Průmyslové regulátory (PLC) | LAZY SMART

Každý, kdo se zabývá průmyslovými zařízeními, se dříve nebo později setká s typem zařízení, kterému se říká programovatelné logické automaty (PLC). Regulátor řídí různé technologické procesy a pracuje na základě příkazů operátora, vestavěných programů a dat přijímaných z periferních zařízení.

Základní prvky PLC

Navzdory skutečnosti, že PLC vyrábí různí výrobci, mají všechny podobnou strukturu a principy návrhu. Průmyslový logický kontrolér se skládá ze dvou hlavních částí – softwaru a hardwaru.

Softwarová část – toto je algoritmus, podle kterého regulátor pracuje. Řídicí program je napsán pomocí speciálního programovacího prostředí pro konkrétní model regulátoru a konkrétní úlohu.

Hardware – Jedná se především o centrální procesorovou jednotku (CPU), která spouští program v ní vložený. K procesoru jsou připojeny vstupní a výstupní periferní moduly (diskrétní a analogové rozšiřující moduly). Vstupní moduly přijímají signály z různých zařízení – tlačítek, analogových nebo diskrétních senzorů, jiných ovladačů atd. Tyto signály jsou převáděny a přenášeny po společné digitální sběrnici do centrálního procesoru ke zpracování. CPU pak adresuje signály do výstupních modulů, ke kterým lze připojit akční členy – relé, kontrolky, vstupy frekvenčního měniče atd.

Pomocí HMI

K logickému ovladači je zpravidla připojeno i rozhraní člověk-stroj (HMI – Human Machine Interface), což je dotykový LCD displej. Na obrazovce lze zobrazit menu nastavení a zobrazovat textová a grafická hlášení o průběhu technologického procesu.

Nejjednodušší ovladače neumožňují změnu algoritmu programu. Hlavní výhodou takového zařízení je minimalizace pravděpodobnosti lidské chyby. U složitých výrobních linek, které obsahují několik pohonů a zařízení pro příjem informací, se však nelze obejít bez zásahu obsluhy v průběhu programu.

Moderní systémy již dlouho používají omezený počet hardwarových ovládacích prvků a displejů. V zásadě se zapínání/vypínání různých režimů a nastavení zařízení provádí prostřednictvím HMI. Některé důležité funkce – spouštění systému, zastavování pohonů (normálních i nouzových), zvyšování/snižování rychlosti – jsou však hardwarově implementovány. Existují pro to tři hlavní důvody:

1. Všechny důležité ovládací prvky musí být snadno dostupné, aby bylo zajištěno rychlé ovládání v případě nouze.
2. Tlačítka a ovládací prvky, které se při provozu neustále používají, jsou vyrobeny hardwarově, aby nebylo nutné znovu používat HMI (životnost dotykové obrazovky při intenzivním používání je 3-5 let).
3. Ovladač, stejně jako jakékoli elektronické zařízení, může z jednoho nebo druhého důvodu zamrznout (rušení, selhání softwaru, problém s napájením, chyba operátora). Proto jsou obvykle důležité ovládací prvky duplikovány v hardwaru. Především se to týká nouzového zastavení systému (Emergency Stop).

Důležitou výhodou řídicích systémů na bázi programovatelných automatů je možnost implementace rozšířeného systému provozních hlášení a diagnostiky, který umožňuje sledovat různé provozní režimy, hlásit chyby a havárie.

Bezpečnostní řadiče

Samostatným typem ovladačů jsou bezpečnostní ovladače, neboli Safety Relays, které se v posledních letech staly základním prvkem výrobních linek.

Bezpečnostní řídicí jednotka řídí napájení pohonů i hlavní řídicí jednotku. Nejprve se zkontroluje stav všech ochranných zařízení – tlačítek nouzového zastavení, různých zábran, plotů a krytů. Pokud je vše v pořádku, musí obsluha stisknout tlačítko „Reset“ a teprve poté může linka fungovat. Jakmile dojde k události, která ohrožuje personál nebo zařízení, řídicí jednotka zablokuje pohony. Jakmile je problém vyřešen, operátor stiskne „Reset“ a linka je opět připravena k provozu.

