Sterowniki programowalne

Sterownik programowalny można uznać za najważniejszy element danego systemu automatyki. Uzasadnieniem takiej tezy jest zadanie jakie realizuje wspomniane urządzenie. Zarządzanie całym układem automatyki jest zadaniem złożonym. W dodatku na sterowniku ciąży duża odpowiedzialność za powodzenie realizacji danego procesu technologicznego.

Podstawowe informacje

Sterownik programowalny to komponent automatyki, który w sposób cykliczny realizuje program wprowadzony wcześniej do jego pamięci. Procesor, w który wyposażony jest każdy sterownik, ma za zadanie pobieranie z pamięci urządzenia wcześniej zapisanego algorytmu, jego przetworzenie, a następnie wykonanie rozkazów, które zostały w nim zawarte. Realizacja rozkazów najczęściej zależy od różnych warunków. Ponadto wykonywanie danych czynności jest odpowiednio uzależnione od siebie czasowo i przyczynowo-skutkowo. Poza jednostką centralną i pamięcią urządzenia mają moduły zasilające. Kolejnymi składowymi sterowników programowalnych są moduły odpowiadające za komunikację z innymi komponentami automatyki. Należy również pamiętać, że każdy sterownik powinien mieć co najmniej jeden port, który umożliwia podłączenie komputera do komponentu w celu przekazania do pamięci urządzenia programu z algorytmem dedykowanym do sterowania danym urządzeniem lub procesem.

Sterowniki mają również w zależności od modelu wejścia i wyjścia cyfrowe oraz wejścia i wyjścia analogowe. Wejścia cyfrowe mogą być wykorzystywane do kontrolowania aktualnej sytuacji sterowanego urządzenia, maszyny czy systemu. Za ich pomocą można sprawdzać poprawność umieszczenia konkretnych elementów na ustalonych pozycjach, kontrolować obecność urządzeń wykonawczych w założonych miejscach, sprawdzać aktualny status, badać położenie przełączników oraz stan przycisków, którymi dysponuje operator danego systemu automatyki. Wyjścia cyfrowe mogą służyć do dwustanowego sterowania urządzeniami wykonawczymi, np. załączania i wyłączania sygnalizatorów, otwierania i zamykania przegród, wysuwania i wycofywania siłowników pneumatycznych czy korzystania z przyssawek.

Napięcie dostarczane do modułu z użyciem wejść analogowych może być wyznacznikiem aktualnego ciśnienia, masy lub temperatury w danym miejscu systemu automatyki. Różne wartości fizyczne są w sposób ciągły zamieniane na napięcie. Z kolei wyjścia analogowe mogą służyć do sterowania wielkościami fizycznymi, od których zależy powodzenie realizowanego zadania np. do sterowania przepływem czy ciśnieniem za pomocą zaworów proporcjonalnych.

Sterowniki programowalne z powodzeniem zastępują układy przekaźnikowo – stycznikowe, ponieważ wszelkie drobne modyfikacje w układzie sterowanie nie wymagają co do zasady zmian w okablowaniu. Ponadto raz przygotowany program można powielać w kolejnych realizacjach i nie jest wymagana realizacja skomplikowanych układów elektrycznych. Dzięki takiemu rozwiązaniu oszczędza się czas oraz redukuje ryzyko błędu przy kopiowaniu danego rozwiązania. Czas montażu oraz okablowania jest zdecydowanie mniejszy, a koszty okablowania ulegają znaczącej redukcji. Nie bez znaczenia pozostaje większa niezawodność układu sterowania opartego na sterowniku programowalnym. Za wadę ewolucji układów sterowania z przekaźnikowo-stycznikowych na takie oparte o sterowniki programowalne należy uznać koszt początkowy zakupu. Jednak im większy stopień skomplikowania układu sterowania, tym wspomniana wada traci na znaczeniu. Należy pamiętać, że do napisania programu realizującego założony algorytm sterowania oraz do uruchomienia i konfiguracji sterownika programowalnego wymagany jest odpowiednio wykwalifikowany personel. Jednak w obliczu coraz śmielszego postępu komputeryzacji oraz automatyzacji zadania te stają się coraz mniej skomplikowane i coraz więcej osób potrafi je z powodzeniem realizować.

Z punktu widzenia automatyka czy programisty zajmującego się programowaniem sterowników programowalnych, istotnym czynnikiem wpływającym na komfort pracy oraz optymalne wykorzystanie czasu, jest oprogramowanie, z którego korzysta. Każde środowisko konfiguracyjno – programistyczne ma swoją specyfikę. Dobre oprogramowanie powinno charakteryzować się dużą przejrzystością i dobrą funkcjonalnością oraz możliwie jak największą intuicyjnością obsługi.

