Sterowniki programowalne i regulatory

W nowoczesnych fabrykach wzrasta znaczenie komunikacji pomiędzy poszczególnymi komponentami systemów sterowania, toteż sterowniki programowalne zmieniają się także od strony wsparcia dla różnych technologii wymiany danych na terenie zakładów przemysłowych. Być może właśnie dlatego wciąż są powszechnie wykorzystywane i nic nie zapowiada, by miały zniknąć z rynku na rzecz bardziej zaawansowanych i złożonych urządzeń sterujących.

Szeroki wybór

Sterowniki programowalne to najlepszy przykład tradycyjnej automatyki. Są powszechnie używane w różnego rodzaju aplikacjach – zarówno w maszynach nabywanych w całości, jak i jako niezależnie dobierane elementy, kontrolujące pracę taśm produkcyjnych. Różne wymagania poszczególnych zastosowań sprawiają, że wybór sterowników jest bardzo duży. Poszczególni producenci tworzą rozwiązania nie tylko uniwersalne, ale także przygotowane z myślą o użyciu w konkretnych rodzajach aplikacji. Ogromna gama dostępnych modeli, różniących się zarówno liczbą wejść i wyjść, wielkością, jak i możliwymi do realizacji algorytmami sprawia, że trudno jest dokonać prostego podziału na typy sterowników, a nawet wskazać granice, za którymi znajdują się przekaźniki programowalne lub kontrolery PAC. Problem z tym mają nawet sami producenci – zdarza się, że dany model jest raz nazywany prostym PLC, a raz zaliczany do kategorii bardzo zaawansowanego przekaźnika programowalnego. Z drugiej strony, zdarzają się przypadki, gdy producent bazujący na technologii typowej dla komputerów przemysłowych tworzy rozwiązania, które również nazywa PLC, najwyraźniej po to by przyciągnąć klientów, którzy przyzwyczajeni są do sterowników programowalnych, a poszukują elementów o większej 
wydajności.

Kto kupuje PLC?

Pierwsze PLC pojawiły się w latach 60. ubiegłego wieku – zostały opracowane w firmie Modicon, która obecnie należy do koncernu Schneider Electric. Nieco później powstały pierwsze kompaktowe PLC, produkowane przez koncern Mitsubishi Electric. Początkowo sterowniki programowalne były wykorzystywane w USA, głównie w zakładach produkujących samochody, ale szybko spopularyzowały się w pozostałych rejonach świata.

Aktualnie do największych odbiorców należą firmy zajmujące się produkcją – w dużej mierze w silnej u nas branży spożywczej. Często PLC kupowane są też do zastosowań w przemyśle chemicznym, a nierzadko i w motoryzacji. Znaczenie mają także w energetyce oraz w budownictwie, gdzie ich rola wzrasta. Firmy wynajmujące powierzchnie biurowe i hale coraz częściej oczekują zaawansowanych możliwości regulowania pracy systemów budynkowych, takich jak wentylacja, ogrzewanie, oświetlenie i innych. Złożone systemy sterowania pozwalają kontrolować pracę rolet, regulować systemy dekoracji świetlnej, a przede wszystkim umożliwiają minimalizację zużycia energii w budynku.

Fakt, że sterowniki programowalne istnieją na rynku już od bardzo wielu lat powoduje, że klienci nabywają je nie tylko do nowych instalacji, ale także w celu modernizacji już istniejących. Typowe instalacje z użyciem PLC koncentrują się na wykorzystaniu głównie wejść i wyjść cyfrowych oraz są ograniczone do kilkudziesięciu punktów wejść/wyjść. Świadomi tego producenci sterowników intensywnie rozwijają swoją ofertę niewielkich urządzeń, tworząc w ten sposób bardzo bogate portfolio produktów i silnie konkurując ze sobą także cenami.

