Prof. Ing.Vladimír Vašek, CSc. PLC (PA) SYSTÉMY Prof. Ing.Vladimír Vašek, CSc.

PLC (PA) systémy Programovatelný automat je uživatelský programovatelný řídicí systém přizpůsobený pro řízení průmyslových a technologických procesů nebo strojů. Nejčastěji se označuje zkratkou PLC (Programmable logic Controller). Česká zkratka, která se teprve začíná používat, je PA (Programovatelný automat).

PLC (PA) systémy Původně byly navrženy k řešení úloh logického řízení, často jako přímá náhrada pevné reléové logiky. V současných aplikacích se zvyšuje podíl úloh regulačního typu, monitorování i úloh měření.

PA se skládá z centrální procesorové jednotky, systémové paměti, uživatelské paměti, vstupních a výstupních jednotek pro připojení řízeného systému, komunikačních jednotek pro komunikaci se souřadnými i nadřazenými řídicími systémy.

PA se skládá z  Navzájem jsou propojeny systémovou sběrnicí.

PA se skládá z  Řídicí algoritmy jsou realizovány uživatelským programem, který může být zapsán v různých programovatelných jazycích a je uložen v uživatelské paměti PA. Obsahuje posloupnost instrukcí, kterou procesor vykonává cyklicky. Chování PA je tedy dáno v podstatě zaměnitelným programem, u reléových systémů bylo chování určeno strukturou zapojení, která byla nezměnitelná.

Třídění PA - dle různých hledisek Kompaktní PA (KPA) - menší - měly původně pevně danou konfigurací integrovaných modulů a byly uzavřeny v jednom  pouzdře. Pouzdro se montuje přímo do výrobku, je snaha o určitý stupeň modularity a je možno i u malých aplikací přizpůsobit sestavu.

Kompaktní Typickými aplikačními oblastmi jsou např. řízení klimatizačních zařízení a technického vybavení v budovách, ovládání garážových vrat, zvedacích plošin, mycích linek, prodejních automatů, balicích strojů apod. KPA mohou ale sloužit i jako komponenty v distribuovaných řídicích systémech.

Modulární PA jsou vhodné pro automatizační úlohy středního a velkého rozsahu. Je tvořen v podstatě pevným procesorovým jádrem s napájecím zdrojem umístěným v rámu, ke kterému se přes sběrnici připojují místní i vzdálené periferní jednotky. Kromě i analogové vstupně výstupní jednotky bývá možnost volby jednotek pro rychlé čítání, polohování, nejrůznější typy komunikace, regulaci, i pro speciální funkce.

Modulární PA U úloh většího rozsahu je důležitá problematika MMI (Man Machine Interface), tedy rozhraní mezi člověkem a strojem, případně technologickým procesem. Mělo by být dostatečně uživatelsky vstřícné s vizualizací a diagnostikou chyb. Nezbytným doplňkem MPA jsou také ovládací panely, datové terminály a vizualizační prostředky.

Úloha programovatelného automatu v systémech řízení Při dopředném řízení působí PA na řízený objekt jednosměrně, jen jej ovládá a nekontroluje dosažený stav ručním řízením, člověk - operátor. Může plnit úlohy i v automatizovaném, automatickém systému řízení, kdy povely pro automat poskytuje nadřazený řídicí systém.

Úloha programovatelného automatu v systémech řízení Při zpětnovazebním řízení získává řídicí systém zpětnou informaci o stavu řízeného objektu. Zpětnovazební řízení je typické pro regulační úlohy. Za zpětnovazební řízení ale můžeme považovat i logické řízení, při kterém na objekt působíme jen dvouhodnotovými povely typu „vypni - zapni“ a zpracováváme i zpětnovazební informace dvouhodnotového charakteru. I zpětnovazební řízení může být ruční, automatizované nebo plně automatické.

BLOKOVÉ SCHÉMA TYPICKÉHO PA

POČÍTAČOVĚ ŘÍZENÁ VÝROBA (CIM) Uplatnění programovatelných automatů v pyramidě řízení podniku - na všech úrovních jedna až tři, hlavní oblast uplatnění na úrovni jedna.

Vysvětlení zkratek MRP/ERP - Manufacturing/Enterprice Ressource Planning MES - Manufacturing Execution System SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition PLC - Programmable Logic Controller DCS - Digital Control System RTU - Real Time Unit

ZAŘAZENÍ PROGRAMOVATELNÉHO AUTOMATU MEZI ŘÍDICÍ SYSTÉMY Relé a kontakty versus PA Relé, stykače a tlačítka jsou v některých případech nenahraditelné. Rozsáhlejší funkce se kontaktní a reléovou technologií již nerealizují, svěříme je důsledně programu PA.

