ZADANIA DLA PLC
PLC należą do najpopularniejszych w automatyce urządzeń sterowania dyskretnego. Podczas pracy wykonują one program implementujący algorytm sterowania, korzystając z sygnałów i danych wejściowych. Wejścia sterownika dzieli się typowo na analogowe oraz cyfrowe.
Do tych pierwszych doprowadzane są sygnały ciągłe, prądowe albo napięciowe zależne typowo od zmian wielkości fizycznych - na przykład temperatur, które są mierzone przez sensory monitorujące stan urządzenia lub przebieg procesu. Sygnały analogowe zostają przekształcone w urządzeniu na postać cyfrową.
Wejścia cyfrowe przekształcają sygnały dwustanowe, czyli włączony/wyłączony, zamknięty/otwarty, prawda/fałsz, na przykład z przycisków, przełączników i styków, w sygnały binarne, o poziomach napięć dopuszczalnych w obwodach sterownika. Wybierając PLC, liczbę wejść i wyjść warto przeanalizować pod kątem możliwości późniejszej rozbudowy systemu sterowania.
Stany wejść analogowych i cyfrowych są zapisywane w pamięci i przetwarzane przez jednostkę centralną sterownika. Są one argumentami funkcji algorytmu sterowania. Wynikiem ich przetwarzania są sygnały sterujące, przekazywane dalej, za pośrednictwem modułów wyjściowych sterownika, też analogowych i cyfrowych, do elementów i urządzeń wykonawczych. Te ostatnie to na przykład przełączniki, napędy i zawory.
Poza sterowaniem maszynami albo procesami według zaprogramowanego w nich algorytmu, sterowniki programowalne realizują funkcje diagnostyczne obiektów sterowania i funkcje autodiagnostyczne. Dostępne są również PLC realizujące funkcje bezpieczeństwa. Ponadto sterowniki komunikują się z systemami zarządzania produkcją i panelami operatorskimi.
DLACZEGO PLC STAŁY SIĘ POPULARNE?
Początek historii sterowników programowalnych datuje się na koniec lat 60. ubiegłego wieku. Wówczas zbudowano pierwsze urządzenie tego rodzaju, którym był sterownik Modicon skonstruowany na potrzeby przemysłu motoryzacyjnego. Dekadę później PLC zaczęły się szybko rozpowszechniać na liniach produkcyjnych również w pozostałych gałęziach przemysłu, zastępując używane tam dotychczas stycznikowo-przekaźnikowe układy sterowania.
Przyczyniło się do tego głównie to, że dzięki nim zrealizowanie algorytmu sterowania stało się łatwiejsze i szybsze. Można go też było dużo prościej zmodyfikować. Na popularność PLC złożyły się wymienione poniżej czynniki.
Pierwszym było podobieństwo języka schematów drabinkowych, w którym programuje się PLC, do wcześniej wykorzystywanych schematów stykowo-przekaźnikowych. Dzięki temu osoby, które projektowały te ostatnie, łatwo mogły się go nauczyć. Drugą zaletą PLC był fakt, że zmiana programu sterującego nie wymagała modyfikacji struktury sprzętowej sterownika i sieci połączeń między urządzeniami, która w przypadku stycznikowo-przekaźnikowych układów sterowania pełniła funkcję programu.
W zamian wystarczyło tylko przeprogramować sterownik. Ogromne znaczenie miało wówczas również to, że jednym PLC można było zastąpić układy sterowania budowane do tej pory z setek połączonych na sztywno elementów.
IEC 61131, CZYLI STANDARYZACJA
Popularność sterowników programowalnych z czasem wciąż rosła. Przyczyniła się do tego m.in. możliwość ich programowania w aplikacjach uruchamianych na komputerach. Wydarzeniem znaczącym była także standaryzacja własności funkcjonalnych, eksploatacyjnych i procesu programowania PLC.
W jej wyniku opracowano standard IEC 61131. Szczególne znaczenie miała trzecia część tego dokumentu, w której zdefiniowane zostały cztery języki programowania sterowników. Były to języki: listy instrukcji, tekstu strukturalnego, schematów drabinkowych oraz schematów bloków funkcyjnych.
