Sterowniki programowalne w układach automatyki

Obecnie sterowniki programowalne tworzą dużą i różnorodną grupę produktów – od modeli najprostszych, tzw. przekaźników programowalnych, poprzez kompaktowe, modułowe lub rozproszone „obiektowe” wersje sterowników aż do skomplikowanych urządzeń o możliwościach zbliżonych do komputerów przemysłowych. Nowsze sterowniki nie są już określane skrótem PLC, w nazwach stosuje się raczej dane dotyczące rodzaju wykonania (np. sterownik kompaktowy).

Poprzednikami sterowników programowalnych były układy sterowania tworzone przez łączenie różnych modułów. Moduły takie zawierały różne elementy: styczniki, przekaźniki, człony czasowe i inne specjalne, i były łączone ze sobą przewodami, odpowiednio do wymaganego algorytmu pracy. Rolę programu spełniało okablowanie. Całość była instalowana w szafach sterowniczych. Obecnie moduły logiczne są zintegrowane w sterowniku, a algorytm sterowania realizowany jest przez wbudowany w nim mikroprocesor na podstawie programu wpisanego do pamięci sterownika. Podstawową zaletą takiego rozwiązania jest jego uniwersalność dotycząca zastosowań i łatwość programowania. Przy zmianach algorytmu sterowania lub rozbudowie instalacji automatyki nie zmienia się okablowania i nie buduje nowych modułów, tylko wprowadza zmiany w programie sterownika.

Różnorodność rozwiązań i zastosowań

Sterowniki programowalne są od dawna najczęściej stosowanymi w automatyce urządzeniami. Wykorzystuje się je w liniach produkcyjnych do sterowania zarówno maszynami do produkcji wielkoseryjnej, jak i specjalizowanymi maszynami, np. do pakowania. Stosuje się je także w tzw. ciągłych procesach produkcyjnych, np. w przemyśle spożywczym i chemicznym oraz w oczyszczalniach ścieków i stacjach uzdatniania wody. W ostatnich latach sterowniki znalazły wiele zastosowań w układach automatyzacji, tzw. inteligentnych budynków.

Obecnie kilkudziesięciu producentów na terenie Europy oferuje całe serie sterowników różniących się między sobą zestawem modułów specjalnych o różnych funkcjach, mocą obliczeniową, liczbą wejść i wyjść, szybkością i oczywiście ceną. Są to najczęściej sterowniki o budowie modułowej i zmiennej konfiguracji, a ponadto wyposażone w interfejsy komunikacyjne. Dzięki temu w większych systemach automatyki komunikacja pomiędzy komputerową stacją operatorską a sterownikami i urządzeniami obiektowymi odbywa się za pośrednictwem komputerowych sieci przemysłowych, takich jak Profibus, Interbus lub CAN.

Nowoczesne sterowniki zapewniają dużą elastyczność i swobodę przy tworzeniu struktur regulacyjnych w układach automatyki. Oprogramowanie firmowe zawiera moduły programowe umożliwiające tworzenie projektu i programu sterowania dla dowolnego obiektu. Umożliwia też ono opracowywanie potrzebnych algorytmów pracy sterownika, wstępne testowanie programu i poprawianie go, a następnie wysyłanie programu do sterownika. Ułatwiają to specjalne przenośne interfejsy użytkownika, tzw. HMI z ekranem i klawiaturą. Sterowniki znajdują obecnie zastosowanie zarówno w tanich i prostych układach automatyzacji, jak i w dużych instalacjach sterowania produkcją lub procesami.

