Programowalny sterownik logiczny - Programmable logic controller
| Część serii artykułów na temat |
| Przemysł maszynowy |
|---|
 |
| Metody produkcji |
| Technologie przemysłowe |
| Informacja i komunikacja |
| Kontrola procesu |
Sterownik programowalny układ logiczny ( PLC ) lub sterownik programowalny jest przemysłowym komputer , który został ruggedized i przystosowane do kontroli procesów wytwarzania, na przykład linii produkcyjnych , maszyn zautomatyzowanych urządzeń lub czynności wymagających dużej niezawodności, łatwość programowania i diagnostyka błędów procesu. Dick Morley jest uważany za ojca PLC, ponieważ wynalazł pierwszy PLC, Modicon 084, dla General Motors w 1968 roku.
PLC mogą obejmować zarówno małe urządzenia modułowe z dziesiątkami wejść i wyjść (I/O) , w obudowie zintegrowanej z procesorem, jak i duże, montowane w szafie urządzenia modułowe z tysiącami wejść/wyjść, które często są połączone w sieć z innymi sterownikami PLC i Systemy SCADA .
Mogą być zaprojektowane dla wielu układów cyfrowych i analogowych wejść/wyjść, rozszerzonych zakresów temperatur, odporności na zakłócenia elektryczne oraz odporności na wibracje i uderzenia. Programy sterujące pracą maszyny są zwykle przechowywane w pamięci podtrzymywanej bateryjnie lub nieulotnej .
Sterowniki PLC zostały po raz pierwszy opracowane w przemyśle motoryzacyjnym w celu zapewnienia elastycznych, wytrzymałych i łatwo programowalnych sterowników zastępujących przewodowe układy logiczne przekaźników . Od tego czasu są szeroko stosowane jako sterowniki automatyki o wysokiej niezawodności, odpowiednie do trudnych warunków.
Sterownik PLC jest przykładem twardego systemu czasu rzeczywistego , ponieważ wyniki wyjściowe muszą być generowane w odpowiedzi na warunki wejściowe w ograniczonym czasie, w przeciwnym razie nastąpi niezamierzone działanie.
Wynalazek i wczesny rozwój
PLC powstał pod koniec lat 60. w przemyśle motoryzacyjnym w USA i został zaprojektowany w celu zastąpienia przekaźnikowych systemów logicznych. Wcześniej logika sterowania dla produkcji składała się głównie z przekaźników , timerów krzywkowych , sekwenserów bębnowych i dedykowanych sterowników pętli zamkniętej.
Okablowana natura utrudniła inżynierom projektantów zmianę procesu automatyzacji. Zmiany wymagałyby ponownego okablowania i starannej aktualizacji dokumentacji. Gdyby chociaż jeden przewód był nie na miejscu lub jeden przekaźnik uległ awarii, cały system uległby awarii. Często technicy spędzali godziny na rozwiązywaniu problemów, badając schematy i porównując je z istniejącym okablowaniem. Kiedy komputery ogólnego przeznaczenia stały się dostępne, wkrótce zastosowano je do sterowania logiką w procesach przemysłowych. Te wczesne komputery były zawodne i wymagały wyspecjalizowanych programistów oraz ścisłej kontroli warunków pracy, takich jak temperatura, czystość i jakość zasilania.
Sterownik PLC miał kilka zalet w porównaniu z wcześniejszymi systemami automatyzacji. Tolerował środowisko przemysłowe lepiej niż komputery i był bardziej niezawodny, kompaktowy i wymagał mniej konserwacji niż systemy przekaźnikowe. Można go było łatwo rozbudować o dodatkowe moduły I/O, podczas gdy systemy przekaźnikowe wymagały skomplikowanych zmian sprzętowych w przypadku rekonfiguracji. Umożliwiło to łatwiejszą iterację projektu procesu produkcyjnego. Dzięki prostemu językowi programowania skoncentrowanemu na operacjach logicznych i przełączania, był bardziej przyjazny dla użytkownika niż komputery używające języków programowania ogólnego przeznaczenia . Pozwoliła również na monitorowanie jego działania. Wczesne sterowniki PLC były programowane w logice drabinkowej , która bardzo przypominała schematyczny diagram logiki przekaźnikowej . Ten zapis programu został wybrany w celu zmniejszenia wymagań szkoleniowych dla istniejących techników. Inne sterowniki PLC wykorzystywały formę programowania listy instrukcji , opartą na solwerze logicznym opartym na stosie.
Modicon
W 1968 r. GM Hydramatic ( dział automatycznych skrzyń biegów firmy General Motors ) wystosował zapytanie ofertowe dotyczące elektronicznego zastąpienia przewodowych systemów przekaźnikowych w oparciu o białą księgę napisaną przez inżyniera Edwarda R. Clarka. Zwycięska propozycja pochodziła od Bedford Associates z Bedford w stanie Massachusetts . W rezultacie powstał pierwszy sterownik PLC — zbudowany w 1969 roku — oznaczony jako 084, ponieważ był to osiemdziesiąty czwarty projekt Bedford Associates.
