Sterownik PLC czyli Programowalny Sterownik Logiczny

Sterownik PLC czyli  Programowalny Sterownik Logiczny

Sterownik PLC – (ang. Programmable Logic Controler) to inaczej Programowalny Sterownik Logiczny, czyli urządzenie mikroprocesorowe, posiadające szereg wejść/wyjść zarówno cyfrowych jak i analogowych oraz posiadający transmisję danych wykorzystującą protokoły komunikacyjne, wykonywający określony program w sposób cykliczny.  Cechą charakterystyczną sterowników PLC jest możliwość swobodnego ich programowania.

Sterownik PLC z modułami wejść/wyjść.
Sterownik PLC z modułami wejść/wyjść.

Budowa i sposób działania

Sterownik PLC zbudowany jest z:

  • jednostki centralnej CPU,
  • pamięci ROM, PROM, EPROM, EEPROM
  • bloków wejść cyfrowych
  • bloków wejść analogowych
  • bloków komunikacyjnych
  • bloków wyjść cyfrowych
  • bloków wyjść analogowych
  • bloków specjalnych

Sterownik wykonuje program cyklicznie, tzn. wykonuje po kolei sekwencję zapisaną w programie. Na początku cyklu skanowania sprawdza stany na wejściach, wykonuje sekwencję programu, a następnie w zależnie od jego struktury zmienia odpowiednio stany na wyjściach, czyli najprościej mówiąc steruje urządzenia wykonawczymi.

Programowanie sterowników odbywa się za pomocą kilku języków programowania:

LD (Ladder Diagram) logika drabinkowa – schemat zbliżony do klasycznego rysunku technicznego elektrycznego;
FBD (Function Block Diagram) – diagram bloków funkcyjnych, sekwencja linii zawierających bloki funkcyjne;
ST (Structured Text) tekst strukturalny – język zbliżony do Pascala;
IL (Instruction List) lista instrukcji – rodzaj asemblera;
SFC (Sequential Function Chart) sekwencyjny ciąg bloków – sekwencja bloków programowych z warunkami przejścia. [wikipedia]

Najbardziej popularny wydaje się sposób programowania w języku drabinkowym.

Sterownik PLC
Sterownik PLC

Ogólna charakterystyka

Sterowniki PLC stały się esencją automatyki przemysłowej. Bez nich trudno byłoby sobie wyobrazić dzisiejszy świat. Te niepozorne urządzenia potrafią naprawdę wiele.  Jeszcze 30, 40 lat temu w większości zakładów przemysłowych przeważały ogromne szafy sterownicze oparte na układach logicznych półprzewodnikowych, przekaźnikach czasowych itp. Dzisiaj nierzadko wykonuje się modernizację takich układów i okazuje się że te ogromne szafy można zwinąć do kilku „pudełek” wielkości paczek kawy.

Gdy zaczynamy swoją przygodę ze sterownikami PLC, musimy zdawać sobie sprawę z kilku podstawowych rzeczy.

Program

Nowy sterownik PLC po zakupie jest „czysty”, tzn. nie ma w nim wgranego żadnego programu. Często zdarza się, że gdy w jakimś zakładzie wystąpi awaria, to klienci wyszukują sobie producenta lub dystrybutora takiego sprzętu i chcą kupić taki na podmianę. Na pytanie czy mają do niego program, często pada odpowiedź że nie. Wtedy pozostaje im jedno: szukać firmy, która taki program napisała i modlić się żeby go jeszcze mieli. Tak to już jest, że interes klienta końcowego i integratora – wykonawcy systemu jest zgoła różny. Klienci często nie zdają sobie sprawy, że na etapie rozmów wstępnych mogą zażądać od wykonawcy programu. Spotkałem się już na ten temat z różnymi opiniami. Przede wszystkim program może być udostępniony pod dwoma postaciami: w wersji skompilowanej – jest to kod maszynowy, gdzie nie da się podglądnąć parametrów i program w wersji otwartej – czyli można go podglądnąć, modyfikować itp. Jeśli wgramy program do sterownika, to mamy opcję jego zablokowania przed skopiowaniem i właśnie z tego rozwiązania korzysta wielu programistów, tłumacząc to tym, że jest to integralna część urządzenia. Wiadomo w chwili awarii trzeba zapłacić i za sterownik i za program. Inni podchodzą do tego inaczej, uważają że skoro ktoś za program raz zapłacił to już jest jego własnością. Często udostępniają go w wersji gotowej do edycji i nie blokują możliwości jego zgrania ze sterownika. Uważam, że w tej kwestii należy się kierować zdrowym rozsądkiem i rozważyć wszystkie za i przeciw. Jeśli raz zrazimy do siebie klienta, to już może on do nas więcej nie wrócić.