Choć przestrzeganie wytycznych wymienionego standardu nie jest obowiązkowe, coraz częściej uwzględnia się je w narzędziach programistycznych. Ułatwia to posługiwanie się nimi tym, którzy znają tę specyfikację. Zgodność z IEC 61131 wpływa też na cały cykl życia kodu, usprawniając oraz przyspieszając jego projektowanie, wdrażanie, testowanie i modernizację.
MODUŁOWOŚĆ PLC W PRAKTYCE
Wśród zalet PLC dziś jednym tchem wymienia się również takie cechy jak: niezawodność, odporność na trudne warunki przemysłowe, uniwersalność, skalowalność, kompaktowość i modułowość. Ta ostatnia ułatwia naprawę oraz w razie potrzeby rozszerzenie funkcjonalności sterownika.
Dostępne są na przykład moduły rozszerzeń wstępnie przetwarzające sygnały, których bez tego "zwykłe" wejścia sterownika nie są w stanie odczytać. Inną grupą są moduły z wbudowanymi procesorami, wykonujące skomplikowane operacje na sygnałach wejściowych, niezależnie od jednostki centralnej PLC.
Przykład urządzeń pierwszego typu to moduły wykrywające impulsy o bardzo krótkim czasie trwania, rzędu kilkudziesięciu mikrosekund, generowane m.in. przez czujniki zbliżeniowe. Ich zadaniem jest "wydłużenie" tych sygnałów tak, żeby sterownik, skanując swoje wejścia, mógł je wykryć. Popularne są też moduły wejść temperaturowych, które współpracują z termoparami. Te i inne opisujemy w ramce.
CO CZYNI Z PC WERSJE INDUSTRIAL PC?
Komputery przemysłowe (IPC) to konstrukcje zakryte, zwykle wyposażone w zewnętrzny zasilacz. W odróżnieniu od wersji desktopowych wdraża się w nich specjalne rozwiązania konstrukcyjne, które zwiększają ich odporność na trudne warunki pracy, zwłaszcza skrajne temperatury, wilgoć, zapylenia i wibracje. Są też one pod tym kątem testowane.
Podstawowym środkiem ochrony IPC jest obudowa. Zabezpiecza ona jego wnętrze przed wnikaniem pyłów, brudu i wilgoci, o które nie tylko w przemyśle, ale także m.in. w transporcie, nietrudno. Odporność na te czynniki uzyskuje się przede wszystkim przez dobór odpowiedniego typu uszczelnień, ich materiału i materiału obudowy. Zabezpieczenia te mają zapewnić wymagany stopień ochrony IP.
KRÓTKO O BUDOWIE IPC
W celu zapewnienia dużej odporności stosowane są różne rozwiązania. Przed wnikaniem ciał obcych chronią uszczelki. Są to paski, uszczelki wycinane w kształcie obrysu złączanych elementów albo uszczelnienia wylewane z pianki. Pierwsze są zwykle tanie, ale szybko się niszczą na złączach i w rogach. Zaletą tych wylewanych jest ciągłość na całym obwodzie i bardzo dobra przyczepność do podłoża. Są również niedrogie. Te wycinane przeważnie kosztują nieco więcej.
Materiał obudowy IPC powinien się charakteryzować odpowiednio szerokim zakresem temperatur pracy, odpornością na korozję i różne substancje chemiczne i uderzenia. Metale, z których zwykle wykonuje się osłony komputerów dla przemysłu, to: stal, stal nierdzewna oraz aluminium.
W IPC wentylatory zastępuje się chłodzeniem pasywnym. Zapobiega to przedostawaniu się pyłów, brudu i wilgoci do wnętrza obudowy i zwiększa odporność na drgania i wibracje. Inne ruchome elementy zabezpiecza się przed nimi wkładkami tłumiącymi.
