Индустриялық автоматтандыру үшін PLC басқару жүйесін қалай жобалауға болады?

ПЛК басқару жүйесін түсіну және оның өндірістік автоматтандырудағы рөлі

ПЛК басқару жүйесі деген не және ол қазіргі заманғы өндірісте неліктен маңызды

Программалық логикалық басқарғыштар немесе қысқаша PLC дегеніміз — электромеханикалық процестерді ерекше дәлдікпен және сенімділікпен автоматтандыру міндеттерін шешетін өнеркәсіптік компьютерлер. Дәстүрлі басқару жүйелері физикалық релелерге негізделген болатын, алайда заманауи PLC технологиясы процестерді өзгерту кезінде тұрақты аппараттық түзетулердің орнына бағдарламалық бағдарламалау арқылы күрделі операцияларды жүргізуге мүмкіндік береді. Әртүрлі өндірістік есеп берулерге сәйкес, PLC автоматтандыруына көшкен кәсіпорындар әдетте өз өндірістік желілерінің ескі реле жүйелерін пайдаланатын кәсіпорындарға қарағанда шамамен 20% тиімдірек болуын бақылайды, сонымен қатар тозып-түкеннен компоненттерден туындайтын тоқтап қалулар саны азаяды. Бөлшектерді ауыстырудың орнына қайта бағдарламалау мүмкіндігі көптеген автомобиль зауыттары мен тамақ өңдеу кәсіпорындарының PLC-ге күнбе-күн тәуелді болуының себебі болып табылады. Бұл жүйелер кеңейту мүмкіндігі мен күтпеген бұзылуларға қарсы ішкі резервтеу қажет болатын операциялар үшін тиімді болып табылады.

PLC жүйесінің негізгі компоненттері: CPU, ЕН/Шығ модульдері және Қорек қорабы

Әрбір PLC басқару жүйесі үш негізгі элементке сүйенеді:

CPU ми ретінде әрекет етеді, ал ЕН/Шығ модульдері физикалық жабдықтар мен сандық командалар арасындағы жүйке жүйесі болып табылады. Дұрыс таңдалған қорек қорабы электрлік тұрақсыздықтан туындайтын жүйенің істен шығуын болдырмауға көмектеседі.

PLC-лердің дамуы: Релелік логикадан Ақылды Өнеркәсіптік Басқарғыштарға дейін

PLC-лер алғаш рет 1960 жылдардың соңында пайда болды, ол кезде автомобиль жасау зауыттарындағы ескі қолмен басқарылатын релелік жүйелердің орнына келді. Уақыт өте келе бұл бағдарламаланатын логикалық басқарғыштар нақты уақытта деректерді талдауға және техникалық қызмет көрсетудің қажеттілігін алдын ала болжауға мүмкіндік беретін күшті құрылғыларға айналды. Қазіргі кезде көпшілік заманауи жүйелер өндірістік басқаруды жақсарту үшін инженерлердің қашықтан дұрыс диагноз қоюына және ERP платформалары арқылы барлығын бір-бірімен байланыстыруына мүмкіндік беретін IIoT протоколдарымен жұмыс істейді. Бұл өзгеріс дәлдік ең маңызды болып табылатын өнеркәсіп салаларында үлкен әсер қалдырды және салалық есеп берулерге сәйкес қолмен калибрлеу жұмыстары шамамен үштен бір бөлігіне дейін қысқарды. Көптеген фармацевтикалық компаниялар осының арқасында білінетін жақсаруларды байқады. Қазіргі кездегі PLC-лер «шина есептеуі» деп аталатын міндеттерді де шешеді, сондықтан зауыттар деректердің барлығын бұлтқа жіберуге міндетті емес. Осы жергілікті өңдеу жинау сызықтарындағы роботтық иықтарды басқару сияқты тез жауап талап ететін қолданбаларға көмектеседі.

PLC басқару жүйесін құруға дейін автоматтандыру талаптарын бағалау

Өндірістік процестерде басқару міндетін және жұмыс мақсаттарын анықтау

Кез келген PLC басқару жүйесінің жақсы жұмыс істеуі үшін басқару міндеттері мен операциялық мақсаттар алғашқы кезде нақты түрде анықталуы керек. Орнату кезінде командалар нақты цифрларға негізделіп, нақты нәтижелермен салыстыруға болатындай етіп жұмыс істеуі тиіс. Сағатына өтетін өнімдердің саны мысалы, шамамен 500 бірлік пе? Немесе сапа бақылауы үшін қандай дәлдік деңгейі маңызды — көбінесе ±0,5% жақсы нұсқа болып табылады. Сонымен қатар, жүйе әртүрлі компоненттер арасындағы күрделі байланыстарды өңдей алуы керек. Мысалы, конвейерлік ленталармен қатар жұмыс істейтін роботтық қолдарды алсақ — олар барлық процестің бойынша дәл уақытылы синхрондалып отыруы керек. ISA-ның 2023 жылғы соңғы хабарламасында қызықты дерек келтірілген: автоматтандырудың жуық үштен екі проблемасы басқару логикасының нашар жобалануына байланысты. Сондықтан ақылды инженерлер автоматты жұмыс режимін, техникалық қызмет көрсету кезіндегі қолмен басқаруды, сондай-ақ күтпеген жағдайлар туындаған кезде не болатынын алдын ала толық құжаттайды. Бастапқы кезде осы негізгі мәселелерді дұрыс шешу кейінгі уақытта көптеген қиындықтардан арылтуға көмектеседі.