W ostatnich latach producenci sterowników zaangażowali się w rozwój technologii umożliwiających zastosowanie ich w tanich układach automatyzacji. Sterowniki PLC stały się dzięki temu prostsze w obsłudze, tańsze i bardziej uniwersalne. Dla obiektów wymagających taniej automatyzacji proponuje się obecnie modułowe systemy złożone ze sterowników i regulatorów, które umożliwiają elastyczne tworzenie układów automatyki w umiarkowanej cenie. Natomiast w dużych nowych instalacjach nie spotyka się już systemów opartych na samych sterownikach PLC. W jednej instalacji współpracują ze sobą sterowniki programowalne, regulatory, systemy sieciowe, komputery, sterowniki automatyki typu PAC i systemy wizualizacji typu SCADA.

Bardzo często stosuje się decentralizację układów sterowania i umieszczenie ich w pobliżu urządzeń wykonawczych. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu przemysłowych sieci komunikacyjnych, rozproszonych baz danych i szybkich komputerów do przetwarzania danych. Rozwiązania o otwartej architekturze pozwalają na elastyczny dobór stosowanego sprzętu i rozbudowę systemu za pomocą modułów o różnych funkcjach. Czołowe firmy oferują obecnie rodziny sterowników o podobnej budowie mechanicznej, lecz o różnych możliwościach, które, w zależności od modelu i wybranej konfiguracji, mogą być przeznaczone albo do prostych układów automatyki, albo do automatyzacji dużych i złożonych instalacji przemysłowych.

Budowa i sposób działania

Podstawowym trybem pracy sterowników jest praca cykliczna w zamkniętej pętli programowej. Na początku każdego cyklu pętli program odczytuje stany wejść sterownika i zapisuje je w pamięci, tworząc tzw. obraz wejść procesu. Następnie sterownik wykonuje kolejno po sobie pojedyncze rozkazy programu w takiej kolejności, w jakiej są one zapisane w programie. Po wykonaniu wszystkich rozkazów i wyznaczeniu odpowiadającego im stanu wyjść, sterownik zapisuje do pamięci obraz wyjść procesu, a jego system operacyjny ustawia odpowiednie sygnały na wyjściach sterownika (połączonych z odpowiednimi elementami wykonawczymi w obiekcie). Tak więc wszystkie sygnały elektryczne odczytywane są przez układy  wejść sterownika, a program śledziich obraz i reaguje na nie zmianą stanów wyjść w zależności od algorytmu sterowania.

Sterowniki programowalne składają się z: jednostki centralnej (CPU), bloków wejść i wyjść cyfrowych, bloków wejść i wyjść analogowych, bloków komunikacyjnych i bloków specjalnych. Kolejne generacje sterowników charakteryzują się coraz mniejszymi wymiarami, większą liczbą tzw. punktów wejść i wyjść, większą pojemnością pamięci oraz większymi możliwościami komunikacyjnymi. Ważnym kierunkiem rozwoju jest też ułatwianie i zwiększanie możliwości programowania sterowników. Realizowane jest to przez tworzenie coraz doskonalszych funkcji sterujących i użytkowych, takich jak np. funkcja automatyzacji doboru parametrów regulacji. Producenci dbają o to, by nowe konstrukcje były kompatybilne ze starszymi elementami systemu. Dzięki temu nowy sterownik może wykonywać program napisany dla starszego modelu oraz sterować tymi samymi urządzeniami bez konieczności dokonywania adaptacji sprzętu i programu. Jest to cecha gwarantująca ciągłość realizowanej produkcji i dlatego uznawana za jedną z najważniejszych.

W nowych sterownikach wielu producentów stosuje się wbudowane interfejsy HMI. Takie połączenie powoduje, że urządzenie ma zwartą konstrukcję i jednocześnie duże możliwości użytkowe. W jednym module zawarty jest w pełni funkcjonalny sterownik przemysłowy zapewniający obok automatycznego sterowania możliwość ręcznego sterowania przez operatora i wizualizację procesu. Dobrze sprawdza się ono zarówno w układach sterowania maszyn produkcyjnych i technologicznych, jak i w małych instalacjach przemysłowych. Sterowniki coraz częściej współpracują z urządzeniami pracującymi w przemysłowej sieci komputerowej, umożliwiającymi wymianę danych między połączonymi sterownikami oraz tworzenie rozproszonych systemów sterowania bez centralnego komputera. Takie rozwiązania przyczyniają się do zmniejszenia długości okablowania i jednocześnie do zwiększenia niezawodności działania systemu. Zapewniają też tak zwaną skalowalność systemu, czyli możliwość rozbudowy lub zmniejszenia systemu zarówno w zakresie sprzętu, jak i programu sterowania.