Pisanie programów z przeznaczeniem do sterowników programowalnych odbywa się za pomocą języków, które zostały opisane w normie IEC 61131-3. Można je podzielić na języki graficzne i tekstowe. Do pierwszej grupy należą:

– LD (ladder diagram)- język drabinkowy oparty na standaryzowanych symbolach graficznych połączonych ze sobą w taki sposób, aby utworzyć pożądane zależności logiczne,

– FBD (functional block diagram) – język funkcjonalnych schematów blokowych wykorzystujący gotowe bloki funkcyjne oraz procedury zawarte w bibliotekach, każdy bloczek posiada wejścia i wyjścia, które są łączone są w pożądany sposób.

Do języków tekstowych należą:

– IL (instructions list) – lista instrukcji, język typu asembler,

– ST (structured text) – język strukturalny, który jest używany do złożonych wyrażeń, które ciężko byłoby zrealizować za pomocą języków graficznych, polecenia i struktury przypominają te znane z języków wysokiego poziomu.

Połączeniem obu typów jest SFC (Sequential Function Chart), czyli graf sekwencji, w którym wewnątrz poszczególnych bloczków realizowane są algorytmy zapisane za pomocą języka tekstowego ST.

Sterowniki modułowe

Spośród sterowników programowalnych można wyróżnić sterowniki modułowe. Ich zasadniczą cechą jest wysoka elastyczność. Do jednostki centralnej dołączane są moduły dobrane zgodnie z zapotrzebowaniem danej aplikacji sterującej. W przypadku rozbudowy systemu sterowania lub jego przebudowy nie ma konieczności wymiany jednostki centralnej, a proces dostosowania do nowych warunków opiera się na zamianie lub dołączeniu kolejnych modułów o funkcjonalnościach zgodnych z nowym zapotrzebowaniem. Dzięki korzystaniu z takiej koncepcji można zredukować koszty oraz czas na ewentualną rekonfigurację. Ponadto łatwiej jest dołączać kolejne elementy systemu sterowania bez ingerencji w istniejące połączenia. Moduły są połączone z jednostką centralną najczęściej z użyciem wybranego protokołu komunikacyjnego. Konkretny sposób komunikacji jest zależny od producenta komponentów. Najczęściej producent daje szerszy wachlarz możliwości i pozwala integratorowi na wybór odpowiedniego sposobu komunikowania.

Najpowszechniejszymi modułami podłączanymi do jednostek centralnych sterowników programowalnych są moduły wejść oraz wyjść cyfrowych. Jeden moduł grupuje od kilku do kilkunastu wejść lub wyjść. Podłączane do jednostek centralnych moduły mogą również posiadać wejścia oraz wyjścia analogowe służące do realizacji pomiarów wielkości fizycznych istotnych dla prawidłowej realizacji procesu. Oprócz wyżej wymienionych modułów często wykorzystywanymi w systemach sterujących są moduły komunikacyjne, które pozwalają na rozbudowę systemu o komponenty komunikujące się za pomocą wybranego protokołu z pozostałymi elementami systemu sterującego. Jednostki centralne sterowników programowalnych mogą wtedy funkcjonować w znacznym oddaleniu od czujników i sterowanych komponentów. Możliwym staje się rozproszenie systemu. Ponadto w ofertach producentów i dystrybutorów modułowych sterowników programowalnych można znaleźć między innymi moduły szybkich liczników, moduły wejściowe dedykowane dla pomiaru temperatury i moduły służące pomiarowi energii, których popularność systematycznie rośnie.

W formie tabelarycznej przedstawiono wybrane sterowniki programowalne powstałe w oparciu o koncepcję modułowości. Scharakteryzowano w nich podstawowe cechy i parametry jednostek centralnych, wskazano na obsługiwane interfejsy komunikacyjne, przedstawiono warunki środowiskowe, w których możliwa jest ich bezawaryjna praca.

Sterowniki kompaktowe

Kolejną grupę sterowników programowalnych stanowią sterowniki kompaktowe. Jednostka centralna komponentów tego typu jest zintegrowana z modułami realizującymi poszczególne zadania i stanowi jedną całość. Sterowniki kompaktowe są dedykowane do sterowania urządzeniami i procesami o niskim stopniu skomplikowania. Podczas ich doboru należy bardzo wnikliwie przeanalizować zapotrzebowanie systemu na poszczególne wejścia i wyjścia, bo rozbudowa urządzenia o kolejne może okazać się niemożliwa.