Жүйенің анықтығы үшін процестің кіріс, шығыс және блоктау элементтерін картаға түсіру

Сенімді автоматтандыруды іске қосу үшін кіріс/шығыс нүктелерін және қауіпсіздік блоктауларын дұрыс картаға түсіруге уақыт жұмсау қажет. Мысалы, орамалау машинасының 120-ға жуық сандық кірісі, яғни жақындық сенсорлары мен авариялық тоқтату түймелері және шамамен 40 аналогтық шығысы, моторлардың айналу жылдамдығын басқаратын, болуы мүмкін. Блоктау матрицасы әртүрлі жағдайларда не болатынын көрсетуге көмектеседі. Мысалы, температура 80 градус Цельсийден жоғары болған кезде жүйе автоматты түрде өшіп қалады немесе бергіштер өнімді түгел шығарып жібергенде орамалау процесі толығымен тоқтайды. Automation World журналының өткен жылғы деректеріне сәйкес, құрылымсыз жұмыс істеуге қарағанда, мұндай ұйымдастырылған жоспарлау пайдалануға беру қателерін шамамен 40 пайызға дейін азайтады.

Орта жағдайлары мен қауіпсіздік талаптарын бағалау

Өнеркәсіптік PLC құрылғылары зауыт алаңдарындағы қиын жағдайларға төтеп бере алуы керек. 5G-ден астам динамикалық жүктеме туғызатын металл штамптау операцияларын немесе ылғалдылық деңгейі жиі 95%-дан асатын тамақ өнеркәсібінің ылғалды ортасын елестетіңіз. NFPA 79 нұсқаулығына сәйкес, шаңды аймақтарда корпус қорғанысы кем дегенде IP65 болуы талап етіледі. Жануы мүмкін заттармен жұмыс істегенде, объектілерге қауіпсіздік релелерінің SIL-3 сертификатталуы міндетті. Көптеген инженерлер болашақтағы өсу үшін орын қалдыру - бұл ақылды бизнес тәжірибесі екенін біледі. Себебі жүйелер жұмыс істеп шыққаннан кейін кеңейту өте қымбатқа түсуі мүмкін. Алдын ала шамамен 20-30% қосымша I/O сыйымдылығын бөліңіз. Deloitte-тың соңғы хабарламасында модернизация шығындары жұмыс істеп бастағаннан кейін үш есе өсуі мүмкін екені көрсетілген.

Дұрыс PLC архитектурасы мен құрылғы конфигурациясын таңдау

Жақсы жобаланған PLC басқару жүйесі аппараттық архитектураны операциялық талаптарға сәйкестендіреді. Өнеркәсіптегі 60%-дан астам уақыттан тыс жұмыс тоқтатулар компоненттердің сәйкессіздігінен туындайды (Automation World 2024), сондықтан сенімділік пен масштабталу үшін стратегиялық таңдау маңызды.

PLC түрлері: Тұрақты, Модульді, Бірлік және Рэкті орнату жүйелерінің салыстыруы

Тұрақты ПЛК блоктары CPU, кіріс/шығыс компоненттерін және қуат көзін бір компактты қорапқа біріктіреді. Бұлар 32-ге дейінгі I/O нүктесі қажет болатын орамалау жабдықтары сияқты кіші көлемді операциялар үшін өте тиімді. Алайда модульдік жүйелерге келетін болсақ, олар 100-ден 500-ге дейінгі I/O нүктелерін қамти алатын кеңейтілетін стенд конфигурацияларымен келеді. Бұл автомобиль жасау саласындағы өндірістерде оларды ерекше пайдалы етеді. Бірлік ПЛК конструкциялары әрқашан маңызды болып табылатын тар шаруашылық аудандарында бағалы еден кеңістігін үнемдеуге бағытталған. Химиялық өңдеу зауыттары сияқты үлкен орнатулар үшін көбінесе компаниялар орнына стендке орнатылатын конфигурацияларды таңдайды. Бұл объектінің бойынша мыңдаған I/O модульдерін ыңғайлы ұйымдастыру мен орталықтандырылған басқаруға мүмкіндік береді.

Қолдану қажеттіліктеріне сәйкес масштабталатын және сенімді I/O модульдерін таңдау

Сандық кіріс/шығыс модульдері шектік ажыратқыштар сияқты заттардан 0,1 миллисекунд ішінде жауап қайтарылатын қосу/өшіру сигналдарымен айналысады. Ал олардың аналогтық түрлері ±10 вольт диапазонында температураны оқу сияқты өзгермелі сигналдармен айналысады. Сенімділікке келетін болсақ, ARC Advisory Group-тың 2023 жылғы зерттеуіне сәйкес, барлық жүйелік мәселелердің шамамен үштен бірі нақты I/O деңгейінде басталатындықтан, екі еселенген конфигурациялар шынымен маңызды болып табылады. Қиын жағдайларға тыйым салынатын орнатулар үшін инженерлер IP67 дәрежесіне ие гальваникалық түрде изоляцияланған модельдерді іздеуі керек. Бұл ерекше модульдер өнеркәсіптік орталарда кейінірек пайда болатын көптеген проблемаларға әкелетін шаң жиналу мен су түсуге әлдеқайда төзімді.

