TEKST: MARK T. HOSKE Control Engineering
Przystosowane do warunków przemysłowych, niewielkie sterowniki z pamięcią programowalną – PLC (Programmable Logic Controller) – należą do najszybciej rozwijającej się grupy logicznych układów sterujących. Programowalne sterowniki automatyki PAC (Programmable Automation Controller) oferują podobne funkcje
Inżynierowie stają czasem przed zagadnieniem, jaki rodzaj sterownika lepiej nadaje się do konkretnego zastosowania? Czy wykorzystać technologię PLC, czy PAC? Czym się one różnią? Czym charakteryzują się sterowniki określane np. mianem „mikro” i czy tradycyjne określanie ich wielkości odnosi się także do zakresu ich funkcjonalności?
Może się okazać, że dla projektu automatyki większe znaczenie ma zakres funkcjonalności sterownika, związany z technologią instalacji, eksploatacji, konserwacji i modernizacji – niż jego typ. Jeżeli chodzi o wielkość sterownika, nie ma reguły co do takich parametrów, jak liczba wejść/wyjść – przy jego wyborze należy kierować się tym, czy sterownik nadaje się do realizacji konkretnych funkcji, dodając pewien margines dodatkowej sprawności.
W ogólnym zarysie sterowniki PAC są podobne do PLC pod względem budowy i wykorzystują możliwości przemysłowych komputerów PC. Są one wyposażone w bogate funkcje komunikacyjne, często też charakteryzują się większą elastycznością w zakresie programowania.
Mimo tych zalet przewaga sterowników PLC wynika m.in. z prostoty obsługi i komunikacji. W połowie 2004 r. ARC Advisory Group odnotował, że „technologia PLC stała się tak popularna, że producenci nanoi mikrosterowników PLC często nie wiedzą, do jakich celów wykorzystają je odbiorcy”. Z kolei Control Engineering donosi, że „do najczęściej instalowanych sterowników PLC należą modele typu mikro i medium”.
Jak zauważa Sydney Brooks, specjalista ds. obsługi technicznej w Panasonic Electric Works (dawniej: Aromat, NAiS), niewielkie sterowniki PLC dysponują możliwościami, o których jeszcze kilka lat temu nawet nie śniono. Na przykład nowy kompaktowy model FP-X ma listwy zaciskowe umieszczone nad sterownikiem, osiem wbudowanych szybkich liczników przeznaczonych dla enkoderów, czujników zbliżeniowych i fotoelektrycznych, przy czym, jak dodaje Brooks, produkty konkurencji dysponują zwykle tylko dwoma takimi licznikami.
– W większości mikrosterowników PLC przyjęto standard IEC 61131-3, określający zestaw instrukcji wzorcowych, typy danych i środowisko programowania – wyjaśnia Mark DeCramer, kierownik produktu ds. zaawansowanych układów elektronicznych w firmie Wago.
Wśród zalet tego rozwiązania wymienia on: kod wielokrotnego użytku, programowanie niezależne od procesora, przenośność kodu między modelami różnych producentów oraz powszechną znajomość środowiska programowania wśród projektantów. – Jeżeli przedsiębiorstwo zakupi mikrosterownik PLC niezgodny z normą IEC 61131-3, pieniądze zaoszczędzone na sprzęcie wyda na projektowanie i szkolenia.
PAC czy PLC – a może oba rozwiązania?
Gricha Raether, kierownik produktu ds. systemów akwizycji danych w National Instruments tłumaczy, że wybór pomiędzy PLC a PAC powinien wynikać z analizy wymagań stawianych przez konkretne zastosowanie.
– Współczesne procesy sterowania wykorzystują ogromne ilości sygnałów i danych, począwszy od analogowych i cyfrowych urządzeń wejścia/wyjścia, poprzez szybkie kamery wysokiej rozdzielczości, a kończąc na wieloosiowych sterownikach ruchu – wyjaśnia Raether. – Takie zastosowania, jak: szybka produkcja, monitoring pracy maszyn w czasie rzeczywistym, sterowanie precyzyjne czy sterowanie złożonym procesem wymagają deterministycznych systemów akwizycji, zaawansowanej analizy i algorytmów przetwarzania danych.
