1. Úvod do střídavých měničů (frekvenčních měničů) V oblasti moderního průmyslového řízení a......
ČTĚTE VÍCEProgramovatelný logický kontrolér (PLC) je odolný průmyslový počítač navržený speciálně pro monitorování vstupů ze senzorů a provozních zařízení, provádění uloženého řídicího programu a řízení výstupů – jako jsou motory, ventily, akční členy a indikátory – v reálném čase. Na rozdíl od počítačů pro všeobecné použití je PLC navrženo tak, aby spolehlivě fungovalo v drsných průmyslových prostředích vyznačujících se elektrickým šumem, vibracemi, extrémními teplotami a prachem, a přitom provádělo řídicí programy s deterministickým časováním – což znamená, že řídicí jednotka dokončí cyklus skenování v předvídatelném, opakovatelném čase bez ohledu na podmínky procesu. Tato kombinace průmyslového tvrzení a determinismu v reálném čase je to, co dělá PLC standardním automatizačním řídicím systémem ve výrobě, zpracovatelském průmyslu, utilitách, automatizaci budov a infrastruktuře po celém světě.
PLC bylo vyvinuto na konci 60. let 20. století speciálně pro nahrazení velkých bloků elektromechanických relé, které ovládaly montážní linky v automobilech – systémy, jejichž instalace byla nákladná, vyžadovaly značné změny kabeláže a vyžadovaly neustálou údržbu, protože kontakty relé se opotřebovávaly a selhávaly. Nahrazením fyzické reléové logiky programovatelným softwarovým ekvivalentem umožnilo PLC výrobním inženýrům upravit chování stroje změnou programu namísto přepojování panelu, čímž se dramaticky zkrátil čas a náklady na změny ve výrobě. O šedesát let později zůstává základní koncept nezměněný, ale moderní programovatelné logické automaty se rozšířily z jednoduchých výměn relé na sofistikované automatizační platformy podporující vysokorychlostní řízení pohybu, řízení procesů, bezpečnostní funkce, integraci strojového vidění a průmyslovou síťovou komunikaci napříč komplexními vícesystémovými architekturami.
Základním principem činnosti programovatelného logického automatu je cyklus skenování – opakující se sekvence operací, které PLC provádí nepřetržitě, dokud je v provozním režimu. Pochopení cyklu skenování je nezbytné pro pochopení toho, jak se PLC chová, zejména v časově kritických aplikacích, kde doba odezvy na změnu vstupu určuje, zda řídicí systém funguje správně.
Standardní cyklus skenování PLC se skládá ze čtyř po sobě jdoucích fází. Vstupní sken nejprve načte aktuální stav všech připojených digitálních a analogových vstupů – senzorů, spínačů, kodérů, vysílačů – a zkopíruje tyto hodnoty do vstupního obrazového registru v paměti. Zadruhé, skenování programu provede řídicí program uložený v paměti s využitím vstupních obrazových hodnot (nikoli živých vstupních hodnot) k vyhodnocení logických podmínek a určení požadovaného stavu výstupů. Za třetí, výstupní sken zapíše výstupní hodnoty obrazu určené programem do fyzického výstupního hardwaru, čímž aktivuje nebo deaktivuje připojená zařízení. Za čtvrté, fáze úklidu se stará o komunikaci, autodiagnostiku a aktualizaci vnitřních časovačů a počítadel před opakováním cyklu.
Doba potřebná k dokončení jednoho cyklu skenování – doba skenování – je pro většinu standardních aplikací obvykle 1 až 10 milisekund, i když se zvyšuje se složitostí programu a počtem I/O bodů. Architektura skenovacího cyklu znamená, že změny stavu vstupu nejsou ovlivňovány až do dalšího skenovacího cyklu, což vnáší do odezvy řízení maximální latenci jednoho skenovacího cyklu. Pro většinu aplikací průmyslové automatizace je tato latence zcela přijatelná. Pro vysokorychlostní aplikace – servo řízení pohybu, vysokofrekvenční počítání nebo bezpečnostní funkce vyžadující submilisekundovou odezvu – se používají specializované rutiny přerušení, vyhrazené pohybové procesory nebo samostatné bezpečnostní PLC k obejití standardní latence skenovacího cyklu.
PLC systém se skládá z několika odlišných hardwarových komponent, které dohromady tvoří kompletní automatizační řídicí jednotku. Pochopení funkce každé součásti objasňuje, jak je systém PLC specifikován, sestavován a udržován.