ZAŘAZENÍ PROGRAMOVATELNÉHO AUTOMATU MEZI ŘÍDICÍ SYSTÉMY Regulátory versus PA Rozdíl se postupně stírá, pracují číslicově a hranice je neostrá. Výrobci PA postupně expandují do aplikačních oblastí dosud vyhrazených pro regulátory. Tradiční výrobci regulátorů své PA uzpůsobují i pro logické řízení. Např. inteligentní regulátory, které mají přidány logické funkce schopny pracovat v různých režimech.

ZAŘAZENÍ PROGRAMOVATELNÉHO AUTOMATU MEZI ŘÍDICÍ SYSTÉMY Personální počítače a versus PA Přímé řízení technologických procesů standardním PC - přinejmenším riskantní a diskutabilní - komerční elektronika.

ZAŘAZENÍ PROGRAMOVATELNÉHO AUTOMATU MEZI ŘÍDICÍ SYSTÉMY Průmyslové počítače - problémem je vysoká cena. Standardním řešením je použití distribuovaného systému, kdy osobní počítač je použit ve velínu nebo na dispečerském pracovišti a do drsného průmyslového prostředí jsou předsunuty PA. Někteří výrobci nabízejí počítačový modul kompatibilní s PC.

Hlavní charakteristika PA Výhody : rychlá realizace, spolehlivost, odolnost a diagnostika. Snadná přizpůsobitelnost řešení (nekončící změny v zadání, dodatečné požadavky, schopnost komunikace v podřízené úrovni, v souřadné úrovni i směrem k systémům nadřízeným.

Hlavní charakteristika PA Nevýhody: prodloužení odezvy, odezva PLC bývá delší - je dána dobou průchodu programu. Nespojitost v čase - algoritmus je vykonáván cyklicky. Uvnitř intervalu nereaguje na změny vstupních hodnot. Může být příčinou hazardů a chyb, ztráty krátkého vstupního impulsu, nevyhodnocení hrany signálu apod. Postupnost zpracování - program PLC je vykonáván v pořadí, v jakém je zapsán.

Typy PA Hledisko konfigurace PLC Skutečnou sestavu volí uživatel tak, aby co nejlépe přizpůsobil svůj PLC požadavkům řešené úlohy. Některé typy modulů mohou chybět, jiné se mnohonásobně opakují. V krajním případě čistě binární (logický) systém nebo naopak jako výhradně analogový. Sestavy čistě vstupní, systém pro měření, předzpracování dat i čistě výstupního. Aplikace bez fyzických vstupů a výstupů, jen jako inteligentní, programovatelný komunikační adaptér.

Hledisko velikosti a konstrukčního uspořádání Mikro PLC Nabízejí pevnou sestavu vstupů a výstupů, kompaktní provedení, malé rozměry a nízkou cenou. Jejich funkční a programátorský komfort je obvykle redukován na nezbytné minimum, komunikační možnosti mnohdy chybějí.

Hledisko velikosti a konstrukčního uspořádání Kompaktní PLC Nabízejí určitou i když omezenou variabilnost. Uživatel může k základnímu modulu připojit jeden nebo několik přídavných modulů z omezeného sortimentu s pevnou kombinací vstupů a výstupů, např. modul s 8 binárními vstupy a 8 binárními výstupy, modul rychlých čítačů, analogový vstupní a výstupní modul, modul regulátoru, apod.

Hledisko velikosti a konstrukčního uspořádání Modulární PLC Větší volnost ve volbě konfigurace, možnost zasouvat libovolné moduly, jeden systém může být tvořen několika rámy, rozšiřovací moduly mohou být připojeny na vzdálenosti stovek metrů.

Hledisko velikosti a konstrukčního uspořádání Programovatelné pracovní stanice Sdružují funkce PLC a operátorského panelu.

Hledisko velikosti a konstrukčního uspořádání Výhody - integrace funkcí, praktické konstrukční provedení, výhodný poměr cena/výkon, široké možnosti uplatnění i tam, kde bylo použití tradičního PLC s odděleným operátorským panelem dosud cenově nedostupné.

Hledisko velikosti a konstrukčního uspořádání Nejvýznamnější světoví výrobci (řazeno abecedně): ABB, Allen-Bradley, AEG, B+R, Eberle, Klöckner Moeller, Festo, GE, H+B, Idec, Matsushita, Mitsubishi, Omron, Saia, Siemens Telemechanique.