Rodzaje sterowników

Próbując dokonać podziału sterowników na kategorie, należałoby wyznaczyć granice poprzez wskazanie liczby obsługiwanych wejść i wyjść. To najczęściej stosowany sposób kategoryzacji, który pozwala stworzyć grupy mikrosterowników, sterowników średnich i dużych. Czasem grupy te dzielone są jeszcze na podgrupy: na tzw. nanosterowniki, sterowniki małe i bardzo duże PLC. Wskazanie, jaka liczba wejść i wyjść decyduje o przypisaniu danego produktu do kategorii to jednak wybór arbitralny. Bardziej jednoznaczny będzie natomiast podział na sterowniki kompaktowe i modułowe. Modułowe są z natury większe i przeznaczone do rozległych instalacji, w których użycie dodatkowych bloków wejść i wyjść pozwala dostosować system sterowania do wymagań dużych systemów przemysłowych. Bywają jednak też modele bardzo małe, które także obsługują moduły, ale bardziej po to, by klient mógł w wygodny sposób dobrać optymalną konfigurację produktu, niż by pozwolić na stworzenie bardzo dużej instalacji.

Sterowniki różnią się też dostępną pamięcią programu, a więc i dopuszczalną złożonością wykonywanych algorytmów. Tu naturalnie modele większe mają najczęściej bogatsze funkcje, ale dzięki postępowi technologicznemu twórcy mikrosterowników coraz chętniej konkurują z bardziej zaawansowanymi modelami właśnie poprzez rozbudowywanie funkcji, zamiast fizycznego zwiększania rozmiarów i liczby interfejsów.

W ostatnim czasie wśród najmniejszych, niedrogich sterowników przybywa też modeli wyposażonych w nietypowe dla przemysłu interfejsy komunikacyjne, takie jak Bluetooth. Całkiem powszechnie jest już stosowany Ethernet. Oba te sposoby komunikacji ułatwiają użycie PLC w aplikacjach domowych, choć oczywiście sam Ethernet ma też duże znaczenie dla przemysłu. Należy jednak zwrócić uwagę, czy dany sterownik wspiera klasyczną sieć ethernetową, czy też którąś z jej przemysłowych odmian, a jeśli tak – to którą.

Tymczasem sterowniki modułowe mogą być rozszerzane, zależnie od potrzeb użytkownika, o różnorodne układy wejść i wyjść, które są zazwyczaj instalowane lokalnie na wspólnej szynie z CPU i innymi układami. Do najpopularniejszych należą moduły wejść i wyjść cyfrowych, analogowych oraz różnorodne interfejsy komunikacyjne. Dostępne są też układy, które służą do podłączania elementów do pomiarów temperatury oraz specjalizowane bloki „motion control”, w których realizowane są regulatory PID albo przeznaczone do sterowania ruchem.

Jako oddzielną kategorię można też wyróżnić sterowniki wyposażone w wyświetlacze LCD, przy czym mowa nie o prostych wyświetlaczach 2 ×16 znaków, ale nawet o niewielkich panelach graficznych. W efekcie sterowniki te łączą w sobie funkcje PLC i HMI i świetnie sprawdzają się jako kompaktowe systemy sterowania niewielkimi maszynami. Zaletą tego typu rozwiązań jest niższa cena i zapewnienie kompatybilności, w porównaniu do systemów opartych na niezależnych PLC i HMI. Wadą – konieczność wymiany jednego i drugiego elementu jednocześnie w przypadku modernizacji lub w przypadku usterki. Jest to o tyle niewygodne, że uszkodzenie lub wymiana panelu LCD z innego powodu, w przypadku niezależnych komponentów nie powoduje przerwania pracy instalacji, natomiast wymiana zintegrowanego PLC z HMI wymusza wstrzymanie działania maszyny.

PLC w alternatywny sposób

W ostatnich latach rosnącą popularnością zaczęły cieszyć się rozwiązania programowe. Obserwowany w IT trend do wirtualizacji znalazł swoje odzwierciedlenie w systemach przemysłowych. Tak samo, jak na praktycznie dowolnej platformie komputerowej PC można stworzyć maszynę wirtualną i uruchomić wiele działających jednocześnie, zestandaryzowanych środowisk, tak i za pomocą oprogramowania można na komputerze symulować działanie sterownika PLC. Wymagania stawiane systemom pracującym jako sterowniki programowalne różnią się względem klasycznych systemów komputerowych. Ważne jest, by urządzenie pracowało pod rygorem czasu rzeczywistego. Dlatego rozwiązania typu SoftPLC oparte są właśnie na takich systemach, na których uruchamia się odpowiednie oprogramowanie, realizujące algorytm pracy sterownika PLC. Platformą sprzętową jest wtedy odpowiedni IPC, dostosowany do warunków środowiskowych.

