Przekaźnik programowalny easyE4 (część 1). Licznik osób w pomieszczeniu

Siła wielu współczesnych urządzeń tkwi w ich oprogramowaniu. Dotyczy to zwłaszcza sterowników przemysłowych, przekaźników programowalnych i komputerów jednopłytkowych. Korzystając z dostępnych na rynku komponentów nie jest trudno zbudować jakiś sterownik programowalny lub przekaźnik. Znacznie trudniej jest wykonać interfejs użytkownika oraz zestaw narzędzi programowych, które sprawią, że potencjalnym klientom będzie chciało się go używać chociażby ze względu na łatwość programowania.

O ile easyE4 jest z wyglądu zbliżony do innych urządzeń tego typu, o tyle jego mocną stroną jest właśnie oprogramowanie narzędziowe. Daje ono użytkownikowi nie tylko możliwość użycia różnych metod programowania oraz symulowania pracy gotowej aplikacji, ale także udostępnia wiele gotowych bloków funkcyjnych wśród których znajdziemy również moduły dotychczas dostępne jedynie w znacznie droższych sterownikach PLC.

Najlepiej uczyć się, jeśli ma się odpowiednią, silną motywację. Nie od dziś mówi się, że „potrzeba jest matką wynalazku”. Dlatego chcąc nauczyć się aplikacji sterownika PLC lub przekaźnika programowalnego warto wybrać jakiś problem do rozwiązania, a następnie dobrać komponenty i krok po kroku, ucząc się na przykładzie, wykonać zamierzoną aplikację. Oczywiście, z jednej strony możemy mieć wątpliwości odnośnie do poprawności wykonanego przez nas rozwiązania, bo przecież dopiero się uczymy i jeszcze nie mamy adekwatnej wiedzy, ale z drugiej strony, jeśli siłą naszej aplikacji będzie głównie oprogramowanie, to zawsze pozostaje możliwość jego aktualizacji. Natomiast ucząc się na przykładzie zyskujemy podwójnie. Po pierwsze, wykonujemy jakąś pożyteczną pracę, a po drugie uczymy się i zapamiętujemy nowe techniki, których będzie można użyć w przyszłości.

Nowoczesne układy programowalne, sterowniki PLC i ich mniejsi bracia – przekaźniki programowalne mają tę zaletę, że w wielu wypadkach nie trzeba zbytnio przejmować się optymalizacją programu. Oczywiście, warto zadbać o to, aby był on napisany zgodnie ze sztuką i najlepiej, jak w danym momencie potrafimy, ale nowoczesne układy procesorowe dysponują tak dużymi zasobami i są przy tym tak szybkie, że nawet nieoptymalny program będzie miał szansę spełnić wymagania użytkownika. Ma to swoje wady i zalety, jednak nie będziemy ich w tym momencie rozważali, ale po prostu nauczymy się nowych umiejętności wykonując użyteczną aplikację.

Środowisko pracy

Oprogramowanie dla przekaźnika programowalnego easyE4 jest tworzone z użyciem środowiska programistycznego easySoft 7. Jego wersję demonstracyjną można pobrać za darmo, natomiast wersję komercyjną najłatwiej zakupić wraz z zestawem startowym EASY-BOX zawierającym wybrany model sterownika easyE4, kabel Ethernet służący do jego programowania oraz klucz licencji.

Środowisko programistyczne, bo tak należy nazwać rozbudowany pod względem dostępnych funkcjonalności easySoft 7, umożliwia nie tylko wykonanie oprogramowania przekaźnika za pomocą jednej z 4 metod, ale również symulowanie jego pracy, śledzenie zmiennych, przebiegów w wybranych punktach schematu logicznego lub na wejściach i wyjściach, itd. W dalszej części tekstu będzie jeszcze okazja, aby omówić poszczególne jakże przydatne funkcje dokładniej.

Środowisko programistyczne zostało dopasowane do możliwości przekaźnika programowalnego, które już dawno wykroczyły poza funkcjonalność oferowaną przez przekaźnik mechaniczny lub nawet elektroniczny oparty o układy nastawnych timerów. Najnowsza generacja przekaźników programowalnych ma nie tylko możliwość wyzwalania poszczególnych funkcji za pomocą zero-jedynkowych sygnałów cyfrowych, ale umożliwia również pomiar i kondycjonowanie sygnałów analogowych, budowanie rozległych sieci z użyciem standardowych interfejsów, wymianę danych z „dużymi” sterownikami PLC, a także szeroko rozumiane przetwarzanie zmiennych, na przykład, zamianę wartości cyfrowej na adekwatny przebieg PWM, a po dodaniu nieskomplikowanego filtra również na wartość analogową. Większość takich funkcji była niegdyś zarezerwowana wyłącznie dla konwencjonalnych, drogich sterowników PLC, a dziś może z powodzeniem zrealizować je miniaturowy przekaźnik programowalny easyE4.