W formie tabelarycznej przedstawiono kilka wybranych kompaktowych sterowników programowalnych. Wskazano na elementy wpływające na ich wydajność, opisano warunki, które powinny być im zapewnione do prawidłowej pracy, wymieniono protokoły komunikacyjne, których można użyć, podłączając do nich inne komponenty. Wybór na rynku automatyki jest duży, a gama producentów i dystrybutorów szeroka.

Modułowy vs kompaktowy

Obie przedstawione grupy sterowników programowalnych mają swoje wady i zalety. Zestawiono je w formie porównania tabelarycznego.

Wyższość sterowników kompaktowych polega przede wszystkim na początkowym niższym koszcie zakupu, który zdecydowanie szybciej się amortyzuje. Niestety w dłuższej perspektywie czasowej może się okazać, że taka oszczędność się nie opłaca. Koszty serwisowe mogą bowiem wpłynąć na zmianę sytuacji. Ewentualna usterka któregoś komponentu wchodzącego w skład sterownika modułowego wymusza najczęściej naprawę lub wymianę tylko konkretnego modułu lub samej jednostki centralnej, zaś uszkodzenie jakiegokolwiek elementu sterownika kompaktowego implikuje problem z całym urządzeniem i konieczność naprawy lub wymiany całego komponentu. Dodatkowo zasilacz sterownika modułowego jest osobnym modułem, zaś kompaktowego jest zintegrowany z jednostką centralną, a więc awaria zasilacza może okazać się również kosztowniejszym wydatkiem w przypadku rozwiązań kompaktowych. Na pewno sterowniki kompaktowe oszczędzają miejsce w szafie sterowniczej, bo zajmują dużo mniej przestrzeni w jej wnętrzu. Niestety możliwy zakres rozbudowy sterowników w wersji kompaktowej jest dużo mniejszy niż w przypadku urządzeń w wersji modułowej. Oferta modułów przeznaczonych do ewentualnego rozbudowania sterowników kompaktowych jest uboga i ściśle ograniczona. Wynika z tego, że jednostki modułowe charakteryzuje dużo większa elastyczność. Jest to bardzo przydatna cecha w przypadku systematycznie rozbudowujących się systemach automatyki. Ponadto ewentualne modyfikacje są łatwiejsze do przeprowadzenia, zajmują mniej czasu oraz pochłaniają mniejsze środki finansowe i nakłady pracy. Za sterownikami modułowymi przemawia również wyższa prędkość przetwarzania oraz, co do zasady, większa pojemność pamięci programu.

Wybór spośród sterowników programowalnych modułowych i kompaktowych powinien być poprzedzony analizą wstępną uwzględniającą wielkość systemu sterowania, jego złożoność, ewentualne perspektywy rozbudowy lub włączenia w większy układ sterowania. Oczywiście znaczącym czynnikiem jest posiadany budżet.

Zintegrowanie z wyświetlaczem

Coraz śmielej na rynek automatyki wkraczają sterowniki programowalne w wersji zintegrowanej z panelami HMI. Panele umożliwiają wizualizowanie procesu oraz prowadzenie interakcji z personelem obsługującym system za pomocą zwirtualizowanych wskaźników, wykresów, lampek ostrzegawczych, wirtualnych przycisków, przełączników oraz pól wyboru. Panele mogą zastępować fizyczne elementy i mieć wpływ na przebieg procesu.

Zintegrowanie jednostki centralnej sterownika programowalnego z panelem jest rozwiązaniem dosyć wygodnym – zapewnia kompatybilność współpracujących ze sobą urządzeń, skraca czas i koszt montażu oraz konfiguracji. Likwiduje możliwość wystąpienia błędu komunikacji między jednostką centralną a ekranem. Zintegrowane sterowniki programowalne znajdują zastosowanie w stosunkowo niewielkich systemach sterujących między innymi ze względu na ograniczoną ilość dostępnych wejść oraz wyjść. Konfigurację i oprogramowanie obu składowych urządzenia zapewnia jedno środowisko programistyczne, co jest rozwiązaniem bardzo komfortowym. Dzięki temu zmienne oraz wszelkie dane są używane jednocześnie dla dwóch urządzeń. Jest to czytelniejsze oraz łatwiejsze do realizacji. Ponadto umożliwia podgląd statusu sterownika oraz debugowanie z wykorzystaniem zintegrowanego wyświetlacza bez konieczności podłączania komputera do sterownika programowalnego. Należy jednak pamiętać, że awaria któregoś z komponentów składowych może wymusić konieczność wymiany całego urządzenia. Panele zintegrowane z wyświetlaczami to urządzenia o charakterze kompaktowym i pozwalają na oszczędność miejsca w szafie sterowniczej.