Oprogramowanie narzędziowe

Oprogramowanie narzędziowe służy do programowania sterowników PLC. Instaluje się je na komputerze i za pomocą przewodu łączy się je ze sterownikiem. W zależności od producenta za oprogramowanie narzędziowe i przewód trzeba zapłacić osobno lub są one w cenie urządzenia. Przeważnie jest tak, że jak za oprogramowanie narzędziowe trzeba zapłacić, to w tej cenie dostajemy symulator sterownika, dzięki któremu po napisaniu programu możemy go przetestować. Tam z kolei, gdzie program jest darmowy, to nie ma symulatora i trzeba mieć fizycznie sterownik żeby przetestować czy wszystko działa. To się oczywiście cały czas zmienia, więc warto takie informacje weryfikować na bieżąco.

Sterownik z panelem operatorskim

Przeważnie sterowniki PLC występują bez paneli operatorskich, ale jest kilku producentów, którzy proponują sterowniki zintegrowanie z panelem. Tam gdzie panelu nie ma można oczywiście podłączyć zewnętrzny. Są zwolennicy takiego i takiego rozwiązania. Należy pamiętać, że panel należy programować oddzielnie.

 

Sterownik PLC z panel operatorskim.
Sterownik PLC z panel operatorskim.

Wejścia cyfrowe

Dyskretne (dwustanowe) 24Vdc w standardzie pnp (wejście aktywne plusem) lub npn (wejście aktywne masą), tu jest ważne żeby podłączyć czujnik z odpowiednią polaryzacją do odpowiedniego wejścia. Do tych wejść podłącza się przeważnie czujniki zbliżeniowe, sygnały z falowników, softstartów (przeważnie sygnał o pracy, gotowości, awarii).

Szybkie wejścia licznikowe. Uwaga, nie mylić z wejściami enkoderowymi. Te wejścia nie rozpoznają kierunku obrotu wałka enkodera, bądź kierunku posuwu enkoder liniowego. Służą do zliczania impulsów.

Wejścia enkoderowe.

 

Wejścia analogowe

Prądowe 4-20mA lub rzadziej stosowane 0-20mA.

Napięciowe 0-10Vdc.

Wejście rezystancyjne, dedykowane dla czujników temeperatury PT100 lub PT1000.

Wejścia pod moduły wagowe.

Wyjścia cyfrowe

Przekaźnikowe – o obciążalności kilku amperów.

Tranzystorowe.

Szybkie wyjścia PWM – można nimi sterować np. silniki krokowe.

Tu warto się zastanowić czy kupić sterownik z wyjściami przekaźnikowymi czy tranzystorowymi. Jeśli mamy aplikację, w której wyjście załączane jest raz na godzinę lub rzadziej, no to śmiało można brać z przekaźnikowymi, a jeśli wyjście załącza się co klika sekund, to lepiej wziąć tranzystorowe i podłączyć zewnętrzne przekaźniki, które w razie zużycia szybko będzie można wymienić, a nie oddawać do serwisu cały sterownik lub moduł rozszerzeń (wyjścia tranzystorowe mają większą żywotność niż przekaźnikowe).