Magnetyczne dyski twarde w komputerach przemysłowych zastępuje się półprzewodnikowymi nośnikami danych - dyskami SSD i kartami pamięci Flash. Nośniki pamięci instalowane w IPC charakteryzuje większa niezawodność, trwałość i wytrzymałość na trudne warunki środowiskowe, niż te dla elektroniki użytkowej.
W ramce przedstawiamy jeszcze inne rozwiązania konstrukcyjne, które zwiększają odporność komputerów przemysłowych na trudne warunki pracy i poprawiają jakość ich użytkowania.
JAKIE PROCESORY SĄ CZĘŚCIĄ IPC?
Producenci komputerów przemysłowych w zakresie podzespołów i oprogramowania podążają za najnowszymi trendami w elektronice użytkowej. Dzięki temu IPC są zawsze "na czasie". To z kolei przekłada się na ich parametry obliczeniowe i wydajnościowe.
Przykładem nowości przeniesionych z biurkowych pecetów, do komputerów używanych w halach produkcyjnych, są procesory. W przypadku IPC, dla których liczy się energooszczędność, od kilku lat najpopularniejsze są układy Intel Atom, obecnie najczęściej dwurdzeniowe. W komputerach o dużej mocy obliczeniowej popularne są procesory z serii Core i.
Podobna tendencja dotyczy systemów operacyjnych. Są to systemy znane użytkownikom pecetów, czyli Windows i Linux. W przemyśle przyjęły się też standardy komunikacyjne, jak Ethernet, Wi-Fi oraz USB. W komputerach panelowych standardem są ekrany dotykowe.
Jakie PLC są najpopularniejsze?Od lat najpopularniejsze są mikrosterowniki, mające po kilkadziesiąt we/wy. Są to zarówno PLC modułowe, jak i kompaktowe. Używa się ich głównie w maszynach, a poza tym w niewielkich systemach sterowania w przemyśle, jak i poza nim.Podobną popularnością cieszą się nieco większe sterowniki, mające po kilkaset punktów we/wy. Są to wersje modułowe, przeznaczone do większych instalacji, w których przetwarzane są sygnały różnego typu (analogowe i cyfrowe), wymagana jest obsługa różnych standardów komunikacyjnych oraz realizowanie funkcji specjalnych, na przykład bezpieczeństwa, pracujące w ramach większego systemu kontrolno-nadzorczego. Mniejsze zapotrzebowanie jest natomiast notowane na PLC duże, które mają ponad tysiąc punktów we/wy. Od lat regularnie wzrasta też popularność sterowników typu PC based, głównie dzięki ich rosnącej dostępności i częstszego wykorzystywania w profesjonalnych systemach. |
DLACZEGO WARTO WYBRAĆ IPC?
Inne przykłady rozwiązań przeniesionych przez producentów IPC na grunt przemysłowy to: płaskie ekrany, możliwość korzystania z wielu monitorów, wyświetlanie obrazów w rozdzielczości Full HD, obsługa ekranów wielodotykowych i dostęp zdalny, przez urządzenia mobilne.
Dzięki temu, że w komputerach przemysłowych używane są popularne podzespoły i powszechnie znane oprogramowanie, korzystanie z nich jest bardziej intuicyjne. Prostsza jest również ich diagnostyka i rozwiązywanie problemów, niż w przypadku PLC.
Wśród zalet IPC wymienia się także: możliwość programowania w językach wysokiego poziomu, akwizycji dużych ilości danych, ich przetwarzania oraz transmisji, łatwość rozbudowy o dodatkowe interfejsy, moduły funkcjonalne i pamięć.
Dla IPC dostępne jest też oprogramowanie czasu rzeczywistego. Pozwala ono na tworzenie systemów PC Based, na przykład sterowników softPLC.
A MOŻE SBC?
Alternatywą dla komputerów przemysłowych, w razie potrzeby większego dopasowania się do wymogów tworzonego systemu sterowania, są płyty komputerowe. Wybierać można spośród różnych standardowych płyt głównych w formatach ATX i pokrewnych, jak i komputerów jednopłytkowych (Single Board Computer, SBC).
