Programovatelné automaty – technické vybavení PLC

PROGRAMOVATELNÉ AUTOMATY –  TECHNICKÉ VYBAVENÍ PLC

1 Co je to PLC?

Programovatelné automaty (Programmable Logic Controlers PLC) se staly dle 1 nejvýznamnějším řídicím prostředkem pro řízení technologických procesů, výrobních linek a strojů již během první poloviny 80. let minulého století. Byly odezvou na vývoj mikroelektronické technologie, který umožnil vytlačit centralizované řízení, reprezentované řídicími počítači a minipočítači distribuovanou řídicí technikou. Technika PLC sice zůstala na dlouhou dobu pozadu v programátorském komfortu za řídicími počítači a minipočítači, na druhé straně vykazovala nesporné výhody. Mezi ty patří spolehlivost, snazší rozdělení řídicí struktury na samostatné celky s jasně definovatelnými rozhraními, nižší náklady na kabeláž. Z toho plyne rychlejší uvedení do chodu, snazší údržba, jednodušší ladění programů, modulární výstavba a tím optimalizace ceny HW, vysoká stabilita jednoduchého operačního systému, nižší nároky na kvalifikaci projekčních a inženýrských pracovníků, celkově nižší náklady na realizaci projektu, uvedení do chodu a závěrečné fáze projektu.

PLC jsou již celá desetiletí neodmyslitelně spojovány s provozní automatizací nebo také řízením průmyslových procesů. Jejich pole působnosti přitom zahrnuje celou řadu aplikací, od jednoduchého osvětlení až po stěžejní systémy v chemických výrobních závodech. Takové sestavy pak mohou nabídnout nejrůznější funkce, zajistit různé druhy analogových nebo také čislicových vstupně – výstupních rozhraní, zpracování signálu, datovou konverzi nebo rozmanité komunikační protokoly.

Zařízení PLC, v češtině často označované jako programovatelné automaty, patří již tedy dlouhodobě k základům automatického měření a regulace různých aplikací a procesů. PLC (z anglického Programmable Logic Controller) je relativně malý průmyslový počítač používaný pro automatizaci procesů v reálném čase – řízení strojů nebo výrobních linek v továrně. Pro PLC je charakteristické, že program se vykonává v tzv. cyklech. V moderním pojetí je výraz PLC nahrazován výrazem PAC (z anglického Programmable Automation Controller), i když označení PLC je celosvětově hojně rozšířené a udrží se i nadále. Jde o jednoduché modulární a lehce programovatelné jednotky v podobě několika vzájemně propojených „krabiček“ s mnoha vstupy a výstupy pro snadné připojení senzorů, displejů, spínačů a tlačítek, motorů a různých dalších přístrojů a zařízení.

Zatímco při použití různých typů počítačů (ať obyčejných nebo průmyslových) pro potřeby regulace je vyžadována znalost některého z programovacích jazyků a struktury použitého procesoru, programování současných PLC se ve vývojovém softwaru provádí pomocí vkládání již připravených funkcí reprezentovaných ikonami na obrazovce a jejich propojování tažením myši bez nutné znalosti, co je uvnitř PLC. Mechanická instalace pak spočívá pouze u v jednoduchém nasazení na DIN lištu a připojení vodičů do šroubovacích svorek představujících jednotlivé vstupy a výstupy.

Současná PLC již umožňují i vzdálené řízení a přenos dat prostřednictvím drátové i bezdrátové komunikace.

UvP_ELEKTRO_EL52_01

1.1 Použití PLC

PLC se hlavně hodí buď pro centrální řízení jednodušších aplikací MaR, nebo u velkých regulačních a řídicích systémů pro řízení jednotlivých procesů, předzpracování signálů pro nadřazené ovládací a vizualizační systémy převážně tvořené klasickým nebo průmyslovým PC:

  • řízení výrobních strojů,
  • řízení plnicích a balicích strojů,
  • regulace chlazení a vytápění,
  • řízení osvětlení,
  • zabezpečovací systémy,
  • vzdálené řízení vybavení bytů a domů,
  • vizualizace procesů – zobrazení informací, indikace,
  • HMI (Human Machine Interface) – ovládací rozhraní,
  • zpracování signálů přímo na místě měření apod.

Na našem trhu je možno se nejčastěji setkat s programovatelnými automaty těchto nejvýznamnějších světových výrobců (řazeno abecedně): ABB, Allen-Bradley, B+R, Eberle, Festo, GE, H+B, Idec, Klockner Moeller, Matsushita, Mitsubishi, Omron, Saia, Siemens, Schneider Group a českého výrobce Teco. V detailech se jednotlivé třídy systémů a jejich představitelé liší, způsoby použití a aplikační možnosti jsou však srovnatelné.