Konstrukční a elektrické provedení PA Pouzdro, základní modul, napájení Kompaktní PA jsou umístěny buď v jednom pouzdře nebo dovolují v malé míře rozšíření. Většinou se montují přímo na lištu DIN do rozvaděče.

Konstrukční a elektrické provedení PA V základním modulu modulárních PA (rám, nosná deska, lišta) bývají umístěny: centrální procesorová jednotka (CPU), napájecí jednotka, systémová a napájecí sběrnice a několik volných pozic pro zásuvné periferní jednotky. Pokud počet volných pozic v základním modulu nepostačuje, bývají k dispozici rozšiřující moduly. Rozšiřující moduly se připojují pomocí tzv. expanzní jednotky.

Konstrukční a elektrické provedení PA Centrální procesorová jednotka - je jádrem celého PA, určuje jeho výkonnost, je jednoprocesorová nebo i víceprocesorová. U víceprocesorových systémů bývají použity matematické koprocesory nebo vstupně výstupní procesory, někdy též komunikační procesory, pro urychlení práce používá rychlý bitový procesor.

Konstrukční a elektrické provedení PA Důležitým charakteristickým parametrem CPU je operační rychlost posuzovaná podle tzv. doby cyklu, což je doba zpracování 1000 (1k) logických instrukcí. Pohybuje se řádově od desítek milisekund až k desetinám milisekund.

Konstrukční a elektrické provedení PA Paměťový prostor se může dělit na paměť uživatelskou, systémovou a paměť dat. Do uživatelské paměti se ukládá uživatelský program. Tato paměť bývá typu EPROM nebo EEPROM s kapacitou řádově od desítek kB až po jednotky MB u modulárních PA, u kompaktních PA spíše v desítkách kB. V systémové paměti je umístěn systémový program. Tato paměť bývá rovněž typu EPROM.

Konstrukční a elektrické provedení PA V samostatné jednotce může být umístěna přídavná uživatelská paměť. V paměti dat typu RAM jsou umístěny uživateli dostupné registry, zápisníkové registry, čítače, časovače a většinou i vyrovnávací registry pro obrazy vstupů a výstupů. Počet těchto registrů výrazně ovlivňuje možnosti PA. Adresovatelný prostor vymezený pro vstupy/výstupy omezuje počet připojitelných periferních jednotek.

Konstrukční a elektrické provedení PA Důležitým parametrem jsou rozsahy čítačů a časovačů, jeden nebo i více sériových komunikačních kanálů. Většina automatů má dostupné i hodiny reálného času, případně i s kalendářem.

BINÁRNÍ VSTUPNÍ JEDNOTKY Binární vstupní jednotky slouží k připojování prvků pro tvorbu vstupů s dvouhodnotovým charakterem výstupního signálu např. tlačítka, přepínače a koncové spínače.

Vstupní binární modul zajišťuje většinou tyto funkce ochranu všech konkrétních vstupů PA před poškozením či zničením chybným napětím či přepětím odfiltrování krátkodobých rušivých impulsů (např. pomocí zpoždění signálu) galvanické oddělení obvodů vstupního modulu od centrální jednotky (pomocí optočlenů) signalizace stavu vstupů (pomocí LED diod na čelním panelu jednotky)

Vstupní binární modul zajišťuje většinou tyto funkce U některých automatů je připraven prostor pro popis jednotlivých vstupů. Nejčastější jednotky pro vstupy stejnosměrné - v rozsazích 5 V, 12 V, 24 V, 48 V, střídavé v rozsazích 24 V, 48 V, 115 V a 230 V.

BINÁRNÍ VÝSTUPNÍ JEDNOTKY Binární výstupní jednotky slouží k připojování nejrůznějších akčních členů s dvouhodnotovým charakterem vstupního signálu, např. různá optická i akustická signalizační zařízení, cívky relé, stykačů, solenoidových ventilů, elektromagneticky ovládaných pneumatických či hydraulických rozvaděčů.

Binární výstupní jednotka většinou plní tyto funkce: galvanické oddělení signálu přicházejícího z CPU od signálu předávaného z výstupní jednotky akčním členům (pomocí optočlenů) zesílení signálu na potřebnou úroveň ochrana výstupů před zkratem signalizace stavu výstupů (pomocí LED diod).

Dodávají se v různých variantách a provedeních: pro stejnosměrné spínané napětí (nejčastěji 24 V, 48 V) se spínacími prvky tranzistorovými typu NPN i PNP pro střídavé spínané napětí 24 - 250 V AC, 24 - 48 V AC, 115  230 V se spínacími prvky triakovými pro stejnosměrné i střídavé napětí (do 250 V AC/60V DC) se spínacími prvky reléovými.