Modul CPU je mozkem PLC – obsahuje procesor, který provádí řídicí program, paměť, která ukládá program a data, a komunikační rozhraní, která se připojují k programovacím nástrojům a dalším automatizačním systémům. Schopnost CPU je charakterizována rychlostí zpracování (doba skenování na 1 000 instrukcí žebříkové logiky), kapacitou paměti programu (typicky kilobajty až megabajty v závislosti na třídě PLC), datovou pamětí pro ukládání hodnot proměnných a procesních dat a rozsahem podporovaných komunikačních protokolů. Špičkové CPU moduly také obsahují hodiny v reálném čase, možnost protokolování dat a vestavěné servery OPC UA nebo MQTT pro přímé připojení k průmyslovým IoT a cloudovým systémům bez dalšího hardwaru.
I/O moduly jsou fyzickým rozhraním mezi PLC a provozními zařízeními – senzory, spínači, ventily, motory a přístroji – které řídicí systém monitoruje a řídí. Digitální vstupní moduly přijímají signály zapnutí/vypnutí ze zařízení, jako jsou senzory přiblížení, tlačítka a koncové spínače, a převádějí napětí na úrovni pole (typicky 24VDC nebo 120/240VAC) na signál logické úrovně, který může CPU číst. Digitální výstupní moduly přepínají napájení polních zařízení, jako jsou solenoidové ventily, spouštěče motorů a kontrolky. Analogové vstupní moduly převádějí plynule proměnné signály — proudové smyčky 4-20 mA, napěťové signály 0-10 V, napětí termočlánků, hodnoty odporu RTD — na digitální hodnoty, které může CPU zpracovat. Analogové výstupní moduly převádějí digitální hodnoty z CPU na proporcionální analogové signály pro řízení pohonů s proměnnými otáčkami, proporcionálních ventilů a dalších zařízení s plynule proměnnou funkcí. Specializované I/O moduly zahrnují vysokorychlostní čítačové vstupy pro zpětnou vazbu kodéru, moduly sériové komunikace a bezpečnostní I/O pro aplikace funkční bezpečnosti.
Napájecí modul PLC převádí vstupní napájení ze sítě (typicky 120VAC nebo 240VAC) nebo napájení stejnosměrné sběrnice na regulovaná stejnosměrná napětí požadovaná CPU a I/O moduly. Výběr napájecího zdroje zahrnuje přizpůsobení výstupní proudové kapacity celkové spotřebě proudu všech modulů ve stojanu nebo systému s rezervou alespoň 20 až 30 % pro spolehlivost a přizpůsobení budoucímu rozšíření. Konfigurace redundantního napájecího zdroje – kde dva napájecí moduly běží paralelně s automatickým přepnutím při selhání – jsou standardem v systémech s vysokou dostupností, kde by neplánované odstavení z důvodu výpadku napájení bylo nepřijatelně nákladné.
U modulárních systémů PLC montovaných do stojanu je základní deska deska s obvody, která mechanicky podporuje a elektricky propojuje CPU, napájecí zdroj a I/O moduly. Propojovací deska nese vnitřní datovou sběrnici, rozvod energie a v některých systémech synchronizační signály v reálném čase potřebné pro koordinovaný vícemodulový provoz. Velikost racku – specifikovaná počtem modulových slotů – určuje, kolik I/O modulů lze nainstalovat do jednoho racku, a pro systémy vyžadující více I/O, než pojme jeden rack, je více racků připojeno pomocí rozšiřujících kabelů nebo vzdálených I/O přes průmyslovou síť.
PLC se vyrábí v několika formách vhodných pro různé požadavky na rozsah a složitost. Výběr vhodného tvarového faktoru PLC pro aplikaci zahrnuje přizpůsobení I/O kapacity, rozšiřitelnosti a zpracovatelnosti řídicí jednotky současným a plánovaným budoucím požadavkům řízeného stroje nebo procesu.
| Typ PLC | Typický počet I/O | Rozšiřitelnost | Nejvhodnější aplikace | Příklady produktů |
| Nano/mikro PLC | 6 – 40 I/O | Omezené nebo žádné | Jednoduché stroje, OEM vybavení, výměna relé | Siemens LOGO!, Omron CP1E |
| Kompaktní PLC | 20 – 256 I/O | Dostupné rozšiřující moduly | Malé až střední stroje, balení, HVAC | Allen-Bradley Micro820, Siemens S7-1200 |
| Modulární PLC | 64 – 4 096 I/O | Vysoce rozšiřitelné pomocí vzdáleného I/O | Komplexní stroje, výrobní linky, zpracovatelský závod | Siemens S7-1500, Allen-Bradley ControlLogix |
| Rack-based PLC | 256 – 65 000 I/O | Více racků, distribuované I/O | Velké technologické závody, výroba energie, řízení ekvivalentní DCS | Allen-Bradley PLC-5, GE RX3i, Schneider Premium |
| Safety PLC (s hodnocením SIL) | Liší se | Rozšiřitelné o bezpečnostní I/O | Nouzové zastavení, bezpečnostní blokování, funkce SIL 1-3 | Pilz PSS 4000, Siemens S7-1500F, AB GuardLogix |
Kategorie kompaktních PLC se stala nejvýrazněji rostoucí oblastí na trhu PLC, taženou produkty třídy Siemens S7-1200 a Allen-Bradley Micro820, které nabízejí možnosti dříve spojené pouze s modulárními systémy plné velikosti – včetně řízení pohybu, řízení procesů PID a průmyslové komunikace na bázi Ethernetu – v malém provedení vhodném pro montáž do panelu bez vyhrazeného racku. Pro nové projekty automatizace strojů s počtem I/O pod 200 bodů je nyní pro většinu automatizačních inženýrů výchozím výchozím bodem kompaktní modulární PLC, spíše než větší rackové systémy, které byly nutné před deseti lety.