Bedford Associates założyło firmę zajmującą się opracowywaniem, produkcją, sprzedażą i serwisowaniem tego nowego produktu, który nazwali Modicon (oznaczający modułowy sterownik cyfrowy). Jedną z osób, która pracowała nad tym projektem, był Dick Morley , uważany za „ojca” PLC. Marka Modicon została sprzedana w 1977 roku firmie Gould Electronics, a później Schneider Electric , obecnemu właścicielowi. Mniej więcej w tym samym czasie firma Modicon stworzyła Modbus , protokół transmisji danych używany ze swoimi sterownikami PLC. Modbus stał się od tego czasu standardowym otwartym protokołem powszechnie używanym do łączenia wielu przemysłowych urządzeń elektrycznych.
Jeden z pierwszych wyprodukowanych modeli 084 jest obecnie wystawiany w zakładzie Schneider Electric w North Andover w stanie Massachusetts . Został on przedstawiony Modiconowi przez GM , gdy po prawie dwudziestu latach nieprzerwanej służby jednostka przeszła na emeryturę. Modicon używał monikera 84 na końcu swojej gamy produktów, dopóki nie pojawił się 984.
Allen-Bradley
W równoległym rozwoju Odo Josef Struger jest czasami również znany jako „ojciec programowalnego sterownika logicznego”. Był zaangażowany w wynalezienie programowalnego sterownika logicznego Allen-Bradley i przypisuje się mu wynalezienie inicjalizacji PLC. Allen-Bradley (obecnie marka należąca do Rockwell Automation ) stał się głównym producentem PLC w Stanach Zjednoczonych podczas swojej kadencji. Struger odegrał wiodącą rolę w opracowywaniu standardów języka programowania PLC IEC 61131-3 .
Wczesne metody programowania
Wiele wczesnych sterowników PLC nie było zdolnych do graficznej reprezentacji logiki, więc zamiast tego była reprezentowana jako seria wyrażeń logicznych w pewnego rodzaju formacie Boole'a, podobnym do algebry Boole'a . Wraz z ewolucją terminali programistycznych, coraz powszechniejsze stało się stosowanie logiki drabinkowej, ponieważ był to format znany z elektromechanicznych paneli sterowania. Istnieją nowsze formaty, takie jak logika stanu i blok funkcyjny (który jest podobny do sposobu przedstawiania logiki przy użyciu cyfrowych układów scalonych), ale nadal nie są tak popularne jak logika drabinkowa. Głównym tego powodem jest to, że sterowniki PLC rozwiązują logikę w przewidywalnej i powtarzalnej kolejności, a logika drabinkowa pozwala osobie piszącej logikę dostrzec wszelkie problemy z synchronizacją sekwencji logicznej łatwiej niż byłoby to możliwe w innych formatach.
Do połowy lat 90. sterowniki PLC były programowane za pomocą zastrzeżonych paneli programistycznych lub specjalnych terminali programistycznych , które często miały dedykowane klawisze funkcyjne reprezentujące różne elementy logiczne programów PLC. Niektóre zastrzeżone terminale programistyczne wyświetlały elementy programów PLC jako symbole graficzne, ale powszechne były zwykłe reprezentacje znaków ASCII styków, cewek i przewodów. Programy były przechowywane na kasetach magnetofonowych . Udogodnienia do drukowania i dokumentacji były minimalne ze względu na brak pojemności pamięci. Najstarsze sterowniki PLC wykorzystywały nieulotną pamięć z rdzeniem magnetycznym .
Architektura
Sterownik PLC to przemysłowy sterownik oparty na mikroprocesorze z programowalną pamięcią służącą do przechowywania instrukcji programu i różnych funkcji. Składa się ona z:
- procesor (CPU), który interpretuje dane wejściowe, wykonuje zapisany w pamięci program sterujący i wysyła sygnały wyjściowe,
- zasilacz zamieniający napięcie AC na DC,
- jednostka pamięci przechowująca dane z wejść i programu do wykonania przez procesor,
- interfejs wejścia i wyjścia, gdzie kontroler odbiera i wysyła dane z/do urządzeń zewnętrznych,
- interfejs komunikacyjny do odbierania i przesyłania danych w sieciach komunikacyjnych z/do zdalnych sterowników PLC.
Sterowniki PLC wymagają programatora, który służy do rozwijania, a następnie wgrywania utworzonego programu do pamięci sterownika.
Nowoczesne sterowniki PLC zazwyczaj zawierają system operacyjny czasu rzeczywistego , taki jak OS-9 lub VxWorks .