1.2 Struktura typického PLC

Zatímco dříve se z pohledu provedení PLC jednalo o velké systémy s výslednými rozměry i mnoha desítek cm, v současné době se i na tomto poli elektroniky prosazuje miniaturizace. Stále častěji se dnes můžeme setkat s provedením ve formě několika „velkých krabiček od zápalek“ připevněných vedle sebe na DIN liště. Tím se výrazně snižuje prostorová náročnost. Ty nejjednodušší PLC bývají někdy uvedeny jako tzv. programovatelná relé.

Typické PLC je složeno z následujících částí:

  • základní řídicí/CPU jednotka (basic/CPU modul) – základní blok PLC, který obsahuje:
    • zdrojovou část – napájení jednotky, příp. dalších modulů,
    • procesorovou část – tvořená CPU, FPGA nebo speciálními SoC obvody ,
    • komunikační rozhraní – základní propojení s PC a s dalšími PLC ,
    • několik binárních/logických vstupů a výstupů .
    • rozšiřující moduly (expansion modules) – rozšiřují základní jednotku o libovolné další prvky vyžadované uživatelem:
      • další vstupy – logické a analogové (napěťové/proudové/diferenční),
      • další výstupy – tranzistory spínané, reléové a analogové výstupy, výkonové,
      • různé komunikační sběrnice – RS-232/422/485, LPT, Ethernet (TCP/IP), PROFIBUS, MODBUS, GSM apod.,
      • speciální moduly – např. regulátory motorů, PWM výstupy, zesilované/kompenzované vstupy pro tenzometry/termočlánky/termistory, sběrnicové opakovače apod.

 

UvP_ELEKTRO_EL52_02

Každý PLC systém musí mít vždy alespoň jednu základní řídicí/CPU jednotku, která provádí samotné vykonávání uloženého programu, číslicové zpracování signálů a digitální komunikaci s okolím. Tato jednotka je obvykle vybavena tak, aby byla plně soběstačná, tzn. že v jednodušších aplikacích může pracovat samostatně bez jakýchkoliv dalších přidaných prostředků. Pro tento účel bývá vybavena i několika vstupy a výstupy, obvykle jen logickými/spínanými, umožňující připojení tlačítek či signalizace, zapínání/vypínání zařízení a přivedení několika řídicích signálů.

1.3 Komunikace a distribuované systémy

Charakteristickým rysem moderních PLC jsou jejich komunikační schopnosti. Díky nim lze PLC zapojovat do sítí a vytvářet z nich distribuované systémy s různými topologiemi a způsoby komunikace. Programovatelné automaty mohou být podřízeny počítačovým systémům a počítačové síti. Současně ale mohou v síti počítačů komunikovat i na rovnocenné úrovni. Komunikovat spolu mohou řídicí systémy jednotlivých výrobních strojů, pomocných, dopravních a manipulačních mechanismů, systémy pro řízení skladů a dalších souvisejících pracovišť, které se tak spolupodílejí na realizaci integrovaných systémů pro řízení dílen, provozů nebo celých podniků a mohou být i součástí informačního a řídicího systému celé firmy. Takto pojatá automatizace je mnohdy označována jako úplná (total). Jako distribuovaná je mnohdy řešena i úroveň připojení snímačů a akčních členů, např. prostřednictvím průmyslových sběrnic jako RS 485, AS-interface, Profibus-DP, CAN aj.

UvP_ELEKTRO_EL52_03

V technice budov se k regulaci teploty v jednotlivých místnostech používají distribuované systémy třídy IRC (Individual Room Control). Za extrémní příklad distribuovaného řešení v oboru technického vybavení budov lze považovat elektroinstalační sběrnici EIB (a její obdoby), kde se komunikace účastní i ovladače světel, topidel a žaluzií, stmívače a další ovládací prvky.

Obvyklé je již i využívání sítě mobilních telefonů GSM s její službou krátkých zpráv (SMS) k dálkovému přenosu údajů o stavu technologického zařízení nebo budovy (např. údajů o teplotě v místnostech, o jejich obsazenosti, předávání varovných a poplašných hlášení), ale i k řízení na dálku (např. aktivace či útlum vytápění, zapnutí sauny, spuštění závlahy apod.)

Některé kompaktní systémy se navíc vyznačují ještě vnitřní modulárností, kdy konfiguraci základního modulu lze sestavit osazením základní desky násuvnými moduly vhodného typu.

