě jsou programově vypnuty všechny silové výstupy.

1.1 Spuštění
Vzhledem k tomu, že není možné zjistit přítomnost přepravek v kterémkoliv místě linky, je třeba předpokládat, že na některém z dopravníků Q0.1, Q0.2, Q0.6 a Q0.5 přepravka může být (postup spuštění je vhodné sledovat na obr. 1). Proto jsou v první fázi spuštěna hradítka Q2.4, Q2.5, Q2.6, Q2.7 a Q3.3, zvednuto hradítko Q2.3 a spuštěn dopravník Q0.5. Pokud by na dopravníku Q0.5 byla za tohoto stavu nějaká přepravka, bude přesunuta do zásobníku 4. Proto je nutné, aby byl v okamžiku spouštění zásobník 4 vyprázdněn, což je signalizováno optickým snímačem BQL21. V této době není aktivní algoritmus zaplňování jednotlivých zásobníků. Popsaný stav trvá přibližně 30 s. Po uplynutí této doby je spuštěna celá linka s výjimkou dopravníku Q0.0, aby byl vyklizen dopravník Q0.1. V této době je již aktivní algoritmus zaplňování jednotlivých zásobníků, ale ještě není aktivován algoritmus rozřazování. Po uplynutí dalších 30 s je aktivována celá linka bez jakýchkoliv omezení.

1.2 Rozřazování
Přesouvadlo 1 zajišťuje rozřazování přepravek na dvě oddělené linky A a B (čtyři doprava, čtyři doleva atd.). Po odpočítání čtyř přepravek pomocí optického snímače BQL3 je případná pátá přepravka detekována optickým snímačem BQL2 a dopravník Q0.0 se zastaví. Najíždění přepravek do prostoru přesouvadla 1 je povoleno až po odpočítání čtyř přepravek optickým snímačem BQL4 nebo BQL5, kdy je znovu spuštěn dopravník Q0.0. Poté, co prostor přesouvadla 1 opustí čtvrtá přepravka, přesouvadlo 1 se přesune a tím se změní směr pohybu přepravek. Zaplnění dopravníku Q0.4 je signalizováno snímačem BQL7. Zaplnění dopravníků Q0.6, Q0.7 a Q1.0 je signalizováno snímačem BQL17.

Je-li dopravník na jedné straně zaplněn, jsou přepravky posílány pouze na druhou stranu, a to až do uvolnění zaplněného dopravníku. Dojde-li k zaplnění obou navazujících dopravníků, jsou vypnuty dopravníky Q0.1, Q0.2 a signál ovládající sušičku Q3. Opětovné zapnutí je možné až po uvolnění jednoho z navazujících dopravníků.

1.3 Zaplňování jednotlivých zásobníků
Postupně jsou zaplňovány zásobníky 4, 2, 3, 1. Zaplnění je signalizováno příslušnými optickými snímači. Priorita je důležitá zejména při prvním spuštění nebo uvolní-li se dráhy současně. Přepravky jsou zastaveny na vysunuté zarážce Q2.3. Uvolní-li se nejvzdálenější dráha 4 (signalizováno optickým snímačem BQL21), zasune se zarážka Q2.3 a optický snímač BQL8 počítá čtyři přepravky. Při příchodu přední hrany čtvrté přepravky je vysunuta zarážka Q2.3. Po přesunutí všech čtyř přepravek (signalizováno optickým snímačem BQL16) se čeká na uvolnění další dráhy. Při uvolnění prostřední dráhy 3 se zvedne zarážka Q3.6 a funguje jako koncová zarážka, zasune se zarážka Q2.3 a optický snímač BQL8 počítá čtyři přepravky. Při příchodu přední hrany čtvrté přepravky je vysunuta zarážka Q2.3. Při příchodu přední hrany přepravky na snímač BQL15 je vysunuta zarážka Q2.7. Po příchodu první přepravky na koncovou zarážku (signalizováno snímačem BQL16) je spuštěno přesouvadlo Q3.2. Poté je zasunuta zarážka Q2.7 a vysunuta je opět po příchodu přední hrany následující přepravky. Po dojetí druhé přepravky na koncovou zarážku je spuštěno přesouvadlo Q3.2. Tímto způsobem jsou přesunuty všechny čtyři přepravky. Po přesunutí všech čtyř přepravek se čeká na uvolnění další dráhy. Při uvolnění dráhy 2 nebo dráhy 1 je funkce obdobná jako na předchozí dráze. Dojde-li k zaplnění dráhy Q0.4 (signalizace snímačem BQL7), je tato dráha vypnuta až do jejího vyprázdnění.

