1. AZ IRÁNYÍTÓRENDSZEREK FEJLŐDÉSE

4

1. AZ IRÁNYÍTÓRENDSZEREK FEJLŐDÉSE Az irányítástechnika, ezen belül a szabályozástechnika és vezérléstechnika fogalmait nemzetközi (angol és francia), országonként saját nyelvű terminológiai szabvány (Magyarországon az MSZ 18450) rögzíti. Az önműködő irányítás az irányításnak (amely egy folyamatot elindít, fenntart, megváltoztat vagy megállít) az a módja, amikor valamennyi irányítási részművelet kezelői beavatkozás nélkül megy végbe. Az irányítási művelet a következő részműveletekből áll: érzékelés, ítéletalkotás, rendelkezés, beavatkozás. Az elem irányítástechnikai szempontból tovább nem bontható szerkezeti rész. Elemnek tekinthető például egy hőmérséklet-érzékelő vagy az ÉS kapu stb. Az elem egy vagy több alkatrészből állhat. Szervnek nevezzük az irányítórendszer irányítási részfeladatát önállóan ellátó szerkezeti egységét. A szerv egy vagy több elemből állhat. Az irányítási hatásláncokat rendszerint szervek alkotják. Ilyenek az érzékelő-, különbségképző, végrehajtó, beavatkozó- és a logikai döntést végző szerv (1.1. ábra) [1]. 1.1. ábra. A vezérlés (a) és a szabályozás (b) hatáslánca P beállítóprogram vagy vezetőjel; A alapjel; E ellenőrző jel; R rendelkezőjel; V végrehajtó jel; B beavatkozójel; Z zavarójel; MJ módosított jellemző; VJ vezérelt jellemző; SZJ szabályozott jellemző; 1irányított szakasz (a vezérelt, b szabályozott); 2 érzékelő vagy távadó; 5 különbségképző; 6 erősítő, jelformáló; 7 végrehajtó; 8 beavatkozó; 15 parancsadó; 16 logikai jelfeldolgozó; 30 vezérlő; 31 szabályozó A készülék egy vagy több szervből álló, szerkezetileg körülhatárolt, többnyire a maga egészében kicserélhető egység, amelynek önálló technológiai vagy irányítási feladata van. Készülék például egy kompakt hőmérséklet-szabályozó vagy a házi vízellátó szivattyú vezérlője. Az irányított rendszer az irányítástól függetlenül meglévő műszaki létesítmény, berendezés, gép stb., amely az irányítás tárgyát képezi. Az irányítórendszer (irányítási rendszer) mindazon szervek és készülékek összessége, amelyek együttműködése révén az irányított rendszer irányítása megvalósul. A technológiai folyamatok irányítása annak jellegétől függően kétféle módon lehetséges: vezérléssel, ill. szabályozással. A kétféle irányítási mód a hatáslánc felépítésében különbözik. A szabályozás hatáslánca zárt, tehát a szabályozott jellemző kívánt értéke az irányított szakasztól visszacsatolással valósul meg. Erre utal a szabályozás angol neve: zárt hurkú irányítás, closed loop control. 1

Szabályozás esetén a rendelkezőjel a szabályozott jellemzőtől függően jön létre. A zárt szabályozási kör előnyös tulajdonsága, hogy alkalmas a tervezéskor nem ismert zavaró hatások kiküszöbölésére. Hátránya a visszacsatolásból származik: bizonyos feltételek esetén a rendszer instabillá válik. A vezérlés hatáslánca nyitott, azaz nem tartalmaz visszacsatolást a vezérelt szakaszról, így a rendelkezőjel a vezérelt jellemzőtől függetlenül jön létre. A vezérlés tehát nyílt hatásláncú irányítás, open loop control. A nyílt hatásláncú vezérlés csak a rendszer tervezésekor ismert zavarójeleket képes kiküszöbölni, strukturálisan mindig stabil működésű. A szabályozási, ill. vezérlési művelet megkülönböztetése nem mindig egyszerű. Egy gyakori téves szemlélet szerint a szabályozást az analóg jelfeldolgozással, a vezérlést a digitális jelfeldolgozással, ill. logikai döntéssel azonosítják. A szabályozás egyaránt megvalósítható analóg, ill. digitális jelfeldolgozásban. Utóbbi esetben a különbségképzés logikai művelet révén valósul meg. A szabályozás sajátos esete a minősítő szabályozó (fuzzy nem pontosan meghatározott), amelynél a döntés a hagyományos értelemben vett különbségképzés nélkül, logikai úton jön létre. Ugyancsak hibás következtetésre vezethet a vezérlési műveletnek a digitális (ill. kétállapotú) jelekhez rendelése. Erre példa a villamos motor potenciométerrel történő fordulatszám-beállítása, azaz vezérlése. A vezérlési, ill. szabályozási művelet hibás megítéléséhez vezethet, ha a két műveletet együtt alkalmazzák. Jó példa a határérték-kapcsolóval kombinált szabályozási művelet, ahol a határérték-kapcsoló védelmi funkciót lát el és visszahat a rendelkezőjelre, de hatásának következtében a zárt szabályozási hurok megszakad. Hibás következtetésre vezethet, ha a két funkciót a végrehajtó szerv milyensége alapján különböztetjük meg és az analóg végrehajtó szervet a szabályozáshoz, a kétállapotú végrehajtó szervet a vezérléshez rendeljük. Ilyen a hőmérséklet-szabályozásnál igen gyakori állásos szabályozás, ill. a helyzetszabályozásnál használatos lekapcsolókörös szabályozás. A kétféle művelet megítélése szempontjából azt kell vizsgálni, hogy az irányított jellemző visszacsatolás révén részt vesz-e a rendelkezőjel létrehozásában, és a zárt szabályozási kör a művelet befejezéséig fennmarad-e. Ugyancsak vizsgálni kell az irányítási művelet rendeltetés szerinti célját. Amíg korábban a szabályozó-, ill. vezérlőkészülékek felépítésükben, kivitelükben is elkülönültek egymástól, addig napjainkban funkcionálisan integrálódnak, és gyakorlatilag ugyanazon hardverbázison (mikroszámítógép) kerülnek megvalósításra, így csak a szoftverekben térnek el. A technológiai folyamatok jellegüktől függően három csoportba sorolhatók: folyamatos, diszkrét és vegyes technológia. Folyamatos technológia esetén a folyamat nem osztható időben ismétlődő részfolyamatokra. A folyamatos technológiák irányításánál a szabályozási feladatok a meghatározóak. Ilyen technológiai folyamatokkal találkozhatunk a vegyipar, az olajipar, a kohászat, a gyógyszeripar, az élelmiszeripar stb. területén. A diszkrét technológiai folyamatok időben ismétlődő részfolyamatokból állnak, leginkább a gépiparban találhatók és irányításukban a vezérlési műveletek a meghatározóak. A technológiai folyamatok, kissé szubjektív felosztása (folyamatos és diszkrét) egyes részfolyamatok esetén lehetséges, de minél komplexebb folyamatot vizsgálunk, annál inkább a vegyes jelleg dominál. Amennyiben a technológiai folyamat irányításánál a szabályozási és vezérlési funkciók időben is tagozódnak, szakaszos (batch,köteg) technológiáról beszélünk. Az előbbi besorolással magyarázható, hogy a gépipari termelésirányítást rendszerint gyártásirányításnak, míg a folyamatos technológiák irányítását folyamatirányításnak nevezik. Az egyes iparágak irányítástechnikai igényei, a szabályozási és vezérlési funkciók aránya, az alkalmazott technológia veszélyességi szintje, a technológiai készülékek térbeli elhelyezkedése 2