Násuvné moduly („piggyback“) bývají řešeny jako malý plošný spoj s jedním nebo několika integrovanými obvody a konektorem. Hovorově se označují jako „piggyback“ (snad v původním významu „přídavek“, „přívažek“). Výstižný a krátký český ekvivalent se zatím nevžil.

 

 

2 Typy a dělení PLC

2.1 Programovatelná relé

Mezi základní a nejjednodušší řídicí automatizační prvky patří tzv. programovatelná nebo řídicí relé. Ty bývají takovou odlehčenou verzí malých PLC za účelem co nejnižší prodejní ceny a lze je využít pro mnoho základních regulačních aplikací typu řízení teploty, osvětlení, časovaného nebo jiného automatické spouštění spotřebičů (žaluzie, promítací plátna apod.)

2.2 Kompaktní PLC

Jde o modul nabízející binární vstupy a spínané tranzistorové či reléové výstupy, které jsou napojeny na vnitřní elektroniku obvykle tvořenou nějakým moderním vícevývodovým mikrokontrolérem výrobců ATMEL, NEC, Freescale apod. V něm pak běží výrobcem uložený firmware a uživatelem z PC nahraný program, který se ve smyčce neustále dokola opakuje a určuje, jaká bude reakce řídicího relé na vstupy a co to následně provede s výstupy. Často je vše doplněno o jednoduchý monochromatický LCD displej a několik tlačítek umístěných na těle „krabičky“. Tak lze například vytvořit jednoduché zobrazovací rozhraní bez dalších přidaných komponent. Pokud toho uživatel nevyužije, pak tlačítka i displej slouží k zobrazování a nastavení některých výrobcem určených stavových informací a času.

Někdy je možné základní modul rozšířit o další tzv. rozšiřující moduly (2 až 3) dalších binárních vstupů a výstupů prostřednictvím k tomu určených speciálních propojovacích rozhraní. Zpravidla jsou spínací úrovně binárních vstupů dány hodnotou napájecího napětí, tzn. pokud je napájení 24 V DC, tak jsou na to dimenzované i vstupy, pokud 230 V AC, opět vstupy rozliší jen stavy 0 a 230 V. Z pohledu provedení pouzdra, jde u všech výrobců o téměř shodná řešení tvořená plastovou rozebíratelnou krabičkou s upínacím mechanismem na 35 mm DIN lištu.

Takto lze realizovat všechny jednodušší aplikace jako je ovládání motorů (ovládání dopravníků, zdvihacích zařízení, automat. dveří a oken, rolet apod.), regulace vytápění či klimatizace, řízení osvětlení.

2.3 Modulární PLC

Nesrovnatelně větší volnost ve volbě konfigurace poskytují modulární programovatelné automa­ty. Do různých variant plochého zadního rámu lze zasouvat libovolné moduly (typicky v počtu 4, 6, 8 i více mo­dulů). U některých variant může být jeden systém tvořen několika rámy (základní a rozšiřovací moduly). Rozšiřovací moduly mohou být připojeny na vzdálenosti stovek metrů. Místo rozšiřujících modulů mohou být připojeny podsystémy tvořené kteroukoliv z variant. Tak lze vytvářet různě strukturované distribuované systémy.

3 Vstupy a výstupy u PLC

3.1 Binární vstupy a výstupy

Binární vstupy slouží k připojení stavových signálů řízeného objektu k PLC. Vstupní obvody zajišťují transformaci napěťové úrovně signálů na úroveň vnitřní logiky. Pro zvýšení funkční spolehlivosti je každý vstup galvanicky oddělen optoprvkem a opatřen filtrem s časovou konstantou cca 4 ms. Vybuzení (sepnutí) vstupu je signalizováno rozsvícením signalizační diody. Zapojení jednoho vstupního obvodu a vyvedení na svorky svorkovnice DC INPUT je zjednodušeně znázorně­no na obr. Zapojení vstupního obvodu jednotky.

UvP_ELEKTRO_EL52_04

Stejnosměrné vstupy jsou v rozsahu 5, 12, 24 a 48 V se společným vodičem pro napětí kladné nebo záporné polarity (pro čidla s výstupním PNP nebo NPN tranzis­torem). Střídavé vstupy mají rozsah 24, 48, 115 a 230 V. Existuje i modul stejnosměrných vstupů v bezjiskrovém provedení. Je určen pro snímání vstupů z výbušného prostředí, lze jej však využít i pro snímání hladiny s ponornými sondami.