1.4 Zaplňování jednotlivých zásobníků na lince B
Dopravník Q2.1 je po zaplnění (signalizováno optickým snímačem BQL20) zastaven. Jeho opětovné spuštění je možné až po určité době po jeho uvolnění. Je-li současně s dopravníkem Q2.1 zaplněn i dopravník Q2.0 (signalizováno optickým snímačem BQL19), je také vypnut. Opět je zapnut po uvolnění dopravníku Q2.1. Je-li současně s dopravníky Q2.1 a Q2.0 zaplněn i dopravník Q1.1 (signalizováno optickým snímačem BQL18), je také vypnut. Opět je zapnut po uvolnění dopravníku Q2.0 (signalizace snímačem BQL19). Dojde-li k zaplnění i na dopravníku Q1.0 (signalizováno optickým snímačem BQL17), jsou vypnuty dopravníky Q1.0, Q0.7 a Q0.6. Opět jsou spuštěny po uvolnění dopravníku Q1.1 (signalizováno optickým snímačem BQL18).

Kompletní tabulka přiřazení vstupů a výstupů je v tab. 1. Na obr. 2 jsou různé pohledy na skutečnou řízenou technologii.

Tab. 1. Přiřazení vstupů a výstupů programovatelného automatu SIMATIC S7-200 CPU 224 a rozšiřujících modulů EM 223 – aplikace 1

Tab. 2. Přiřazení vstupů a výstupů programovatelného automatu SIMATIC S7-200 CPU 224 a rozšiřujících modulů EM 221 a EM223 – aplikace 2

2. Semimobilní třídicí linka ve firmě Keramika Horní Bříza, a. s.

Druhou popisovanou aplikací, realizovanou v divizi HOB Kaolin firmy Keramika Horní Bříza, a. s., v Kaznějově, je semimobilní třídicí linka s prstovým třídičem Tornádo MP 100.016 pro třídění kaolinové suroviny. Pro řízení a kontrolu pohonů je použit programovatelný automat Simatic S7-200 CPU 224, rozšiřující moduly EM 221 a rozšiřující moduly EM 223 s celkem padesáti čtyřmi digitálními vstupy a dvaceti šesti tranzistorovými výstupy. Na obr. 3 je zachycena celá třídicí linka.

Linka se skládá z těchto částí:

• příjmová násypka s ochranným roštem – 9 m³,
• vynášecí pásový dopravník suroviny 1 000 × 5 500 mm s regulací dopravovaného množství,
• pásový dopravník suroviny na třídič 800 × 10 000 mm,
• vibrační třídič Tornádo MP 100.016 se stojanem,
• oklepový vibrátor,
• dopravník podsítného 500 × 14 000 mm,
• dopravník nadsítného 650 × 14 000 mm,
• haldovací dopravník 500 × 30 000 mm (není zachycen na obrázku).

Na vstupu rozváděče je osazen pojistkový odpojovač s pojistkami pro ochranu elektrického zařízení před škodlivými účinky zkratových proudů. Ochrana před úrazem elektřinou je zajištěna samočinným odpojením vadné části a proudovým chráničem. Jako ochrana proti pulsnímu přepětí je použit svodič přepětí, zapojený za jistič obvodů, které jsou připojeny před hlavním jističem, tj. obvodů pro servisní zásuvku, napájecí zdroj pro programovatelný automat Simatic a ostatní řídicí obvody.