alapján eltérhetnek egymástól és ugyanazon iparágakon belül nagy hasonlóságot mutathatnak. Így beszélhetünk erőművi irányításról, létesítményautomatizálásról, közlekedésirányításról stb. Az irányítórendszerek megjelenésük óta igen dinamikusan fejlődnek. 1.1. Az irányítási rendszerek fejlődési szintjei A követelmények nagyfokú különbözősége és a technika fejlődése következtében a kis és nagy rendszereket is ideértve különféle megoldások alakultak ki a technológiai folyamatok irányítására. Rendszerezésük módszere a generációs tulajdonságoknak, vagyis a rendszerfejlődés lépéseinek a figyelembevétele. A rendszerek generációba sorolásának főbb szempontjai elsősorban nagy kiterjedésű irányítási rendszerre vonatkoztatva a következők: a rendszer térbeli tagoltsága; a kommunikáció egységessége és formája; a készüléktechnológiai tagoltság vagy integráltság mértéke; a részrendszerek együttműködésének lehetősége; a kezelőhely fejlettsége. Ebben a feltételrendszerben egy teljes irányítási rendszernek ma már öt generációját lehet megkülönböztetni. Legjobban Telkes Zoltán foglalta össze az irányítási rendszerek generációs tulajdonságait [1]. Ezen publikáció alapján némileg átdolgozva és a cikk megjelenése óta végbement fejlődést is figyelembe véve mutatjuk be az egyes fejlődési szinteket. Az egyes rendszergenerációk megjelenése időben egymás után következett és a bonyolultságuk is növekedett. Ez természetesen nem jelenti azt, hogy a következő generáció teljesen kiszorította az előzőt, mivel az egyszerűbb feladatokra alacsonyabb generációjú rendszer is alkalmas. A generációkra osztásnál eltekintünk a vegyes rendszerektől, vagyis az egy időben, egy megvalósításban eltérő rendszerű, tehát más-más generációba tartozó részrendszer egymás melletti létezésétől. 1.1.1. Első generációs irányítási rendszerek Az első generációs irányítási rendszerek az irányítástechnikai elemek és készülékek megjelenésekor alakultak ki. Első generációs rendszertechnikájúak az iparban a helyi szint-, nyomás- és hőmérséklet-szabályozások, de ilyen pl. a központi fűtésű helyiségek egyedi hőmérsékletszabályozása is. A rendszer vázlata az 1.2. ábrán látható. 1.2. ábra. Első generációs irányítási rendszer struktúrája Az első generációs irányítási rendszer tulajdonságai: 3

térbelileg nem tagolt, központilag nem áttekinthető, autonóm, helyi, egyedi, kizárólag folyamatközeli, gyakran egybeépített irányításokból tevődik össze; nincs benne egységes készülék és jel; az elemek és készülékek nagyrészt segédenergia nélkül vagy pneumatikus, esetleg villamos segédenergiával működnek. 1.1.2. Második generációs irányítási rendszerek A második generációs irányítási rendszerek tulajdonságai: térbelileg tagolt, központilag megfigyelhető, autonóm, egymással kapcsolatban nem lévő irányításokból tevődnek össze; egységes készülékek és egységes jelek, a szabályozási körben analóg (pl. 0 5 ma), vezérlés esetén főként kétállapotú, pneumatikus vagy villamos jelek vannak; a rendszerelemek nagyrészt villamos vagy pneumatikus segédenergiával működnek; az egységes jelek és méretek miatt a rendszerelemek csereszabatosak; építőkockaelven épülnek fel, így a különböző gyártmányok illeszkednek a rendszerbe; megjelenik a központi információkezelés és a mért értékek regisztrálásának igénye. A második generációs irányítási rendszer struktúráját az 1.3. ábra mutatja. 1.3. ábra. A második generációs irányítási rendszer struktúrája 1.1.3. Harmadik generációs irányítási rendszerek A harmadik generációs irányítási rendszerek létrejöttét a folyamatirányító számítógépek megjelenése váltotta ki. Ettől kezdődően váltak elterjedtté az analóg/digitális (ADC), ill. digitális/analóg (DAC) jelátalakítók. A számítógépek alkalmazásának alapvető célja a kiterjedt technológiai folyamat működésének összehangolása volt. Ez azt jelenti, hogy egy technológia optimális vagy optimumhoz közeli működtetése során a különböző fizikai jellemzők (pl. nyomás, hőmérséklet) előírt nagysága nem állítható önkényesen, egymástól teljesen függetlenül. A számítógépet irányítási célból még egy generáción belül is több fejlődési fázison keresztül akalmazzák. Az első időkben a számítógép pusztán felügyeleti és tanácsadói funkciókat látott el. Ezek a rendszerek közvetlenül (A/D konvertereken keresztül) fogadják a technológia felől származó 4