Binární výstupy slouží k ovládání akčních a signalizačních prvků řízeného objektu. Výstupní obvody zajišťují převod vnitřních logických úrovní na napěťovou úroveň vhodnou pro ovládání řízeného objektu. Výstupní prvky jsou galvanicky odděleny od vnitřních obvodů jednotky. Každý výstup je chráněn proti krátkodobému přetížení omezovačem proudu a celá skupina proti zkratu tavnou pojistkou. Stav každého výstupu je signalizován zelenou signalizační diodou. Společná žlutá signalizační dioda označená BLK signalizuje rozsvícením režim blokování výstupů.

Binární výstupy jsou v provedení s relé, transistory PNP i NPN a s triaky. Jsou řešeny pro stejnosměrné i střídavé napájení v rozpětí od 24 do 250 V. Galvanické oddělení významně přispívá k potlačení průniku rušivých signálů do systému ze strany vstupních a výstupních svorek. Zapojení jednoho výstupního obvodu a vyvedení na svorky svorkovnice je zjednodušeně znázorněno na obr. Zapojení obvodu jednotky s tranzistorovými výstupy a Zapojení výstupního reléového obvodu jednotky.

UvP_ELEKTRO_EL52_05

UvP_ELEKTRO_EL52_06

Sortiment binárních vstupních a výstupních modulů pokrývá požadavky nejrůznější typů říze­ných objektů, snímačů a akčních členů, vychází vstříc potřebám a zvyklostem projektantů z různých oborů aplikací automatizační techniky (někdo raději pracuje se stejnosměrnými ovládacími ob­vody, jiný dává přednost střídavým).

3.2 Analogové moduly

Vstupní analogová část jednotky (jedna z mnoha možností) je blokově znázorněna na obr. Zapojení analogové vstupní jednotky. Tvoří ji ochranné obvody, multiplexer pro výběr vstupního kanálu a kanálu pro

UvP_ELEKTRO_EL52_07

měření offsetu vstupních obvodů, zesilovač s pevně nastaveným zesílením, rychlý A/D převodník a zdroj konstantního napětí pro napájení pasivních čidel. Pro měření proudu je každý ze vstupů opatřen měřicím odporem 100 W, který lze připojit propojkou. Pomocí propojek se také připojuje napájení pro pasivní odporové snímače, které je realizováno odporem 7 k5 připojeným do série ke zdroji referenčního napětí 10 V. Vstupní napětí je převedeno na přímo binárně kódované slovo délky 12 bitů. Minimální hodnotě vstupního napětí odpovídá hodnota 0 dekadicky (0000 hexadecimálně), maximální hodnotě pak 4095 (hexa­decimálně OFFF).

Sortiment analogových modulů dovoluje bezproblémové připojení běžně používaných snímačů a akčních členů a měřit napěťové nebo proudové signály v širokém rozsahu hodnot (8 vstupů proti společné nule nebo 4 diferenciální, ve čtyřech rozsazích: ±50 mV, 256 mV, l V, 10 V, l mA, 5 mA, 20 mA) a s rozlišením 12 bitů + znaménko (2 x 4096 hodnot). Obdobně jsou řešeny i univerzální analo­gové výstupní moduly.

Existují však moduly specializované pro určité typy čidel, např. pro termočlánky, pro odporové teploměry ve čtyřvodičovém zapojení, s kompenzací teploty chladného konce termočlánku, s ko­rekcí nelinearit a s odfiltrováním rušivé složky vstupních signálů, s převodem měřené veličiny na údaj ve fyzikálních jednotkách apod. U specializovaných modulů je poněkud potlačena univer­zálnost, zato jsou optimálně přizpůsobeny svému určení a poskytují tak levnější a kvalitnější řešení (nižší cena, menší prostor nebo více komfortu). Analogové moduly s galvanickým odděle­ním dovolují zvýšit odolnost systému proti rušení, v některých situacích jsou principiálně nenahraditelné.

3.3 Obvod reálného času a zálohovací baterie

Obvod reálného času je volitelný doplněk centrální jednotky. Je nutný pouze v aplikacích, ve kterých řízení probíhá podle skutečného času. Po zapnutí systém automaticky vyhodnocuje přítomnost obvodu a podle výsledku se liší význam časoměrných registrů  S5-S12 (u PLC fy TECO).

Je-li obvod osazen, jsou v registrech S5-S12 uživateli dostupné údaje z časového obvodu od desítek ms až po poslední dvojčíslí letopočtu v pořadí  S5-l0ms, S6-s, S7-min., S8-hod, S9-dny v týdnu, S10-dny v měsíci, S11-měsíc, S12-poslední dvojčíslí letopočtu. Je přitom respektován 24 hodinový denní cyklus, proměnná délka měsíců i počet dní v roce.