SBC to niewielkie, nieobudowane płytki elektroniczne. Są dostępne w bardzo różnych formatach, a ich zalety to: niewielkie rozmiary, łatwa obsługa, duża elastyczność konfiguracji przy funkcjonalności zbliżonej do tej IPC.
SKĄD POMYSŁ NA PAC?
PAC (Programmable Automation Controllers) to programowalne kontrolery automatyki. Określa się je jako rozwiązanie pośrednie, łączące w sobie najlepsze cechy sterowników PLC oraz IPC. Nazwę PAC po raz pierwszy zastosowało ponad dziesięć lat temu ARC Advisory Group w swoim opracowaniu poświęconym ówczesnemu rynkowi sterowników programowalnych.
Zostały w nim usystematyzowane cechy, które powinny charakteryzować programowalny kontroler automatyki. Jedną z najważniejszych jest wszechstronność zastosowań. W praktyce oznacza ona możliwość zrealizowania zadań sterowania różnego typu, dyskretnego, procesami ciągłymi, napędami, w ramach jednej platformy sprzętowej zintegrowanej z oprogramowaniem.
PO CZYM POZNAĆ PAC?
Inne cechy PAC to m.in. dostępność zintegrowanego środowiska programistycznego, możliwość ich programowania w językach standaryzowanych w normie IEC 61131-3, jedna baza danych dostępna z poziomu różnych zadań sterowania i wspólna przestrzeń nazw.
Ta ostatnia oznacza, że zmienne definiowane w jednej aplikacji pod tą samą nazwą dostępne są w pozostałych. PAC powinna też charakteryzować modułowa i otwarta architektura oraz kompatybilność z różnymi interfejsami sieciowymi, na przykład RS-485, RS-232, RS-422, CAN, Ethernet oraz protokołami transmisji, m.in. TCP/IP, OPC, SMTP.
Definicja ta jest dość szeroka. Dlatego wraz z rozwojem technologii coraz trudniej jednoznacznie określić, czy dane urządzenie powinno zaliczać się do grupy "tradycyjnych" sterowników, czy jest to już programowalny kontroler automatyki.
PORÓWNANIE
Dlatego PAC lepiej charakteryzuje ich bezpośrednie porównanie z konkurencyjnymi rozwiązaniami, czyli sterownikami programowalnymi i komputerami przemysłowymi. Wspólną cechą PLC, PAC i IPC jest odporność na trudne warunki panujące w środowisku przemysłowym. Zarówno PLC, jak i PAC bez problemu mogą także realizować zadania sterowania dyskretnego oraz sekwencyjnego.
Aby za pomocą PLC sterować procesami ciągłymi, należy uzupełnić je o dodatkowe moduły funkcjonalne albo korzystać z nich w połączeniu z innymi urządzeniami sieciowymi lub o większej wydajności obliczeniowej oraz korzystać ze specjalnego oprogramowania. PAC tymczasem w zakresie sterowania procesami wsadowymi i ciągłymi nie wymagają takich dodatków.
PAC VS. PLC VS. IPC
Inaczej, niż PLC i IPC, programowalne kontrolery automatyki mogą kontynuować krytyczne lokalne operacje w przypadku wystąpienia awarii komunikacji. Możliwość sterowania napędami, wydajne przetwarzanie, w tym skanowanie wejść/wyjść oraz wszechstronność to cechy, które łączą PAC z IPC.
Sterowniki programowalne i programowalne kontrolery automatyki to urządzenia kompaktowe. Cecha wyróżniająca PLC i PAC to elastyczna, modułowa architektura. Dzięki temu w oparciu o jedną platformę sprzętową z łatwością można tworzyć małe i duże systemy, rozbudowując lub ograniczając je przez dodanie lub odinstalowanie wybranych modułów stosownie do potrzeb.
Jak IPC, PAC charakteryzuje kompatybilność ze standardowymi interfejsami sieciowymi oraz łatwość współpracy ze sprzętem oraz oprogramowaniem od różnych producentów.