mérési adatokat, ill. a technológia kétállapotú jelzéseit (jelzésfogadó kártyákon). A számítógép a kezelő számára megjeleníti a technológia adatait, és beállítási tanácsokkal szolgál az üzemeltetéshez. Ezeket a tanácsokat a kezelő vagy figyelembe veszi, vagy figyelmen kívül hagyja, azaz a döntés felelőssége a kezelőé marad. A számítógép semmilyen formában közvetlenül nem avatkozik be az irányítandó folyamatba. A fejlődés következő fázisa az volt, amikor a számítógép beállítási tanácsai (immár parancsai) közvetlenül, kezelői közreműködés nélkül (D/A konvertereken és jelzéskimeneti kártyákon keresztül) eljutottak a technológiai folyamathoz. Az ilyen rendszer működésére az is jellemző, hogy ezek a beavatkozási parancsok szabályozások esetében a hagyományos analóg szabályozások (optimális) alapjeleit jelentették. A tényleges szabályozási funkciókat a hagyományos analóg szabályozó látta el. A kétállapotú kimenetek nem közvetlen vezérlési célokat szolgáltak (az elégtelen ciklusidő és a kis megbízhatóság miatt), hanem üzemmód-kijelzési, ill. a külső vezérlők működtetéséhez szükséges parancsokat jelentették (mintegy a kezelő helyett nyomtak meg bizonyos, a vezérlést befolyásoló nyomógombokat ). Ezt a rendszertechnikai kialakítást alapjelállító irányításnak (Set Point Control, SPC) is nevezik, ami napjainkban is alkalmazott elv, csak korszerűbb eszközháttéren alapul. A megoldás előnye, hogy a számítógép kiesése esetén a meglévő szabályozók továbbra is biztosították az alapvető irányítást, ha egy automatikus átkapcsolón keresztül tartalék alapjeleket juttatunk el a bemenetükre (amelyek változó munkapontokban messze nem biztosítják az optimumhoz közeli működést). A fejlődés következő lépése a közvetlen szabályozási célú beavatkozás volt. Ezeket a rendszereket közvetlen digitális irányításnak (Direct Digital Control, DDC) nevezik. Normál esetben a számítógép számítja ki a beavatkozószervek működtetési parancsait (pl. szelepek nyitási pozícióit), és D/A konvertereken keresztül juttatja el a folyamat beavatkozószerveihez. Ez azt is jelenti, hogy a klasszikus értelemben vett szabályozófunkciót egy számítógépes algoritmus valósítja meg. Így a szabályozó algoritmusa már nem feltétlenül az egyszerű PID kompenzálótagok beavatkozási stratégiáját követi, hanem a fejlettebb intelligenciát kihasználó (hagyományos analóg eszközbázison már nem megoldható) módszerek is alkalmazhatók. Ez a lehetőség teremtette meg a mintavételes szabályozások szabályozáselméleti módszereinek fejlesztését. A számítógép meghibásodása esetén azt a gyakorlatot követték, hogy tartalék analóg szabályozók vették át a számítógép szerepét. Nyilvánvaló, hogy ezen üzemmódban már sem az alapjelek képzése, sem az irányítási algoritmusok leképezése nem lehet egyenértékű a számítógépes üzem lehetőségeivel. Ezért nem volt ritka az a rendszertechnikai kialakítás sem, amikor tartalék számítógép jelentette a biztonsági hátteret. A rendszertechnikai elvek alkalmazását az 1.4. ábra mutatja be. Az irányítandó folyamatból származó analóg és kétállapotú információk közvetlenül a számítógép bemenetére kerülnek. A szabályozási funkciókat normál esetben a számítógép látja el (DDC), míg meghibásodás esetén a tartalékként funkcionáló analóg szabályozó veszi át a szerepet. A vezérlési feladatokat külső vezérlőegység látja el normális működés esetén is, a számítógép legfeljebb kezelői beavatkozásokat vált ki. Meghibásodás esetén, a kezelőnek kell ezeket a beavatkozási parancsokat a kezelőpulttal előállítani. A technológia állapotának megjelenítése a számítógéphez kapcsolt terminálokon, de még hagyományos sématáblákon is (a számítógéptől függetlenül) lehetséges volt. 5

1.4. ábra. A harmadik generációs irányítási rendszer struktúrája A harmadik generációs irányítási rendszerek jellemzői: térbelileg tagolt, központilag megfigyelhető, autonóm, egymással kapcsolatban nem lévő, de központi irányítóberendezés (digitális számítógép) segítségével, speciális kommunikációval koordinálható szabályozási körökből, illetve vezérlésekből tevődnek össze; egységes készülékek (modulok) és főként egységes analóg pneumatikus vagy villamos jelek vannak (pl. 4 20 ma); a készülékek főként villamos (esetleg pneumatikus) segédenergiával működnek és egy részük alkalmas a központi irányítóberendezéssel való kommunikációra; az egységes jelek és rendszerint az egységes modulok következtében az elemek csereszabatosak; építőkockaelven épülnek fel, a különböző gyártmányok illeszthetők a rendszerbe; megjelenik a központi adatgyűjtés, az ember-gép kapcsolatot megvalósító kezelőpult, illetve sématábla; biztonsági célt szolgál a kézi/automata átkapcsolóval váltható háttéreszközök (szabályozó, vezérlő) megléte. Ide sorolható minden olyan irányítás, amelynek egyedi szabályozási és vezérlési körei vannak, de ezek központilag koordinálhatók a különböző típusú és felépítésű számítógéppel. A digitális (intelligens) kompakt szabályozók és az egyedi PLC-k (programozható logikai vezérlők, lásd az 1.4. alfejezetben) is lehetnek e rendszer vagy generáció részei. Mivel a jelenleg működő irányítórendszerek a harmadik generációs rendszertechnikát is használják és ennek moduláris elve alkalmas a teljes rendszer valamennyi részfeladatának bemutatására, ez a generáció a készülékek (elemek, szervek) általános rendszerezésének is alapja. 1.1.4. Negyedik generációs irányítási rendszerek Az előző rendszertechnikai kialakításban egyetlen centralizált számítógép biztosítja az irányítási, adatfeldolgozási és megjelenítési feladatokat, ami a következő hátrányokkal jár: 6

a számítógép meghibásodása a teljes technológia esetén a tartalékirányításra való áttérést igényel. A tartalékirányítás egyedi eszközi megvalósítása költségigényes, és az esetek többségében nem is biztosítja az elvárt mutatókat; a számítógépnek sokféle (irányítási, adatfeldolgozási, megjelenítési) feladatot kell ellátnia, így a programrendszer túlságosan szerteágazó, nehezen tipizálható. Általában egy számítógép hardverteljesítménye csak kompromisszumok árán elegendő a sokféle feladat ellátásához; a technológiából származó és a technológia felé juttatandó jeleket esetenként nagy távolságra kell továbbítani, így a kábelezési költség igen tekintélyes. Alapvetően a felsorolt okok miatt alakították ki a decentralizált folyamatirányító rendszereket, ahol a felmerülő feladatokat egymással kommunikációs kapcsolatban lévő számítógépek oldják meg, amelyek valamilyen logikai hierarchiába vannak szervezve. Egy-egy számítógép feladata viszonylag jól körülhatárolható. A technológia közvetlen környezetébe telepített számítógépek, az ún. folyamatállomások, amelyek egy-egy résztechnológia közvetlen irányítását látják el. A technológiából érkező adatokat a rendszer adatbázisába is továbbítani kell, hogy az adatok továbbfeldolgozása, kiértékelése, kezelői megjelenítése, archiválása lehetséges legyen. Az irányítási feladatok ellátásához az esetek többségében az adatbázis olyan elemeinek elérése szükséges, amelyeket más számítógépek állítanak elő. Megfelelő szoftverrel biztosítható, hogy még a kommunikációs kapcsolat megszűnése esetén is ellássa a folyamatállomás az alapvető (szűkített) irányítási funkciókat. A folyamatállomások kialakítása robusztus, az ipari környezet káros hatásainak ellenálló. Jellemző, hogy mozgó alkatrészeket tartalmazó egységeket (pl. diszklemezeket) nem telepítenek. A kezelői kijelzők és beavatkozók (pl. billentyűzet) is speciálisak. A fejlődés eredményeként a rendszerekben ezt a funkciót igen gyakran PLC-k látják el. A decentralizált rendszerekben megtalálhatók azok a számítógépek is, amelyek az adatok továbbfeldolgozását és az adatok kezelői megjelenítését végzik. Ezek a számítógépek már a megszokott elemeket tartalmazzák. A decentralizált rendszerekben kulcsfontosságú a berendezések közötti kommunikáció, ami korábban az RS 232 vonalak alkalmazását jelentette. Ez mind az átviteli sebesség, mind a pont-pont kapcsolat miatt komoly korlátozó tényező, és a rendszerek szűk keresztmetszetét okozta. A nagy sebességű soros buszok megjelenése nagymértékben javította a decentralizált rendszerek információátviteli lehetőségeit és a kommunikáció biztonságát még egy-egy egység meghibásodása esetén is. A negyedik generációs irányítási rendszer struktúráját az 1.5. ábra mutatja. A decentralizált rendszerek fejlődésének különleges vonulata az elosztott rendszerek (Distributed Control System, DCS) kialakulása. E rendszer sajátossága a beépített redundancia. Mind a kommunikáció, mind a jelfogadás és jelfeldolgozás elemeit redundáns módon alakítják ki külön igény nélkül is. A DCS-rendszerek szoftverkomponensei automatikusan képesek meghibásodás esetén áttérni a még működő eszközökre néhány ms idő alatt, gyakorlatilag adatvesztés nélkül. Természetesen az így megnövelt biztonságú eszközök ára is tükrözi a beépített lehetőségeket, ezért csak olyan technológiák esetén alkalmazzák irányításra, ahol a technológia üzemeltetése (pontosabban az irányítás hiánya) nagy kockázatot jelent. Napjainkban is általános a decentralizált rendszerek telepítése, de nemcsak DCS-bázison. Itt a beépített tartalékok, az áttérés stratégiája egyedi rendszertervezési kérdés. A nem DCSbázisú rendszerek (pl. PLC-k és ipari PC-k) elterjedése a lényegesen kedvezőbb árral magyarázható. 7