Konstrukcja mechaniczna
Istnieją dwa rodzaje konstrukcji mechanicznej systemów PLC. Pojedyncza skrzynka albo cegła ma mały programowalny sterownik, który pasuje do wszystkich jednostek i interfejsy w jedną zwartą obudowę, chociaż zwykle dodatkowe moduły rozszerzeń wejść i wyjść są dostępne. Drugi typ konstrukcji – modułowy sterownik PLC – ma obudowę (zwaną również stelażem ), która zapewnia miejsce na moduły o różnych funkcjach, takich jak zasilanie, procesor, wybór modułów I/O i interfejsów komunikacyjnych – które wszystkie można dostosować do potrzeb konkretna aplikacja. Kilka stelaży może być zarządzanych przez jeden procesor i może mieć tysiące wejść i wyjść. Stosowane jest specjalne szybkie łącze szeregowe we/wy lub porównywalna metoda komunikacji, dzięki czemu szafy można rozmieścić z dala od procesora, zmniejszając koszty okablowania w dużych zakładach. Dostępne są również opcje montażu punktów we/wy bezpośrednio na maszynie i wykorzystanie kabli do szybkiego odłączania czujników i zaworów, co pozwala zaoszczędzić czas na okablowanie i wymianę komponentów.
Sygnały dyskretne i analogowe
Discrete (cyfrowe) sygnały mogą wziąć tylko na lub off wartości (1 lub 0, prawdziwe lub fałszywe ). Przykładami urządzeń dostarczających sygnał dyskretny są wyłączniki krańcowe , czujniki fotoelektryczne i enkodery . Dyskretne sygnały są przesyłane przy użyciu napięcia lub prądu , w którym konkretne przedziały skrajne zostały wskazane jako O, N i O ff . Na przykład, sterownik może wykorzystać wejścia 24 V DC o wartości powyżej 22 V DC reprezentujących O n , wartości poniżej 2 V DC stanowiących O ff i wartości pośrednich niezdefiniowane.
Sygnały analogowe mogą wykorzystywać napięcie lub prąd, które są proporcjonalne do wielkości monitorowanej zmiennej i mogą przyjmować dowolną wartość w swojej skali. Ciśnienie, temperatura, przepływ i waga są często reprezentowane przez sygnały analogowe. Są one zazwyczaj interpretowane jako wartości całkowite z różnymi zakresami dokładności w zależności od urządzenia i liczby bitów dostępnych do przechowywania danych. Na przykład, analogowe wejście pętli prądowej od 0 do 10 V lub 4-20 mA zostanie przekonwertowane na wartość całkowitą od 0 do 32 767. PLC przyjmie tę wartość i przetransponuje ją na żądane jednostki procesu, aby operator lub program mógł ją odczytać. Właściwa integracja obejmie również czasy filtrowania w celu zmniejszenia szumów, a także górne i dolne limity zgłaszania usterek. Wejścia prądowe są mniej wrażliwe na zakłócenia elektryczne (np. ze spawaczy lub rozruchów silników elektrycznych) niż wejścia napięciowe. Niepokojąca jest również odległość od urządzenia i sterownika, ponieważ maksymalna odległość przebycia dobrej jakości sygnału 0-10 V jest bardzo krótka w porównaniu z sygnałem 4-20 mA. Sygnał 4–20 mA może również sygnalizować odłączenie przewodu wzdłuż ścieżki, ponieważ sygnał <4 mA wskazuje na błąd.
Nadmierność
Niektóre specjalne procesy muszą działać w sposób ciągły z minimalnymi niechcianymi przestojami. Dlatego konieczne jest zaprojektowanie systemu odpornego na błędy i zdolnego do obsługi procesu z wadliwymi modułami. W takich przypadkach, aby zwiększyć dostępność systemu w przypadku awarii komponentów sprzętowych, do konfiguracji sprzętowej można dodać nadmiarowe moduły CPU lub I/O o tej samej funkcjonalności, aby zapobiec całkowitemu lub częściowemu zamknięciu procesu z powodu awarii sprzętu. Inne scenariusze redundancji mogą być związane z procesami krytycznymi dla bezpieczeństwa, na przykład duże prasy hydrauliczne mogą wymagać, aby oba sterowniki PLC włączały wyjście przed wyłączeniem prasy, w przypadku gdy jedno wyjście nie wyłącza się prawidłowo.
Programowanie
Programowalne sterowniki logiczne są przeznaczone do użytku przez inżynierów bez przygotowania programistycznego. Z tego powodu po raz pierwszy opracowano graficzny język programowania o nazwie Ladder Diagram (LD, LAD). Przypomina on schemat ideowy systemu zbudowanego z przekaźników elektromechanicznych i został przyjęty przez wielu producentów, a później znormalizowany w standardzie programowania systemów sterowania IEC 61131-3 . Od 2015 roku jest nadal szeroko stosowany dzięki swojej prostocie.
Od 2015 r. większość systemów PLC jest zgodna ze standardem IEC 61131-3, który definiuje 2 tekstowe języki programowania: tekst strukturalny (ST; podobny do Pascala ) i lista instrukcji (IL); jak również 3 językach graficznych: drabinkowy , Function Block Diagram (FBD) i Sequential Function Chart (SFC). Lista instrukcji (IL) została uznana za przestarzałą w trzecim wydaniu standardu.
Nowoczesne sterowniki PLC można programować na wiele sposobów, od opartej na przekaźnikach logiki drabinkowej po języki programowania, takie jak specjalnie przystosowane dialekty BASIC i C .
