Sterowniki programowalne

Sterowniki programowalne PLC można pogrupować, przyjmując ich cechy konstrukcyjne za kryterium podziału. Urządzenia o prostej budowie, stosunkowo niewielkich wymiarach, zawierające w jednej obudowie procesor, pamięć, moduły wejść i wyjść oraz zasilacz nazywane są sterownikami kompaktowymi. Znajdują zastosowanie głównie w pojedynczych urządzeniach i maszynach oraz niezbyt skomplikowanych systemach automatyki. Na rynku występują modele kompaktowe z opcją rozszerzeń, ale liczba dołączanych modułów jest limitowana dostępnością adresów, a ponadto istnieją ograniczenia związane z wymaganą sekwencją umieszczania kolejnych rozszerzeń względem jednostki bazowej.

Systemy sterowania liniami technologicznymi wymagają użycia nieco bardziej złożonych konstrukcji. Najczęściej stosowane są średnie i duże sterowniki modułowe. Charakteryzuje je duża elastyczność konstrukcji – dobór odpowiednich modułów dokonywany jest przez samego użytkownika. Do wyboru są moduły centralne zawierające procesor i pamięć, moduły komunikacyjne pozwalające na rozbudowę systemu o komponenty pracujące z wykorzystaniem tożsamego protokołu komunikacyjnego, moduły grupujące od kilku do kilkunastu wejść lub wyjść cyfrowych, moduły z wejściami i wyjściami analogowymi, które służą do pomiarów wielkości fizycznych istotnych dla prawidłowej pracy systemu. W ofercie producentów i dystrybutorów sterowników programowalnych można znaleźć również moduły specjalne szybkich liczników, regulatorów PID, moduły odpowiedzialne za pozycjonowanie osi, sterowanie silnikami krokowymi czy pomiar zużycia energii. Od projektanta systemu zależy, których i ile modułów użyje, aby powstał sterownik odpowiadający zapotrzebowaniu. Zaletą sterowników modułowych jest możliwość rozbudowy lub modyfikacji w przyszłości, czyli dopasowania do zmian całego systemu automatyki. Ponadto umożliwiają one stworzenie systemu rozproszonego, dzięki czemu ewentualna awaria skutkuje koniecznością wymiany tylko wybranego modułu, a nie całego urządzenia.

Przez wzgląd na możliwość rozszerzenia niektórych sterowników kompaktowych granice między sterownikami kompaktowymi i modułowymi powoli zacierają się, a producenci i dystrybutorzy coraz swobodniej podchodzą do klasyfikacji oferowanych produktów.

Sterowniki zintegrowane z HMI

Sterowniki zintegrowane z panelem operatorskim to przemysłowe urządzenia łączące funkcje sterowania, wizualizacji i zadawania parametrów pracy systemu. Mają rozbudowane funkcje komunikacyjne, jednak ograniczoną liczbę dostępnych wejść i wyjść.

Jednostka centralna wraz z modułami wejść, wyjść i komunikacyjnymi znajduje się z tyłu ekranu, tworząc z nim spójną całość. Zintegrowanie jednostki centralnej sterownika programowalnego z panelem jest rozwiązaniem dosyć wygodnym – zapewnia kompatybilność współpracujących ze sobą urządzeń, skraca czas i zmniejsza koszty montażu oraz konfiguracji, likwiduje możliwość wystąpienia błędu komunikacji między jednostką centralną a ekranem. Konfigurację oraz oprogramowanie sterownika i panelu zapewnia jedno środowisko programistyczne, co czyni rozwiązanie bardzo komfortowym – zmienne i dane są używane jednocześnie dla obu składowych urządzenia. Podgląd statusu sterownika oraz jego debugowanie jest możliwe z wykorzystywaniem zintegrowanego wyświetlacza bez konieczności podłączania komputera do sterownika programowalnego. Ze względu na swoje kompaktowe wymiary oraz zintegrowanie znajdują zastosowanie, gdy przestrzeń montażowa jest znacząco ograniczona. Decydując się na skorzystanie ze sterowników zintegrowanych z HMI, należy pamiętać o tym, że ewentualna awaria którejkolwiek ze składowych spowoduje konieczność wymiany całego urządzenia. Omawiany typ sterowników znajduje zastosowanie głównie w prostych aplikacjach maszynowych, systemach pompowych, hydroforowych oraz w inteligentnych budynkach.