Poza połączeniami kablowymi i światłowodowymi stosuje się coraz częściej bezprzewodową transmisję danych oraz systemy wykorzystujące systemy telefonii komórkowej GSM, które mogą powiadomić pracowników nadzoru o sytuacjach alarmowych zaistniałych w oddalonych instalacjach. Współczesne sterowniki oferują też znacznie bogatsze niż dawniej funkcje użytkowe. Oprogramowanie interfejsu użytkownika umożliwia intuicyjne wybieranie funkcji. Komunikacja z Internetem pozwala na kontrolowanie pracy sterownika przez przeglądarkę internetową z dowolnego miejsca na świecie. Dodatkowe funkcje dają możliwość zdalnej aktualizacji oprogramowania sterownika i jego diagnostyki. W firmach posiadających wdrożony system zarządzania jakością możliwa jest też integracja sterowników z systemem zarządzania firmą i automatyczne tworzenie raportów z pracy systemu produkcyjnego.

Wybór właściwego dla instalacji sterownika

Każda automatyzowana instalacja przemysłowa ma swoje specyficzne cechy, które decydują o tym, jakie sterowniki programowane należy w niej zastosować. Nieuwzględnienie ich, a zamiast tego wybranie systemu najtańszego, może w efekcie wydłużyć czas zwrotu inwestycji. Podstawowe parametry, które należy wyznaczyć, to liczba obsługiwanych sygnałów pomiarowych i urządzeń wykonawczych w poszczególnych miejscach zakładu przemysłowego, odległości między nimi i możliwości połączeń kablowych. Pozwoli to na ustalenie liczby urządzeń wejść/wyjść i liczby kanałów w każdym z nich oraz dobór systemu komunikacji przewodowej lub bezprzewodowej. Jednocześnie należy zdecydować, czy system będzie instalowany w szafach sterowniczych, czy będzie to system rozproszony z mniejszymi sterownikami instalowanymi przy wybranych maszynach lub „punktach produkcyjnych”. W wielu instalacjach może być korzystne jednoczesne stosowanie obydwu wersji.

Sterowniki o dużej mocy obliczeniowej i krótkich czasach odpowiedzi muszą być położone blisko krytycznych pod względem szybkości działania maszyn, aby długość kabli łączących nie wpływała na czas odpowiedzi systemu. Oddalone moduły wejść/wyjść mogą być instalowane w dużej odległości od centralnych jednostek sterowników, tam, gdzie czas przesyłania danych za pomocą systemu magistralnego może być dłuższy bez negatywnego wpływu na proces produkcyjny. Konfiguracja systemu musi także uwzględniać wymagania dotyczące procesora i pamięci. W małych systemach wystarczy jeden procesor, który będzie obsługiwał sterowanie i wszystkie wejścia/wyjścia. W większych systemach trzeba stosować dzielenie sterowania pomiędzy wiele procesorów. Należy wykonać szczegółową analizę potrzeb w zakresie wymaganych funkcji specjalizowanych, takich jak np. sterowanie silnikiem krokowym, oraz określić wymagania dla interfejsów komunikacyjnych dla sieci przemysłowych. Przy wyborze dostawcy i producenta należy brać pod uwagę koszty związane z wdrożeniem oraz koszty ewentualnego późniejszego rozwoju systemu sterowania, a także niezawodność sterowników określaną na ogół na podstawie doświadczeń ze sprzętem wybranego producenta.