Wyjścia analogowe

Prądowe 4-20mA

Napięciowe 0-10Vdc

Można je np. wykorzystać do płynnego sterowania prędkością obrotową falowników.

Komunikacja

Sterowniki wyposażone są często w porty komunikacyjne np. RS485 wykorzystujące różne protokoły transmisji, np. ModBus, CANbus, Profibus itp. Często są one wykorzystywane, gdy do sterownika chcemy podłączyć większą liczbę urządzeń wyposażonych w taką komunikację. Np. gdy do sterownika musimy podłączyć 10 falowników i chcemy im płynnie zadawać prędkość obrotową, to przy tradycyjnym podłączeniu potrzebowalibyśmy 10 wyjść analogowych i 10 lub 2o wyjść cyfrowych. Moduły analogowe zwykle są drogie. W takim przypadku możemy wykorzystać transmisję i zadawać częstotliwość np. po ModBus-ie.

Zegar czasu rzeczywistego RTC

Zegar czasu rzeczywistego jest bardzo przydatny w niektórych aplikacjach. Możemy o określonej godzinie coś załączyć/wyłączyć. Nie każdy sterownik go posiada, czasami można go dokupić jako opcję. RTC do poprawnej pracy wymaga baterii, która co jakiś czas musi być wymieniona.

Moduły rozszerzeń

Sterowniki PLC mają budowę modułową, co oznacza, że do podstawowej konfiguracji można przeważnie dokupić moduły wejść/wyjść. Np. sterownik w podstawowej konfiguracji ma 10 wejść i 10 wyjść cyfrowych oraz 2 wyjścia i 2 wejście analogowe, a nam potrzeba jest dodatkowo 10 wyjść i 20 wejść cyfrowych i 3 wyjścia analogowe. Wtedy bierzemy cennik i dobieramy sobie taką konfigurację, która będzie dla nas odpowiednia. Uwaga: nie wszystkie dostępne sterowniki na rynku mogą być rozszerzane poprzez moduły we/wy. Przeważnie tanie modele takiej opcji nie mają, wtedy musimy bardzo dokładnie rozplanować całą aplikację, żeby nam jakiegoś wejścia czy wyjścia nie brakło. Przeważnie zanim dołoży się moduł, trzeba jeszcze mieć adapter rozszerzający czyli urządzenie pomiędzy sterownikiem a modułami we/wy, ale o to trzeba dokładnie wypytać sprzedawcę konkretnego systemu.

Sterownik PLC z modułami rozszerzeń
Sterownik PLC z modułami rozszerzeń

Przykładowe aplikacje

Sterownik PLC jest na tyle uniwersalnym urządzeniem, że może być stosowany praktycznie wszędzie. Ograniczeniem są np. maszyny cnc, gdzie potrzebna jest interpolacja w przestrzeni (czyli zrobienie przez narzędzie ruchu kulistego). Tego niestety nie potrafią sterowniki PLC, ale do tego wykorzystuje się sterowania CNC. Gdzie można zatem stosować sterownik PLC? Poniżej przedstawiam przykładowe aplikacje:

– maszyny produkcyjne dowolnego typu

– sterowanie procesami technologicznymi

– maszyny pakujące

– maszyny etykietujące

– wirówki

– prasy

– gilotyny

– kruszarki

– stacje pomp i sprzrężarki

– układy napędowe

– wciągarki i windy

– przenośniki taśmowe

– piece, suszarnie

– automatyka budynków

SCADA – wizualizacja procesów technologicznych

SCADA (ang. Supervisory Control And Data Acquisition) – jest to oprogramowanie służące do nadzorowania procesów technologicznych i produkcyjnych. Za jego pomocą możliwa jest wizualizacja – podgląd procesów, sterowanie, wyświetlanie alarmów oraz archiwizacja danych.

