Co to jest sterownik PLC i jakie są jego zastosowania?

12 Sierpień 2024

Wraz z rewolucją przemysłową i wejściem w Przemysł 4.0 programowalne sterowniki logiczne stały się koniecznym standardem. Obecnie każdy mniejszy lub większy park maszynowy posiada nawet kilka sterowników PLC, a sam sterownik stał się jednym z najważniejszych urządzeń automatyki przemysłowej. Dowolny proces technologiczny, który chcielibyśmy w znaczącym stopniu zautomatyzować wiąże się z wykorzystaniem sterownika PLC. Aktualnie na rynku istnieje wiele sterowników o rozmaitych specyfikacjach i potrzebach dostosowanych pod wymagania klienta. Zagłębmy się w ten temat razem z Andrzejem Boguszem, programistą PLC w Raion Automatyka.

Czym jest sam sterownik?

Sterownik (kontroler) to urządzenie lub komponent, którego zadaniem jest zarządzanie i sterowanie elementami systemu komputerowego. Główną funkcją kontrolera jest wspomaganie pracy głównego układu, czyli procesora, poprzez kontrolowanie przepływu danych między procesorem a urządzeniami peryferyjnymi. Kontroler działa jako łącznik, umożliwiając komunikację między centralną częścią komputera a jego zewnętrznymi elementami.

Każdy sterownik posiada mikroprocesor, złożony układ cyfrowy zrealizowany jako pojedynczy układ scalony, zdolny do wykonywania operacji cyfrowych według określonego ciągu instrukcji. Łączy funkcje centralnej jednostki obliczeniowej (CPU) w jednym półprzewodnikowym układzie scalonym. Mikroprocesor działa jako synchroniczny automat sekwencyjny, co oznacza, że wykonuje instrukcje w ustalonej kolejności, zgodnie z sygnałem zegarowym, który reguluje szybkość jego pracy. Programy składają się z ciągów instrukcji, które mikroprocesor wykonuje, aby realizować różne zadania.

Co to jest sterownik PLC?

Sterownik PLC (Programowalny Sterownik Logiczny) to uniwersalne mikroprocesorowe urządzenie zaprojektowane do sterowania pracą maszyn i urządzeń technologicznych, szczególnie w środowisku przemysłowym. PLC jest dostosowywany do konkretnego obiektu sterowania poprzez wprowadzenie do jego pamięci odpowiedniego algorytmu działania, który jest zapisany w specjalnym języku programowania.

Cechą wyróżniającą sterowniki PLC jest ich cykliczny obieg pamięci programu, co oznacza, że sterownik regularnie przetwarza zapisane instrukcje w sposób ciągły. Dzięki programowalnej pamięci, algorytm sterowania można łatwo zmienić, modyfikując zawartość pamięci programu.

Sterowniki PLC są wyposażone w układy wejściowe i wyjściowe. Układy wejściowe zbierają informacje o stanie sterowanego obiektu i potrzebach operacyjnych, podczas gdy układy wyjściowe są połączone z elementami wykonawczymi, sygnalizacyjnymi lub systemami transmisji danych. Dzięki temu, sterowniki PLC mogą realizować różnorodne funkcje, takie jak operacje logiczne, sekwencyjne, taktowanie, zliczanie i arytmetykę.

Sterowniki PLC zastępują tradycyjne układy stycznikowo-przekaźnikowe, upraszczając i eliminując skomplikowane okablowanie między stycznikami i przełącznikami. Wszystkie operacje sterujące, takie jak włączanie i wyłączanie urządzeń, ustawianie parametrów, zliczanie czasu i obsługa receptur, odbywają się wewnątrz sterownika.

Ze względu na swoją wszechstronność, sterowniki PLC są szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu do zarządzania liniami produkcyjnymi, oświetleniem i innymi urządzeniami elektrycznymi.

Typowy sterownik PLC zbudowany jest z:

• jednostki centralnej (CPU),

• wejść cyfrowych,

• wejść analogowych,

• wyjść cyfrowych,

• wyjść analogowych,

• bloków komunikacyjnych,

• bloków specjalnych,

• pamięci stałej np. ROM, EEPROM.