KOMBINOVANÉ JEDNOTKY BINÁRNÍCH VSTUPŮ A VÝSTUPŮ V sortimentu binárních jednotek bývá i kombinovaný modul binárních vstupů a výstupů. Může být využit na optimální doladění sestavy, ale především je určen k multiplexovanému buzení a snímání matice tlačítek do rozsahu 8 x 8 nebo až 16 pater plochých zadávacích přepínačů.

ANALOGOVÉ VSTUPNÍ JEDNOTKY Analogové vstupní jednotky zprostředkují kontakt programovatelného automatu se spojitým prostředím. Lze k nim připojit např. snímače teploty, vlhkosti, tlaku, síly, hladiny, rychlosti, ale i inteligentní přístroje s analogovými výstupy.

ANALOGOVÉ VSTUPNÍ JEDNOTKY Důležitou součástí je A/D převodník s rozsahem 8 nebo 12 bitů. Sortiment bývá široký, např. jednotky pro určité typy čidel - pro termočlánky. U specializovaných jednotek je poněkud potlačena univerzálnost, zato jsou optimálně přizpůsobeny svému určení a poskytují tak levnější a kvalitnější řešení. Analogové moduly s galvanickým oddělením dovolují zvýšit odolnost systému proti rušení, v některých situacích jsou principiálně nenahraditelné.

ANALOGOVÉ VÝSTUPNÍ JEDNOTKY Analogové výstupní jednotky slouží pro ovládání různých akčních členů či zařízení se spojitým charakterem vstupního signálu, jako jsou např. spojité servopohony, frekvenční měniče, ale třeba i ručkové měřící přístroje apod.

ANALOGOVÉ VÝSTUPNÍ JEDNOTKY Nezbytnou součástí je D/A převodník, většinou mívá rozsah 8 nebo 12 bitů. Analogové výstupy jsou buď napěťové nebo proudové. Proudové výstupy mohou být aktivní nebo pasivní. U aktivních nemusí mít připojený akční člen svůj zdroj proudu a je napájen přímo z analogového proudového výstupu automatu. Připojený akční člen má v tomto případě omezený maximální odpor.

ČÍTAČOVÉ JEDNOTKY Rychlé čítače, odměřovací a polohovací jednotky jsou určeny k měření a řízení polohy, k řízení dráhy a rychlosti pohyblivých částí strojů a manipulačních mechanismů. Čítačové jednotky jsou určeny k čítání pulsů, jejichž perioda je srovnatelná nebo kratší, než je smyčka programu PA.

POLOHOVACÍ JEDNOTKY Polohovací jednotky jsou určeny pro snímání polohy a řízení jedné nebo dvou souvislých os, případně pro řízení pohybu po naprogramované dráze. Parametry pohybu jsou zadávány programově z PA.

KOMUNIKAČNÍ JEDNOTKY Důležitou vlastností PLC je schopnost komunikovat se vzdálenými moduly vstupů a výstupů, s podsystémy i nadřízenými systémy, s operátorskými panely a s jinými inteligentními přístroji, s počítači a s jejich sítěmi a tak vytvářet distribuované systémy.

KOMUNIKAČNÍ JEDNOTKY Komunikační jednotky většinou rozšiřují počet asynchronních sériových komunikačních kanálů U některých systémů jsou k dispozici i jednotky dálkových přenosů umožňující dálkové přenosy dat přes modem nebo přes radiomodem (40 km), RS 232 (15 m), RS 422, RS 485 i 2 km.

SPECIÁLNÍ JEDNOTKY Mohou mít specializované moduly pro řešení regulačních úloh (např. regulátor PID) nebo pro řešení úloh s využitím fuzzy logiky a fuzzy regulace. Kuriózní moduly, např. Klöckner - Moeller dodávají moduly pneumatických výstupů. Pneumatické ovládání má význam pro výbušné prostředí. Firma Allen Bradley má jednotku pro vstup z CCD kamery.

POČÍTAČOVÉ JEDNOTKY Počítačový modul, kompatibilní s PC. V něm lze standardními počítačovými prostředky řešit úlohy, které nejsou pro PLC typické, např. složité a rychlé výpočetní algoritmy, grafické a geometrické úlohy, zpracování a archivace velkého množství dat, databázové úlohy, výkonné komunikace, napojení PLC do počítačových sítí, připojení standardních počítačových periferií, paměťových karet PCMCA, apod.