Podczas gdy podstawowe koncepcje programowania PLC są wspólne dla wszystkich producentów, różnice w adresowaniu wejść/wyjść, organizacji pamięci i zestawach instrukcji oznaczają, że programy PLC nigdy nie są całkowicie wymienne między różnymi producentami. Nawet w ramach tej samej linii produktów jednego producenta różne modele mogą nie być bezpośrednio kompatybilne.
Urządzenie programujące
Programy PLC są zazwyczaj napisane w urządzeniu do programowania, które może przybrać postać konsoli na biurku, specjalnego oprogramowania na komputerze osobistym lub podręcznego urządzenia do programowania. Następnie program jest przesyłany do sterownika PLC bezpośrednio lub przez sieć. Jest przechowywany w nieulotnej pamięci flash lub w podtrzymywanej bateryjnie pamięci RAM . W niektórych programowalnych sterownikach program jest przesyłany z komputera osobistego do PLC za pośrednictwem płyty programistycznej, która zapisuje program w wymiennym układzie scalonym, takim jak EPROM .
Producenci opracowują oprogramowanie programistyczne dla swoich sterowników. Oprócz możliwości programowania sterowników PLC w wielu językach, zapewniają one wspólne funkcje, takie jak diagnostyka i konserwacja sprzętu, debugowanie oprogramowania i symulacja offline.
Program napisany na komputerze osobistym lub przesłany ze sterownika PLC za pomocą oprogramowania do programowania można łatwo skopiować i utworzyć kopię zapasową na zewnętrznej pamięci masowej.
Symulacja
Symulacja PLC to funkcja często spotykana w oprogramowaniu do programowania PLC. Pozwala na testowanie i debugowanie na wczesnym etapie rozwoju projektu.
Nieprawidłowo zaprogramowany sterownik PLC może spowodować utratę produktywności i niebezpieczne warunki. Testowanie projektu w symulacji poprawia jego jakość, zwiększa poziom bezpieczeństwa związany z urządzeniami i może zaoszczędzić kosztowne przestoje podczas instalacji i uruchamiania zautomatyzowanych aplikacji sterowania, ponieważ wiele scenariuszy można wypróbować i przetestować przed uruchomieniem systemu.
Funkcjonalność
Główną różnicą w porównaniu z większością innych urządzeń komputerowych jest to, że sterowniki PLC są przeznaczone do pracy w trudniejszych warunkach (takich jak kurz, wilgoć, ciepło, zimno), a jednocześnie oferują rozbudowane wejścia/wyjścia (I/O) do podłączenia sterownika PLC do czujników i aktuatorów . Wejście PLC może zawierać proste elementy cyfrowe, takie jak wyłączniki krańcowe , zmienne analogowe z czujników procesowych (takich jak temperatura i ciśnienie) oraz bardziej złożone dane, takie jak dane z systemów pozycjonowania lub systemów wizyjnych . Wyjść sterownika może zawierać elementy, takie jak lampy wskaźnikowe, syreny silników elektrycznych , pneumatycznych lub hydraulicznych siłowników, magnetycznego przekaźnika , elektromagnesów lub analogowych wyjściowych. Układy wejścia/wyjścia mogą być wbudowane w prosty sterownik PLC lub sterownik PLC może mieć zewnętrzne moduły we/wy podłączone do magistrali polowej lub sieci komputerowej, które podłącza się do sterownika PLC.
Funkcjonalność sterownika PLC ewoluowała na przestrzeni lat, obejmując sekwencyjne sterowanie przekaźnikami, sterowanie ruchem, sterowanie procesem , rozproszone systemy sterowania i pracę w sieci . Obsługa danych, przechowywanie, moc przetwarzania i możliwości komunikacyjne niektórych nowoczesnych sterowników PLC są w przybliżeniu równoważne komputerom stacjonarnym . Programowanie podobne do sterownika PLC w połączeniu ze zdalnym sprzętem we/wy umożliwia komputerowi stacjonarnemu ogólnego przeznaczenia nakładanie się niektórych sterowników PLC w określonych aplikacjach. Kontrolery komputerów stacjonarnych nie są powszechnie akceptowane w przemyśle ciężkim, ponieważ komputery stacjonarne działają w mniej stabilnych systemach operacyjnych niż sterowniki PLC, a także dlatego, że sprzęt komputerowy zazwyczaj nie jest zaprojektowany tak, aby zapewniał takie same poziomy tolerancji na temperaturę, wilgotność, wibracje i trwałość jak procesory stosowane w sterownikach PLC. Systemy operacyjne, takie jak Windows, nie nadają się do realizacji logiki deterministycznej, w wyniku czego sterownik może nie zawsze reagować na zmiany stanu wejść z zachowaniem spójności czasowej oczekiwanej od sterowników PLC. Aplikacje logiki pulpitu znajdują zastosowanie w mniej krytycznych sytuacjach, takich jak automatyzacja laboratorium i zastosowanie w małych obiektach, gdzie aplikacja jest mniej wymagająca i krytyczna.