Jak sam przyznaje, wyższej klasy sterowniki PLC w pewnym stopniu spełniają te wymagania. – Jednakże – jak dodaje Raether – do wydajnego przetwarzania tych danych trzeba zaangażować odpowiednie środki informatyczne, m.in. procesory zmiennoprzecinkowe i duże zasoby pamięci. Sterowniki PAC integrują tego rodzaju gotowe składniki sprzętowe w ramach systemu czasu rzeczywistego, oferując w ten sposób wydajną platformę dla inżynierów automatyki.
W ofercie NI znajdują się sterowniki PAC oraz układy logiczne, natomiast brak w niej sterowników PLC.
O dokonywaniu wyboru między mniejszym sterownikiem PLC a większym sterownikiem PAC mówi Tim Roberts, specjalista ds. produktu w dziale automatyki klasy podstawowej w Schneider Electric: – Na podstawie analizy wielkości i szybkości projektowanej aplikacji stwierdzamy, czy warto zastosować mniejszy sterownik PLC, np. nanosterownik. Sprawdza się on w zastosowaniach z udziałem złożonych maszyn, podczas gdy sterownik PAC zwykle wybierany jest do obsługi złożonych procesów. Jeżeli jednak w konkretnym przypadku mniejszy sterownik PLC wydaje się odpowiedniejszy, należy sprawdzić, czy dysponuje on wystarczającą liczbą liczników I/O (sygnałów dyskretnych i analogowych), pętli PID, a także zadowalającą pamięcią, funkcjami komunikacyjnymi i oferuje dostateczną szybkość przetwarzania danych. Jeżeli to konieczne, trzeba też wziąć pod uwagę rozmiary urządzenia.
W wielu zastosowaniach potwierdzają się zalety i elastyczność współczesnych małych sterowników.
Automatyzacja malowania
Firma North Eastern w USA, producent automatycznych maszyn malujących, postanowiła opracować system koordynacji ruchu w wielu osiach z wyjściami cyfrowymi i analogowymi, o charakterystyce zbliżonej do czasu rzeczywistego. Wcześniejsza konfiguracja składała się z karty motion i kart I/O zainstalowanych w przemysłowym komputerze PC z unixowym systemem czasu rzeczywistego. Kod programu znajdował się w komputerze oraz na karcie motion.
W trakcie modernizacji należało zachować platformę motion, ze względu na zainstalowaną bazę, natomiast dodano logikę ze sterowaniem I/O, która niezależnie realizuje funkcje spoza zakresu prac robota, jak np. napełnianie pojemników z farbą. Nowa aplikacja wykorzystuje: ethernetowy samodzielny sterownik ruchu (motion), komputer PC z systemem Microsoft Windows oraz jednostkę Wago Ethernet Programmable Field Bus Coupler. Integracji sterownika oraz interfejsu dokonała firma Artomation By Digital Coating Devices Inc. Chuck Greene, wiceprezes, odpowiedzialny za prace rozwojowe, wymienia następujące korzyści opisanego rozwiązania:
- Sterownik ruchu pochodził od tego samego producenta, co pozwoliło zachować istniejące oprogramowanie.
- Komputer z systemem Microsoft Windows o ponad 50% zmniejszył koszt platformy sprzętowej.
- Układy I/O firmy Wago zapewniają bezpośrednią komunikację z modułem sterowania ruchem w ramach protokołu Modbus. Koszt modułów I/O spadł o 10—20% w obrębie standardowego wyposażenia oraz aż o 40% w obrębie urządzeń wymagających rozszerzonych wejść/wyjść, przy czym dzięki modułowi zasilania można wykorzystać dowolne napięcie. W komunikacji z urządzeniami obiektowymi wykorzystano standard RS-485.