Hlavní jistič zároveň slouží jako zařízení nouzového zastavení, neboť jeho podpěťová cívka je napájena přes bezpečnostní modul pro nouzové zastavení. Před každým zapnutím hlavního jističe je automaticky kontrolována funkčnost bezpečnostních částí řídicího systému. Při poruše některé její součásti nelze bezpečnostní modul zapnout (tlačítkem SB1 START/CHOD), nerozsvítí se kontrolka HL1 a podpěťová cívka nedovolí zapnout hlavní jistič. Ovládací hřibová tlačítka pro nouzové zastavení jsou umístěna na rozváděči, na vynášecím pásovém dopravníku a na haldovacím dopravníku. Při vypnutí zařízení hlavním jističem (bez aktivace hřibových tlačítek) zůstávají řídicí obvody 24 V DC pod napětím.

Vývody pro jednotlivé spotřebiče jsou jištěny jističi, popř. jističi s ochranou, a spínány stykači nebo pomocnými relé. Cívky stykačů pro napájecí napětí 24 V DC jsou k výstupům programovatelného automatu připojeny přímo nebo přes pomocná relé s cívkami pro napětí 24 V DC.

Pro zajištění bezpečnosti při mechanické údržbě zařízení jsou použity skříně místního ovládání (MX1 až MX7) s uzamykatelnými bezpečnostními silovými vypínači (QM1 až QM7).

Z předchozího popisu je zřejmé, že programovatelný automat Simatic S7-200 nezajišťuje bezpečnostní funkce, ale pouze je monitoruje.

2.1 Automatický režim provozu
Před spuštěním automatického režimu provozu je nutné zapnout bezpečnostní modul pro nouzové zastavení (stisknutím tlačítka SB1 START/CHOD). Po zapnutí bezpečnostního modulu nouzového zastavení a hlavního vypínače je možné spustit automatický režim provozu (stisknutím tlačítka SB3 ZAP. AUT. PROVOZ), je-li uzamykatelný přepínač SA4 RUČ/AUT v poloze AUT. Zapnutí automatického režimu je signalizováno kontrolkou HL2 ZAPNUTO. Po zapnutí jsou na 5 s spuštěny houkačky HA1 a HA2 a po 10 s jsou postupně s časovou prodlevou spuštěny pohony M7 (haldovací dopravník), M6 (pásový dopravník nadsítného), M5 (pásový dopravník podsítného), M4 (oklepový vibrátor), M3.1 a M3.2 (vibrační třídič), M2 (pásový dopravník suroviny na třídič) a M1 (vynášecí pásový dopravník). Spuštění jednotlivých pohonů je signalizováno kontrolkami. Automatický režim lze vypnout stisknutím tlačítka SB2 VYP. AUT. PROVOZ. Po stisknutí tohoto tlačítka jsou postupně s časovou prodlevou (nastavenou tak, aby zaručeně byly vyprázdněny jednotlivé části) vypnuty pohony M1 až M7.

Dojde-li k aktivaci ovládacích hřibových tlačítek pro nouzové zastavení nebo některého z bezpečnostních lanek, je vypnut bezpečnostní modul, a tím současně i hlavní jistič, a okamžitě jsou vypnuty všechny pohony. Zároveň je signalizováno nouzové zastavení kontrolkou HL4 NOUZOVÉ ZASTAVENÍ. Automatický režim činnosti je možné zapnout až po opětovném zapnutí bezpečnostního modulu a hlavního vypínače.

Ztratí-li řídicí systém informaci o zpětném hlášení od hlavního vypínače, spouštěčů motorů nebo pomocných kontaktů jednotlivých sepnutých stykačů, jsou okamžitě vypnuty všechny pohony a je signalizována porucha kontrolkou HL3 PORUCHA. Automatický režim činnosti je možné zapnout až po odstranění poruchy.

Je-li v automatickém režimu vypnut některý z místních vypínačů (QM1 až QM7) ze skříní místního ovládání (MX1 až MX7), jsou okamžitě vypnuty všechny pohony. Současně je tento režim signalizován kontrolkou HL12 MÍSTNÍ OVLÁDÁNÍ. Po opětovném zapnutí místních vypínačů je možné automatický režim spustit až po přepnutí uzamykatelného přepínače SA4 RUČ/AUT z polohy AUT do polohy RUČ a zpět do polohy AUT. Předpokládá se, že místní vypínač byl vypnut proto, aby mohl být proveden servis na daném pohonu, a je tedy možné při přepnutí uzamykatelného přepínače SA4 RUČ/AUT z polohy AUT do polohy RUČ využít tlačítka MÍSTNĚ ZAP (SB18 až SB24) a zapnout tak daný pohon. Vypnout ho lze příslušným místním vypínačem (QM1 až QM7) na skříních místního ovládání (MX1 až MX7).