Przykładową serią sterowników zintegrowanych z panelami HMI jest Horner APG X2 z oferty firmy Astor. Sterowniki te mają monochromatyczny ekran operatorski 2,2” o rozdzielczości 128 × 64 px, o dużym kontraście, z podświetleniem LED. Ponadto dysponują 256 kB pamięci programu, portem CAN oraz dwoma portami szeregowymi do obsługi ponad 20 różnych protokołów komunikacyjnych. Robienie kopii zapasowych oraz łatwe konfigurowanie nowych urządzeń umożliwia slot microUSB, w którym można umieszczać przenośne karty pamięci. Karta pamięci może również posłużyć do gromadzenia danych procesowych i alarmowych. Sterowniki serii Horner APG X2 mają 12 wejść cyfrowych, cztery wejścia analogowe, 6–12 wyjść cyfrowych, dwa wyjścia analogowe. Można je instalować w niewentylowanych i nieogrzewanych szafach, ponieważ mogą pracować w temperaturze od –10 °C, do 60 °C. Mają stopień ochrony IP65 i są zasilane napięciem 24 V DC. Bezpłatne oprogramowanie narzędziowe Cscape w języku polskim umożliwia projektowanie wizualizacji, która może być prezentowana na zintegrowanych ekranach i zawierać dane numeryczne, proste grafiki i animacje, klawiatury funkcyjne i alfanumeryczne oraz gotowe obiekty graficzne z udostępnionych bibliotek.

Kolejną przykładową serią sterowników zintegrowanych z HMI jest Unitronics UniStream US5, propozycja firmy Elmark. Sterowniki wspomnianej serii mają kolorowy, dotykowy ekran o przekątnej 5”, protokoły komunikacyjne EtherNet/IP, Canopen, RS-232, RS-485 i Modbus. Bezpłatne oprogramowanie UniLogic umożliwia projektowanie wizualizacji zawierających dynamiczne wykresy, tabele danych i wiele ekranów użytkownika. Tylna część obudowy sterownika jest wyposażona w szynę DIN, zaś panel w port USB, miniUSB, RJ45 oraz slot microSD. Sterownik ma procesor mogący obsługiwać do 204 wejść/wyjść, baterię do podtrzymywania pamięci, jest zasilany napięciem 24 V DC i może pracować w temperaturze od –20 °C do 55 °C, ma stopień ochrony IP20 od strony szyny DIN i IP65 lub IP66 od strony panelu.

Inną serię sterowników zintegrowanych z HMI stanowi seria p300 firmy Lenze. W ofercie znajdują się urządzenia z dotykowym ekranem rezystancyjnym o przekątnej 4,3”, 7” i 10,4”. Omawiane sterowniki mają slot microUSB umożliwiający łatwe kopiowanie i przenoszenie danych, pozwalają na komunikację za pomocą protokołów EtherCAT, CANopen, Profinet, Ethernet. Urządzenia p300 są zasilane napięciem 24 V DC i mają stopień ochrony IP20 od strony sterownika i IP65 od strony panelu.

Sterowniki bezpieczeństwa

Podczas realizacji procesów technologicznych istnieje potrzeba zwracania szczególnej uwagi na bezpieczeństwo. W procesach zautomatyzowanych należy zadbać o odpowiednie zabezpieczenie obszaru pracy maszyn i urządzeń przed nieautoryzowanym dostępem. W skład systemu bezpieczeństwa wchodzą czujniki zbierające informacje z otoczenia, tj. bariery świetlne, kurtyny świetlne, skanery i maty bezpieczeństwa. Jednak najważniejszym elementem przetwarzającym dane i realizującym określony algorytm zabezpieczający jest sterownik bezpieczeństwa. Architekturą i konstrukcją odróżnia się od zwykłego sterownika PLC.