Podstawowe funkcje
Najbardziej podstawową funkcją sterownika programowalnego jest emulacja funkcji przekaźników elektromechanicznych. Wejściom dyskretnym nadawany jest unikalny adres, a instrukcja PLC może sprawdzić, czy stan wejścia jest włączony, czy wyłączony. Podobnie jak szereg styków przekaźnika wykonuje funkcję logicznego AND, nie pozwalając na przepływ prądu, dopóki wszystkie styki nie są zamknięte, tak seria instrukcji „sprawdzenia, czy jest włączona” spowoduje zasilenie jego wyjściowego bitu pamięci, jeśli wszystkie bity wejściowe są włączone. Podobnie, równoległy zestaw instrukcji wykona logiczne OR. W schemacie okablowania przekaźnika elektromechanicznego grupa styków sterujących jedną cewką nazywana jest „szczeblem” „schematu drabinkowego”, a ta koncepcja jest również używana do opisu logiki PLC. Niektóre modele PLC ograniczają liczbę instrukcji szeregowych i równoległych w jednym "szczeblu" logiki. Wyjście każdego szczebla ustawia lub czyści bit pamięci, który może być powiązany z fizycznym adresem wyjścia lub który może być „cewką wewnętrzną” bez fizycznego połączenia. Takie cewki wewnętrzne mogą być używane na przykład jako wspólny element w wielu oddzielnych szczeblach. W przeciwieństwie do przekaźników fizycznych, zwykle nie ma ograniczeń co do liczby odwołań do wejścia, wyjścia lub cewki wewnętrznej w programie PLC.
Niektóre sterowniki PLC wymuszają ścisłą kolejność wykonywania od lewej do prawej, od góry do dołu w celu oceny logiki szczebla. Różni się to od styków przekaźników elektromechanicznych, które w wystarczająco złożonym obwodzie mogą przepuszczać prąd od lewej do prawej lub od prawej do lewej, w zależności od konfiguracji otaczających styków. Eliminacja tych „skradankowych ścieżek” jest albo błędem, albo funkcją, w zależności od stylu programowania.
Bardziej zaawansowane instrukcje PLC mogą być zaimplementowane jako bloki funkcyjne, które wykonują pewne operacje, gdy są aktywowane przez wejście logiczne i które wytwarzają wyjścia sygnalizujące, na przykład, zakończenie lub błędy, jednocześnie manipulując wewnętrznie zmiennymi, które mogą nie odpowiadać logice dyskretnej.
Komunikacja
Sterowniki PLC wykorzystują wbudowane porty, takie jak USB , Ethernet , RS-232 , RS-485 lub RS-422 do komunikacji z urządzeniami zewnętrznymi (czujniki, siłowniki) i systemami (oprogramowanie programistyczne, SCADA , HMI ). Komunikacja odbywa się za pomocą różnych protokołów sieci przemysłowych, takich jak Modbus lub EtherNet/IP . Wiele z tych protokołów jest specyficznych dla dostawcy.
Sterowniki PLC używane w większych systemach we/wy mogą mieć komunikację peer-to-peer (P2P) między procesorami. Pozwala to na indywidualne sterowanie oddzielnymi częściami złożonego procesu, jednocześnie umożliwiając podsystemom koordynację w ramach łącza komunikacyjnego. Te łącza komunikacyjne są również często używane dla urządzeń HMI , takich jak klawiatury lub stacje robocze typu PC .
Dawniej niektórzy producenci oferowali dedykowane moduły komunikacyjne jako funkcję dodatkową, gdy procesor nie miał wbudowanego połączenia sieciowego.
Interfejs użytkownika
Sterowniki PLC mogą wymagać interakcji z ludźmi w celu konfiguracji, raportowania alarmów lub codziennego sterowania. W tym celu wykorzystywany jest interfejs człowiek-maszyna (HMI). Interfejsy HMI są również określane jako interfejsy człowiek-maszyna (MMI) i graficzne interfejsy użytkownika (GUI). Prosty system może używać przycisków i świateł do interakcji z użytkownikiem. Dostępne są wyświetlacze tekstowe oraz graficzne ekrany dotykowe. Bardziej złożone systemy wykorzystują oprogramowanie do programowania i monitorowania zainstalowane na komputerze, z PLC podłączonym przez interfejs komunikacyjny.
Proces cyklu skanowania
Sterownik PLC pracuje w cyklu skanowania programu, w którym wielokrotnie wykonuje swój program. Najprostszy cykl skanowania składa się z 3 kroków:
- odczytywanie danych wejściowych,
- uruchomić program,
- zapisz dane wyjściowe.
Program podąża za sekwencją instrukcji. Procesor zazwyczaj potrzebuje kilkudziesięciu milisekund, aby ocenić wszystkie instrukcje i zaktualizować stan wszystkich wyjść. Jeżeli system zawiera zdalne wejścia/wyjścia — na przykład zewnętrzny stojak z modułami wejść/wyjść — wprowadza to dodatkową niepewność w czasie odpowiedzi systemu PLC.
