PLC bogen/PLC hardware

PLC HARDWARE

Emner:

Opbygning af PLC hardware
Indgangs og udgangs typer
Elektrisk opbygning af indgange og udgange
Relæer
Elektrisk nøgleskema, Ladder Diagrammer og JIC symboler

Mål:

Blive i stand til at læse og tegne grundlæggende indgangs og udgangs skemaer.
Være i stand til at tegne industrielle el-diagrammer.

Introduktion

Der er mange tilgængelige opbygninger af PLC’er, også fra en enkel fabrikant. Men, de indeholder alle nogle fælles komponenter og koncepter. De vigtiste komponenter er:

Strøm forsyning:	De kan være indbygget i PLC’en eller være en ekstern enhed. Almindelige spændings niveauer som PLC’en tager (med eller uden strømforsyninger) er 24Vdc, 120Vac og 220Vac.
CPU (Central Processing Unit):	Den centrale computer hvor ladder logikken er lagret og behandlet.
I/O (Input/Output):	Der er brug for at antal indgangs og udgangs terminaler for at PLC’en kan overvåge processen og starte handlinger.
Indikator lamper:	De viser PLC’ens status, inklusive tændt, kørende program, og fejl. De er vigtige når der skal findes fejl.

Figur 3.1 Typiske opbygninger af PLC’er

Typiske opbygninger af PLC’er er listet herunder fra den største til den mindste, som vist i figur 3.1.

Rack	Et rack er ofte stor (op til 50x80x30 cm) og kan holde mange kort. Når det er nødvendigt kan flere rack sættes sammen. De er nomalt de dyreste, men også de mest fleksible og de letteste at vedligeholde.
Mini	De minder i funktion om PLC racks, men fylder cirka halvt så meget.
Shoebox	En kompakt, alt-i-en enhed (på omkring størrelsen af en skotøjsæske) der har begrænsede udvidelses muligheder. Lavere pris, og kompaktheden gør dem ideelle til små systemer.
Micro	Enhederne kan være så små som et spil kort. De har normalt et fast antal ind-/udgange og begrænsede muligheder, men har den laveste pris.
Software	En software baseret PLC kræver en computer med et interface kort, men tillader at PLC’en forbindes til sensorer og andre PLC’er over et netværk.

Indgange og udgange

Indgange til, og udgange fra, en PLC er nødvendige for at overvåge og kontrollere en proces. Indgange, og udgange kan kategoriseres i to basis typer: logisk eller variabel. For at vise forskellen kan man tage en elpære. Hvis den kun kan tænde og slukke, er det en logisk styring. Hvis lyset kan dæmpes til forskellige niveauer, er den variabel. Variable værdier virker mest tillokkende, men logiske værdier foretrækkes da de er sikrere, og giver en mere simpel styring. Derfor bruger de fleste styresystemer (og PLC’er) logiske indgange og udgange. Vi vil derfor her diskutere logiske I/O og vente med variable I/O. Udgange til aktuatorer tillader at PLC’en får noget til at ske i en proces. Herunder er en kort liste over nogle populærere aktuatorer, de mest brugte står først.

Magnet ventiler	logiske udgange der kan åbne for en hydraulisk eller pneumatisk strøm.
Lamper	logiske udgange, der ofte kan få strøm direkte fra PLC’ens udgangs kort.
Kontaktorer	Motorer trækker ofte en stor strøm når de bliver startet, derfor bruges kontaktorer, som grundlæggende er nogle store relæer.
Servo motorer	En udgang fra PLC’en kan bestemme en variabel hastighed eller position.

Udgange fra PLC’er er ofte relæer, men de kan også være solid-state elektronik som transistorer til DC udgange eller triacs til AC udgange. Variable udgange kræver specielle udgangs kort med digital til analog omformere. Indgange kommer fra sensorer der omsætter fysiske hændelser til elektriske signaler. Herunder er en kort liste over sensorer, med de mest populære øverst.