Zasady działania programowalnego sterownika logicznego

Sterowniki PLC działają w sposób cykliczny i powtarzalny. Oto jak wygląda ich praca krok po kroku:

1. Autodiagnostyka: Na początku każdego cyklu sterownik przeprowadza autodiagnozę, sprawdzając poprawność działania układów i modułów.

2. Odczyt wejść: Następnie sterownik pobiera informacje ze wszystkich podłączonych czujników i urządzeń wejściowych. Te dane informują sterownik o aktualnym stanie maszyny i otoczenia.

3. Wykonanie programu: Mózgiem sterownika jest program użytkownika, zapisany w jego pamięci. Program ten zawiera algorytmy sterowania, które określają, jak sterownik ma reagować na odczytane dane z wejść. W tym etapie sterownik wykonuje obliczenia, podejmuje decyzje i ustala stany sygnałów wyjściowych.

4. Aktualizacja wyjść: Na podstawie wyników wykonanego programu, sterownik wysyła sygnały sterujące do urządzeń wykonawczych, takich jak siłowniki, przekaźniki czy lampki sygnalizacyjne. Sygnały te powodują zmiany w fizycznym świecie, kontrolując pracę maszyny.

5. Komunikacja: Niektóre sterowniki PLC posiadają moduły komunikacyjne, które umożliwiają im wymianę danych z innymi urządzeniami w sieci. Na tym etapie może dochodzić do przesyłania danych, monitorowania pracy zdalnie lub sterowania maszynami z poziomu komputera.

6. Powtórka cyklu: Po zakończeniu wszystkich zadań cyklu, sterownik wraca do etapu autodiagnostyki i rozpoczyna kolejny cykl pracy. Ten proces powtarza się nieustannie, zapewniając płynną i bezpieczną kontrolę nad maszyną.

Charakterystyczne cechy działania sterowników PLC:

Zamknięta pętla sterowania: Informacje zwrotne z czujników (wejścia) są stale wykorzystywane do aktualizacji sterowania maszyny (wyjścia), tworząc zamkniętą pętlę sterowania.

Cykliczność: Każdy etap jest powtarzany w określonej kolejności i czasie, zapewniając przewidywalną i powtarzalną pracę.

Programowalność: Algorytm sterowania jest zapisany w programie użytkownika, co pozwala na łatwe dostosowanie działania sterownika do konkretnych potrzeb oraz szybka diagnostykę i modyfikację programu.

Modułowość: Możliwość rozbudowy o dodatkowe moduły wejść, wyjść i komunikacyjne, zwiększając funkcjonalność sterownika.

Rodzaje sterowników PLC

Sterowniki kompaktowe to niewielkie i ekonomiczne urządzenia zaprojektowane do sterowania prostymi urządzeniami i instalacjami. W jednej obudowie zawiera wszystkie niezbędne elementy: jednostkę centralną (CPU), pamięć, zasilacz oraz kilka cyfrowych wejść i wyjść. Czasem wyposażony jest także w niewielki wyświetlacz i klawiaturę. Wszystkie kluczowe komponenty są zintegrowane w jednej obudowie. Zazwyczaj ma tylko kilka cyfrowych wejść i wyjść, rzadko posiada wejścia-wyjścia analogowe. Niska cena i małe rozmiary, dzięki temu są dostępne i łatwe do użycia w prostszych zastosowaniach. Mają sztywną, niezmienną strukturę, co oznacza, że nie można ich łatwo rozszerzyć o dodatkowe moduły. Sterowniki kompaktowe są idealne do mniej skomplikowanych aplikacji, gdzie nie są wymagane zaawansowane funkcje i duża liczba wejść/wyjść. Ich największą zaletą jest prostota i kompaktowość, co sprawia, że są praktycznym wyborem do wielu podstawowych zadań automatyzacji.