Przykłady produktówAstraada One PLC ECC2100: wejścia cyfrowe: 4×, wyjścia cyfrowe: 4× (0,5 A), wejścia analogowe: 2× (-10...+10V, PT100/PT1000 dwużyłowe), 2× (-10...+10 V lub powrót trójżyłowy), Ethernet 1× 10/100, TCP/IP, Modbus TCP, BACnet (opcja), 1× EtherCAT (EtherCAT master), 1× host USB 2.0/USB plug port A, 1× CAN bus i/lub CANopen master, 1× RS-232/RS-485, Modbus RTU, środowisko programistyczne Codesys V3 (IEC 61131-3), zakres temperatur: od 0 do +50°C, wilgotność maks. 85%, stopień ochrony: IP20, front IP54, zgodność z EN 61131-2, EN 61000-6-3. Kontroler PAC APAX-5522PE: Win-CE/Linux, CPU: XScale PXA270 520 MHz, pamięć: Flash 32MB, SDRAM 64 MB, 512 kB pamięci z podtrzymaniem bateryjnym (Battery Backup RAM), WatchDog Timer, Real Time Clock, 2×LAN (10/100 Mbps), 2×RS-232, CompactFlash typ II, temperatury pracy: -20... +70°C, IEC 61850-3 i IEEE 1613, biblioteki: VB .NET; dostępne wersje: APAX-5522PELX, z Linux Kernel 2.6 RT i APAX-5522PEKW, z WinCE, programowanie w środowisku KW MultiProg. Komputer AEC-6950: procesor Intel Core i7-3517UE 1.7GHz, 8×COM, 2×USB 3.0, 4×USB 2.0, 4×izolowane DIO, 2×GbE LAN, 2×PCI lub 1×PCIe oraz 16×PCIe, 2×Mini PCI-E, 1×slot SIM, maksymalna temperatura pracy od -20 do +55°C, odporny na wibracje: 3 g 5~500 Hz CFast, 1 g 5~500 Hz HDD, uderzenia 50 g (11 ms) CFast, 20 g (11 ms) HDD, MTBF: 54 tys. godzin, wymiary: 214×100×241 m, montaż naścienny, chłodzenie pasywne (bezwentylatorowy). |
CO WYRÓŻNIA PAC?
Tak jak PLC, również PAC można programować z wykorzystaniem standardowych języków programowania zgodnych z normą IEC 61131-3. Programowalne kontrolery automatyki mają również zintegrowany sprzęt oraz oprogramowanie. To ostatnie sprawia, że nie trzeba korzystać z dodatkowych sterowników w procesie instalacji, a w razie problemów należy się kontaktować tylko z jednym dostawcą.
PAC wyróżnia dostępność narzędzi HMI i jednego środowiska programistycznego dla wszystkich aplikacji (sterowania dyskretnego, analogowego, napędami). Dzięki temu ich programowanie jest szybsze i łatwiejsze.
Mimo wielu zalet programowalnych kontrolerów automatyki, opinie na ich temat są bardzo podzielone. Postrzegane są one albo jako wielofunkcyjne i uniwersalne platformy, albo jako PLC o rozbudowanej funkcjonalności i wyższej cenie. Z powodu tej ostatniej wybór PAC nie zawsze można uzasadnić.
CENA A NIEZAWODNOŚĆ
Jeżeli jednak uwzględni się dodatkowe wydatki na rozszerzenie funkcjonalności sterowników programowalnych, łączny koszt wdrożenia bazującego na PAC może okazać się niższy. Wiele zależy jednak od tego, czy możliwości kontrolerów tego typu zostaną w pełni wykorzystane.
Dlatego, wybierając platformę sterowania, przeanalizować trzeba szereg kwestii. Najważniejsze z nich przedstawiamy w ramce. Generalnie jednak, jeżeli można daną funkcjonalność zrealizować na bazie sterowników programowalnych, nie ma z reguły merytorycznego uzasadnienia stosowania innych, droższych rozwiązań.
Ważnym aspektem jest też kwestia stosunku ceny do niezawodności. Aktualnie w dalszym ciągu, biorąc pod uwagę liczbę godzin bezawaryjnej pracy, pod tym względem wśród urządzeń opisanych w artykule przodują PLC.
Monika Jaworowska