Ezt a rendszert tartják a DCS-ek első generációjának is. Az elosztott folyamatirányító rendszerek a hetvenes évek elejétől folyamatosan fejlődtek és ma már egyes iparágakban az irányítások közel felét alkotják. E rendszerek kiválasztása, létesítése és üzemeltetése igen alapos munkát igényel és csak meghatározott méret fölött gazdaságos. A velük párhuzamosan, eredetileg egyedi PLC-készülékekből kifejlődött PLC-rendszerek ma már közel egyenértékű megoldást jelentenek. A kettő közötti választást gazdasági kérdések határozzák meg. Ezen a területen a PLC-rendszerek előnyösebbnek tűnnek. 1.5. ábra. A negyedik generációs irányítási rendszer struktúrája A negyedik generációs irányítási rendszer jellemzői: térbelileg tagolt, a központi irányítóteremben elhelyezkedő része egységes, integrált irányítóberendezés; digitális működésű és a belső kommunikáció is digitális, a folyamatközeli készülékek analóg működésűek; egyedi digitális készülékek és digitális belső busz (ami a központi feldolgozóegység(ek) párhuzamos sínrendszerét jelenti, pl. VME, MULTIBUS), a központi irányítóberendezés és a folyamatközeli elemek (folyamatperifériák) között analóg (pneumatikus vagy villamos) egységes jelek vannak; a központi készülékek digitális elvűek, a folyamatperifériák villamos (esetleg pneumatikus) segédenergiával működnek és egy részük alkalmas a központi irányítóberendezéssel való kommunikációra; 8

a központi rész egyedi rendszer, más rendszerrel általában nem kombinálható, a folyamatközeli elemek csereszabatosak; a rendszer ezen része építőkockaelven épül fel, az egységes analóg jelek és rendszerint az egységes méretű készülékek következtében a különböző gyártmányok illeszkednek a rendszerbe; külön sajátosság a nagy megbízhatóság, a valós idejű adatfeldolgozás (az osztott erőforrás és adatbázis-kezelés, valamint a redundáns hardverek és szoftverek miatt). 1.1.5. Ötödik generációs irányítási rendszerek Az ötödik generációs rendszerek kialakulását az intelligens (SMART) távadók, valamint az intelligens beavatkozók és a terepi buszok megjelenése váltotta ki. Ezek az eszközök egy a nagy hálózatoktól (pl. ETHERNET) eltérő kommunikációs csatornán a feladat jellegéhez igazodó protokoll szerint kezelhetők. A kommunikációs vonalra (szokásos szóhasználat szerint fieldbuszra) korlátozott számú intelligens eszköz fűzhető fel. Ez a technika további kábelezési költségcsökkentést jelent, még a technológia közelébe telepített (pl. kihelyezett I/O) eszközökhöz képest is. Az intelligens eszközök minőségileg új szolgáltatásokra képesek, pl. a SMART távadók aktuális méréshatára programozható, ill. a mérnöki egységre számított adatok lekérdezhetők. Az adatbázis tárolt konstansai a tényleges állapot szerint gépileg beállíthatók, így az egyik leggyakoribb adatbázis-hibaforrás küszöbölhető ki. Az intelligens eszközök mellett általánossá vált, hogy a folyamatirányító rendszerek szerves részét képezik a PLC-berendezések még a DCS-rendszerek többségében is. Ezek ugyancsak egy kommunikációs vonalon kapcsolódnak az irányítórendszer folyamatállomásaihoz. A PLC-k kommunikációs vonalai és protokolljai (pl. MODBUS, MODBUS PLUS, SINEC-L, SINEC-H, PROFIBUS) különböznek a számítógépek között szokásos kommunikációs protokolloktól, de különböznek az intelligens eszközök protokolljaitól is. A PLC-k csak egy-egy csoportja alkalmas a nemzetközi ajánlások szerinti kommunikációra (pl. PROFIBUS), más gyártmányok csak a gyártóspecifikus protokollok szerinti kommunikációt támogatják. Megfigyelhető az a tendencia, hogy a folyamatállomásoknál egyre kevesebb vonal csatlakozik a hagyományos A/D és D/A konvertereken keresztül, viszont egyre inkább növekszik a kommunikációs vonalakon keresztül csatlakoztatott csatornák száma és általánossá válik az érzékelők-beavatkozók buszrendszerű kezelése (pl. ASI-busz). Az ötödik generációs irányítórendszer tulajdonságai: térbelileg tagolt, a központi irányítóteremben elhelyezkedő része egységes, de funkciója átalakul és mérete csökken. Az integrált központi irányítóberendezés digitális működésű, a belső és a terepi kommunikáció is digitális; egyedi digitális készülékek és digitális belső busz (sín), a központi irányítóberendezés és a folyamatközeli elemek (folyamatperifériák) között digitális egységes terepbuszjelek vannak; a készülékek csak villamos segédenergiával működnek, digitális elvűek, jeleik digitálisak és a jelilleszkedésen túl alkalmasak a központi irányítóberendezéssel való kétirányú kommunikációra; a központi rész egyre kevésbé egyedi, inkább csereszabatos ipari számítógép; a folyamatközeli elemek csereszabatosak, a rendszernek ez a része építőkockaelvű. Az esetenként egységes digitális jelek miatt a különböző gyártmányok egy része illeszkedik a rendszerbe; kommunikációs lehetőséget biztosít az internetre, így bizonyos funkciói teljes mértékben nyitottá válnak a világ bármely pontjáról; az érzékelő- és beavatkozószervek egyre intelligensebbek, ezért adatfeldolgozási műveletek végrehajtására és hálózati kommunikációra alkalmasak; 9