Sprzęt

Rodzina przekaźników programowanych easyE4 aktualnie zawiera 12 jednostek nieco różniących się możliwościami, zasilaniem, rodzajem złączy oraz wyposażeniem w wyświetlacz i liczbą przycisków na panelu. Kapitalne jest to, że rozpoczynając projekt trzeba mieć jedynie ogólną orientację, a wybranie konkretnego typu ułatwia nam samo środowisko programistyczne easySoft 7, w którym przed rozpoczęciem projektu po lewej stronie (folder Base devices) są wymienione dostępne modele przekaźników programowalnych. Po wskazaniu któregoś z nich, po prawej stronie okna roboczego zostanie pokazany jego szczegółowy opis zawierający podstawowe parametry, wartość napięcia zasilającego, liczbę wejść/wyjść (w tym analogowych) itd. A jeśli to będzie jeszcze za mało, to po kliknięciu w nazwę zostaniemy przeniesieni na stronę internetową producenta zawierającą szczegółowe informacje. Orientację ułatwiają też miniaturowe ikony, które już na pierwszy rzut oka pozwalają na stwierdzenie, czy dany model jest wyposażony w wyświetlacz, czy też nie.

Nazewnictwo stosowane przez producenta pozwala na łatwą orientację przy wyborze przekaźnika programowalnego do projektu. Oznaczenie typu składa się między innymi z:

• Nazwy modelu przekaźnika, tu jest to EASY-E4.
• Oznaczenia rodzaju napięcia zasilającego (UC – stałe lub przemienne, DC – stałe, AC – przemienne. Uwaga: modele z literami „AC” w nazwie nie mają wejść analogowych).
• Sumarycznej liczby złączy wejścia/wyjścia (w rodzinie easyE4 jest to 12).
• Rodzaju wyjścia (R – przekaźnikowe/relays, T – tranzystorowe/transistors).

Każdy z modeli programowalnego przekaźnika zawiera zegar czasu rzeczywistego z zasilaniem podtrzymywanym za pomocą baterii. Wejścia/wyjścia mają złącza typu terminal ze śrubą (liczba „1” w nazwie) lub terminal push-in (oznaczenie „1P” w nazwie). Jeśli dany model przekaźnika nie ma wyświetlacza i przycisków umożliwiających obsługę menu, to w jego nazwie występuje litera „X”.

Tworzenie oprogramowania

Środowisko programistyczne easySoft 7 jest unikatowe. Producent przekaźnika programowalnego easyE4 poważnie podszedł do jego aplikacji dając użytkownikowi szereg możliwości. O ile bowiem produkty konkurencyjne mają możliwość wykonywania oprogramowania za pomocą schematu bloków funkcjonalnych FBD oraz diagramu drabinkowego LD, o tyle w easySoft 7 znajdziemy jeszcze dwie dodatkowe możliwości: język strukturalny ST i znany z wcześniejszych produktów mających skromniejsze możliwości, autorski diagram EDP, co pozwoli nie tylko na szybkie „przestawienie się” na nowy produkt, ale zapewnia również kompatybilność wsteczną w razie konieczności zastąpienia starszego modelu przekaźnika.

Jedną z najważniejszych zalet środowiska easySoft 7 jest dostępność preprogramowanych przez producenta bloków funkcyjnych, które można łatwo skonfigurować dopasowując do własnych potrzeb. We wcześniejszych modelach przekaźników programowalnych te bloki były głównie przeznaczone do nieskomplikowanych zastosowań typu włącz/wyłącz w automatyce budynkowej, na przykład do włączania/wyłączania oświetlenia o określonej porze dnia. Obecnie mogą one być z powodzeniem wykorzystywane również w automatyce przemysłowej, ponieważ w ich definicjach pojawiły się, na przykład, bloki regulatorów PID, komparatorów wielkości analogowych, moduły arytmetyczne, mierniki częstotliwości, programowalne liczniki i inne.

Dla osoby przyzwyczajonej do skromnych możliwości przekaźników programowalnych zestaw bloków funkcyjnych dostępnych w serii easyE4 może być zaskoczeniem. Dla przykładu, przyglądając się dokładniej opisowi, już przy wyborze modelu przekaźnika, znajdziemy między innymi bloki:

• IC – przerwanie wywoływane zależnie od stanu licznika.
• IE – przerwanie wywoływane zboczem sygnału wejściowego.
• IT – przerwanie wywoływane przez zegar czasu rzeczywistego.