- Udało nam się stworzyć narzędzie konfiguracyjne, które pozwala dodawać wejścia/ wyjścia bez modyfikacji oprogramowania. System zadziała na podstawie poprawnej konfiguracji. Sterownik Wago 842 PFC (Programmable Field Controller) posługuje się oprogramowaniem zgodnym z normą IEC 61131-3 i pracuje samodzielnie.
- Układ sterowania ruchem komunikuje się poprzez Modbus i kontroluje urządzenia I/O, które z kolei obsługują procesy niezależne od układu sterowania ruchem i komputera PC, co umożliwia realizację innych czynności, np. napełnianie pojemników farbą lub testowanie pistoletu natryskowego.
W zastosowaniach niewymagających układu motion sterownik Wago pracuje samodzielnie – poprzez specjalny moduł sczytuje sygnał enkodera na przenośniku oraz włącza i wyłącza dodatkowe pistolety natryskowe w trakcie przesuwania się kolejnych malowanych elementów.
Instalacja odpływowa
Niepożądanym zjawiskiem np. na stacjach kolejowych czy w zakładach przemysłowych jest stojąca woda deszczowa. Warto w tych przypadkach zadbać o instalację odpływową. W wyniku standaryzacji sterowania przedsiębiorstwo Toronto Transportation na wszystkich swoich stacjach zainstalowało systemy pompujące Logimac opracowane przez ITT Flygt Canada, bazujące na sterownikach PLC. Dostawca ten musiał zagwarantować niezawodny, wydajny i rozbudowany system sterowania, z elastyczną komunikacją oraz serwisem i obsługą na właściwym poziomie.
System Logimac, opracowany z myślą o sterowaniu pompami typu duplex, triplex i quadruplex, wykorzystuje sterowniki PLC, które działają opierając się na własnym programie bazującym na branżowych standardach. Program ten wyszukuje wadliwe urządzenia, zapewnia bezpieczną pracę stacji pomp oraz obsługę za pośrednictwem interfejsu. System monitoruje i ostrzega o przegrzaniu stojana silnika pompy i łożysk kulowych, naciekach w stojanie i złączach pompy oraz o usterkach regulatorów poziomu wody. Monitorowany jest także stan wejść, czyli sygnały wyłączników i czujników ciśnieniowych mierzących ilość dopływającej wody. Jeżeli jej poziom przekroczy zadaną wartość, sterownik PLC wysyła jednej lub kilku pompom polecenie pompowania wody do stacji ścieków.
– System Logimac jest tak skonstruowany, że oblicza objętość wody do przepompowania na podstawie ilości wody dopływającej – mówi Luc-Réjean Lepine, kierownik produktu w ITT Flygt Canada. – Doraźne automatyczne uruchamianie większej liczby pomp zabezpiecza przed przelaniem się wody ściekowej do środowiska, usprawniając gospodarkę ściekami.
Według Lepine’a firma ITT Flygt Canada oraz jej klienci skorzystali dzięki zastosowaniu mikrosterowników GE Fanuc. – Obecnie używane modele VersaMax można rozszerzyć aż do 84 wejść/wyjść i wykorzystać do obsługi napędów z regulacją częstotliwości i softstartów. Sterowniki te wykazały się niezawodnością, wydajnością i bogactwem funkcji. Można je łatwo dostosować do konkretnych potrzeb, co jest bardzo ważne dla nas i dla naszych klientów. Co więcej, dzięki zgodności ze standardami branży i prostocie obsługi oprogramowania ITT Flygt Canada może modernizować takie instalacje w stosunkowo krótkim czasie.
Stosowane dawniej wyznaczniki funkcjonalności sterowników PLC są już przestarzałe
Stosowaną w przeszłości miarą wydajności sterownika PLC była liczba dostępnych wejść/ wyjść. Jednak współczesne „małe” sterowniki często oferują lepsze parametry I/O niż dawniejsze „duże” modele. Eksperci zalecają więc porównywać zakres funkcjonalny, mniejszą wagę przykładając do liczby wejść/wyjść.