3.4 Speciální moduly

Centrální může být vybavena speciálními vstupy, které lze využít pro rozšíření počtu binárních vstupů PLC, jako rychlé binární vstupy nebo ve spojení s 16bitovým čítačem jako rychlý čítač vnějších událostí:

  • funkce rychlých přerušovacích vstupů,
  • funkce čítače vnějších událostí,
  • funkce záchytných registrů.

K rychlému přístupu k obsahu čítače vnějších událostí je systém vybaven 16bitovým záchytným registrem, do kterého je obsah čítače kopírován při každé změně hodnoty 1 na hodnotu 0 na vstupu dané m vstupu.

3.5 Chybová relé

Centrální jednotka je vybavena speciálním reléovým výstupem, který je ovládán výhradně systémem. Na výstupní svorky PLC označené symbolem kontaktu je vyveden spínací kontakt relé. Kontakt je systémem sepnut ihned po připojení PLC k napájení a rozepíná se především:

  • při vyhodnocení výpadku napájecího napětí,
  • při překročení maximálně povolené délky smyčky (tzv. funkce WATCH DOG),
  • při závažné chybě vyhodnocené diagnostikou systému.

 

4 Vlastnosti systémů TECOMAT FOXTROT

Programovatelné automaty TECOMAT FOXTROT představují malé kompaktní automa­ty s možností modulárního rozšíření. Spojují tak výhody kompaktních automatů co do veli­kosti a modulárních co do rozšiřitelnosti a variability.

Jsou určeny pro řízení technologií v nejrůznějších oblastech průmyslu i v jiných odvět­vích. Jednotlivé moduly systému jsou uzavřeny v plastových ochranných pouzdrech, které se montují na U lištu ČSN EN 50022. Díky tomu lze s nimi manipulovat bez nebezpečí poškození citlivých CMOS součástek.

4.1 Komunikace u systému Foxtrot

Datové komunikace mezi PLC a nadřízenými PC, mezi několika PLC, nebo mezi PLC a ostatními zařízeními jsou obvykle realizovány sériovými přenosy. Systémy FOXTROT pod­porují základní přenosy pomocí sítí Ethernet nebo průmyslové sítě EPSNET.

Jeden asynchronní sériový kanál je pevné osazen rozhraním RS-232, druhý je volitelné osazen různými typy fyzických rozhraní podle volby zákazníka (RS-232, RS-485, RS-422). Na jedné úrovni sítě EPSNET může být při použití rozhraní RS-485 až 32 účastníků a délka sériové linky až 1200 m. Volitelně jsou podporovány i jiné průmyslové protokoly a sběrnice, např. MODBUS. PROFIBUS DP, CAN, apod. Případně je možná asynchronní komunikace univerzálními přenosovými kanály ovládanými přímo z uživatelského programu.

Všechny centrální jednotky jsou vybaveny rozhraním Ethernet 10/100 Mb umožňujícím provozovat současné více logických spojení.

4.2 Výstavba rozsáhlého systému

Rozšiřovací periferní moduly se k centrální jednotce připojují pomocí sériové sběrnice. Díky tomu mohou být jednotlivé části systému TECOMAT FOXTROT rozmístěny decen­tralizované tak, že jednotlivé moduly jsou umístěny přímo u ovládaných technologií a šetří tak silovou kabeláž.

4.3 Spojení s PC

Celý systém může komunikovat s počítači standardu PC. Počítač tak může být využit k monitorování řízeného procesu a přitom je umístěn mimo průmyslové prostředí ve velínu nebo dispečinku. Počítač také slouží jako programovací přístroj pro PLC.

Kromě PLC řady TECOMAT FOXTROT se komunikace mohou účastnit počítače stan­dardu PC (prostřednictvím adaptéru sériového rozhraní), ale i další účastníci, kteří vyhoví požadavkům sítě EPSNET (další PLC TECOMAT, operátorské panely, apod.).

 

 

Zpracoval(a): Ing. Zuzana Prokopová

Seznam použité literatury

  1. ŠMEJKAL, Ladislav, Martinásková, Marie. PLC a automatizace, 1. základní pojmy, úvod do programování; Praha: BEN – technická literatura, 2007.

 

  1. ŠMEJKAL, Ladislav. PLC a automatizace 2, sekvenční logické systémy a základy fuzzy logiky. Praha: BEN – technická literatura, 2005.

 

  1. SCHMID, Dietmar a kol. Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku. Praha: Europa – Sobotáles, 2005.

 

  1. Häberle, Heinz a kol. Průmyslová elektronika a informační technologie, Praha: Europa – Sobotáles, 2003.

 

Další výukové materiály:

Programovatelné automaty – technické vybavení PLC – prezentace

Programovatelné automaty – technické vybavení PLC – test