Sterowniki modułowe to elastyczne i konfigurowalne urządzenia stosowane do sterowania złożonymi procesami i dużymi instalacjami. Ich najważniejszą cechą jest możliwość swobodnego dodawania i wymiany modułów, co pozwala na dostosowanie sterownika do zmieniających się potrzeb i wymagań. Sterownik składa się z oddzielnych modułów, takich jak zasilacz, CPU i różnorodne moduły wejść/wyjść, które są połączone przez wspólną szynę lub gniazda. Posiadają możliwość dowolnego łączenia, modyfikowania i rozszerzania sterownika poprzez dodawanie nowych modułów, co zwiększa funkcjonalność i liczbę dostępnych wejść/wyjść. Moduły mogą obejmować zarówno cyfrowe, jak i analogowe wejścia/wyjścia, co pozwala na sterowanie skomplikowanymi procesami produkcyjnymi. Sterowniki modułowe często posiadają mocniejsze procesory, większą pamięć i szybkie przetwarzanie, co umożliwia realizację złożonych algorytmów i sterowanie wymagającymi urządzeniami, jak np. serwonapędami. Mają szerokie możliwości komunikacyjne, co umożliwia łatwe łączenie się z różnymi systemami i urządzeniami w środowisku przemysłowym. Sterowniki modułowe są idealne do zastosowań, które wymagają dużej elastyczności i możliwości rozbudowy, co czyni je popularnym wyborem w przemyśle do sterowania skomplikowanymi procesami i dużymi systemami.

Sterowniki obiektowe grupa sterowników rozproszona w obrębie całego systemu, tworzą miedzy sobą sieć. W tej grupie sterowniki kompaktowe mogą posłużyć na przykład za wyspy I/O. W niektórych przypadkach same moduły sterownika mogą być oddalone od siebie, a komunikacja między nimi a CPU odbywa się za pomocą przemysłowych sieci komunikacyjnych. Najczęściej do tej grupy zaliczamy sterowniki łączące ze sobą kilka dużych systemów, a nawet przypadki sterowania całą hala przemysłową.

Sterownik bezpieczeństwa, znany również jako sterownik safety, to kluczowy element systemów sterowania odpowiedzialnych za zapewnienie bezpieczeństwa w aplikacjach przemysłowych. Jego głównym zadaniem jest monitorowanie i analiza stanów urządzeń wejściowych, takich jak kurtyny bezpieczeństwa, wyłączniki awaryjne (E-Stop), czy czujniki ryglowania. W razie wykrycia sytuacji niebezpiecznej, sterownik ten natychmiast sprowadza proces lub maszynę do bezpiecznego stanu, chroniąc użytkowników przed potencjalnym zagrożeniem. Sterowniki bezpieczeństwa różnią się od standardowych sterowników PLC zarówno pod względem sprzętu, jak i oprogramowania. Kluczowym elementem tych różnic jest "redundancja" – sterowniki safety posiadają zdublowaną architekturę sprzętową, co zwiększa ich niezawodność i bezpieczeństwo działania. Są zaprojektowane tak, aby minimalizować ryzyko i spełniać surowe wymagania bezpieczeństwa (normy), co czyni je niezbędnymi w zarządzaniu potencjalnie niebezpiecznymi procesami przemysłowymi.

Programowanie sterowników PLC

Programowanie sterowników PLC odbywa się za pomocą komputerów PC wyposażonych w specjalistyczne oprogramowanie dostarczane przez producentów sterowników. Proces ten obejmuje kilka etapów:

1. Środowisko programistyczne: Komputer musi mieć zainstalowane odpowiednie środowisko programistyczne, które pozwala na pisanie aplikacji w jednym lub kilku językach programowania. Środowisko to jest dostarczane przez producenta sterowników i jest specyficzne dla każdej marki.

2. Interfejs komunikacyjny: Komputer musi być wyposażony w odpowiedni interfejs komunikacyjny, który umożliwia połączenie i wymianę danych ze sterownikiem PLC. Mogą to być porty szeregowe (RS232/485), USB lub karta sieciowa Ethernet. Obecnie najczęściej używa się USB lub Ethernet.

3. Wprowadzenie algorytmu: Programista wprowadza do pamięci sterownika algorytm działania, który określa konkretne operacje do wykonania przez sterownik. Algorytm ten jest przesyłany do sterownika przez połączenie komunikacyjne i zapisywany w jego pamięci.