Termin SCADA zwykle odnosi się do systemu komputerowego, który pełni rolę nadrzędną w stosunku do sterowników PLC i innych urządzeń. Na ogół to sterowniki PLC połączone są bezpośrednio z urządzeniami wykonawczymi (zawory, pompy itp.) i pomiarowymi (czujniki temperatury, poziomu itp.) i zbierają aktualne dane z obiektu oraz wykonują automatyczne algorytmy sterowania i regulacji. Za pośrednictwem sterowników PLC dane trafiają do systemu komputerowego i tam są archiwizowane oraz przetwarzane na formę bardziej przyjazną dla użytkownika. Operatorzy systemu zadają generalne parametry procesu lub prowadzą proces w trybie ręcznym. [żródło: wikipedia]

SCADA - wizualizacja procesu
SCADA – wizualizacja procesu

W automatyce procesowej funkcję wykonawczą pełnią zazwyczaj sterowniki PLC, mają one też za zadanie wykonywania głównego programu, który steruje procesem technologicznym. Ich przewaga nad zwykłymi PC-tami lub komputerami przemysłowymi jest bardzo duża. Głównie dlatego, że zostały one specjalnie do tego celu zaprojektowane. Posiadają szereg wejść/wyjść zarówno cyfrowych, jak i analogowych, posiadają protokoły komunikacyjne (ModBus, Profibus, CANbus itp.). Komputery PC korzystają z systemów operacyjnych, które nierzadko narażone są na zewnętrzne ataki, wirusy itp. Z punktu widzenia procesów przemysłowych są krótko mówiąc bardziej zawodne niż sterowniki PLC. Problem pojawia się, gdy w zakładzie mamy kilka odrębnych systemów, które co prawda pracują niezależnie od siebie, ale razem tworzą ciąg technologiczny ściśle powiązany ze sobą (np. awaria jednego wpływa na zatrzymanie pozostałych). W takim przypadku SCDA jest niezastąpionym narzędziem.

Wyobraźmy sobie sytuację, że w zakładzie mamy 10 sterowników PLC, z 10 panelami operatorskimi i że sekcje te są znacznie do siebie oddalone. Gdybyśmy nie mieli wizualizacji w postaci SCADA -y i gdyby z jakiegoś powodu cały proces się automatycznie wyłączył, to nie wiedzielibyśmy która sekcja uległa awarii. Teoretycznie każda z nich mogłaby być nadzorowana przez operatora, który by odpowiednio reagował, ale to jak wiadomo podnosi koszty produkcyjne. Spięcie wszystkiego w jeden system powoduje, że nad wszystkim może czuwać jeden człowiek. W chwili pojawienia się alarmu może szybko zareagować.

SCADA daje nam jeszcze jedną przydatną funkcję, potrafi archiwizować pomiary z czujników lub urządzeń i przedstawiać je w postaci wykresów graficznych. W swojej obecnej pracy nieraz zdarzyło mi się wrócić do danych, które wystąpiły kilka dni wcześniej.

SCADA wykres
SCADA wykres

Jeśli komuś w Was zdarzy się kiedyś tworzyć SCADA dla inwestora, to należy pamiętać, żeby do końca nie „ułatwiać” pracy obsłudze. Tzn. odradzałbym umieszczania kasowania alarmów poprzez PC. Jeśli wystąpi sytuacja awaryjna, to lepiej żeby operator przeszedł się na halę i najpierw sprawdził co się stało, a później kasował alarmy. Dobrze jest natomiast umieścić możliwość zmiany parametrów pracy, np. zwiększenie lub zmniejszenie wydajność układu, itp.

 

SCADA
SCADA

Wizualizację tworzy się z gotowej biblioteki urządzeń i od programisty zależy jak ona będzie wyglądać. Przyjęło się że urządzenia działające mają kolor zielony, gotowe do pracy żółty, a te które uległy awarii czerwony.