Przykład wykonania sterownika programowalnego

Jednym ze stosowanych w przemyśle sterowników jest Simatic S7-300 firmy SIEMENS. Stanowi on uniwersalną platformę dla systemu automatyki. Umożliwia budowę zarówno scentralizowanych, jak i rozproszonych układów sterowania, na podstawie różnych magistral komunikacyjnych. Ma wbudowane interfejsy do magistral Profibus DP i Industrial Ethernet, pozwalające na łączenie wielu sterowników w jednolity i zintegrowany system sterowania produkcją.

Istnieje kilka modeli jednostek centralnych różniących się wydajnością i wielkością pamięci. Zapewniają one wykonywanie programu użytkownika, obsługę wejść i wyjść, komunikację w specjalizowanej magistrali sterowników MPI lub innej sieci za pośrednictwem modułu komunikacyjnego. Specjalizowane moduły CPU dodatkowo realizują określone funkcje technologiczne i posiadają wbudowane wejścia/wyjścia oraz procesory wyposażone w interfejsy komunikacyjne do sieci przemysłowych.

Każdy moduł procesora CPU posiada pamięć typu RAM do wpisania programu użytkownika i przechowywania danych. Do uruchomienia sterownika wymagana jest jeszcze pamięć ładująca, wkładana do sterownika w postaci karty typu MMC (ang. Micro Memory Card). Z niej ładowany jest program źródłowy aplikacji, nazwy symboliczne zmiennych i komentarze. Na karcie pamięci można również przechowywać cały projekt systemu automatyki, obejmujący kilka sterowników oraz panele operatorskie. W trakcie wykonywania programu jest możliwe zapisywanie i odczytywanie danych z tej karty. Na karcie można archiwizować zmienne, przechowywać receptury i obszerne bloki danych. Jednostki CPU wyposażone w kartę MMC nie potrzebują baterii do podtrzymania programu i danych. Przy zaistnieniu przerwy w zasilaniu dane chwilowe, takie jak znaczniki, timery, liczniki i bloki danych są automatycznie przenoszone do pamięci nieulotnej – MMC.

Zintegrowane z CPU interfejsy komunikacyjne MPI, Profibus DP lub swobodnie programowalny port PtP umożliwiają szybką i efektywną wymianę danych pomiędzy sterownikami a dołączonymi do niego urządzeniami zewnętrznymi. MPI jest uniwersalnym interfejsem komunikacyjnym do wymiany danych pomiędzy sterownikami a panelami operatorskimi HMI, komputerami PC i urządzeniami programującymi. Magistrala Profibus umożliwia budowanie w prosty sposób rozproszonych systemów sterowania na bazie S7-300 i dołączanie do CPU stacji wejść/wyjść typu ET200 oddalonych nawet o 1200 m. Konfiguracja i obsługa programowa rozproszonych modułów wejść/wyjść jest taka sama, jak modułów wejść/wyjść dołączonych bezpośrednio do CPU. Komunikacja Profibus DP pozwala również na wymianę danych z urządzeniami spoza rodziny produktów Simatic i z urządzeniami innych producentów. Niektóre jednostki centralne mają wbudowany dodatkowy, swobodnie programowalny interfejs PtP w standardzie RS-422/485. Umożliwia on komunikację z dowolnymi urządzeniami wyposażonymi w port szeregowy, np. czytnikami kodów paskowych i systemami ważącymi.

Platformy do programowania sterowników

Do programowania większości nowoczesnych sterowników stosowane są platformy programowe zgodne z wymaganiami normy EN 61131-3. Są to systemy, które umożliwiają programowanie sterowników w dowolnej znanej formie:

• tekstowo,
• listą instrukcji,
• tekstem strukturalnym,
• graficznie,
• za pomocą programowych funkcji sekwencyjnych,
• bloków funkcyjnych,
• schematu drabinkowego lub
• funkcji ciągłych.