Programování PLC je standardizováno podle normy IEC 61131-3, která definuje pět programovacích jazyků, které musí kompatibilní vývojová prostředí PLC podporovat. Různé jazyky vyhovují různým typům řídicí logiky a různému technickému zázemí a nejmodernější programovací nástroje PLC umožňují použití více jazyků v rámci jednoho projektu – což inženýrům umožňuje vybrat nejvhodnější jazyk pro každou část programu.
Ladder Diagram je nejrozšířenější programovací jazyk PLC, zejména v Severní Americe a v diskrétních výrobních prostředích. Grafické znázornění napodobuje logická schémata relé, která měla PLC původně nahradit – vodorovné příčky logiky spojují levou a pravou napájecí lištu, přičemž symboly normálně otevřených a normálně uzavřených kontaktů představují vstupní podmínky a symboly cívky představující výstupní příkazy. Žebříková logika je intuitivní pro elektrotechniky obeznámené se schématy reléových obvodů a lze ji snadno číst a řešit problémy online (s PLC v provozním režimu jsou aktivní prvky zvýrazněny v programovacím softwaru, což umožňuje vizuální sledování poruchových stavů). Omezení žebříkového diagramu spočívá v tom, že se stává nepraktickým pro složité matematické operace, manipulaci s daty a sekvenční programování, které jsou přirozeněji vyjádřeny v textových jazycích.
Diagram funkčních bloků představuje řídicí logiku jako propojené grafické bloky — každý blok zapouzdřuje specifickou funkci (součinová brána, PID regulátor, čítač, časovač, funkční blok motoru) se vstupními a výstupními propojeními znázorněnými jako vodiče mezi bloky. FBD je dominantním jazykem v aplikacích řízení procesů – přirozeně se mapuje na reprezentaci diagramu potrubí a instrumentace (P&ID), která je známá procesním inženýrům, a zapouzdření složitých funkcí (smyčky PID, řízení ventilů, ochrana motoru) ve standardizovaných opakovaně použitelných funkčních blocích výrazně snižuje nároky na programování v aplikacích procesních závodů. Většina platforem PLC orientovaných na proces a bezpečnost nabízí rozsáhlé knihovny funkčních bloků vyhovujících normě IEC 61511 pro běžné řízení procesů a bezpečnostní funkce.
Structured Text je textový jazyk na vysoké úrovni syntakticky podobný Pascalu nebo C, který podporuje podmíněné příkazy, cykly, matematické výrazy, zpracování řetězců a složité datové struktury, které jsou v grafických jazycích těžkopádné nebo nemožné. ST je stále více používán automatizačními inženýry s vývojem softwaru a je preferovaným jazykem pro komplexní zpracování dat, správu receptur, manipulaci s komunikací a jakoukoli aplikaci vyžadující sofistikovanou algoritmickou logiku, kterou grafické jazyky nemohou efektivně vyjádřit. Definice strukturovaného textu podle normy IEC 61131-3 jej učinila skutečně přenosným mezi různými platformami PLC – kód napsaný v ST pro PLC jedné značky lze s relativně malými úpravami přizpůsobit platformě jiné značky, na rozdíl od kódu žebříkového diagramu, který má tendenci používat pokyny a konvence specifické pro výrobce.
Sekvenční funkční diagram představuje řídicí programy jako vývojový diagram kroků a přechodů — každý krok obsahuje akce (naprogramované v LD, FBD nebo ST) a každý přechod definuje podmínku, která musí být splněna, aby program postoupil k dalšímu kroku. SFC je přirozený jazyk pro sekvenační aplikace – cykly praček, sekvence dávkového procesu, vícestupňové montážní operace a jakékoli aplikace, kde stroj musí provádět definovanou sérii operací v daném pořadí. Programování složitého sekvenčního procesu v žebříkovém diagramu vytváří velké, obtížně sledovatelné programy; stejná sekvence vyjádřená v SFC je okamžitě čitelná jako procesní tok a lze ji výrazně snáze ladit a upravovat.