Podstawową właściwością sterownika bezpieczeństwa jest dwutorowa analiza sygnałów wejściowych i wyjściowych. Kluczowa jest tu wzajemna kontrola obu torów, dzięki której system jest zabezpieczony przed skutkami ewentualnej awarii. Głównym zadaniem realizowanym przez sterowniki bezpieczeństwa jest zapewnienie doprowadzenia zabezpieczanego systemu do stanu bezpiecznego w przypadku stwierdzenia za pośrednictwem czujników bezpieczeństwa występowania sytuacji niebezpiecznej. Reakcja polega najczęściej na bezpiecznym wysterowaniu kluczowych urządzeń odpowiadających za ruch urządzeń wykonawczych – np. na zatrzymaniu silników oraz wprowadzeniu sterowników napędów i przemienników częstotliwości w stan alarmowy uniemożliwiający dalsze działanie do czasu ustąpienia naruszenia strefy bezpieczeństwa i po potwierdzeniu gotowości do ponownego uruchomienia.

Wśród sterowników bezpieczeństwa znajdują się wersje programowalne tych urządzeń, które mają dedykowane bloki programowe do obsługi wejść i wyjść. Wersje programowalne są elastyczne, umożliwiają realizację rozbudowanych algorytmów i implementację bardziej złożonych zadań niż ich prostsze odpowiedniki konfigurowane za pomocą przycisków na obudowie urządzenia.

Sterownik bezpieczeństwa od zwykłego PLC różni się obecnością funkcji diagnostycznych wykrywających potencjalne usterki. Bezpieczne wejście wyposażane jest w wewnętrzny obwód wyjściowy służący do testowania obwodu wejściowego. Z kolei bezpieczne wyjście wyposażane jest w potrójny układ przełączający – dwa sterowane za pomocą niezależnych mikroprocesorów i jeden układem testowym watchdoga. Nieautoryzowany dostęp do programu jest kontrolowany przez hasło, sumę kontrolną, rejestrację daty i czasu kompilacji.

Każdy ze sterowników bezpieczeństwa musi być poddany certyfikacji, podczas której dokonuje się oceny zdolności układu do realizacji powierzonych funkcji bezpieczeństwa. Certyfikacja obejmuje ogół cech – oprogramowanie, sprzęt i system operacyjny. Norma IEC 62061 określa integralność bezpieczeństwa za pomocą czterostopniowej skali SIL (Safety Integrity Level). Zwykle sterowniki bezpieczeństwa osiągają poziom SIL3, co oznacza, że wykrywają one co najmniej 99 % potencjalnych awarii. Podczas certyfikacji realizowane są przykładowo testy polegające na celowym uszkodzeniu programu i badaniu reakcji urządzenia na takie zdarzenie.

Wadliwa realizacja funkcji bezpieczeństwa maszyny skutkuje wzrostem ryzyka dla obsługi systemu. Programowalny sterownik bezpieczeństwa może stanowić główny element podsystemu umożliwiającego realizację określonej liczby funkcji bezpieczeństwa jednocześnie. Liczba tych funkcji jest wprost zależna od liczby wejść bezpiecznych sterownika.

Funkcjami sterowników bezpieczeństwa są zatrzymanie ruchu niebezpiecznego, możliwość resetu manualnego obwodu bezpieczeństwa po ustąpieniu sytuacji niebezpiecznej, mutting, czyli celowa i okresowa dezaktywacja środka ochronnego stosowana przykładowo podczas dostarczania surowców do strefy roboczej czy odbioru gotowych elementów lub produktów. Ponadto sterowniki bezpieczeństwa monitorują przełączanie styczników i elektrozaworów oraz realizują procedurę zatrzymania awaryjnego wywołanego przez obsługę systemu z użyciem przycisku bezpieczeństwa.

Przykładowy kontroler bezpieczeństwa c250-S można znaleźć w ofercie firmy Lenze. Zapewnia on  transmisję danych z użyciem sieci EtherCAT, zgodność ze standardem PLCopen, poziom bezpieczeństwa SIL3 i moduły bezpiecznych wejść i wyjść z wtykanymi przyłączami z możliwością bezpośredniego przyłączenia szeregowego. Omawiany sterownik ma aluminiową obudowę, stopień ochrony IP20, może pracować w temperaturze od 0 °C  do 55 °C i jest zasilany napięciem 24 V DC.

W ofercie firmy Pilz można znaleźć serię sterowników bezpieczeństwa PNOZmulti. Charakteryzują się one stopniem integralności SIL3, obecnością wyświetlacza do prostego diagnozowania, informowania o błędach i prezentacji statusów. Wśród urządzeń tej serii można znaleźć sterowniki kompaktowe PNOZmC0, uniwersalne PNOZmB0 z ośmioma wejściami i czterema wyjściami bezpiecznymi, stosowane do małych i średniej wielkości aplikacji sterowniki PNOZmB0.1 oraz najbardziej rozbudowane sterowniki PNOZmB1. Te ostatnie nie mają wejść i wyjść cyfrowych w jednostce bazowej. Ta jednak może być rozszerzona nawet o 12 modułów.

