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