To kapitalna sprawa! Osoby piszące programy wiedzą, że przerwania pozwalają na bardzo efektywne zarządzanie dostępną mocą obliczeniową, na wykonywanie określonych zadań wtedy, kiedy powinny być realizowane, bez żmudnego odpytywania stanu wejść/wyjść.

Oprócz obszernej biblioteki bloków funkcyjnych zdefiniowanych fabrycznie jest możliwe również tworzenie bloków funkcyjnych użytkownika (UF), które można zintegrować z dowolnym projektem oraz stosować wielokrotnie, dodając do bieżącego i innych projektów. Można również używać bloków wykonanych przez inne osoby, co oszczędza czas, ułatwia budowę instalacji oraz obniża koszt wdrożenia projektu.

Nazywanie easyE4 przekaźnikiem programowalnym jest trochę niesprawiedliwe. To niewielkie urządzenie, jeśli dodać do niego możliwość rozszerzania funkcjonalności za pomocą dodatkowych modułów rozszerzeń, ma funkcjonalność porównywalną do starszych sterowników PLC. Uwzględniając to powinno się stworzyć kategorię urządzeń przemysłowych inną niż „przekaźnik programowalny”, która to nazwa może wprowadzać w błąd. Mamy bowiem do czynienia nie tyle z przekaźnikiem, ile z miniaturowym sterownikiem PLC.

Dla praktyków: instalowanie i pierwsze uruchomienie easySoft 7

Środowisko programistyczne easySoft 7 jest dostępne na wielu portalach, jednak naszym zdaniem najlepiej jest je pobrać ze strony producenta, spod adresu https://www.eaton.com/ca/en-gb/catalog/machinery-controls/easysoft.html. Po kliknięciu w obrazek Eaton Software Download Center zostaniemy przeniesieni na stronę aplikacji, gdzie należy kliknąć w Software, następnie easySoft a z wyświetlonej listy wybrać aktualną, najnowszą wersję (w momencie pisania tego tekstu była to 7.2x). Teraz w wyświetlonej tabeli należy kliknąć na nazwę programu i poczekać, aż plik instalatora zostanie pobrany na dysk.

Pobierany plik jest typu .EXE, a więc jest aplikacją systemu Windows. Po zakończeniu pobierania należy uruchomić go, na przykład, dwukrotnie klikając na jego nazwie. Instalacja programu przebiega standardowo i żaden użytkownik Windows nie powinien mieć z nią problemu.

Jeśli mamy zakupioną licencję na oprogramowanie, to teraz należy odwiedzić stronę internetową http://www.eaton-automation.com/license. W momencie pisania tego tekstu ze względu na otwarty, nieszyfrowany protokół komunikacyjny (http zamiast https) przeglądarka Google Chrome kwalifikowała tę stronę jako niebezpieczną, więc aby ją otworzyć należało kliknąć w Zaawansowane i zezwolić na wyjątek bezpieczeństwa. Następnie, po kliknięciu w przycisk Next wprowadzić numer licencji podany na karcie dostępnej wewnątrz opakowania zestawu startowego. Po jego wprowadzeniu ponownie kliknąć Next i wybrać rodzaj tworzonego konta: czy jest to osoba prywatna (private customer), czy konto jest tworzone na firmę (business customer). Po ponownym kliknięciu Next należy podać swoje dane identyfikacyjne. Jeśli rejestracja przebiegła poprawnie, to na podany adres e-mail zostanie wysłany numer licencji, który następnie należy wprowadzić po uruchomieniu easySoft 7.

Klucz licencji zakupiony wraz z zestawem startowym jest przypisany do zarejestrowanego użytkownika i nie jest możliwe jego odstąpienie innej osobie. Ponowne wprowadzenie klucza na stronie internetowej powoduje powtórne wysłanie numer licencji pod warunkiem, że podane dane będą zgodne z tym już zarejestrowanymi wcześniej w firmie Eaton.

Przykład praktyczny: licznik osób

Pomysł na zliczanie osób w pomieszczeniu nie jest nowy. Niegdyś, w dobie popularyzacji układów cyfrowych, budowano go w oparciu o scalone przerzutniki JK lub D. Teraz, mając do dyspozycji tak kapitalne urządzenie jak easyE4 możemy go zbudować w oparciu o programowalny przekaźnik. Oczywiście, nie tylko, ale użycie easyE4 ma liczne zalety – gotowy mikrosterownik pozwoli na szybkie użycie naszego licznika, zapewni bezpieczeństwo elektryczne użytkownikom oraz da możliwość szybkiego, łatwego wprowadzenia poprawek. Ponadto, w razie potrzeby nasze rozwiązanie łatwo będzie można powielić.