Nærheds følere:	Bruger induktans, kapacitans eller lys til at detektere et objekt logisk.
Kontakter:	Mekaniske kontakter der bryder eller slutter et elektrisk kredsløb, og former derved et logisk signal.
Potentiometer:	Måler vinklede positioner kontinuerlig, med en variabel modstand.
LVDT:	(lineær variabel differentiel transformer) – måler lineære afstande kontinuerlig med en magnetisk kobling.

Der er flere former for indgange til en PLC, det simpleste er AC og DC indgange. Sourcing og sinking indgange er også populære. Denne metode kræver at enheden ikke afgiver strøm, men kun tænder og slukker en strøm, som en simpel kontakt.

Sinking	Når den er aktiveret lader udgangen strømmen løbe til et fælles nulpunkt. Metoden er bedst egnet når der er flere spændinger i styringen.
Sourcing	Når den er aktiveret lader udgangen strømmen løbe fra forsyningen igennem udgangen og til nulpunktet. Metoden er bedst egnet når alle enheder i styringen bruger same forsyning.

De bliver også kaldt NPN (sinking) og PNP (sourcing). PNP er den mest populære. Dette vil blive dækket i flere detaljer i afsnittet om sensorer.

Indgange

I mindre PLC’er er indgangene normalt indbygget og specificerede når man køber PLC’en. I større PLC’er købes indgangene som moduler, eller kort, med 8 eller 16 indgange af same type på hver kort. Herefter vil alle indgange blive diskuteret som var de købt som kort. Listen herunder viser de typiske spændings områder til indgange.

12-24 Vdc

200-240 Vac

100-120 Vac

10-60 Vdc

12-24 Vac/dc

5 Vdc (TTL)

48 Vdc

24 Vac

PLC indgangs kort afgiver sjældent forsynings spænding, det betyder at der skal bruges en ekstern strøm forsyning til indgangene og sensorerne. Eksempelet i figur 3.2 viser hvordan et AC indgangs kort skal forbindes.

Note: indgange har normalt en høj impedans. Det betyder at de bruger en meget lille strøm. Figur 3.2 En AC Indgangs kort og Ladder Logik

I eksemplet er der to indgange, den ene er en normal åben tryk knap, og den anden er en temperatur kontakt. (NOTE: Symbolerne er standard symboler og vil blive diskuteret i kapitel 24.) Begge kontakter forsynes på den venstre side fra fasen på 24Vac strøm forsyningen – den svarer til den positive terminal på en DC forsyning. Når kontakterne er åbne bliver der ikke ledt strøm til indgangskortet, og hvis en af dem sluttes ledes der strøm til indgangskortet. I dette tilfælde bruges indgang 1 og 3 – læg mærke til at indgangene starter med 0. Indgangskortet sammenligner spændingerne med nulpunktet, hvis indgangs spændingen er indenfor en given tolerance vil indgangen blive tændt. Under tegningen af indgangene er Ladder logikken tegnet. Her bruges nummereringen til en Allen Bradley PLC-5 rack. I toppen er positionen af indgangs kortet I:013 som viser at kortet er en Indgangs kort i rack 01 i slot 3. Indgangsnummeret på kortet vises under som kontakt 01 og 03.

Mange begyndere bliver forvirrede over hvor forbindelserne skal være i kredsen herover. Kodeordet der skal huskes er kredsen, det betyder at der skal være en sluttet kreds som strømmen skal være i stand til at følge. I figur 3.2 kan vi følge kredsen fra strøm forsyningen. Stien går igennem kontakterne, igennem indgangskortet, og tilbage til strøm forsyningen hvor det løber igennem tilbage til start. I en fuld PLC styring vil der være mange kredse der alle skal være sluttede.