az intelligens távadók és beavatkozók, valamint a terepi buszok révén az adatfeldolgozás osztott jellege kiteljesedik, hiszen pl. a szabályozási funkció az intelligens beavatkozón realizálódik, tehát a korábbi terepi, ill. központi funkció megszűnik. Az ötödik generációs rendszerek kialakítási sajátosságait az 1.6. ábra szemlélteti. 1.6. ábra. Az ötödik generációs irányítási rendszer struktúrája Az ötödik generációs rendszer jellegzetessége, hogy analóg jelek már a folyamatperifériáknál sem fordulnak elő. E rendszert a DCS-ek második generációjának is nevezik. Napjainkban az egyedi hardvert igénylő központi részt egyre inkább a személyi számítógépek hardvere váltja fel. Egy Siemens gyártmányú ötödik generációs rendszer felépítését mutatja az 1.7. ábra [12]. A szerzők egyik célkitűzése az ábra szerinti bonyolultságú és többnyire angol nyelven megadott rendszer funkcionális megértése a könxv áttanulmányozása után. 1.2. Vezérlés A diszkrét technológiai folyamatok többnyire kétértékű állapotváltozásokat tartalmaznak. Az ilyen diszkrét folyamatok vezérléssel automatizálhatók. A vezérlés hatásláncát az MSZ 18450/3 definiálja (1ásd az 1.1a ábrát). A vezérlőberendezés összefoglaló neve mindazon szerveknek, amelyek hatnak a vezérelt berendezésre (szakaszra). A vezérlőberendezés részei az érzékelő- és/vagy parancsadó szervek, a jelformálók, a logikai döntést végző és a beavatkozószerv, valamint az esetleges jelátalakítók. A beavatkozó, amely rendszerint magában foglalja a végrehajtó szervet és a beavatkozószervet, szerkezetileg legtöbbször a vezérelt berendezéshez tartozó, de funkcionálisan a vezérlőberendezés részeként számon tartott szerv. Bár a vezérlési folyamatban esetlegesen nem vesznek közvetlenül részt, de a vezérlőberendezés részét képezik az ember-gép kapcsolatot biztosító kijelző- és regisztrálókészülékek, kezelőelemek is. 10

7. ábra. Az ötödik generációs Siemens irányítási rendszer A vezérlőkészülék a vezérlési algoritmust valósítja meg. A vezérlési algoritmus olyan logikai összefüggésrendszer, amely a kívánt beavatkozójeleket állítja elő a folyamatot jellemző változók mért értékeiből és/vagy a vezérlést befolyásoló feltételekből. A vezérlési algoritmus kidolgozási módszerének ismertetése a könyv egyik célkitűzése. A vezérlés bonyolultságát az adja, hogy a vezérelt berendezésre (szakaszra) rendszerint több módosított jellemző hat és a rendelkezőjel is nagyszámú lehet. A vezérléseket megvalósító módszereket a vezérléstechnika foglalja össze. A vezérléstechnika magában foglalja a vezérlés eszközeinek, a vezérlés algoritmusainak a tárgyalását és a vezérlési feladat megoldásának tervezési módszereit. A vezérlési feladatok alapvetően két csoportra oszthatók, kombinációs típusú, ill. sorrendi típusú vezérlésre. Kombinációs típusú vezérlés esetén a kimenőjelek (rendelkezőjelek) csak a bemenőjelektől függenek, más szóval ugyanazon bemeneti kombinációhoz mindig ugyanaz a kimeneti esemény tartozik. Ilyenek például a kapuáramkörök, kódoló, dekódoló, multiplexer, demultiplexer áramkörök. A kombinációs típusú vezérlési funkciók az Y i = f i (X 1 X n ) (1-1) alakú időtől független logikai egyenlettel írhatók le, ahol Y i az i-edik kimeneti függvény ƒ i az i- edik kimenethez rendelt időfüggetlen logikai kapcsolat és X 1 X n a bemeneti változók. Sorrendi (szekvenciális) típusú vezérlés esetén a kimeneti eseményt egyrészt a bemeneti jelek kombinációi, másrészt a kombinációk sorrendje együtt határozzák meg. Eszerint sorrendi hálózat esetén ugyanazon bemeneti kombinációhoz más-más kimeneti esemény tartozhat. A sorrendi típusú vezérlési funkciók a Z i = f i (X 1 X n, q 1 q m ) (1-2) típusú logikai függvénnyel írhatók le, ahol Z i az i-edik kimeneti függvényt, ƒ i a hozzá tartozó logikai kapcsolatot, X 1 X n a bemeneti változókat, q 1 q m a belső visszacsatolás révén megvalósított memóriaelemeket jelenti. Tipikus sorrendi hálózatok, pl. a regiszterek, flipflopok, a relé öntartó kapcsolása, számlálók, memóriák. A vezérlések kapcsán külön kell szólni a védelmi funkciókról és a karbantartási üzemmódról. Bármely ipari irányítási rendszerben a legmagasabb prioritási szinten a vész- és védelmi feladatok ellátásáról külön kell gondoskodni. A vész- és védelmi feladat célja az élet-, ill. vagyonvédelem. 11

Védelem szükséges, ha valamely folyamat veszélyes értékeket közelít meg, és amely érték elérését akár az irányított berendezés leállítása árán is meg kell akadályozni. Ilyen, pl. a túlnyomás vagy a túláramvédelem. Reteszelés esetén valamely fontos feltétel nem teljesül, és emiatt leállítandó, vagy nem indítható az irányított berendezés. Ilyen, pl. ha a védőrács nincs a helyén, a hűtőszivattyú nem működik vagy nincs táplevegő. A vezérlési algoritmusban a védelem a legmagasabb prioritású, azt a reteszelés követi. A legfontosabb védelmi és reteszelési funkciókat külön hardver vagy szerkezeti kialakítás révén kell biztosítani. Ilyen például, amikor a túláramrelé megszakítja a tápellátást. A reteszelési feladatok egy része szoftveresen is megoldható, de ennek az a feltétele, hogy amennyiben a vezérlőkészülék nem működik, a feltételek automatikusan teljesüljenek. Például, ha nem működik a vezérlőkészülék, akkor nem ad ki vezérlőjelet a motornak. Ha a motor nem kap vezérlést, akkor áll. Ha a motor áll, akkor nem veszélyes, hogy nincs rajta védőrács. Az igen nagy értékű berendezéseknél ezeket a feladatokat ún. monitoringrendszer (figyelőrendszer) látja el. Az összetett ipari vezérlések másik jellegzetes feladata az ún. karbantartási üzemmód biztosítása. Ilyen esetben a rendszert le kell állítani, majd javítás után újraindítani. Ez a fajta leállítás jelentősen különbözik a vészleállításoktól, mivel itt az anyag- és energiatakarékosság is fontos szempont. Technológiai okok miatt az egyes rendszerek leállítása és újraindítása csak kötött sorrendben történhet (gondoljunk a szállítószalag vezérlésére, ahol ennek be nem tartása komoly műszaki, gazdasági következményekkel járhat), továbbá az egyes vészrendszerek csak fokozatosan érhetik el üzemi állapotukat (pl. nagy teljesítményű motor). 1.2.1. A vezérlőberendezések fejlődésének áttekintése A szabályozó-, ill. vezérlőberendezések korábban szerkezeti kialakításukban igen eltérőek voltak. Ez a különbség főként a rendelkezőjel előállításának különbözőségéből (különbségképzés, ill. logikai művelet) eredt. A vezérlőberendezések fejlődését kezdetben az elektromechanikai eszközök, később az elektronikai, mikroelektronikai eszközök és technológiák, napjainkban az előzőeken túl az informatikai eszközök és technológiák határozzák meg. Az első igen széles körben elterjedt vezérlőberendezés-típus az elektromechanikus vezérlés volt, amelynek univerzális eleme a relé. Az elektromechanikus (relés) vezérlések főbb jellemzői: huzalozott, fix vezérlési funkciót valósítanak meg; mozgó alkatrészt tartalmaznak, amelyek rendszeres karbantartást igényelnek és élettartamuk erősen korlátozott; igen nagy előnyük a vezérlőrész (tekercs) és a kapcsolórész galvanikus szétválasztása, amelynek révén egyen- és váltakozó áramú hálózatban egyaránt használhatók; a relé univerzális eszköz, ezért segítségével a kombinációs és sorrendi funkciók egyaránt megvalósíthatók. Bár a relés vezérlések napjainkra teljesen kiszorultak, csak korábbi telepítésűek vannak üzemben, a relés szemlélet a programozható vezérlőkben a létradiagramos programozási nyelvben tovább él. Időrendben a relés vezérléseket a huzalozott logikájú elektronikus vezérlések követték, amelyeknek két változata létezett: a diszkrét alkatrészekből felépített dióda-tranzisztor logika (diode-transistor logic, DTL), később pedig a tranzisztor-tranzisztor logika (transistor-transistor logic, TTL), ill. a komplemens fém-oxid félvezető elemekre épülő (complementary metal-oxide semiconductor, CMOS ) integrált áramkörökből felépített rendszerek. A huzalozott logikájú elektronikus rendszereknek számos előnyük van a relés vezérlésekhez képest (mozgó alkatrészt nem tartalmaznak, igen nagy működési sebességgel üzemelnek, 12