Budowany przez nas licznik będzie przeznaczony do sygnalizacji przekroczenia dozwolonej liczby osób w pomieszczeniu. Może też być używany do automatycznego włączenia/wyłączenia oświetlenia, wentylacji, ogrzewania i innych odbiorników energii elektrycznej, których działanie powinno zależeć od obecności lub nieobecności osób w pomieszczeniu. Jako włącznik oświetlenia może przydać się przy wejściu do piwnicy, garażu, łazienki. Z kolei jako licznik osób sygnalizujący przekroczenie może przydać się w pomieszczeniach, w których wprowadzono ograniczenia ze względu na zagrożenie koronawirusem.

Rysunek 1. Poglądowy schemat ideowy rozwiązania licznika osób z przekaźnikiem programowalnym EASY-E4-UC-12RC1

Poglądowy schemat rozwiązania pokazano na rysunku 1. Istotnym elementem licznika są dwa czujniki (bariery podczerwone, ultradźwiękowe, optyczne itp.) o stykach normalnie otwartych. Najtaniej jest użyć barier pracujących w podczerwieni potocznie zwanych fotokomórkami. Zwykle są one używane do zabezpieczenia bram przed zamknięciem. Fotokomórki powinny być umieszczone w wejściu lub w korytarzu w odległości około 1 metra od siebie, na wysokości od 60 cm do 1 metra od podłogi w taki sposób, aby nawzajem nie zaburzały swojej pracy. Na przykład tak, jak na rysunku 2.

Rysunek 2. Rozmieszczenie barier pracujących jako czujniki licznika

W związku z tym, że do aplikacji wybrano EASY-E4-12TC zasilany napięciem z zakresu 12...24 V DC, to jest wymagany zasilacz napięcia stałego 24 V, który także może posłużyć do zasilania współpracujących elementów zewnętrznych, na przykład wspomnianych fotokomórek lub sygnalizatora. Sumaryczny pobór prądu przez te elementy powinien być dopasowany do obciążalności zasilacza.

Licznik zwiększa/zmniejsza liczbę osób znajdujących się wewnątrz pomieszczenia na podstawie impulsów występujących na wejściach I1 oraz I2:

• Impuls na wejściu I1 a następnie I2 powoduje zwiększenie liczby osób w pomieszczeniu o 1. Odpowiada to sekwencji zasłaniania/odsłaniania czujników pokazanej na rysunku 3.
• Impuls na wejściu I2 a następnie I1 powoduje zmniejszenie liczby w pomieszczeniu o 1 (rysunek 4).
• Licznik nie reaguje, jeśli opisana wyżej sekwencja impulsów występujących na wejściach I1 oraz I2 nie zostanie zachowana.
• Jeśli liczba osób w pomieszczeniu jest mniejsza od dozwolonej, to wyjście Q1 jest nieaktywne, natomiast Q2 jest aktywne (w ten sposób wyjścia Q1 i Q2 można dołączyć do sygnalizatora 2-komorowego).
• Jeśli liczba osób w pomieszczeniu jest większa lub równa od dozwolonej, to wyjście Q1 jest aktywne, a Q2 nieaktywne.

Rysunek 3. Sekwencja zasłaniania/odsłaniania czujników powodująca zwiększenia stanu licznika

Opisywana aplikacja licznika ma być ćwiczeniem, przykładem aplikacji, więc w naszym rozwiązaniu zastosowaliśmy przekaźnik programowalny z wyjściami tranzystorowymi, do których dołączono elementy sygnalizacyjne lub przekaźniki wykonawcze o dużym napięciu roboczym i prądzie obciążenia. Zamiast tego można użyć przekaźnika programowalnego o oznaczeniu EASY-E4-UC-12RC1 z wyjściami przekaźnikowymi, co uprości budowę urządzenia. W aplikacji założono bowiem, że będziemy dysponowali uniwersalnymi, bezpotencjałowymi wyjściami przekaźnikowymi, które można chociażby dołączyć równolegle do wyłącznika oświetlenia.

W liczniku wykonamy też nieskomplikowany interfejs użytkownika. Na wyświetlaczu wbudowanym w przekaźnik programowalny easyE4 pokażemy ustawioną (dozwoloną) oraz aktualną liczbę osób. Zapewnimy również możliwość ustawiania obu liczb za pomocą przycisków kursora oraz pokażemy komunikat informujący o stanie jednego z wyjść, Q1 lub Q2.

Jacek Bogusz
j.bogusz@easy-soft.net.pl