Nanosterownik VersaMax firmy GE Fanuc sprawdza się w zastosowaniach, w których dla urządzenia można przeznaczyć bardzo ograniczoną przestrzeń, a które wymagają osiągania dużego wolumenu produkcji i szybkości procesora. Dzięki konstrukcji „wszystko w jednym” ten kompaktowy sterownik jest wyposażony w: 64 wejścia/wyjścia (z możliwością rozszerzenia do 176), krótkie czasy cyklów, bogaty zestaw instrukcji, a także spore zasoby pamięci, zwiększające możliwości programowania. Z kolei z konstrukcją modułową wiąże się elastyczność i prostota instalacji.
Model FP-X (Panasonic Electric Works)ma według projektantów stanowić silną konkurencję dla wszystkich pozostałych sterowników dostępnych na rynku. Takie parametry, jak czas przetwarzania podstawowej instrukcji równy 0,32 µs i pamięć 32 kilokroków, sprawiają, że FP-X może zastąpić małe i drogie szybkie sterowniki. Sterownik wyposażony jest w zasilacz 24 V, wymienną listwę zaciskową i wyjścia przekaźnikowe. Jest on zasilany prądem przemiennym i można dodać do niego rozszerzenia z komunikacją, analogowymi i dyskretnymi I/O oraz układem motion. Dołączyć można także wszystkie rozszerzenia dostępne dla sterowników serii FP0.
Model Allen-Bradley MicroLogix 1100 (Rockwell Automation) to wydajny sterownik klasy podstawowej, umożliwiający elastyczną konfigurację online. Za cenę 550 USD otrzymujemy produkt, którego program można modyfikować (wliczając ustawienia pętli PID) w trybie online. Wbudowany port komunikacyjny EtherNet/IP zarządza danymi w obrębie zakładu oraz eliminuje okablowanie sieciowe. Zdalne sterowanie umożliwia wbudowany serwer Ethernet Web. Nadaje się on do obsługi rozproszonego sterowania w sieci Ethernet, jak np. w aplikacjach przeładunkowych i pakujących, a także do nadzoru i akwizycji danych – funkcjonując jako terminal zdalny. W wielu zastosowaniach wbudowany wielofunkcyjny wyświetlacz LCD eliminuje potrzebę instalowania oddzielnego interfejsu operatorskiego.
Nanosterownik Telemecanique Twido (Schneider Electric) ma takie same możliwości, jak wiele większych sterowników PLC. Charakteryzuje się dobrymi parametrami komunikacji, a producent określa go jako „produkt o szerokich zastosowaniach ze względu na małe rozmiary”, oferujący „najkrótsze czasy wykonania instrukcji”.
Dzięki zastosowaniu PLC w przedsiębiorstwie Full House Co. udało się zredukować czas przestoju maszyn i zwiększyć produkcję
Fred Braid z przedsiębiorstwa Full House Co. uważa, że od momentu, gdy jego ojciec rozpoczynał pracę z oknami typu pre-hung, w technologii produkcji drzwi nie zaszło wiele zmian. Dziś także standardem dla klientów i konkurentów tej firmy pozostają urządzenia sterowane za pośrednictwem przekaźników, zaworów i sprężonego powietrza.
Jednakże w 2004 r. – po 70 latach tradycyjnego sterowania pneumatycznego – pojawiła się w firmie maszyna Marquise Diamond, pierwsze urządzenie do produkcji drzwi i ościeżnic ze sterowaniem PLC i napędami serwo. Braid zamierzał bowiem zbudować urządzenie, które umożliwi przedsiębiorstwom produkcyjnym zwiększenie zysków poprzez usprawnienie produkcji i ograniczenie kosztów robocizny. Wraz z zespołem inżynierów Full House podjął on współpracę z Siemens Energy & Automation. Celem projektu było zwiększenie precyzji i poprawa jakości produktów oraz umożliwienie szybkiej i prostej parametryzacji urządzeń produkcyjnych.