En anden vigtig ting er common (fællesbenet). Her er det neutral på strøm forsyningen der er fælles, eller reference værdien. i praksis har vi valgt den til at være vores 0V reference, og alle andre spændinger bliver målt i forhold til den. Hvis vi havde en anden strøm forsyning, skulle vi forbinde de neutrale terminaler så de begge er forbundne til det samme common. Der tages ofte fejl af common og jord. Common er en reference, eller nulpunkt der bruges som 0V, men jord bruges til at forhindre stød og beskytter udstyret. Jorden er under bygningen forbundet til et metal rør eller net under jorden. Den er videre forbundet til det elektriske system i bygningen, til strøm stikkene, hvor metal kasserne på elektrisk udstyr er forbundet. Når strømmen løber igennem jorden er det ikke godt. Uheldigvis blander mange ingeniører og fabrikanter jord og common. Det er meget almindelig at finde strøm forsyninger hvor jord og common ikke er mærket rigtigt.

Husk – Bland ikke jord og common. Forbind dem ikke sammen hvis common på din enhed er forbundet med common på en amden enhed.

Et sidste punkt der har det med at fange begyndere er at hvert indgangskort er isoleret. Det betyder at hvis du kun forbinder common til et kort, er de andre kort ikke forbundne. Når det sker, vil de andre kort ikke virke ordentlig. Du skal forbinde en common til hver indgangs kort.

Der er mange punkter der skal overvejes når man beslutter hvilken type indgangskort man vil bruge:

DC spændinger er ofte lavere, og derfor mere sikre (f.eks. 12-24V).
DC indgange er meget hurtige, AC indgange kræver længere on tid. For eksempel kræver en 50Hz bølge op til 1/60sek før egentlig genkendelse.
DC spændinger kan forbindes til en lang række elektriske systemer.
AC signaler er mere immune over for støj end DC, så de er bedre egnede til lange afstande, og miljøer med meget (magnetisk) støj.
AC spænding er lettere og billigere at bruge til forsyning.
AC signaler er meget almindelige i mange eksisterende automatiske anlæg.

SIDESPRING: PLC indgange skal konvertere forskellige logiske niveauer til det 5Vdc logiske niveau der bruges på data bussen. Det kan gøres med kredse som dem vist herunder. Kredsende forbereder indgangs signalet til at drive en optokobler, der isolerer det eksterne kredsløb fra det interne kredsløb. Andre komponenter bruges til at beskytte overspænding og en forket tilslutning af polerne.

Figur 3.3' Sidespring: PLC Indgangs kredse

Udgangs moduler

ADVARSEL - CHECK ALTID SPÆNDINGS OG STRØM VÆRDIERNE FOR PLC’EN, OG OVERSKRID DEM ALDRIG!

Som ved indgangs moduler, afgiver udgangs moduler sjældent spænding, men virker som en kontakt. Eksterne strøm forsyninger forbindes til udgangs kortet og kortet vil tænde og slukke for hver udgang. De mest almindelige værdier er listet herunder.

230 Vac

120 Vac

24 Vdc

12-48 Vac

12-48 Vdc

5Vdc (TTL)

Kortene har typisk 8 til 16 udgange af same type og kan købes med forskellige spændings områder. Udgangskort har ofte enten relæer, transistorer eller triacer.

Relæer er de mest fleksible, og de er i stand til at slutte både AC og DC udgange, men de er langsommere (typisk omkring 10ms skift), de er større, de er dyrere, og de bliver slidt op efter nogle millioner cykluser. Der bruges et separat relæ til hver udgang, og det tillader at blandede spændinger (AC eller DC og spændingsniveauer op til maksimum). Udgangene er isolerede fra hinanden for at beskytte hinanden og PLC’en. Denne metode er mindst følsom overfor spændings variationer og spikes.

Transistorer kan kun bruges til DC udgange, og triac kan kun bruges til AC udgange. De bruger halvleder kredse (transistor, triac, osv.). Transistor udgange bruger NPN eller PNP transistorer og kan typisk levere op til 1A. Triac udgange leverer også op til 1A. Deres respons tider under 1ms.