Dobierając sterownik programowalny z panelem HMI, należy zwrócić uwagę na rodzaj i wielkość wyświetlacza, ilość wbudowanych wejść oraz wyjść, obsługiwane interfejsy komunikacyjne, opis warunków, w których może pracować urządzenie. Warto zauważyć, że stopień ochrony danego urządzenia jest różny od strony frontowej, czyli tej, którą stanowi panel oraz od tyłu, gdzie znajduje się sam sterownik. Ten od frontu jest zdecydowanie wyższy. Kilka przykładowych urządzeń zintegrowanych z panelami HMI przedstawiono w formie tabelarycznej.

Sterowniki bezpieczeństwa

Każdy system automatyki powinien charakteryzować się wysokim stopniem bezpieczeństwa. Ograniczenie do minimum ryzyka utraty zdrowia lub życia przez obsługujących dane urządzenia, maszyny i linie produkcyjne oraz osoby postronne jest priorytetowym zadaniem każdego projektanta systemów automatyki. Dedykowane do tego celu urządzenia to programowalne sterowniki bezpieczeństwa. We współpracy z komponentami zbierającymi dane z otoczenia takimi jak: bariery, kurtyny, skanery, linki, zderzaki, maty, czujniki wizyjne, kontaktowe i bezdotykowe czujniki bezpieczeństwa, zamki, rygle i przyciski sterowniki bezpieczeństwa zapewniają odpowiednie zabezpieczenie przed ewentualnym wystąpieniem sytuacji niebezpiecznej. Chronią potencjalne strefy zagrożenia dla obsługi oraz osób postronnych, zabezpieczają przed nieautoryzowanych dostępem do części ruchomych maszyn i urządzeń.

Programowalne sterowniki bezpieczeństwa są dostępne np. w ofercie firmy Sick. Jest to seria urządzeń Flexi Soft. Konfiguracja komponentów tej serii odbywa się z użyciem dedykowanego oprogramowania. Seria Flexi Soft charakteryzuje się poziomem nienaruszalności bezpieczeństwa SIL3 (IEC 61508) oraz modułową budową. Główna jednostka może być wzbogacana nawet 12 modułami rozszerzeń. Programowalne sterowniki bezpieczeństwa Flexi Soft mogą pracować w sieciach EthernNet/IP, Modbus, Profinet, Profibus, CANopen, DeviceNet, EtherCAT, CC-Link.

Inną firmą, w portfolio której można znaleźć sterowniki bezpieczeństwa, jest firma Mitsubishi Electric. Jednym z przedstawicieli tej grupy jest produkt o nazwie MELSEC QS. Zapewnia on taki sam poziom nienaruszalności bezpieczeństwa jak wspomniana wcześniej seria produktowa i może pracować w sieci CC-Link i Ethernet. Programowalny sterownik bezpieczeństwa MELSEC QS jest w stanie obsłużyć maksymalnie 6144 wejść/wyjść, w tym 1008 wejść/wyjść bezpieczeństwa.

Podsumowanie

Szeroka gama sterowników programowalnych na rynku automatyki pozwala na wybranie modelu, który spełnia wszystkie założone kryteria projektowe. Decydując się na konkretny model sterownika, należy zwracać uwagę przede wszystkim na parametry techniczne jego jednostki centralnej, które wpływają bezpośrednio na jego wydajność oraz użyteczność. Największy wpływ mają rodzaj procesora oraz rozmiar dostępnej pamięci. Na podstawie analizy zalet i wad sterowników z grup modułowych i kompaktowych należy dokonać wyboru grupy korzystniejszej dla konkretnej aplikacji sterującej. Można rozważyć wybór sterowników programowalnych zintegrowanych z panelami HMI.

Rynek sterowników programowalnych nieustannie rozwija się i dostosowuje do aktualnych realiów i trendów związanych z automatyką i robotyką. Daje to nadzieję na pojawienie się nowych, ciekawych rozwiązań i funkcjonalności, które będą miały bezpośredni wpływ na komfort pracy automatyka oraz redukcję kosztów konfiguracji i późniejszych związanych już z samą pracą systemu.

*Tabele porównawcze dostępne są w wersji PDF oraz drukowanej miesięcznika Automatyka

źródło: Automatyka 12/2022