Warto też zwrócić uwagę na rozwój kontrolerów automatyki, czyli PAC. Urządzenia te mają znacznie większe możliwości w zakresie wydajności obliczeniowej, przechowywania danych, komunikacji oraz programowania niż sterowniki. PAC bazują również na wykorzystaniu systemu operacyjnego, dzięki czemu są wielofunkcyjnymi platformami sterowania i kontroli.

Oprogramowanie ma także znaczenie w nowoczesnych klasycznych PLC. Producenci coraz częściej tworzą sterowniki, których konfigurację można zmieniać bez konieczności wymiany samego urządzenia. Dostawca w takiej sytuacji sprzedaje kompletny sterownik, którego funkcje ograniczane są przez wykupione licencje. Choć oczywiście koszt komponentów takich urządzeń jest droższy, tańsza okazuje się logistyka. Dla klienta natomiast łatwiejsze jest przeprowadzenie modernizacji: zwiększenie dostępnej pamięci PLC realizowane jest poprzez dodanie klucza licencyjnego. Wydaje się, że podejście to będzie w najbliższych latach zyskiwało na popularności.

Regulatory

Odmienną kategorię produktową stanowią regulatory. Są to urządzenia, które w oparciu o zadane parametry wpływają na stan mierzonej wartości, np. temperatury albo poziomu płynu. Uniwersalne regulatory działają w oparciu o sygnały napięciowe lub prądowe, które mogą pochodzić z dowolnego rodzaju czujników.

Regulator wysterowuje wyjścia, powodując zmianę warunków decydujących o wskazaniu wartości mierzonej i doprowadza ją do wartości pożądanej. Jednocześnie reaguje na zmiany zewnętrzne, niezależne od samego regulatora.

Regulatory często działają w trybie ciągłym, co oznacza, że zmieniana wartość może przyjmować wszystkie wartości z założonego zakresu.

Typowym przykładem urządzenia tego typu jest regulator PID, a więc proporcjonalno-całkująco-różniczkujący, choć istnieją też regulatory P, I, PI i PD, realizujące tylko część algorytmu. Regulatory PID monitorują mierzoną wartość, a ich reakcje zależą od wielkości, chwilowej szybkości zmiany oraz dotychczasowych wartości mierzonego prądu lub napięcia.

Co stosują klienci?

Pod względem liczby instalacji najbardziej popularne wydają się aktualnie mikrosterownki, zarówno te, które można wyposażyć w moduły, jak i kompaktowe, bez możliwości rozszerzania. Wynika to z faktu, że są one używane w ogromnej liczbie małych instalacji, w tym w maszynach.

Rosnąca złożoność systemów przemysłowych sprawia, że występuje duże zapotrzebowanie na względnie duże PLC, które zastępują dotychczas używane, mniejsze jednostki. Mowa o urządzeniach o kilkuset punktach wejść i wyjść.

Największe sterowniki są natomiast rzadkością ze względu na mniejszą liczbę instalacji, w których tak duże urządzenia byłyby potrzebne. Podobnie – pomimo istotnego rozwoju platform IPC – systemy sterowania podobne do PLC, ale bazujące na komputerach wciąż nie są w stanie wyprzeć klasycznych programowalnych sterowników logicznych. Jednym z powodów jest zapewne przyzwyczajenie inżynierów – automatyka od dawna działa w oparciu o PLC i to tradycyjne podejście uważa się za sprawdzone i niezawodne, a także zgodne ze sztuką inżynierską, według której skoro coś działa, nie ma potrzeby tego poprawiać.

Jak wybierać sterowniki?

Dobierając PLC do systemu sterowania, należy przede wszystkim określić potrzeby wynikające ze specyfiki danej aplikacji. Konieczne jest w pierwszej kolejności zdecydowanie, czy system sterowania ma być lokalny, czy rozproszony, określenie liczby oraz rodzaju punktów wejść i wyjść, a także upewnienie się, jakie inne zadania, poza samym sterowaniem, mają być realizowane przez PLC. Wśród cech, na które zwracają uwagę nabywcy PLC warto wymienić mnogość wbudowanych interfejsów komunikacyjnych. Łączy się ona poniekąd z łatwością doboru modułów do sterowników modułowych. Interfejsy, jakie najczęściej wbudowuje się w sterowniki programowalne to: RS-485, RS-232, Ethernet i USB. Ponadto stosuje się sieci przemysłowe, a wśród nich coraz częściej przemysłowe odmiany Ethernetu.

