Programowalne sterowniki logiczne są urządzeniami stosowanymi w automatyce do sterowania pracą maszyn i urządzeń. Stanowią różnorodną grupę produktów, a ich zastosowanie można dostrzec praktycznie na każdym kroku. W artykule została opisana między innym zasada działania sterowników PLC, a także zalety i wady użytkowania.
W jakim celu powstał sterownik PLC?
Sterownik PLC został wynaleziony pod koniec lat 60-tych w Stanach Zjednoczonych, przez amerykańskich inżynierów przemysłu samochodowego, w latach szybkiego wzrostu poziomu automatyzacji zakładów produkcyjnych. Powstał w celu eliminacji oraz uproszczenia skomplikowanego okablowania pomiędzy stycznikami i przełącznikami, używanymi w tamtych latach do sterowania.
Dzięki zastosowaniu sterownika PLC, zadania realizowane są za pomocą odpowiedniego algorytmu (programu) działania, co znacznie ułatwia wprowadzanie zmian w procesie sterowania oraz regulacji maszyn i urządzeń.
Sterownik PLC budowa
Sterowniki PLC składają się z następujących elementów:
– jednostki centralnej (CPU)
– wejść cyfrowych
– wejść analogowych
– wyjść cyfrowych
– wyjść analogowych
– modułu zasilania
– modułu komunikacji
– pamięi
Sterownik PLC wyposażony jest w procesor, który pobiera i przetwarza dane z pamięci, a następnie wykonuje rozkazy zapisane w programie. Cyfrowe moduły wejściowe odbierają sygnały w postaci binarnej (I/0) np. z czujników. Wejścia analogowe służą do pomiaru sygnału ciągłego, np. temperatury, wagi, czy ciśnienia. Pomiar odbywa się poprzez zamianę wartości – np. temperatury – na sygnał analogowy o wartości od 0 do 10V. Wejścia analogowe muszą być połączone z odpowiednimi przetwornikami, które przetwarzają sygnał analogowy na cyfrowy. CPU odczytuje bowiem tylko sygnał cyfrowy. Moduły wyjściowe cyfrowe i analogowe służą do sterowania urządzeniami wykonawczymi, do których należą styczniki, lampki kontrolne, regulatory temperatury, elektrozawory itp. Moduł zasilania, w zależności od sterownika, może być jego integralną częścią lub osobnym podzespołem. Stosowane są głównie zasilacze na prąd zmienny o napięciu 230V lub 24V na prąd stały. Każdy sterownik PLC posiada również moduł komunikacji, który musi być wyposażony przynajmniej w jeden port, służący do komunikacji sterownika z komputerem, na przykład w celu modyfikacji czy wgrania programu. Oprócz tego niezbędna jest pamięć, to w niej przechowywane są programy. Pamięć ta dzieli się na ROM i EPROM. Pamięć ROM przechowuje dane i kod programu. EPROM jest pamięcią nieulotną. Oznacza to, że w przypadku usunięcia programu z pamięci ROM, program ten w dalszym ciągu znajduje się w pamięci EPROM.
Jak działa sterownik PLC?
Programowalny sterownik logiczny (ang. PLC – Programmable Logic Controller, niem. SPS – Speicherprogrammierbare Steuerung) działa na zasadzie zero-jedynkowej, to znaczy włącza lub wyłącza poszczególne elementy wykonawcze maszyny czy urządzenia przy użyciu impulsów elektrycznych. Wyposażony jest w odpowiednią liczbę układów wejściowych i wyjściowych. Informacje o stanie obiektu oraz zadanej czynności, dostarczane są poprzez moduły wejściowe. Mikroprocesor, zaprogramowany w odpowiednim języku programowania, analizuje i zapisuje informacje (obrazy) uzyskane z układów wejściowych w sposób cykliczny. Sterownik weryfikuje polecenia w takiej kolejności, w jakiej zostały one zapisane w programie. Następnie tworzy obraz dla układów wyjściowych, a system operacyjny wyjścia steruje elementami wykonawczymi maszyny.
Algorytm działania sterownika PLC:
1 Inicjalizacja sterownika – przy każdym uruchomieniu sterownika następuje sprawdzenie poprawności działania.
2 Odczyt sygnałów wejściowych sterownika – pierwsza pętla programu w sterowniku analizuje i wykonuje odczyt stanów urządzeń wejściowych. W trakcie zmiany programu, podczas wykonywania pętli, zmiana na wyjściu nastąpi w kolejnej pętli.
3 Obsługa komunikacji – odbiór informacji w przypadku podłączenia z innymi sterownikami oraz aktualizacja programu.
4 Autodiagnostyka – zbieranie informacji o błędach np. stanie baterii, zasilaniu itp. W przypadku wykrycia błędu sterownik przerywa działanie.
Rodzaje sterowników PLC
Sterowniki PLC dzielą się ze względu na środowisko programistyczne oraz budowę.
Środowisko programistyczne dobierane jest zwykle przez producenta danego sterownika i może być w postaci :
– LD (ladder diagram)
– FBD (function block diagram)
– ST (structured text)
– IL (instruction list)
– SFC( sequential function chart)
Natomiast ze względu na budowę, sterowniki PLC dzielą się na:
– kompaktowe, składające się z jednego modułu, w przypadku tzw. nanosterowników posiadają do 32 wejść/wyjść lub 128 wejść/wyjść w przypadku mikrosterowników
– modułowe małe, składające się z kilku modułów, obsługują do 200 wejść/wyjść
– modułowe średnie, zawierają mocniejsze mikroprocesory, posiadają do 400 wejść/wyjść
– modułowe duże, posiadają największe jednostki arytmetyczno–logiczne, mają ponad 400 wejść/wyjść
– rozproszone, posiadają sterownik centralny, który komunikuje się za pomocą sieci
z pozostałymi modułami rozproszonymi
Czym różnią się sterowniki kompaktowe od modułowych?