élettartamuk nagyságrendekkel jobb), de számos hátrányuk (fix huzalozás, zavarérzékenység, nagy méret, kommunikációs lehetőség hiánya) miatt napjainkra teljesen kiszorultak, esetleg csak részfunkciók ellátására alkalmazzák. A vezérlőberendezések fejlődésében újabb minőségi ugrást a félvezető memóriák (ROM, RAM), a nagymértékben integrált áramköri technológia (LSI, VLSI) kidolgozása és a mikroprocesszorok megjelenése jelentett. Ez a változás a korábbi váltáson (relé-félvezető) túl a hardver változását és a hardver univerzalitásának lehetőségét teremtette meg: a felhasználó a programot fejlesztheti, átírhatja és kialakíthatja a nagy rendszereket, megjelenítheti a folyamatot, archiválhatja az eseményeket, valamint kialakíthatja a rendszerek intelligens kommunikációját. A mikroprocesszoros rendszereknél ugyanakkor megszűnik az a működés, miszerint a különböző típusú logikai döntést végző elemek csak egyetlen funkciót hajtanak végre (pl. ÉS kapu, NAND kapu, dekódoló). A mikroprocesszor aritmetikai-logikai egysége (ALU) több tízezer műveletet képes végrehajtani a relé ms nagyságrendű megszólalási ideje alatt. Ez a lehetőség vezetett a programozható vezérlők kialakulásához. 1.2.2. Programozható vezérlők A programozható vezérlők az 1970-es évektől kezdődően terjedtek el és ma csaknem kizárólagos alkalmazást nyertek az ipari folyamatok vezérlésében. A programozható vezérlőberendezések, a vezérlési (esetleg szabályozási) funkciókat szoftver útján valósítják meg és beviteli, kiviteli egységeik révén a technológiai folyamatok tárolt programú vezérlésére közvetlenül alkalmasak. A programozható vezérlők szokásos elnevezései: PC, Programmable Controller (programozható vezérlő, UK); PLC, Programmable Logic Controller (programozható logikai vezérlő, USA); PBS, Programmable Binary System (programozható bináris rendszerek, svéd); SPS, Speicherprogrammierbare Steuerung (tárolt programú vezérlés, német); PV, programozható vezérlő; PLV, programozható logikai vezérlő (magyar). Mivel szakmai körökben leginkább a PLC elnevezés terjedt el, ezért a továbbiakban ez a könyv is ezt a rövidítést használja. 1.2.2.1. PLC-történelem 1968-ban a General Motors cég pályázatot hirdetett olyan programozható vezérlőberendezés fejlesztésére, amely ötvözi a relés, a félvezetős és a számítógépes vezérlés előnyeit. A pályázat specifikációjában az alábbi szempontok szerepeltek: egyszerű, moduláris felépítés, kis méret; mozgó alkatrészt ne tartalmazzon; galvanikusan leválasztott bemeneti/kimeneti fokozatok (24 Vdc-től 240 Vac); könnyű programozhatóság és újraprogramozás; valós idejű működés max. 0,1 s válaszidővel; nagy megbízhatóság, minimális karbantartás; versenyképes ár. A pályázatra a Modicon, ill. Allen-Bradley cégek pályáztak, amelyek ma is vezető cégek a PLC-k piacán. A PLC-k fejlődésének főbb állomásait a kezdeti időszakban az 1.1. táblázat mutatja [10]. 1.1. táblázat. A PLC-k fejlődésének főbb állomásai a kezdeti időszakban Év A fejlődés jellemzői 13

1968 A PLC-koncepció kidolgozása a General Motors felhívására 1969 Az első Modicon PLC megjelenése huzalozott CPU-val, 1 K memóriával és 128 I/O-val 1971 A PLC első alkalmazása az autóiparban 1973 Az első intelligens (smart) PLC megjelenése aritmetikai funkcióval, nyomtatóvezérléssel, mátrixműveletekkel, képernyőkijelzéssel 1974 Az első többprocesszoros PLC gyártása időzítő- és számlálófunkcióval, 12 K memóriával és 1024 I/O-val 1975 Az első PID algoritmussal ellátott PLC kibocsátása 1976 A távoli modulkezelés (remote control) kidolgozása és a hierarchikus konfiguráció bevezetése az integrált gyártórendszerben 1977 A mikroprocesszor bázisú PLC bevezetése 1980 Intelligens kommunikációs modulok kifejlesztése, valamint a nagy sebességű, nagy pontosságú pozícionáló interfész kifejlesztése 1981 A Data Highway kommunikáció alkalmazása, 16 bites mikroprocesszor bázisú PLC színes monitorral 1983 Olcsó mini PLC-k megjelenése 1985 PLC hálózatok kifejlesztése A mai PLC-ket, kivitelük alapján kompakt és moduláris felépítésű csoportba sorolhatjuk. A kompakt PLC jellemzője, hogy hardverstruktúrája nem módosítható, kizárólag megfelelő védettségű ipari tokozásban készül és kis helyigényű. Felhasználási területei a sorozatban gyártott gépek, berendezések automatikái, illetve a PLC műszaki jellemzői által lefedhető egyedi vezérlések. A kompakt PLC-k speciális típusát jelentik az ún. mikro-plc-k, amelyek az embergép kapcsolat hardver- és szoftverfeltételét is tartalmazzák. A moduláris felépítésű programozható logikai vezérlők jellemzője, hogy a vezérlőberendezés valamely speciális funkciót önmagában ellátó modulokból épül fel. A modulok fizikai megjelenése rendszerint az áramköri kártya, dugaszolható csatlakozóval. A modulok ún. rack-be (tartó) dugaszolhatók, ezért a rendszer konfigurációja tág határokon belül bővíthető. A rack-ek megfelelő védettségű műszerdobozba vagy műszerszekrénybe szerelhetők. A moduláris felépítésű PLC-ket közepes, ill. nagyméretű rugalmas gyártórendszerek vagy ipari folyamatok irányítására fejlesztették ki. 1.2.2.2. A PLC-k funkcionális felépítése A PLC funkcionális felépítését az 1.8. ábra szemlélteti [10]. Az 1.8. ábra szerint a PLC-k főbb egységei: központi logikai ill. feldolgozóegység (LU, CPU, stb.); programmemória (ROM, EPROM, EEROM); adatmemória (RAM); bemeneti (input) egységek (digitális, ill. analóg); kimeneti (output) egységek (digitális, ill. analóg); kommunikációs egységek. 14