W miarę jak sterowniki PLC stawały się coraz bardziej zaawansowane, opracowano metody zmiany kolejności wykonywania drabiny i wdrożono podprogramy. To ulepszone programowanie może być wykorzystane do zaoszczędzenia czasu skanowania w przypadku szybkich procesów; na przykład części programu używane tylko do ustawiania maszyny mogą być oddzielone od części wymaganych do pracy z większą prędkością. Nowsze sterowniki PLC mają teraz opcję uruchamiania programu logicznego synchronicznie ze skanowaniem IO. Oznacza to, że IO jest aktualizowane w tle, a logika odczytuje i zapisuje wartości zgodnie z wymaganiami podczas skanowania logiki.
Moduły I/O specjalnego przeznaczenia mogą być używane tam, gdzie czas skanowania PLC jest zbyt długi, aby zapewnić przewidywalną wydajność. Precyzyjne moduły czasowe lub moduły licznikowe do użytku z enkoderami wałowymi są używane tam, gdzie czas skanowania byłby zbyt długi, aby wiarygodnie zliczyć impulsy lub wykryć kierunek obrotu enkodera. Pozwala to nawet stosunkowo powolnemu sterownikowi PLC nadal interpretować zliczone wartości w celu sterowania maszyną, ponieważ akumulacja impulsów jest wykonywana przez dedykowany moduł, na który nie ma wpływu szybkość wykonywania programu.
Bezpieczeństwo
W swojej książce z 1998 roku EA Parr zwrócił uwagę, że chociaż większość programowalnych kontrolerów wymaga fizycznych kluczy i haseł, brak ścisłej kontroli dostępu i systemów kontroli wersji, a także łatwy do zrozumienia język programowania sprawiają, że jest prawdopodobne, że nieautoryzowane zmiany w programach stanie się i pozostanie niezauważony.
Przed odkryciem robaka komputerowego Stuxnet w czerwcu 2010 r. bezpieczeństwu sterowników programowalnych poświęcano niewiele uwagi. Współczesne kontrolery programowalne zazwyczaj zawierają systemy operacyjne czasu rzeczywistego, które mogą być podatne na exploity w podobny sposób, jak komputerowe systemy operacyjne, takie jak Microsoft Windows . Sterowniki PLC można również zaatakować, przejmując kontrolę nad komputerem, z którym się komunikują. Od 2011 r. obawy te narosły, ponieważ w środowisku PLC coraz powszechniejsze staje się tworzenie sieci, łącząc wcześniej oddzielne sieci produkcyjne i biurowe.
W lutym 2021 r. firma Rockwell Automation ujawniła publicznie krytyczną lukę w jej rodzinie sterowników Logix. Tajny klucz kryptograficzny używany do weryfikacji komunikacji pomiędzy sterownikiem PLC a stacją roboczą można pobrać z oprogramowania programistycznego Studio 5000 Logix Designer i wykorzystać do zdalnej zmiany kodu programu i konfiguracji podłączonego sterownika. Luka otrzymała ocenę ważności 10 na 10 w skali podatności CVSS . W momencie pisania tego tekstu łagodzeniem tej luki było ograniczenie dostępu do sieci do urządzeń, których dotyczy problem .
Sterowniki bezpieczeństwa PLC
W ostatnich latach "bezpieczne" sterowniki PLC stały się popularne, albo jako samodzielne modele, albo jako funkcjonalność i sprzęt klasy bezpieczeństwa dodany do istniejących architektur sterowników ( Allen-Bradley Guardlogix, Siemens F-series itp.). Różnią się one od konwencjonalnych typów PLC tym, że nadają się do zastosowań o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa, w których PLC tradycyjnie uzupełniano przewodowymi przekaźnikami bezpieczeństwa i obszarami pamięci przeznaczonymi na instrukcje bezpieczeństwa. Standardem poziomu bezpieczeństwa jest SIL . Na przykład sterownik PLC bezpieczeństwa może być używany do kontrolowania dostępu do celi robota z dostępem za pomocą uwięzionego klucza lub być może do zarządzania reakcją na wyłączenie w przypadku zatrzymania awaryjnego na linii produkcyjnej przenośnika. Takie sterowniki PLC mają zazwyczaj ograniczony zestaw regularnych instrukcji, rozszerzony o instrukcje dotyczące bezpieczeństwa, zaprojektowane do współpracy z wyłącznikami awaryjnymi, ekranami świetlnymi i tak dalej. Elastyczność, jaką oferują takie systemy, spowodowała szybki wzrost zapotrzebowania na te sterowniki.