Przy implementacji nowych lub modernizacji istniejących systemów sterowania ważna jest długość cyklu życia zastosowanych produktów, a także łatwe w obsłudze środowisko do programowania sterowników. Trzeba się też upewnić, że wybierane sterowniki będą kompatybilne z dotychczas użytymi lub przyszłymi modelami.

Istotna jest ponadto sama łatwość programowania. Warto sięgać po te sterowniki, które obsługują języki znane przez zatrudnionych inżynierów. Istnieje pięć podstawowych języków, w których programuje się sterowniki, choć nie każde środowisko programistyczne pozwala na tworzenie kodu w dowolnym z nich. Zdecydowanie najbardziej popularnym jest język drabinkowy, ale automatycy lubią też stosować bloki funkcyjne. Język ten jest często dostępny w środowiskach programistycznych dla najprostszych ze sterowników. Pozostałe używane języki to lista instrukcji i tekst strukturalny oraz języki typowe dla konkretnych rodzin sterowników. Na rynku znaleźć też można modele programowane w klasycznym języku C. Dobierając nowy sterownik do istniejącej instalacji, lepiej sięgnąć po taki, który pozwoli uruchomić (z jak najmniejszymi zmianami) stworzony wcześniej kod.

Oczywiście bardzo ważnym aspektem, branym pod uwagę w trakcie zakupu PLC, jest cena, ale wiele wskazuje na to, że nie odgrywa ona już głównej roli. Co ciekawe, dostawcy sterowników zauważyli, że bardzo ważne dla klientów okazuje się oferowane wsparcie techniczne i tym właśnie starają się konkurować na rynku.

Rosnąca popularność ethernetowych interfejsów komunikacyjnych uświadomiła odbiorcom, że sterownik można podłączyć do zakładowej sieci, w praktyce nawet do Internetu. Dlatego pożądana jest też opcja zdalnej kontroli pracy urządzenia przez Internet, co – przy odpowiednio bezpiecznym wykonaniu – pozwala zmniejszyć koszty operacyjne i ułatwić zarządzanie 
zakładem.

Dobierając sterownik programowalny warto też zwrócić uwagę na różnego rodzaju problemy, które mogą się pojawić. Jednym z nich jest niepełna zgodność z wymaganiami normy 
IEC 61131-3, gdyż poszczególne sterowniki programuje się w tak różny sposób, że przenoszenie kodu z jednego środowiska do drugiego nie jest takie łatwe. Co więcej, same środowiska programistyczne też mają swoją specyfikę i niektóre są łatwiejsze do nauki niż inne. Warto sięgać po te, z którymi miało się już do czynienia. Trudności sprawia też czasem wymiana danych pomiędzy sprzętem różnych producentów, nawet jeśli teoretycznie wszystkie zainstalowane komponenty wspierają otwarte standardy komunikacji. Tym gorzej, jeśli system oparty jest na zamkniętych rozwiązaniach, których kompatybilność z alternatywnymi produktami jest znikoma. Trzeba też pamiętać, że wraz z wyborem sterownika nabywca decyduje się na cały szereg narzędzi potrzebnych do obsługi, które także wiążą się z pewnymi ograniczeniami.

Dostawcy

Na polskim rynku obecni są wszyscy najważniejsi producenci sterowników, a wybór produktów jest bardzo duży. Najbardziej popularny jest Siemens ze sterownikami Simatic oraz z prostymi sterownikami serii LOGO, czasem zaliczanymi do przekaźników programowalnych. Wśród pozostałych popularnych marek wymienić należy Allen-Bradley (marka firmy Rockwell Automation), Mitsubishi Electric, Schneider Electric i General Electric, Omron, ABB, Beckhoff, B&R, IDEC, Saia Burgess, Panasonic Electric Works i Vipa. Oferta większości producentów jest dosyć kompleksowa, przy czym zdarzają się też sterowniki specjalizowane, które chętnie wybierane są np. do kontroli pracy systemów wentylacyjnych lub do sterowania ruchem.

Polscy dostawcy to często bezpośrednie przedstawicielstwa zagranicznych producentów, choć istnieją też rdzennie polskie podmioty, zajmujące się dystrybucją jednej lub większej liczby marek. PLC są też sprzedawane przez dużych dostawców różnorodnego rodzaju komponentów na potrzeby automatyki.

źródło: Automatyka 4/2016