1.8. ábra. A PLC funkcionális felépítése A programozható vezérlők központi egysége a bemenetek és a kimenetek közötti, többnyire logikai kapcsolatokat időben sorosan és ciklikusan hajtja végre a programmemóriában tárolt program alapján. A soros jellegű adatfeldolgozásból eredően a ciklikus feldolgozást nagy sebességgel kell végrehajtani, hogy a működés kifelé párhuzamosnak (valós idejűnek) tűnjék. A programozható vezérlőkre vonatkozó IEC-1131-1 szabvány a PLC-t az 1.9. ábra szerinti sémával és funkciókkal definiálja [11]. A programozható vezérlő az alábbi funkciók ellátására képes: jel/adat feldolgozási funkció (signal/data processing); technológiai interfészfunkció az érzékelők kezelésére, ill. beavatkozók működtetésére; kommunikációs funkciók (PLC-PLC; PLC-számítógép; PLC-hálózat); ember-gép interfészfunkció (man-machine interface, MMI); programozási, tesztelési, dokumentálási funkció; tápellátási funkció. A fejlődés során a programozható vezérlők funkciói nagymértékben közeledtek a számítógép funkcióihoz. Így mára a PLC olyan ipari számítógépnek tekinthető, amely speciális hardveregységei és felhasználói programja révén a technológiai folyamatok tárolt programú vezérlésére és intelligens kommunikációs felülete révén hierarchikus és/vagy osztott folyamatirányító rendszerek létrehozására alkalmas. A programozható vezérlők előnyei: a szabad strukturálhatóság, a gyakorlatilag végtelen kapcsolási szám, a telepítési költségek csökkenése, a rendszerbe szervezhetőség lehetősége. A szabad strukturálhatóság felhasználói programozhatóságot jelent, amelynek révén a felhasználó a tárolt, egyedi program révén az univerzális hardvert a feladatra alkalmassá teszi. A PLC-k alkalmazásával a telepítési, beüzemelési idő nagymértékben lerövidíthető. 15

1.9. ábra. A PLC szabvány szerinti funkciói A programozható vezérlők alkalmazásának feladatai: az irányítási stratégia kidolgozása; az irányítórendszer struktúrájának tervezése; PLC-s rendszer konfigurálása; a PLC-hardver illesztése a folyamathoz; az ún. felhasználói program elkészítése; a kommunikációs funkciók kidolgozása; a PLC beüzemelése, üzemeltetése, karbantartása. Ezért a PLC-k alkalmazásánál az áramköri tervezésszintű ismeretek helyett a rendszertechnikai, programozási, informatikai, alkalmazásszintű ismeretek lépnek előtérbe. E köny tartalmát is ennek megfelelően állítottuk össze. 16

Irodalomjegyzék [1] Telkes Z.: Az irányítások generációs tulajdonságai (1. rész). Budapest, Elektronet, 1996/6. [2] Ajtonyi I.: Vezérléstechnika I. Budapest, Tankönyvkiadó, 1980. [3] Ajtonyi I.: Digitális rendszerek. Miskolc, Egyetemi Kiadó, 1998. [4] I. Ajtonyi: Intelligent Control System Dissertation for Habilitation. Kosice, 1998. [5] Neszveda J.: Irányítástechnika IV. Budapest, KKMF, 1995. [6] DIN 40719 szabvány. [7] Ajtonyi I.: Vezérléstechnika II. Budapest, Tankönyvkiadó, 1985. [8] Demmel L., Molnár T., Török B., Vágvölgyi G.: Programozható logikájú vezérlések. Budapest, Mérnöktovábbképző Intézet, 1989. [9] E. A. Parr: Programmable Controllers - An Engineer's Guide. Newness, 1996. [10] Ian G. Warnock: Programmable Controllers Operation and Application. Prentice Hall International, 1988. [11] IEC-1131/I-IV. szabvány, 1992. [12] Siemens: PCS7 gépkönyv, 1997. [13] N. S. Nise: Control Systems Engineering. The Cummings Publishing Company, 1995. [14] K. Ogata: Modern Control Engineering. Prentice Hall International, 1997. [15] ABB: Industrial Manual, 1998. [16] R. Bishop: Modern Control Systems Analisis & Design Addison-Wesley Inc., 1997. 17

2. Programozható vezérlők hardverfelépítése A programozható vezérlők hardvere univerzális. Fő rendeltetése a vezérlési program végrehajtása, amihez az adatok beolvasására, feldolgozására és az eredmény kivitelére van szükség. Ezt a három műveletet az alábbi hardveregységek végzik: bemeneti egység, központi feldolgozóegység és kimeneti egység. A felsoroltak közül a központi feldolgozóegység fejlődött a legdinamikusabban, és főként ez határozza meg a PLC szolgáltatásait. 2.1. ábra. A programozható vezérlő három fő egysége Az első PLC-k központi feldolgozóegysége még kis- és/vagy közepes mértékben integrált digitális áramkörökből (Small Scale Integration, SSI; Medium Scale Integration, MSI) épült fel. Az integrálási technológia fejlődésével a huzalozott logikájú központi egységeket felváltották az ún. bitprocesszorok (szokásos elnevezések még: Boole-processzor, logikai processzor), amelyek funkcionálisan nem, csak méretbeli és áramköri jellemzők szempontjából jelentettek előnyt az előzőekhez képest. Ezek alkották a programozható vezérlők első generációját. A nagymértékben integrált áramkörök (Very/Large Scale Integration, V/LSI) elterjedésével az általános célú mikroprocesszorok váltak a PLC-k központi feldolgozóegységévé, ami egyben minőségi változást is jelentett. A bájt-, ill. szóprocesszorok alkalmazása révén a Booleműveletek mellett a következő funkciók váltak általánossá a programozható vezérlőkben: aritmetikai műveletek végzése, szabályozási funkció ellátása, szabványos kommunikáció biztosítása stb. A mikroprocesszor alapú programozható vezérlők, amelyek napjainkra szinte egyeduralkodóvá váltak, tekinthetők a PLC-k második generációjának. 2.1. Bitprocesszor alapú programozható vezérlők A bitprocesszor alapú programozható vezérlők jellemzői: csak egybites, Boole jellegű logikai műveletek végzése; kevés számú utasítás; kisméretű memóriakezelési lehetőség; mikroprogramozott vezérlési architektúra; névkódon alapuló (esetleg gépi kódú) programozás; alacsony szintű pont-pont jellegű kommunikáció. A mára elavultnak tekinthető bitprocesszor alapú PLC-k bemutatása egyrészt didaktikailag indokolható, mivel felépítésük és működésük egyszerű és szinte bitenként követhető, másrészt az ún. PLC-nyelvek és a korai bitszervezésű architektúrák között igen szoros összefüggés van. A bitprocesszor rendszerint a következő egységeket tartalmazza: bemeneti multiplexer, programozható logikai egység (Logical Unit, LU), egybites akkumulátor, kimeneti tároló és demultiplexer, véletlen hozzáférésű memória (Random Access Memory, RAM) és a szükséges adat-, cím- és vezérlővonalak (2.2. ábra). 18