Jedną z takich platform stanowi pakiet AL-PCS/WIN firmy MITSUBISHI ELECTRIC, stosowany do programowania przekaźników programowalnych z serii Alpha XL. To program działający w środowisku Windows na dołączonym do sterownika komputerze. Jest prosty w obsłudze i nie wymaga od użytkownika większego doświadczenia w programowaniu sterowników. Pozwala na generowanie zaawansowanych programów, które mogą wykorzystywać do 200 bloków funkcyjnych, w tym 20 regulatorów PID w jednym programie. Do dyspozycji programisty są wszystkie bramki logiczne (and, or, not itd.), funkcje arytmetyczne (dodawanie, odejmowanie, mnożenie, dzielenie) oraz różnego rodzaju generatory impulsów, przesunięcia, opóźnienia, timery, liczniki, a także kalendarz, który umożliwia załączanie i wyłączanie urządzeń w czasie rzeczywistym (po podaniu daty i godziny). Program zawiera wbudowane funkcje służące do tworzenia pełnej dokumentacji programu i posiada 4 podstawowe tryby pracy – programowanie, symulację, monitorowanie i wizualizację.

Programowanie

Na ekranie komputera widoczne są graficzne reprezentacje wejść (z lewej strony) i wyjść (z prawej strony) W środku ekranu przedstawione są graficznie – do wyboru przez programistę – różne bloki funkcyjne, stanowiące funkcję przejścia pomiędzy wejściem a wyjściem. Za pomocą myszki użytkownik może tworzyć graficzne połączenia pomiędzy wejściami, blokami funkcyjnymi i wyjściami w celu zdefiniowania logicznego obrazu programu. Kliknięcie myszką na wybrany blok funkcyjny powoduje wyświetlenie okienka edycji umożliwiającego wprowadzanie odpowiednich parametrów, np. czasu opóźnienia i ustawień wstępnych dla liczników.

Symulacja działania programu

Ten tryb pracy realizuje symulację działania napisanego programu bez podłączonego sterownika. Program informuje za pomocą graficznych symboli, które wejście lub wyjście jest aktywne w danym momencie, jaki jest aktualny stan timerów, liczników i wszystkich bloków użytych w programie. Zmianę stanu wejścia można wymusić klikając na nie myszką, a stan wyjść i bloków funkcyjnych jest przedstawiony w postaci graficznej za pomocą cyfr, aktywnych symboli i kolorów.

Monitorowanie w trakcie działania systemu automatyki

Tryb monitorowania realizuje komunikację komputera ze sterownikiem w czasie rzeczywistym i podgląd działania aplikacji na ekranie komputera PC. W tym trybie wyświetlany jest aktualny stan wejść i wyjść oraz bloków funkcyjnych podczas wykonywania programu przez sterownik.

Wizualizacja automatyzowanego procesu

Wizualizacja procesu jest przedstawiana w oddzielnym oknie, do którego można kopiować elementy graficzne (zdjęcia obiektu lub inne pliki graficzne) oraz programowe (wejścia, wyjścia, bloki funkcyjne). Można również wstawić blok wyświetlacza, który jest kopią panelu operatora ze sterownika. Okno wizualizacji może być także używane do wykonywania symulacji graficznej procesu i do monitoringu.