Projekt zakładał zbudowanie maszyny o takiej funkcjonalności, która byłaby bardzo trudna do uzyskania przy zastosowaniu tradycyjnych układów pneumatycznych – wyjaśnia Braid.
Inżynierowie Full House zdecydowali się na wykorzystanie sterownika Siemens Simatic S7-200 z oprogramowaniem MicroWin. Rozwiązanie to sprawiło, że firma znalazła się na czele konkurencji, która w dalszym ciągu oferowała maszyny ze sterowaniem pneumatycznym. Wysoka zdolność produkcyjna maszyn Marquise Diamond (60 drzwi w ciągu godziny) przekłada się dla producentów na wyższą jakość i większą wszechstronność zastosowań przy produkcji drzwi na bazie drewna i fiberglassu (kompozytu poliestrowo-szklanego) o maksymalnych wymiarach 240 x 120 cm. Konfiguracja za pośrednictwem terminalu operatorskiego Simatic TP-270 z 10-calowym ekranem dotykowym, programowanego przy użyciu Siemens ProTool Pro, trwa zaledwie kilka sekund, przy czym zmiana ustawień w urządzeniach pneumatycznych zabiera około godziny. Sean Morgan, inżynier projektów Full House szczególnie ceni elastyczność przeprogramowania i przezbrajania, łatwość obsługi i metodę serwisowania. Sterownik S7-200 steruje wszystkimi pracami maszyny Marquise Diamond poprzez interfejs ASI – heterogeniczną magistralę do przesyłania cyfrowych i analogowych sygnałów o procesach i stanach maszyny.
Dane oraz zasilanie dostarczane są kablem dwuprzewodowym. Rozwiązanie to eliminuje konieczność stosowania droższego okablowania równoległego i jest bardziej elastyczne w przypadku dodawania nowych elementów. Jak dodaje Morgan, niezwykle ważna dla instalatorów jest możliwość dodawania rozszerzeń metodą plug and play. Wykorzystanie sieci magistralowej sprawia, że instalowanie dodatków nie wymaga zmian okablowania.
Zastosowanie sterowników PLC zmniejszyło zakres prac konserwacyjnych, uprościło obsługę i ograniczyło liczbę wezwań serwisu
oraz czasy przestoju – w porównaniu do maszyn pneumatycznych Full House. – Problemu nie stwarza już jakość powietrza, niewłaściwe ciśnienie czy dostawanie się wody do układu; co więcej, diagnostyka i sterowanie maszyną może odbywać się za pośrednictwem Internetu – dodaje Braid. Jest to zdecydowanie lepsze rozwiązanie niż wysyłanie obsługi serwisowej do odległego zakładu.
Po umieszczeniu drzwi w maszynie Marquise Diamond montowane są w nich zawiasy i zamek – tłumaczy Carl Oberg, kierownik produkcji w firmie Full House. – Gdyby wystąpił jakiś problem z zawiasami albo zamkiem, otrzymalibyśmy produkt niższej jakości, zatem kluczowe znaczenie ma integralność procesu produkcji. Gdy pojawia się jakaś usterka, łatwiej ją usunąć za pośrednictwem sterownika PLC niż przy użyciu sterowania pneumatycznego.
Jak zauważa Braid, zastosowanie panelu operatorskiego ogranicza koszty robocizny i materiałów ze względu na fakt, że skraca się w ten sposób czas potrzebny na wprowadzanie zmian i rozwiązywanie problemów. Wymiana zawiasów lub zamka zajmuje kilka sekund, natomiast przy zastosowaniu sterowania pneumatycznego operacja ta zajmuje około godziny. Przy zamówieniach specjalnych drzwi są poddawane dwukrotnej obróbce w maszynie. W maszynach pneumatycznych trwa to około siedmiu minut. Wykorzystanie sterownik PLC skraca tę czynność do niecałej minuty.