SIDESPRING: PLC udgange skal kunne konvertere de 5Vdc logiske niveauer fra PLC’ens data bus til eksterne spændings niveauer. Det kan gøres med kredse som dem vist herunder. Grundlæggende bruger kredsene en optokobler til at slutte en ekstern kreds. Det giver en elektrisk isolering imellem de eksterne og de interne kredse. Der bruges nogle andre komponenter til at beskytte imod overspændinger og ombytning af polerne.

Figur 3.4 Sidespring: PLC udgangs kredse

Man skal være forsigtig når man bygger et system med både AC og DC udgange. Hvis AC ved et uheld forbindes til en DC transistor udgang vil den kun være tændt I den positive del af sinuskurven, og ser ud til at virke med en nedsat spænding. Hvis DC forbindes til en AC triac udgang vil den tænde og se ud til at virke, men den vil kun kunne slukkes hvis hele PLC’en slukkes.

SIDESPRING: En transistor er en halvleder baseret enhed, der kan virke som en justerbar ventil. Når den er slukket vil den blokere strømmen i begge retninger, og når den tændes vil den tillade at strømmen løber i en retning, der er spændings tab på nogle få volt over transistoren. En triac er som to SCR’er (noget lignende transistorer) forbundet sammen så strømmen kan flyde i begge retninger, som er godt til AC strømme. Den store forskel med en triac er at når den er blevet tændt, så strømmen løber, og efterfølgende bliver slukket, vil den ikke slukkes før strømmen stopper med at løbe igennem den. Det er fint ved AC strømme da strømmen går igennem nulpunktet hver ½ cyklus, men det sker ikke ved DC spændinger, så triac’en forbliver tændt.

Et stort problem med udgange er blandede strøm forsyninger. Det er godt at isolere alle strøm forsyningerne, og holde deres commons separate, men det er ikke altid muligt. I nogle udgangs moduler, som relæer, har hver udgang sin egen common. Andre udgangs kort kræver at flere, eller alle, udgange på hvert kort deler den same common. Hver udgangs kort vil være isoleret fra de andre, så alle common skal forbindes.

Udgangskortet vist i figur 3.5 er et eksempel på et 24Vdc udgangs kort som har en fælles common. En sådan type udgangs kor vil typisk bruge transistore i udgangene.

Figur 3.5 Et eksempel på en 24Vdc udgangs kort (Sinking, NPN)

I Eksemplet er udgangene forbundet med en lavspændingspære og en relæspole. Vi kigger på kredsen igennem lampen. Når udgangen 07 er tændt kan strømmen løbe ind i 07 til COM, hvorved kredsen sluttes, og tænder lyset. Hvis udgangen ikke er tændt kan strømmen ikke løbe, og lampen vil ikke tænde. Udgangen 03 til relæet er forbundet på same måde. Når udgangen 03 er tændt vil strømmen løbe igennem relæspolen og slutte kontakterne der giver 230Vac til motoren. Ladder logik symbolerne for udgangene er vist I bunden af figuren. Nummerbetegnelsen er for en Allen Bradley PLC-5. Værdien i toppen til venstre for udgangen, O:012, viser at kortet er et udgangskort, i rack 01, i rackets slot 2. I bunden til højre for udgangen er udgangs nummeret på kortet 03 og 07. Kortet kunne have tilsluttet mange forskellige spændinger fra forskellige forsyninger, men alle strøm forsyningerne skal have en enkel fælles common.

I figur 3.5 starter kredsen med strømforsyningen, enheden, PLC kortet, og slutter med strøm forsyningen. Det kræver at udgangskortet har en fælles common. Nogle udgangs diagrammer ombytter enheden og PLC kortet, derved erstattes common med en strøm indgang. Eksemplet i figur 3.5 er gentaget i figur 3.6.

Figur 3.6 Et Eksempel på et 24Vdc udgangskort med strømindgang (Sourcing, PNP)

I eksemplet er den positive terminal på 24Vdc forsyningen forbundet direkte med udgangskortet. Når en udgang er tændt vil strømmen blive ledt til udgangen. For eksempel hvis udgang 07 er tændt vil forsynings spændingen bilve ledt til lampen. Strømmen vil løber igennem lampen og tilbage til minus på strømforsyningen. Der en lignende kreds til relæet der starter motoren. Læg mærke til at ladder logikken (vist i bunden af figuren) er identisk med den i figur 3.5. Med denne type udgangskort kan der kun bruges en strømforsyning.