Hlavní výrobci logických automatů

U průmyslových zařízení hraje důležitou roli spolehlivost a stabilita. Na trhu je několik výrobců, kteří si právem vysloužili pověst těch nejlepších. Mezi takové výrobce patří:

• Siemens (Německo)
• Mitsubishi (Japonsko)
• Omron (Japonsko)
• Allen Bradley (USA)

Kromě těchto gigantů se rychle rozvíjejí čínské značky, mezi nimiž jsou nejznámější Delta a Fotek. Mezi ruskými výrobci lze zaznamenat Berana. Ve vážných systémech se však produkty této společnosti používají zřídka kvůli relativně nízké spolehlivosti a omezené funkčnosti.

Výběr ovladače pro průmyslovou linku

Při výběru konfigurace regulátoru musíte nejprve jasně pochopit podstatu technologického procesu. Na základě výsledků analýzy je sestaven pracovní algoritmus, který je nutný k provedení všech potřebných operací. Dále se vygeneruje seznam diskrétních senzorů a ovládacích prvků (tlačítek, spínačů), které budou potřeba k tomu, aby kontrolér mohl přijímat informace. Na základě toho se určí počet diskrétních vstupů PLC. V případě potřeby lze dokoupit další rozšiřující moduly.

Dále je třeba určit počet výstupů regulátoru. Výstupy řídí napájení různých pohonů (cívky startéru a relé), pneumatické a hydraulické ventily a spouštění frekvenčních měničů.

Důležitou součástí regulátoru jsou analogové moduly potřebné pro zpracování signálů z analogových snímačů a potenciometrů. Analogové výstupní signály lze také použít k řízení otáček motorů (přes frekvenční měniče) a různých pohonů, jako jsou elektropneumatické měniče.

Pamatujte, že je důležité mít přístup k řídicímu programu PLC pro diagnostiku a změnu provozního algoritmu. Většina výrobců však tomuto přístupu brání pomocí hesel a dalších bezpečnostních metod. To je třeba vzít v úvahu při nákupu zařízení a projednat to s výrobcem. Alternativně při použití modulu pro přístup k internetu je možné se připojit k ovladači a opravit program odkudkoli na světě.

Moderní průmysl si nelze představit bez automatizačních systémů. Složitost výrobních procesů znemožňuje jejich ruční ovládání, automatizační systémy jsou navíc mnohem levnější než obsluhující personál, pracují rychleji a spolehlivěji. Co si ale budeme povídat o průmyslu – bez automatizace se v dnešní době neobejde téměř žádná budova. Školy, nemocnice, školky, kancelářské a skladové prostory, venkovské domy a chaty – všechna tato zařízení jsou vybavena automaticky řízenými inženýrskými systémy. Navzdory rozmanitosti aplikací a oblastí použití fungují všechny automatizační systémy na stejném principu a mají podobnou strukturu, v jejímž středu je „mozek“ systému – programovatelný logický kontrolér (PLC).

<strong>Jak to všechno začalo?</strong>

Vše začalo konstrukcí reléových kontaktních řídicích systémů, což byly obrovské skříně naplněné dráty a reléovými moduly. Do těchto skříní přicházely signály ze snímačů a na výstupu byly generovány povely pro akční členy. Kromě toho, že byly velké, jsou takové řídicí systémy nepohodlné, protože nejsou vůbec flexibilní: pro změnu logiky ovládání je nutné ručně projít celý elektrický obvod. S rozvojem mikroprocesorové techniky byly reléové skříně nahrazeny PLC – zařízeními, která plní stejné funkce, ale mají zásadně odlišný mechanismus převodu vstupních signálů na signály výstupní. Tento převod do PLC se provádí podle zaznamenaného programu. S příchodem regulátorů se velikost řídicích systémů desetinásobně zmenšila a výrazně se zjednodušil proces jejich vývoje a následných změn.

<strong>Princip činnosti PLC</strong>

PLC pracuje na cyklickém principu. Na samém začátku cyklu PLC skenuje stavy vstupů, které přijímají signály ze senzorů a zařízení. Poté je v souladu s programovým algoritmem vypočítán stav výstupů. Na konci pracovního cyklu regulátor nastaví každý výstup do stavu, který byl definován.