4. Komunikacja i przesył danych: Dzięki interfejsom komunikacyjnym, komputer i sterownik mogą wymieniać dane. Umożliwia to nie tylko programowanie, ale także monitorowanie i aktualizację programów sterownika.

Sam język programowania PLC jest określony normą IEC 61131-3, definiuje ona podstawowe warianty, które muszą być zaimplementowane w sterowniku:

• Schemat Drabinkowy (LD) – Typ graficzny. Programy są przedstawiane jako schematy elektryczne z przekaźnikami.

• Schemat Bloków Funkcyjnych (FBD) – Typ graficzny. Programy są przedstawiane jako połączenie bloków funkcyjnych, zadających zależność między wejściami a wyjściami.

• Sekwencyjna Karta Funkcji (SFC) – Typ mieszany. Programy są przedstawiane w postaci, podobnej do diagramów stanów. SFC bazuje na formalizmie sieci Petriego i pozwala opisywać zarówno sekwencyjne, jak i równoległe algorytmy.

• Tekst Strukturalny (ST) – Typ tekstowy. Język wysokiego poziomu, oparty na języku Pascal.

• Lista Instrukcji (IL) – Typ tekstowy. Język niskiego poziomu, przypominający język asemblera.

Część producentów sterowników w oparciu o normę IEC 61131-3 tworzy własny odpowiednik wyżej wymienionych kategorii, a niekiedy pozwala na integrację innych istniejących języków programowania np. C++.

Zaawansowane sterowniki PLC umożliwiają zaprogramowanie warstwy sprzętowej (hardware) pod bardziej skomplikowane projekty oraz wymagania integratora. Wiąże się to również z możliwością zarządzania urządzeniami sieciowymi podlegającymi pod dany sterownik.

Zalety wykorzystania PLC

Sterowniki PLC mają wiele zalet w porównaniu z tradycyjnymi układami stycznikowo-przekaźnikowymi. Oto główne z nich:

1. Łatwa modyfikacja programów:

Możliwość zmiany programu sterującego bez konieczności modyfikacji sprzętowej, takiej jak okablowanie. To znacznie skraca czas i koszty związane z modyfikacją instalacji.

2. Redukcja kosztów:

Sterowniki PLC eliminują potrzebę stosowania przekaźników czasowych i styczników pomocniczych, co obniża koszty instalacji.

Niskie zużycie energii przez sterowniki PLC dodatkowo wpływa na obniżenie kosztów operacyjnych.

3. Wysoka niezawodność:

PLC są znacznie bardziej niezawodne w porównaniu do układów stycznikowo-przekaźnikowych, co zmniejsza ryzyko awarii i zwiększa stabilność systemu.

4. Wszechstronność i elastyczność:

Wszystkie funkcje sterowania, takie jak zliczanie czasu, realizowane są wewnątrz sterownika, co pozwala na większą elastyczność w projektowaniu systemu.

Programy sterowników można kopiować i wielokrotnie używać, co jest bardzo efektywne i oszczędza czas.

5. Łatwość konserwacji i diagnostyki:

Nowoczesne sterowniki PLC umożliwiają zdalne zarządzanie i serwisowanie aplikacji przez Internet, co pozwala na obsługę systemu z dowolnego miejsca na świecie.

Możliwość dodawania komentarzy do programu ułatwia zrozumienie i utrzymanie kodu przez różnych użytkowników.

6. Szybkość realizacji projektów:

Mniejsza ilość prac montażowych oraz niższe koszty okablowania i materiałów pozwalają na szybsze realizowanie projektów.

7. Technologiczny rozwój: Rozwój mocy obliczeniowej i szybkości kontrolerów umożliwia integrację nowych funkcji. Niekiedy sterowniki można konfigurować i programować za pomocą chmury, a dane diagnostyczne są dostępne poprzez smartphone, co optymalizuje koszty serwisu i zarządzania rozproszonymi systemami.

Te zalety sprawiają, że sterowniki PLC są preferowanym wyborem w nowoczesnych systemach automatyki, umożliwiając bardziej elastyczne, niezawodne i ekonomiczne rozwiązania.