Firma Sick oferuje sterowniki bezpieczeństwa Flexi Soft, które mogą korzystać z następujących interfejsów komunikacyjnych: CANopen, DeviceNet, EtherCAT, Modbus, Profinet, Profibus. Omawiane sterowniki mogą być rozbudowane o moduły rozszerzeń, sieć licząca do 32 takich komponentów nazywana jest Flexi Line.

Kolejnym przykładem jest programowalny sterownik bezpieczeństwa SC26-2E firmy Turck. Charakteryzuje się możliwością komunikacji z użyciem Ethernet/IP, Modbus, Profinet, posiadaniem stopnia integralności bezpieczeństwa SIL3, obecnością 20 wejść i dwóch wyjść, stopniem ochrony IP20.

Norma IEC 61131

Uwagę należy zwrócić na normę IEC 61131 szczegółowo opisującą związane ze sterownikami PLC zagadnienia. Pierwsza część normy definiuje i określa typowe właściwości funkcjonalne, które odróżniają sterowniki PLC od innych systemów. Druga definiuje mechaniczne, elektryczne i funkcjonalne wymagania dla urządzeń, ponadto dokonano w niej klasyfikacji sterowników i narzędzi programowania.

Trzecia część normy dotyczy języków programowania, ujednolica stosowane języki programowania, opisuje za pomocą formalnych definicji pojęcia podstawowe, zasady ogólne, model komunikacyjny oraz model programowy, specyfikuje semantykę tekstowych i graficznych języków programowania.

W grupie języków tekstowych zdefiniowano język IL (Instruction List), czyli listę rozkazów, którego zbiór instrukcji obejmuje operacje logiczne, arytmetyczne, relacji i funkcje czasomierzy, liczników, przerzutników oraz język ST (Structured Text), czyli tekst strukturalny, który zawiera struktury programowe i polecenia podobne do występujących w językach typu PASCAL i C.

Do grupy języków graficznych należy język LD (Ladder Diagram), czyli schemat drabinkowy przypominający obwód przekaźnikowy, który zawiera symbole styków, cewek, połączenia pomiędzy nimi, funkcje arytmetyczne, logiczne, porównań, relacji oraz bloków funkcjonalnych tj. przerzutniki, czasomierze i liczniki. Językiem graficznym jest również język FBD (Function Block Diagram), czyli funkcjonalny schemat blokowy, który jest odpowiednikiem schematu przepływu sygnału dla obwodów logicznych przedstawionych za pomocą połączonych ze sobą bramek logicznych oraz funkcji i bloków funkcjonalnych. Omawiana część normy definiuje również język SFC (Sequential Function Chart), czyli sekwencyjny ciąg bloków programowych z warunkami przejścia między nimi.

Czwarta część normy IEC 61131 prezentuje wytyczne dla użytkownika PLC, stanowi przewodnik wspomagający go we wszystkich fazach projektowania systemu automatyki, w tej części podano praktyczne informacje dotyczące analizy i wyboru sprzętu oraz jego zastosowania.

Część piąta dotyczy zasad komunikacji między sterownikami z różnych rodzin oraz z innymi urządzeniami, w połączeniu z normą ISO 9506 określa funkcje adresowania urządzeń, wymiany danych, przetwarzania alarmów, sterowanie dostępem i administrowanie siecią.

Szósta część prezentuje wymagania, które musi spełniać sterownik PLC oraz jego peryferia, zdefiniowane w części pierwszej normy, aby tworzyć podsystem logiczny systemu związanego z bezpieczeństwem. Spełnianie wymagań normy IEC 61131-6 uprawnia do sklasyfikowania danego sterownika PLC jako urządzenia zapewniającego bezpieczeństwo funkcjonalne.