1. Čtení vstupních stavů

2. Spusťte uživatelský program

3. Záznam výstupních stavů

Zadané fáze cyklu se provádějí postupně – to znamená, že změny stavů vstupů nebudou kontrolérem „zaznamenány“ během provádění programu. Z tohoto důvodu je jedním z nejdůležitějších parametrů PLC reakční čas. Pokud se ukáže, že je delší než minimální doba pro změnu vstupních stavů, některé události vyskytující se v systému budou regulátorem „zmeškany“.

Rovněž stojí za zvážení, že senzory nereagují okamžitě na změny v systému. Proto kompletní doba odezvy řídicího systému sestává z doby odezvy PLC a doby odezvy snímače.

Doba odezvy systému — čas od okamžiku změny stavu systému do rozvinutí odpovídající reakce (rozhodování).

<strong>Systémy v reálném čase</strong>

Všechny systémy lze rozdělit na systémy tvrdý и měkký v reálném čase.

V systémech tvrdý Odezva PLC v reálném čase by neměla překročit určitý časový práh. S prodlužující se reakční dobou ztrácí systém svoji funkčnost.

V systémech měkký V reálném čase, jak se prodlužuje doba odezvy, může dojít k výraznému zhoršení kvality ovládání, ale výkon se neztratí.

<strong>PLC vstupy a výstupy</strong>

Digitální vstupy – určený pro vstup signálů z diskrétních snímačů (tlačítka, pákové spínače, koncové spínače, termostaty atd.). Napětí signálu je jednotné pro všechna PLC a je 24 V. Jednoduše řečeno, když se na vstupu regulátoru „objeví“ napětí 24 V, PLC bude tento vstup považovat za „zapnutý“, to znamená, že bude mít hodnotu logické „1“ ve vnímání ovladače.

Digitální výstupy – určené k ovládání zařízení na principu „on/off“ (magnetické startéry, žárovky, ventily atd.). Diskrétní výstup je běžný kontakt, který může uzavřít nebo otevřít řídicí nebo silový obvod zařízení.

Analogové vstupy – určený pro vstup nepřetržitého signálu ze senzorů a dalších zařízení. Existují dva hlavní typy unifikovaných analogových signálů: proud – 4..20 mA, napětí 0..10 V. Například teplotní čidlo má rozsah -10 – +70 °C, pak 4mA na výstupu odpovídá -10 °C a 20 mA je +70 °C. U analogových napěťových signálů je vše podobné.

Analogové výstupy – určené pro plynulé ovládání zařízení. Unifikované hodnoty analogového signálu na výstupech jsou stejné jako na vstupech – 4..20mA (0..10V). Ventil lze například otáčet mezi 0° a 90°. Proud 4 mA jej otočí do polohy 0° a 20 mA jej otočí do polohy 90°. Abyste jej mohli otočit o 45°, musíte na něj přivést řídicí signál 8 mA. Změnou hodnoty výstupního proudu tedy může regulátor natočit ventil do daného úhlu.

Specializované vstupy/výstupy – nejednotné, slouží k připojení nestandardních snímačů a aktorů se specifickou úrovní signálu, napájení a softwarového zpracování.

<strong>Digitální rozhraní PLC <br /></strong>

PLC byly původně navrženy pro řízení sekvenčních logických procesů. Moderní regulátory jsou kromě logických operací schopny provádět digitální zpracování signálu. Mohou si vyměňovat informace s jinými zařízeními, jako jsou operátorské panely, GSM moduly, frekvenční měniče, servery pro sběr dat atd.

PLC mohou mít distribuovanou strukturu, kdy jsou vstupní a výstupní moduly umístěny ve značné vzdálenosti od samotného regulátoru, v blízkosti řídicího objektu. Několik PLC, které řídí různé části jednoho systému, lze spojit do sítě za účelem výměny informací a koordinace řídicích akcí a také přenosu všech informací o systému do centrálního řídicího centra.

V těchto případech se výměna vzdálených modulů a zařízení s PLC provádí přes digitální rozhraní pomocí specializovaných protokolů jako Modbus RTU, ModBus TCP, CANopen, Profibus, EtherNet IP a další.