04 luty 2018

Sterowniki – element systemu automatyki

Redakcja Portal Przemyslowy.pl

Automatyka jest obecna we wszystkich gałęziach przemysłu, w transporcie, medycynie, badaniach naukowych i wielu innych dziedzinach. Automatyzuje się procesy technologiczne, pomiary, pracę urządzeń zabezpieczających ruch kolejowy, drogowy i lotniczy. Bez względu na rodzaj aplikacji, w systemach automatyki zawsze jest obecne urządzenie sterujące procesem.

W najprostszym przypadku może to być wyłącznik czasowy albo układ włączający jakieś urządzenie, kiedy spełnione są ściśle określone warunki, np. temperatura otoczenia wychodzi poza określony przedział pożądanych wartości. W najbardziej skomplikowanych przypadkach proces sterowania wymaga gromadzenia odczytów z setek czujników, przetwarzania ich w czasie rzeczywistym i jednoczesnego sterowania wieloma układami wykonawczymi: grzałkami, wentylatorami, silnikami, napędami zaworów, a mówiąc ogólnie: dowolnym urządzeniem, którego wymaga proces technologiczny, a którym można zdalnie sterować.
Najprostsze urządzenia mogą być zintegrowane z układem wykonawczym (termometr z grzałką, zegar z przekaźnikiem). Najbardziej skomplikowane to komputery przemysłowe o potężnej mocy obliczeniowej, coraz częściej komunikujące się z serwerami za pomocą sieci rozległych (np. Internetu). Gdzieś pośrodku tej skali znajdują się bardzo popularne i od dziesięcioleci potwierdzające swoją wartość i przydatność sterowniki PLC.
Dlaczego PLC?

Sterowniki PLC (Programmable Logic Controller) są wyposażone w mikrokontroler oraz niezbędne peryferia: pamięć operacyjną, wejścia i wyjścia analogowe i cyfrowe, pamięć zewnętrzną, interfejs komunikacyjny. Dysponują mocą obliczeniową znacznie mniejszą niż komputery przemysłowe, ale mają bardzo ważną zaletę: prostota konstrukcji sprzyja niezawodności. Sterowniki PLC, w odróżnieniu od komputerów przemysłowych, nie potrzebują systemu operacyjnego.
Wielu specjalistów uważa, że ta dodatkowa warstwa pomiędzy sprzętem a wykonywanym programem niepotrzebnie komplikuje urządzenie i zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia błędu, który nie musi wynikać z pomyłki lub zaniedbania programisty, a z błędu systemu operacyjnego. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że błąd sterownika może doprowadzić do poważnych problemów w zakładzie (zatrzymanie produkcji, zniszczenie urządzeń lub materiałów, zagrożenie zdrowia i życia pracowników), zrozumiemy, dlaczego rozwiązania prostsze i potencjalnie mniej zawodne są przez wielu uznawane za lepsze.

Modułowość

Sterowniki PLC (komputery przemysłowe również) są urządzeniami uniwersalnymi. Te same modele sterowników dobrze sprawdzą się w zakładach produkujących żywność, w hucie, lakierni itp. Zadanie sterownika polega na odbieraniu sygnałów z czujników i wysyłaniu poleceń do elementów wykonawczych. Dostosowanie do konkretnych warunków polega na napisaniu odpowiedniego programu i podłączeniu właściwych urządzeń.
Z założenia sterowniki PLC są przystosowane do współpracy z modułami rozszerzającymi ich możliwości. Najlepszym przykładem i zarazem najczęściej stosowanym modułem rozszerzającym są dodatkowe wejścia i wyjścia analogowe oraz cyfrowe. Różnica pomiędzy nimi polega na tym, że wejścia/wyjścia analogowe mogą rejestrować płynne zmiany prądu lub napięcia (np. z termometru, czujnika wilgotności, natężenia oświetlenia itp.), podczas gdy wejścia/wyjścia cyfrowe zmieniają swój stan binarnie: albo przycisk został wciśnięty, albo nie. Albo urządzenie jest włączone, albo nie.
Kolejny niezmiernie ważny i powszechnie stosowany blok to przekaźnik. Sterowniki nie mogą bezpośrednio zasilać odbiorników pobierających prąd o dużym natężeniu, np. silników, siłowników, grzejników. Dlatego te urządzenia podłącza się za pomocą wysokoprądowych styczników: dużych i odpornych na uszkodzenie. Na wejście sterujące stycznika jest podawany sygnał bezpośrednio z wyjścia cyfrowego sterownika PLC, albo sygnał uzyskany za pomocą dodatkowego przekaźnika.
Wszystkie dodatkowe moduły współpracujące bezpośrednio ze sterownikiem PLC umieszcza się najczęściej we wspólnej szafie sterowniczej. Do mechanicznego mocowania tych bloków służy standardowa szyna DIN, okablowanie projektuje się indywidualnie, w zależności od konkretnych potrzeb klienta.