2.2. ábra. Egy bitprocesszor alapú PLC felépítése Az egyes egységek funkciói: bemeneti multiplexer: a bemeneti logikai változók kiválasztása és az adat kapuzása a programmemóriában tárolt bemeneti cím alapján; logikai egység: a bemenetére jutó bitek között a programmemóriában tárolt mikrokód által meghatározott logikai művelet végzése; akkumulátor: egybites operandus- és eredményregiszter; kimeneti demultiplexer és tároló: a LU által végrehajtott logikai művelet eredményének (1 bit) kijuttatása a programmemória által meghatározott kimenetre és az adat tárolása; adatmemória: a logikai műveletek részeredményeinek tárolása. A bitprocesszor alapú PLC külső elemei és azok funkciói: programmemória: a vezérlési algoritmust realizáló program tárolása, programszámláló: a programmemória egymás utáni címkombinációinak előállítása az óragenerátorról kapott impulzusok hatására. A mikrokód által programozott logikai egység legegyszerűbb felépítését szemlélteti a 2.3. ábra. 19

2.3. ábra. A mikrokód által programozott logikai egység A logikai egység a két bemeneti változón (A, B) négyféle logikai műveletet hajt végre, de a kimeneti multiplexer révén a C, D bemenetek (műveleti kód) által kiválasztott eredmény jut a kimenetekre (Y) az alábbiak szerint: Mikrokód Függvény C D Y 0 0 A & B 0 1 A B 1 0 A & B 1 1 A B A 2.2., ill. 2.3. ábrák alapján követhető a bitszervezésű PLC működése. A programmemóriában tárolt operandusmező közvetlenül címezi a bemeneti, kimeneti, ill. RAM-elemeket, a műveleti kód pedig a programozható logikai egység által végzendő műveletet definiálja. A logikai egység mindig az akkumulátor és a másik operandus (bemenet, vagy RAM bit) között hozza létre az előírt logikai műveletet, például a kétváltozós ÉS kapcsolatot. A programmemóriában tárolt programot a PLC az órajel-generátor által működtetett számláló révén, növekményes sorrendben egymás után ciklikusan hajtja végre. A kimenetre juttatott eredményeket a flipflopok tárolják két ciklus között. A programozható vezérlőkben kétféle funkciójú memóriát alkalmaznak: program- és adatmemóriát. A programmemória a vezérlőprogramot tartalmazza, amely a vezérlési algoritmust realizálja. A bitprocesszor alapú PLC-k esetén a programmemória szóhossza nem szükségképpen igazodik a szóprocesszoroknál ismert 8/16/32 bites szóhosszhoz. A programmemória szóhosszúságát egyrészt az utasítások számának bináris kódja, másrészt a be/ki címtartomány határozza meg. Példaként egy 12 bit szóhosszú memória funkcióit szemlélteti a 2.4. ábra, ahol az utasításbitek száma 3 (2 3 =8 utasítás), a be/ki címbitek száma 9 (2 9 = 512 be/ki cím, pl. 256 bemenet, 256 kimenet). 20

2.4. ábra. Egy utasítás elhelyezése a programtárolóban Programmemóriaként korábban egyszer programozható, csak olvasható memóriát használtak (Programmable Read-Only Memory, PROM), míg napjainkban törölhető, programozható, csak olvasható (Erasable PROM, EPROM), ill. elektromosan törölhető, újraprogramozható, csak olvasható (Electrically EPROM, EEPROM) memóriát alkalmaznak. Utóbbi előnye, hogy a program módosítása a memóriacsip kivétele nélkül közvetlenül megoldható (in system programming). Főként a felhasználói programok belövésekor jól használhatók programmemóriaként a teleppel védett CMOS RAM-ok (Complementary Metal-Oxid Semiconductor, CMOS). A programfutás közben keletkező változók tárolására írható-olvasható memóriák (RAM) szolgálnak, amelyek a tápfeszültség bekapcsolásakor telepes védelem nélkül tetszőleges értéket (0, ill. 1) vehetnek fel. A RAM-memóriák a következő célorientált funkciókat látják el a programozható vezérlőkben: a közbenső adattárolók funkciója hasonló a hagyományos vezérlés segédreléihez. Ezek a tárolók valósítják meg az ún. MERKER funkciókat (a programban M betűvel jelölik). Erre van szükség a diszjunktív alakú függvényekben szereplő VAGY kapcsolatok részeredményeinek tárolásánál vagy a sorrendi hálózatokban a lefutó vezérlés belső állapotainak 1 az n-ből jellegű állapot kódolására. A MERKER memória bitprocesszor alapú PLC-k esetén bitszervezésű; az I/O RAM funkció a bemeneti, ill. kimeneti változók tárolását jelenti, szintén bitszervezésű; az időzítők (timer) és számlálók (counter) értékének átmeneti tárolása (bájt vagy szó jellegű). Napjainkban szinte kizárólag teleppel védett CMOS RAM csipeket használnak RAMmemóriaként. Egy tipikus bitprocesszor alapú PLC felépítését szemlélteti a 2.5. ábra [10]. Látható, hogy a logikai egység operandusai lehetnek: egy bemenet (I), egy kimenet (O), egy merkerbit (M), egy időzítőkimenet (T) vagy számlálókimenet (C). A bemeneti változót kivéve valamennyi változó a logikai egységgel, a program futtatásával módosítható. 21

2.5. ábra. Bitszervezésű PLC felépítése 2.2. Bájt- vagy szóprocesszor alapú programozható vezérlők A programozható vezérlők szolgáltatásai az általános célú mikroprocesszorok (bájt- vagy szóprocesszorok) beépítésével minőségileg megváltoztak. A szóprocesszorok felépítése nagymértékben hasonlít a bitprocesszorokéhoz. Az első mikroprocesszorok a 70-es évek elején jelentek meg. A mikroprocesszorok a digitális számítógépek központi feldolgozóegysége funkcióinak ellátására alkalmasak, nagymértékben integrált áramkörök, egyetlen lapkán kialakítva. Az első mikroszámítógép-rendszer már a Neumann-féle modell valamennyi elemét tartalmazta (2.6. ábra): - központi feldolgozóegység (Central Processor Unit, CPU); - memóriák (RAM, ROM); - beviteli/kiviteli egység (Input/Output, I/O); - sínrendszer. 2.6. ábra. A mikroszámítógép felépítése 22