Część siódma normy IEC 61131-7 zawiera wytyczne dla programowania zbiorów rozmytych. Z kolei ósma, prezentująca wskazówki do implementacji języków programowania, zawiera wytyczne dotyczące stosowania części trzeciej normy oraz zalecenia związane z narzędziami do programowania oraz debugowania. Część dziewiąta opisuje interfejs komunikacyjny dla małych czujników i elementów wykonawczych. Wreszcie część dziesiąta określa format wymiany oparty na XML dla eksportu i importu projektów opracowanych zgodnie z IEC 61131-3. Kompletny projekt można przenosić między różnymi środowiskami programistycznymi właśnie dzięki standaryzacji opisanej w IEC 61131-10.

Cały czas trwają prace nad udoskonalaniem i rozszerzaniem normy IEC 61131. Sukcesywne powstawanie kolejnych części normy jest odpowiedzią na rozwój technologiczny oraz pojawiające się potrzeby.

Sterowniki PAC

Programowalne sterowniki automatyki PAC (Programmable Automation Controller), które pojawiły się na rynku automatyki na początku XXI w. to urządzenia stanowiące hybrydę komputerów przemysłowych IPC oraz sterowników PLC, znanych na rynku od lat 60.  XX w. Sterowniki PAC mają więcej pamięci operacyjnej niż sterowniki PLC i są od nich bardziej wydajne. Większa moc obliczeniowa procesora sprawia, że są stosowane do akwizycji danych, w systemach wizualizacji oraz jako panele sterownicze dla podrzędnych urządzeń. Programowalne sterowniki automatyki mają rozbudowane funkcje komunikacyjne, dzięki czemu łatwo nawiązują kontakt z siecią oraz systemami zarządzania przedsiębiorstwem, ponadto obsługują wiele standardów interfejsów sieciowych. Sterowniki PAC oprócz sterowania maszynami lub procesami za pomocą sygnałów cyfrowych umożliwiają przetwarzanie, zbieranie i analizę danych z różnych źródeł oraz komunikację z innymi systemami. Możliwa staje się jednoczesna realizacja sterowania dyskretnego oraz sterowania ruchem z użyciem ciągłej regulacji PID. Otwarta, modułowa architektura umożliwia łatwe dostosowanie do danego projektu czy konceptu.

Sterowniki PAC mają najczęściej jedną wielozadaniową platformę z opcją programowania sterowników. Oprogramowanie musi być zgodne z normą IEC 61131-3 i jest to najczęściej graficzne środowisko z językami programowania wysokiego poziomu, takimi jak: C++, C#, Java, Matlab czy Simulink.

Przykładem sterownika PAC jest CPL410 firmy Emerson, dedykowany dla systemów sterowania zgodnych z ideą Przemysłu 4.0. Sterowany proces może być wzbogacany o mechanizmy optymalizacji, raportowania, obsługi baz danych i zdalnego dostępu. Sterownik CPL410 ma 64 MB pamięci RAM, 64 MB pamięci Flash, trzy niezależne sieci Ethernet, możliwość obsługi do 32 000 sygnałów dyskretnych i analogowych oraz wysoki poziom bezpieczeństwa.

Firma Sabur ma w swojej ofercie sterowniki panelowe PAC LP40, wyposażone w procesor ARMCortex A9 
Freescale 1 GHz, pamięć RAM o pojemności 1 GB lub 2 GB, pamięć masową SSD 4 lub 8 GB, 4 MB pamięci megnetorezystancyjnej, slot na kartę microSD oraz dwa porty Ethernet. Panel sterownika dostępny jest w rozmiarach od 7” do 18,5” i ma dotykowy ekran rezystancyjny. Stopień ochrony aluminiowego frontu to IP66. PAC LP40 jest zasilane napięciem 24 V DC i może pracować w temperaturze od 0 °C do 50 °C.

Podsumowanie

Uniwersalny charakter sterowników programowalnych oraz bogata, wciąż ewoluująca i dostosowująca się do rozwoju technologicznego oferta tych komponentów na rynku automatyki sprawiają, że sterowniki programowalne cieszą się niegasnącą popularnością wśród projektantów systemów sterowania. Ich ugruntowana pozycja na rynku i mnogość branż, w których znajdują zastosowanie, wskazują na brak zagrożenia wygaszaniem zainteresowania nimi. Rozwój sterowników programowalnych wydaje się być związany ze zwiększaniem ich wydajności, elastyczności oraz wzbogacaniem oferty modułów.

*Tabele porównawcze dostępne są w wersji PDF i drukowanej Automatyki. 

źródło: Automatyka 4/2024