Czujnik indukcyjny – zastosowania

Czujnik indukcyjny – zastosowania

Czujnik indukcyjny – wykrywa obecność metalowych elementów, również nieżelaznych. Czujniki indukcyjne są najbardziej rozpowszechnionymi sensorami w każdej gałęzi przemysłu. Stosowane są często jako wyłączniki krańcowe, wykrywają obecność suportów maszyn, służą jako czujniki bazowania, mogą być użyte do pomiaru prędkości obrotowej wirujących przedmiotów itp. Zasięgi czujników indukcyjnych to zazwyczaj klika, kilkadziesiąt milimetrów. Gdy wykrywany element jest wykonany np. z aluminium lub miedzi, podane zasięgi czujników będą inne od znamionowych. Gdy nie wiemy ile one wynoszą, dobrze jest zapytać o to producenta bądź sprzedawcę.

Przykłady zastosowań czujników zbliżeniowych, indukcyjnych:

Wyłącznik krańcowy

 

Czujnik indukcyjny
Czujnik indukcyjny pracujący jako wyłącznik krańcowy.

Na powyższym zdjęciu widzimy czujnik indukcyjny, cylindryczny, pracujący jako wyłącznik krańcowy. Wykrywa on obecność elementu metalowego dystrybutora dozującego, który wykonuje ruch w prawą i lewą stronę. Gdy dozator dojeżdża do czujnika i ten wystawia sygnał o obecności jednostki, następuje zmiana kierunku obrotów i suport przesuwa się w przeciwną stronę.

Kontrola położenia wału

Czujnik indukcyjny
Czujniki indukcyjne – kontrola położenia wału w prasie hydraulicznej.

Zdjęcie przedstawia układ kontroli położenia wału w prasie hydraulicznej. Z każdej strony znajduje się para czujników. W początkowej fazie ruch odbywa się z nominalną prędkością, w momencie gdy pierwszy z czujników zadziała, układ zwalnia i pracuje z mniejszą prędkością, gdy dojedzie do drugiego, wówczas następuje zmiana kierunku obrotów wału prasy.

Kontrola obrotów wału przenośnika kubełkowego

Czujnik indukcyjny
Czujnik indukcyjny – kontrola obrotów wału przenośnika kubełkowego.

Czujnik kontroluje czy przenośnik kubełkowy pracuje. Gdy metalowe elementy zaczynają wirować, sygnał z czujnika podawany jest do sterownika nadrzędnego. Dodatkowo można zrobić kontrolę prędkości obrotowej – zliczając częstotliwość impulsów mamy informacje o prędkości układu. Gdy zadana prędkość będzie niższa od znamionowej, oznaczać to może poluzowanie lub zerwanie pasa w przenośniku. Jak widzimy na zdjęciu, obudowa z tworzywa nie ma wpływu na prawidłową detekcję metalowych elementów przez czujnik.

Kontrola zamknięcia zasuwy

Czujnik indukcyjny
Czujnik indukcyjny – kontrola zamknięcia zasuwy.
Czujnik indukcyjny
Czujnik indukcyjny – kontrola położenia dźwigni zaworu.

Oba czujniki mają za zadanie informować o tym, czy zasuwa, bądź dźwignia zaworu znajduje się w odpowiednim położeniu – czy nie zostały ręcznie przestawione.

Kontrola drgań

Czujnik indukcyjny
Czujnik indukcyjny – kontrola drgań

Czujnik indukcyjny może być użyty do kontroli drgań w układzie. Na powyższym zdjęciu widzimy sensor, który wykrywa obecność śruby. Gdy układ wpadnie w duże wibracje i śruba zbliży się do czujnika na odpowiednią odległość, układ zostanie automatycznie wyłączony i zgłosi błąd.

Kontrola położenia nakrętki

Czujnik indukcyjny
Sensor indukcyjny – kontrola położenia nakrętki.

Czujnik bada położenie nakrętki, gdy w wyniku drgań zmieni ona swoje położenie, układ nadrzędny zostanie o tym poinformowany.