Moderní programovatelné logické automaty jsou síťová zařízení stejně jako automatizační automaty. Komunikační schopnosti PLC určují, jak se integruje s dalšími automatizačními zařízeními, dohledovými systémy, podnikovými databázemi a cloudovými platformami – což je stále důležitější faktor, jak se průmyslová automatizace vyvíjí směrem k propojeným architekturám Průmyslu 4.0.
Trhu PLC dominuje malý počet velkých automatizačních společností, z nichž každá nabízí kompletní ekosystém hardwaru PLC, programovacího softwaru, I/O modulů, pohonů, HMI panelů a komunikační infrastruktury, která je navržena tak, aby bezproblémově spolupracovala. Výběr PLC od konkrétního výrobce obvykle znamená zavázat se k ekosystému tohoto výrobce pro systém plné automatizace, což má významné důsledky pro integraci, náhradní díly, školení a dlouhodobou podporu.
| Výrobce | Klíčové rodiny PLC | Programovací prostředí | Primární průmyslová síť | Síla trhu |
| Siemens | S7-1200, S7-1500, S7-300/400 | Portál TIA (krok 7) | PROFINET, PROFIBUS | Evropa, globální zpracovatelský průmysl |
| Rockwell Automation (Allen-Bradley) | ControlLogix, CompactLogix, Micro820 | Studio 5000 Logix Designer | EtherNet/IP, DeviceNet | Severní Amerika, automobilový průmysl, potraviny a nápoje |
| Mitsubishi Electric | Řada MELSEC iQ-R, iQ-F, Q | GX Works3 | CC-Link IE, SLMP | Asie a Tichomoří, automobilový průmysl, polovodiče |
| Schneider Electric | Řada Modicon M580, M340, TM | Expert na řízení EcoStruxure | Modbus TCP, EtherNet/IP | Procesní průmysl, energetika, infrastruktura |
| Omron | Řada NX, NJ, CP | Studio sysmac | EtherNet/IP, EtherCAT | Asie, automatizace strojů, řízení pohybu |
PLC jsou často diskutovány vedle systémů distribuovaného řízení (DCS) a systémů dohledového řízení a získávání dat (SCADA) a hranice mezi těmito kategoriemi se s vývojem technologie výrazně stírají. Pochopení rozdílů – a toho, kde se sblížily – je důležité pro specifikaci správné automatizační architektury pro danou aplikaci.
Distribuovaný řídicí systém je architektura automatizace, ve které jsou řídicí funkce distribuovány mezi více řídicích jednotek rozmístěných v blízkosti řízeného procesu, přičemž všechny jsou připojeny k centralizovanému dohledovému systému prostřednictvím vysoce spolehlivé sítě závodu. Systémy DCS byly vyvinuty pro velké kontinuální procesní aplikace – ropa a plyn, petrochemie, výroba energie, farmaceutická výroba – kde jsou vyžadovány tisíce analogových řídicích smyček, komplexní logika blokování a komplexní správa alarmů napříč velkým fyzickým závodem. Systémy DCS upřednostňují vysokou dostupnost (redundantní řadiče, I/O, napájení a sítě jako standard), komplexní možnosti historie procesních dat a integrované displeje operátorských stanic. Rozdíl mezi moderním špičkovým modulárním PLC systémem a základním DCS je nyní z hlediska funkčnosti marginální – hlavní rozdíly jsou v softwarovém prostředí, aplikačním zaměření dodavatele a komerčním modelu.
SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) konkrétně odkazuje na vrstvu dohledu – softwarový systém, který shromažďuje data z PLC a jiných polních kontrolérů, předkládá procesní informace operátorům prostřednictvím grafických displejů HMI, zaznamenává historická data a může posílat příkazy nastavení zpět do kontrolérů. SCADA není náhradou za PLC – je to vrstva nad PLC, která zajišťuje lidský dohled a správu dat. Typická architektura průmyslové automatizace kombinuje PLC na úrovni řízení strojů nebo procesů, průmyslovou síť přenášející data mezi PLC a dohledovými systémy a systém SCADA nebo MES poskytující operátorské rozhraní, historická data a integraci s obchodními systémy.
Výběr správného programovatelného logického ovladače pro nový stroj nebo aplikaci řízení procesů zahrnuje vyhodnocení řady technických a komerčních faktorů, které společně určují, zda systém splní své funkční požadavky, bude dodán podle plánu a bude podporovat po celou dobu své provozní životnosti. Následující rámec pokrývá nejdůležitější kritéria hodnocení.
Systém PLC v nepřetržitém provozu vyžaduje proaktivní údržbu a řízení životního cyklu, aby byla zachována spolehlivost a zabránilo se neplánovaným prostojům. Následující postupy jsou standardní v dobře řízených operacích automatizační techniky.