2.2 Ruční režim provozu
Ruční režim je navolen přepnutím uzamykatelného přepínače SA4 RUČ/AUT z polohy AUT do polohy RUČ. V ručním režimu provozu je možné spouštět a zastavovat jednotlivé dopravníky, oklepový vibrátor a třídič pomocí tlačítek ZAPNOUT RUČNĚ (SB4 až SB10) a VYPNOUT RUČNĚ (SB11 až SB17) z rozváděče, přičemž spuštění je zároveň signalizováno odpovídající kontrolkou. Musí být splněny stejné podmínky jako při startu automatického režimu. I v ručním režimu provozu jsou kontrolovány a hlídány všechny nezbytné funkce související s chodem zařízení. U dopravníků jsou hlídána sepnutí daného stykače pomocí zpětného hlášení od pomocného kontaktu tohoto stykače, prokluz pásu (pomocí indukčního čidla) a vypnutí místního vypínače ze skříní místního ovládání. U třídiče a oklepového vibrátoru jsou hlídána sepnutí daného stykače pomocí zpětného hlášení od pomocného kontaktu tohoto stykače a vypnutí místního vypínače na skříních místního ovládání.

3. Závěr

Ve svých příspěvcích jsem v tomto čísle a v čísle 6/2003 postupně popsal způsoby řešení řídicích obvodů několika poměrně jednoduchých strojních zařízení realizovaných v praxi. Uváděné příklady jsou typickými představiteli tzv. malé průmyslové automatizace, přičemž jádrem řídicích obvodů jsou buď programovatelné logické moduly LOGO!, nebo PLC Simatic S7-200 CPU 224 s rozšiřujícími moduly EM 221 a EM 223. Ve všech popsaných aplikacích jsou prostřednictvím programovatelného elektronického zařízení zajišťovány pouze provozní funkce a obvody pro nouzové zastavení jsou řešeny výhradně pomocí pevně propojených elektromechanických součástí, jak to požaduje norma ČSN EN 60204-1 Bezpečnost strojních zařízení – Elektrická zařízení strojů – Část 1: Všeobecné požadavky.

Programovatelné logické moduly LOGO! mají ve srovnání s PLC Simatic mnoho nevýhodných vlastností, zejména omezenou kapacitu programového vybavení a obtížně realizovatelnou nebo vůbec nemožnou vazbu na nadřazené systémy řízení, byť jde třeba jen o sběr dat. Velkými výhodami modulů LOGO! naopak jsou nízká cena přístrojů a snadná tvorba a případné změny uživatelského programu, včetně simulace chodu programu, bez potřeby speciálního programovacího zařízení. Programovatelné moduly LOGO! jsou proto téměř ideální především pro aplikace v jednoduchých autonomních zařízeních, např. přemístitelných. Jsou-li použity pro řízení komplikovanějších strojních zařízení nebo zařízení určených k zakomponování do sestav, je nutné brát v potaz nejen omezený počet programových bloků, ale také omezenou možnost komunikace s dalšími systémy pouze pomocí binárních signálů.

Tam, kde uvedená omezení znemožňují použití přístrojů LOGO!, je vhodné aplikovat standardní PLC, který je ovšem dražší, a zajišťuje-li si provozovatel údržbu a opravy řídicího systému sám, jsou navíc nutné ještě další investice do technického vybavení a zaškolení příslušných pracovníků. Vyšší cena je ovšem vyvážena jak možností obsluhovat daleko větší počet vstupů a výstupů, tak možností datové komunikace po standardních rozhraních. Řídicí systém s PLC, navržený s dostatečnou rezervou, umožňuje v případě potřeby bezproblémové začlenění řízeného celku do větších systémů, popř. připojení (třeba i v pozdější době) k nadřazenému řídicímu systému.

Ing. Martin Hlinovský,
katedra řídicí techniky ČVUT Praha, FEL
(e-mail: hlinovsm@fel.cvut.cz)