Vi kan også bruge relæer til udgange. Eksemplet på figur 3.5 og figur 3.6 er gentaget igen i figur 3.7 for relæ udgange.

Figur 3.7 Et eksempel på et relæ udgangskort

I eksemplet er 24Vdc forsyningen forbundet direkte til begge relæer (læg mærke til at det kræver 2 forbindelser nu, hvor der kun var brug for en i det forrige eksempel) Når en udgang aktiveres sluttes udgangsrelæet og strømmen ledes til udgangsenheden. Layoutet ligner figur 3.6 hvor udgangene afgiver strømmen, men relæerne kunne også bruges til at forbinde udgange med nul, som i figur 3.5. Når man bruger relæ udgange er det muligt at have alle udgangene isolerede fra hinanden. Et relæ udgangskort kan have AC og DC udgange ved siden af hinanden.

Relæer

Selvom relæer sjældent bruges til logisk styring er de stadig vigtige hvor store strømme skal brydes. Herunder er den grundlæggende terminologi for relæer.

Kontaktor	Specielt relæ til at bryde store strømme.
Motor Starter	Grundlæggende er det en kontaktor i serie med et termorelæ der bryder når der bliver trukket for meget strøm fra motoren.
Lysbue	Når et relæ åbnes eller sluttes vil der sprænge en gnist. Det er et stort problem ved større relæer. Ved relæer der bryder AC kan problemet klares ved at relæet åbnes når spændingen går igennem nul (når den skifter imellem negativ og positiv). Når der brydes DC belastninger kan problemet løse ved at indsætte en diode.
AC spoler	Hvis en normal relæspole får AC spænding vil kontakten vibrere ved AC strømmens frekvens. Problemet fjernes ved at tilføje en skygge pol til relæet.

Den vigtigste overvejelse når man vælger relæ, eller relæ udgang på en PLC, er den angivende spænding og strøm. Hvis den angivende spænding overskrides vil kontakterne slides op hurtigere, eller hvis den overskrides meget, kan den bryde i brand. Den angivende strøm må ikke overskrides. Når den overskrides vil enheden blive for varm, og vil hurtigere gå i stykker. De maksimale værdier er opgivet for både AC og DC, de maksimale værdier for DC er normalt lavere end AC. Hvis belastningen holdes under de angivende værdier vil relæet få en lang levetid. Hvis værdierne overskrides lidt, vil relæets levetid forkortes. Overskrides værdierne meget kan det permanent skade kontakten.

'Rated Voltage	Den foreslåede spænding til relæspolen. Ved lavere værdier virker velæet ikke, og spændinger over forkorter levetiden.
Rated Current	Den maksimale strøm før kontakterne tager skade (svejser eller smelter).

Praktisk eksempel

(Løs de følgende opgaver uden at kigge på løsningen i figur 3.8.) Der skal bruges et elektrisk layout til en hydraulisk presse. Pressen bruger en 24Vdc magnetventil med to spoler til at køre pressen op og ned. Enheden har en common og to indgangsledninger. Når der sættes 24Vdc på den ene ledning køre pressen op, og sættes 24Vdc på den anden ledning vil pressen køre ned. Pressen har en stor hydraulisk pumpe der kræver 20A ved 230Vac, den skal køre så længe pressen er tændt. Pressen har 3 trykknapper, en NC stop knap, en NO manuel kørsel op knap, og en NO start automatik cyklus knap. Der er endestop ved toppen og bunden af pressens vandring, der også skal tilsluttes.

"PLC bogen/PLC hardware" er en del af wikibogen: PLC bogen
Forrige side: Programmerbar logisk kontrol		Næste side: Logiske følere