Sterowniki kompaktowe
Sterowniki kompaktowe są urządzeniami najmniejszymi i najtańszymi. Stosowane są głównie do sterowania nieskomplikowanymi urządzeniami, czy instalacjami. W jednej obudowie znajduje się wbudowany zasilacz, jednostka centralna (CPU) oraz mała liczba wejść i wyjść cyfrowych. Rzadko wyposażone są w wejścia-wyjścia analogowe. Posiadają sztywną, określoną przez producenta budowę, przez co nie da się ich rozszerzy o dodatkowe moduły. Obecnie jednak zaciera się granica pomiędzy sterownikami kompaktowymi i modułowymi. Na rynku pojawiają się sterowniki kompaktowe, które tak jak w przypadku modułowych, również można rozszerzać o dodatkowe moduły. Nie dotyczy to jednak wszystkich modeli sterowników kompaktowych.
Sterowniki modułowe
Sterowniki modułowe, w zależności od potrzeb, można swobodnie konfigurować poprzez wyposażenie ich w dodatkowe moduły. W swojej budowie zawierają zazwyczaj osobno zasilacz, procesor i właśnie szereg modułów opcjonalnych. Zaletą sterowników modułowych jest, jak sama nazwa wskazuje, ich modułowość. Oznacza to, że można je dowolnie łączyć, modyfikować czy rozszerzać odpowiednio do wzrostu wymagań układu sterowania. Rozszerzanie polega na dołączeniu dedykowanego modułu do sterownika, zwiększającego jego funkcje oraz liczbę wejść i wyjść. Stosowane są dodatkowe moduły w postaci wejść–wyjść cyfrowych lub analogowych, jaki i przykładowo:
– moduł pozycjonowania osi (APM)
– moduł szybkich liczników (HSC)
– moduł wejściowy dla czujników temperatury
– moduł do pomiaru energii
– moduł komunikacji z siecią (np. Ethernet)
– moduł regulatora PID, itd.
Sterowniki modułowe sterują złożonymi procesami produkcyjnymi, posiadają większą pamięć danych, a także są z reguły szybsze w przetwarzaniu złożonych algorytmów.
Dzięki indywidualnej konfiguracji (moduł podstawowy + moduły rozszerzeń) istnieje możliwość sterowania za pomocą PLC na przykład silnikiem krokowym. Jednak ze względu na działanie silnika krokowego, którego prędkość obrotów osi zależy od częstotliwości impulsów elektrycznych, a kąt obrotu osi silnika od ich ilości, należy stosować sterowniki PLC z wysokoczęstotliwościowymi wyjściami, generującymi szybkie impulsy prostokątne.
Zalety sterowników PLC
Sterowniki PLC posiadają wiele zalet, które dają im znaczącą przewagę w porównaniu do układów przekaźnikowo – stycznikowych. Przede wszystkim modyfikacja sterowania nie wymaga zmiany okablowania. Prowadzi to do znaczącego skrócenia czasu związanego ze zmianą sterowania danej instalacji. Wszystkie działania, takie jak realizacja i ocena funkcji zliczania, czasu, czy ocena różnych stanów powiązań, jest wykonywana wewnątrz sterownika. Oznacza to zmniejszenie kosztów poprzez eliminacje w danej instalacji przekaźników czasowych oraz styczników pomocniczych.
Program obsługujący sterownik PLC można kopiować i używać wiele razy, co jest bardzo ekonomiczne. Można dodawać w nim również komentarze, a zatem łatwiejsze staje się zrozumienie co w danym fragmencie programu jest wykonywane.
Programowalne sterowniki PLC wymagają mniej prac montażowych, mniejszych kosztów materiału i okablowania, przez co wszystkie projekty mogą być realizowane w krótszym czasie.
Kolejną zaletą jest zdalna diagnostyka i konserwacja. Sterowanie programem można wykonywać bez żadnych problemów za pomocą innej lokalizacji. Poza tym sterowniki PLC charakteryzują się niskim zużyciem energii oraz bardzo wysoką niezawodnością w porównaniu do układów przekaźnikowo – stycznikowych.
Wady sterowników PLC
Sterowniki PLC w zasadzie pozbawione są wad, jeżeli porówna się je do układów przekaźnikowo – stycznikowych. Jedną z nielicznych wad może być na przykład wysoki koszt takiego sterownika. Dotyczy to stosowania sterownika w małych instalacjach. Jednak w przypadku dużych instalacji, koszt sterownika nie stanowi znaczącego udziału w koszcie całkowitym. Ponadto do wdrożenia sterownika PLC niezbędny jest dobrze wyszkolony i wykwalifikowany personel.
Sterowniki PLC zastosowanie
Sterowniki PLC znajdują szerokie zastosowanie, zarówno w każdym zautomatyzowanym przemyśle, jak i w urządzeniach codziennego użytku. Sterowniki te ułatwiają wykonywanie powtarzalnych czynności, przez co są tak popularne. Stosowane w takich sektorach przemysłu jak budowa maszyn, energetyka czy transport. Bardzo często sterują całymi liniami produkcyjnymi. W życiu codziennym służą na przykład do sterowania sygnalizatorami świetlnymi, windami, ruchomymi schodami, a także stanowią wyposażenie inteligentnych domów.