Przykład platformy programowej

Firma Rockwell opracowała platformę programową RSLogix 5000. Zawiera ona 2 edytory zgodne z normą IEC 61131-3: Sequential Function Chart (SFC) oraz Structured Text (ST). W skład platformy wchodzi także Ladder Diagram (język drabinkowy LD) i Function Block Diagram (język bloków funkcyjnych FBD). RSLogix 5000 jest to oprogramowanie narzędziowe dla rodziny sterowników Logix, w skład której wchodzą różnej wielkości PLC, programowe PLC oraz napędy AC. W związku ze wzrostem złożoności aplikacji w przemyśle zaistniała potrzeba wprowadzenia alternatywnych języków programowania, innych od tradycyjnej logiki drabinkowej (Ladder Logic). SFC (język sekwencji) jest graficznym językiem używanym w złożonych, wieloetapowych aplikacjach, graficznie przedstawia poszczególne sekwencje (etapy) w danym procesie. ST jest językiem programowania wysokiego poziomu opartym na edytorze tekstowym. Skonstruowany jest podobnie jak nowoczesne języki programowania (np. BASIC). Umożliwia pisanie wielu pętli operacji w powtarzalnych i zależnych od siebie procesach. Pisanie programu polega na tworzeniu kolejnych bloków programu, bloków funkcji i bloków danych oraz odpowiednie ich łączenie. W trakcie pracy procesor analizuje program linię po linii, wykonując poszczególne rozkazy. Gdy powróci do pierwszej linii programu, to znaczy, że zakończony został jeden cykl. Czas przetwarzania całej pętli nazywa się czasem cyklu i jest jednym z podstawowych parametrów przy projektowaniu systemu sterowania dla maszyn lub procesów produkcyjnych.

Przykład zastosowania sterowników w linii produkcyjnej

W uruchamianej w firmie WSN w Holandii nowej linii produkcyjnej wytwarzania metalowej taśmy z jednoczesnym trawieniem i galwanizacją na gorąco zastosowano układ automatyzacji wykorzystujący sterowniki programowalne. Sterowanie na linii produkcyjnej realizuje 5 programowalnych sterowników S7-400 firmy Siemens, które współpracują z komputerami PC komunikując się przez lokalną sieć Ethernet. Linia produkcyjna jest parametryzowana przez obsługę z wykorzystaniem 4 komputerów PC oraz lokalnych paneli operatorskich typu OP 27. W celu umożliwienia szybkiej i sprawnej instalacji systemu i zapewnienia szybkiej lokalizacji uszkodzeń zastosowano system o rozproszonej inteligencji oparty na magistrali Profibus DP. Czujniki szybkości przesuwu oraz czujniki położenia są wyposażone we wbudowany interfejs Profibus DP i dołączone bezpośrednio do magistrali. Pozostałe czujniki połączone są do sterowników PLC za pośrednictwem 41 stacji wejść/wyjść ET200S zawierających interfejsy Profibus DP. W całej instalacji 168 stacji Profibus DP przetwarza 595 nastaw oraz 3500 wejść i wyjść. Dzięki stosowaniu standardowych profili aplikacyjnych, przez jedną magistralę można przesyłać zarówno dane pomiarowe, jak i dane dla napędów, a przy użyciu specjalnego trybu acyklicznej wymiany danych można, bezpośrednio z panelu operatorskiego, przesyłać parametry (dla celów serwisowych) do napędów i innych urządzeń wykonawczych. Ponadto lokalna sieć w fabryce jest połączona z siecią firmową Wupperman Group, obejmującą wszystkie zakłady WSN w Europie w celu wymiany danych dotyczących produkcji i magazynów.

W Polsce wiele firm zajmuje się dystrybucją sterowników produkowanych przez znane w automatyce marki, takie jak m in. Beckhoff, Moeller, ABB, Fanuc i Omron, ale jest też kilka firm oferujących własne rozwiązania. W kolejnej części cyklu przedstawione zostaną bliżej różne wykonania sterowników tych firm: kompaktowe, modułowe, stacje wejść/wyjść, PAC, zintegrowane w panelu operatorskim i realizowane na komputerach PC – programowe PLC.

Literatura

1. www.rockwellautomation.com/pl/
2. www.mitsubishi-automation.pl/
3. www.siemens.pl/
4. www.allen-bradley.pl/
5. http://industrial.omron.pl/
6. www.beckhoff.pl/
7. www.moeller.pl/
8. www.abb.pl
9. www.honeywell.com/sites/acs/

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!