PLC w porównaniu z innymi systemami sterowania
Sterowniki PLC są dobrze przystosowane do szeregu zadań automatyzacji . Są to zazwyczaj procesy przemysłowe w produkcji, w których koszt opracowania i utrzymania systemu automatyki jest wysoki w stosunku do całkowitego kosztu automatyzacji i gdzie można spodziewać się zmian w systemie w trakcie jego eksploatacji. PLC zawierają urządzenia wejściowe i wyjściowe kompatybilne z przemysłowymi urządzeniami pilotowymi i sterownikami; Wymagana jest niewielka ilość projektu elektrycznego, a problem projektowy koncentruje się na wyrażaniu pożądanej sekwencji operacji. Aplikacje PLC są zazwyczaj wysoce spersonalizowanymi systemami, więc koszt zapakowanego PLC jest niski w porównaniu z kosztem konkretnego projektu sterownika zbudowanego na zamówienie. Z drugiej strony, w przypadku towarów masowo produkowanych, niestandardowe systemy sterowania są ekonomiczne. Wynika to z niższych kosztów komponentów, które można optymalnie dobrać zamiast „ogólnego” rozwiązania i gdzie jednorazowe opłaty inżynierskie są rozłożone na tysiące lub miliony jednostek.
Sterowniki programowalne są szeroko stosowane w sterowaniu ruchem, pozycjonowaniem lub momentem obrotowym. Niektórzy producenci produkują jednostki sterujące ruchem, które mają być zintegrowane z PLC, dzięki czemu kod G (z udziałem maszyny CNC ) może być używany do instruowania ruchów maszyny.
Układ PLC / Wbudowany kontroler
Do małych maszyn o małej lub średniej objętości. Sterowniki PLC, które mogą obsługiwać języki PLC, takie jak Ladder, Flow-Chart/Grafcet,... Podobny do tradycyjnych sterowników PLC, ale ich mały rozmiar pozwala programistom zaprojektować je na niestandardowych płytkach drukowanych, takich jak mikrokontroler, bez znajomości programowania komputerowego, ale z łatwy w użyciu, modyfikowaniu i utrzymaniu. Jest pomiędzy klasycznym PLC / Micro-PLC a mikrokontrolerami.
Zegary krzywkowe
W przypadku dużych lub bardzo prostych zadań automatyzacji stałej stosuje się różne techniki. Na przykład, tania zmywarka do naczyń konsumenckich byłaby sterowana przez elektromechaniczny zegar krzywkowy, który kosztowałby tylko kilka dolarów w ilościach produkcyjnych.
Mikrokontrolery
Konstrukcja oparta na mikrokontrolerze byłaby odpowiednia tam, gdzie będą produkowane setki lub tysiące jednostek, a zatem koszt rozwoju (projekt zasilaczy, sprzętu wejścia/wyjścia oraz niezbędne testy i certyfikacja) można rozłożyć na wiele sprzedaży i gdzie koniec -użytkownik nie musiałby zmieniać kontrolki. Przykładem są aplikacje motoryzacyjne; Każdego roku buduje się miliony jednostek, a bardzo niewielu użytkowników końcowych zmienia programowanie tych sterowników. Jednak niektóre pojazdy specjalistyczne, takie jak autobusy tranzytowe, ekonomicznie wykorzystują sterowniki PLC zamiast specjalnie zaprojektowanych elementów sterujących, ponieważ ich wielkość jest niewielka, a koszt opracowania byłby nieopłacalny.
Komputery jednopłytkowe
Bardzo złożone sterowanie procesem, takie jak stosowane w przemyśle chemicznym, może wymagać algorytmów i wydajności wykraczającej poza możliwości nawet wysokowydajnych sterowników PLC. Bardzo szybkie lub precyzyjne sterowanie może również wymagać niestandardowych rozwiązań; na przykład sterowanie lotem samolotu. Komputery jednopłytkowe wykorzystujące częściowo dostosowany lub całkowicie własny sprzęt mogą być wybierane do bardzo wymagających aplikacji sterujących, w których można pokryć wysokie koszty rozwoju i konserwacji. „Soft PLC” działające na komputerach stacjonarnych mogą łączyć się z przemysłowym sprzętem I/O podczas wykonywania programów w wersji komercyjnych systemów operacyjnych dostosowanych do potrzeb sterowania procesami.
Rosnąca popularność komputerów jednopłytkowych miała również wpływ na rozwój sterowników PLC. Tradycyjne sterowniki są na ogół zamknięte platformy , ale niektóre nowsze sterowniki (np ctrlX od Bosch Rexroth , PFC200 od Wago , PLCnext z Phoenix Contact , a rewolucja Pi od Kunbus) zapewniają cechy tradycyjnych sterowników PLC na otwartej platformie .
Regulatory PID
Sterowniki PLC mogą zawierać logikę dla analogowej pętli sterowania z jedną zmienną sprzężenia zwrotnego, regulator PID . Pętla PID może być wykorzystana na przykład do kontrolowania temperatury procesu produkcyjnego. W przeszłości sterowniki PLC były zwykle konfigurowane tylko z kilkoma analogowymi pętlami sterowania; tam, gdzie procesy wymagały setek lub tysięcy pętli, zamiast tego stosowany byłby rozproszony system sterowania (DCS). Ponieważ sterowniki PLC stały się bardziej wydajne, granica między aplikacjami DCS i PLC została zatarta.