Programowanie

Sterownik PLC musi wykonywać program. Specyfika tych urządzeń sprawia, że do ich programowania używa się języków znacznie różniących się od języków ogólnego przeznaczenia, jak Java, C++, Python itp. Chodzi o zminimalizowanie ryzyka popełnienia pomyłki w programie oraz o zapewnienie przenośności programów pomiędzy kolejnymi generacjami sterowników. Dla przykładu, w przedsiębiorstwach, w których przed dwudziestu laty zainstalowano sterowniki Mitsubishi Electric FX PLC, można je płynnie zastąpić najnowszymi modelami FX5U, przenosząc cały kod w zasadzie bez modyfikacji. Programując sterowniki w językach przeznaczonych specjalnie dla nich, można uniknąć odwoływania się do abstrakcji, które sprawiają, że języki „ogólnego przeznaczenia” wprawdzie są bardzo uniwersalne, ale jednocześnie umożliwiają programiście popełnianie błędów trudnych do wykrycia i naprawy.

W zależności od producenta stosowane są: język drabinkowy (prawdopodobnie najbardziej popularny), sekwencyjny język graficzny, język diagramów przepływowych, język schematów bloków funkcyjnych, język listy instrukcji lub język strukturalny. Z reguły do programowania sterowników służy oprogramowanie wyposażone w wygodny interfejs graficzny, umożliwiające symulowanie pracy sterownika i debugowanie programu, to znaczy poszukiwanie błędów przed uruchomieniem w środowisku produkcyjnym. Jeśli w jakimś przypadku programowanie w języku C++ okazuje się lepszym wyborem, Mitsubishi Electric ma w ofercie i taką platformę.

Komunikacja

Sterowniki rzadko pracują indywidualnie. Zazwyczaj wymieniają dane z innymi sterownikami albo z komputerem zarządzającym większą ich grupą. Transmisja danych może być zorganizowana na wiele sposobów. Wybór konkretnego standardu zależy od potrzeb, a przede wszystkim od wymaganej prędkości transmisji, liczby współpracujących urządzeń i występowania zakłóceń, np. silnego pola elektromagnetycznego. Istotna jest też odległość pomiędzy łączonymi urządzeniami: inaczej przebiega komunikacja pomiędzy sterownikami PLC umieszczonymi w jednej szafie, inaczej, kiedy trzeba połączyć kilka szaf rozmieszczonych w odległych o kilka kilometrów pomieszczeniach w zakładzie produkcyjnym.
Trzeba pamiętać, że sterowniki są zasadniczym, ale tylko jednym z wielu elementów systemów automatyki. Jeśli sterują pracą odbiorników elektrycznych o charakterze indukcyjnym, pobierających znaczną moc (silniki trójfazowe), muszą poradzić sobie z zakłóceniami niespotykanymi w zastosowaniach biurowych i domowych.

Sterowniki PLC wykorzystują kilka standardów przesyłania danych: CC-Link, Modbus, Ethernet i Fast Ethernet, Profibus, CAN, RS-232, RS-485. Jeśli zachodzi potrzeba wymiany danych pomiędzy sterownikami umieszczonymi poza zakładem produkcyjnym (np. w przedsiębiorstwach wodociągowych), sterowniki mogą korzystać z modemów PSTC, ISDN, GSM, GPRS itp. Sposób komunikacji powinien być wybrany jeszcze przed zakupem konkretnych sterowników, ponieważ nie wszystkie wspierają pełny zestaw protokołów. W razie konieczności można sięgnąć po układy stanowiące interfejs pomiędzy sieciami różnych typów, ale lepiej od razu skorzystać ze sterownika obsługującego potrzebne protokoły. Obecnie najczęściej wykorzystywana jest transmisja danych za pomocą kabli miedzianych, jednak tam, gdzie występują szczególnie silne zakłócenia lub wymagana jest bardzo duża prędkość transmisji danych, korzysta się ze światłowodów.

Wykonania specjalne

Urządzenia przemysłowe pracują w różnych warunkach: od idealnych, panujących w klimatyzowanych pomieszczeniach, w których produkowane są precyzyjne elementy elektroniczne, przez umiarkowane, w zamkniętych halach produkcyjnych, aż po ekstremalne. Do tej kategorii można zaliczyć huty, kopalnie, pokłady i maszynownie statków pełnomorskich. Sterowniki i towarzyszące im urządzenia są narażone na oddziaływanie skrajnie wysokich lub niskich temperatur, wibracje, wysoką wilgotność powietrza, obecność pyłu, oparów przyspieszających korozję, soli.

W takich miejscach znajdują zastosowanie sterowniki w specjalnym wykonaniu: wzmocnione, zabezpieczone przed dostępem pyłu, wilgoci, gazoszczelne. Pierwszą linią obrony przed zagrożeniami są szafy sterownicze, w których montuje się sterowniki. One również występują w wielu wersjach: od prostych, chroniących przed uszkodzeniami mechanicznymi i kradzieżą po zaawansowane, wyposażone w systemy filtrujące powietrze, termostaty, itp.

Obecnie można dobrać seryjnie produkowane sterowniki dla zdecydowanej większości zastosowań przemysłowych, bez względu na spodziewane warunki pracy, choć niektóre wykonania specjalne są znacznie droższe od standardowych.

Autor: Pan Piotr Kołaczek

Źródło: Mitsubishi Electric

Oceń ten artykuł
(0 głosów)

Skomentuj

Upewnij się, że pola oznaczone wymagane gwiazdką (*) zostały wypełnione. Kod HTML nie jest dozwolony.