Programowalne przekaźniki logiczne (PLR)
W ostatnich latach coraz powszechniejsze i akceptowane są małe produkty zwane programowalnymi przekaźnikami logicznymi (PLR) lub przekaźnikami inteligentnymi. Są one podobne do sterowników PLC i są używane w przemyśle lekkim, gdzie potrzebnych jest tylko kilka punktów I/O i pożądany jest niski koszt. Te małe urządzenia są zazwyczaj wytwarzane w powszechnym fizycznym rozmiarze i kształcie przez kilku producentów i są oznaczone marką przez producentów większych sterowników PLC, aby uzupełnić ich ofertę produktów z niższej półki. Większość z nich ma od 8 do 12 wejść dyskretnych, od 4 do 8 wyjść dyskretnych i do 2 wejść analogowych. Większość takich urządzeń zawiera maleńki ekran LCD wielkości znaczka pocztowego do wyświetlania uproszczonej logiki drabinkowej (w danym momencie widoczna jest tylko bardzo mała część programu) oraz stanu punktów we/wy, a zazwyczaj ekranom tym towarzyszy 4-kierunkowy przycisk kołyskowy plus cztery dodatkowe oddzielne przyciski, podobne do przycisków na pilocie magnetowidu i używane do nawigacji i edycji logiki. Większość z nich ma małą wtyczkę do podłączenia przez RS-232 lub RS-485 do komputera osobistego, dzięki czemu programiści mogą używać do programowania prostych aplikacji w systemach operacyjnych ogólnego przeznaczenia, takich jak MS Windows, macOS lub Linux , które mają przyjazne dla użytkownika interfejsy (G)UI zamiast być zmuszonym do używania w tym celu malutkiego wyświetlacza LCD i zestawu przycisków. W przeciwieństwie do zwykłych sterowników PLC, które zwykle są modułowe i znacznie rozszerzalne, PLR zwykle nie są modułowe ani rozszerzalne, ale ich cena może być o dwa rzędy wielkości niższa niż w przypadku PLC, a mimo to oferują solidną konstrukcję i deterministyczne wykonanie logiki.
Wariantem sterowników PLC używanych w lokalizacjach zdalnych jest zdalny terminal lub RTU. RTU jest zwykle wytrzymałym sterownikiem PLC o małej mocy, którego kluczową funkcją jest zarządzanie połączeniami komunikacyjnymi między obiektem a centralnym systemem sterowania (zwykle SCADA ) lub w niektórych nowoczesnych systemach „chmura”. W przeciwieństwie do automatyki przemysłowej wykorzystującej szybką sieć Ethernet , łącza komunikacyjne z odległymi lokalizacjami są często oparte na komunikacji radiowej i są mniej niezawodne. Aby uwzględnić obniżoną niezawodność, RTU będzie buforować wiadomości lub przełączać się na alternatywne ścieżki komunikacyjne. Podczas buforowania wiadomości moduł RTU oznacza każdą wiadomość znacznikiem czasu, aby można było zrekonstruować pełną historię zdarzeń w witrynie. Jednostki RTU, będące sterownikami PLC, mają szeroki zakres wejść/wyjść i są w pełni programowalne, zazwyczaj w językach ze standardu IEC 61131-3, który jest wspólny dla wielu sterowników PLC, jednostek RTU i DCS. W lokalizacjach zdalnych powszechne jest używanie RTU jako bramy dla PLC, gdzie PLC wykonuje całą kontrolę na miejscu, a RTU zarządza komunikacją, zdarzeniami znakowania czasu i monitorowaniem urządzeń pomocniczych. W lokalizacjach z zaledwie kilkoma wejściami/wyjściami, RTU może być również lokalnym sterownikiem PLC i będzie pełnić zarówno funkcje komunikacyjne, jak i sterujące.
Zobacz też
- Przemysłowe systemy sterowania
- Systemy bezpieczeństwa przemysłowego
- Technik PLC
- Architektura 1-bitowa
Bibliografia
Bibliografia
- Bolton, William (2015). Programowalne kontrolery logiczne (6, poprawione wyd.). Nowi. Numer ISBN 9780081003534 – za pośrednictwem Książek Google.
- Parr, EA (1998). „Komputery i sterowanie przemysłowe”. Podręcznik sterowania przemysłowego . Industrial Press Inc. ISBN 0-8311-3085-7 – za pośrednictwem Książek Google.
- Laughton, MA; Warne, DF (2002). Podręcznik inżyniera elektryka (wyd. 16). Nowi. Numer ISBN 9780750646376 – za pośrednictwem Książek Google.
Dalsza lektura
- Daniel Kandray, Programmable Automation Technologies , Industrial Press, 2010 ISBN 978-0-8311-3346-7 , Rozdział 8 Wprowadzenie do programowalnych sterowników logicznych
- Walker, Mark John (08.2012). Programowalny sterownik logiczny: jego prehistoria, powstanie i zastosowanie (PDF) (praca doktorska). Katedra Komunikacji i Systemów Wydział Matematyki, Informatyki i Techniki: Uniwersytet Otwarty . Zarchiwizowane (PDF) od oryginału z dnia 2018-06-20 . Źródło 2018-06-20 .