PLC жобалауда қуат көзін ескеру және екі еселену жоспары

Кернеу тербелістері PLC-ның 22% бұзылуына әкеледі (Emerson, 2022). Кіріс толеранттылығы ±10% және шығыс қуатында 125% резерві бар қоректендіру көздерін таңдаңыз. Фармацевтикалық партияларды басқару сияқты маңызды процестер үшін автоматты түрде ауысу мүмкіндігі бар екідік резервтелген қоректендіру жүйесін қолданыңыз. Өнеркәсіптік қауіпсіздік бойынша NFPA 70 стандарттарымен сәйкестендіру үшін UPS-тің резервтік қорымен жұптастырыңыз.

PLC-ны бағдарламалау: Сканерлеу циклі, логикалық даму және ең жақсы тәжірибелер

PLC сканерлеу циклі қалай жұмыс істейді: Кіріс сигналдарын сканерлеу, бағдарламаны орындау, шығыс сигналдарын жаңарту

PLC басқару жүйелері, әдетте, бағдарламалаудың күрделілігіне байланысты 10-нан 1000 миллисекундқа дейінгі аралықта қайталанатын сканерлеу циклын орындай отырып жұмыс істейді. Кірістерді сканерлеу басталған кезде PLC негізінен онымен қосылған барлық сенсорларды тексереді және олар беріп тұрған ақпаратты сақтайды. Содан кейін логикалық диаграммалар немесе құрылымдық мәтіндік код сияқты заттарда біз жазған логикалық нұсқауларды орындау бөлігі келеді. Одан кейін шығыс кезеңінде PLC электр қозғалтқыштар мен клапан басқарғыштары сияқты құрылғыларға командалар жібереді. Бұл бүкіл процесс тұрақты түрде қайталанады, яғни реакциялар тез арада жүзеге асырылады. Мұндай жылдамдық конвейерлерді дұрыс туралау немесе авариялық жағдайларда жабдықты тез өшіру сияқты дер кезінде реакция талап ететін жағдайларда өте маңызды.

PLC бағдарламалау тілдері: Логикалық схема, Функционалдық блоктық диаграммалар, Құрылымдық мәтін

IEC 61131-3 стандарты инженерлерге қолдануға ыңғайлы және нақты жұмыстар үшін жеткілікті дәрежеде қуатты болатын бағдарламалау опцияларының кең спектрін ұсынады. Логикалық релелік схемалар (Ladder Logic) өндіріс орындарында қызметкерлерге таныс электрлік схемаларға ұқсайтындықтан, қосу/өшіру операцияларымен айналысатын зауыттарда кеңінен қолданылады. Күрделі процестерді басқару кезінде функционалдық блоктар диаграммасы (Function Block Diagrams) бағдарламашыларға барлық нәрсені нөлден бастап жасамай, дайын функцияларды біріктіруге мүмкіндік береді. Басқару жүйелері үшін нақты код жазу қажет болған кезде математикалық есептеулер күрделене бастағанда құрылымдық мәтін (Structured Text) негізгі шешім болып табылады. Қазіргі кезде көбінесе әртүрлі бағдарламалау тілдерін араластырып пайдаланады, себебі жүйенің әрбір бөлігіне әртүрлі тәсілдер қажет болады. Саланың хабарламаларына сәйкес, барлық автоматтандыру жобаларының шамамен үштен екі бөлігі осы бағдарламалау әдістерінің комбинацияларын пайдаланады, ал бір ғана тәсілге толық сәйкес келуі сирек кездеседі.

Ladder Logic және бағдарламалық құралдарды қолдана отырып, басқару стратегиясы мен логикасын әзірлеу

Өнеркәсіптік жүйелер үшін сапалы логика әзірлеу кезінде біз нақты әлемдегі мәселелерді компьютерлік нұсқауларға айналдырамыз. Мысалы, шөлмектерді толтыру желілерін тегіс жұмыс істеуін қамтамасыз ету немесе температураның дәл қажетті деңгейде сақталуын тексеру сияқты мәселелерді қарастырыңыз. CODESYS сияқты құралдар инженерлерге логикалық құрылымдарын алдын ала тексеруге мүмкіндік береді, бұл қауіпсіздік блоктауларында немесе бірдеңе дұрыс болмаған кезде сигналдардың қалай жұмыс істейтінін тексеруге көмектеседі. Мысалы, ауа алмасу жүйелерін (HVAC) қарастырайық. Мұндай жүйелер кеңістіктегі температураны шамамен плюс-минус жарты градус Цельсийде ұстау үшін жиі таймерлер мен салыстыру функцияларына сүйенеді. Бірақ тек дәл температураға ғана емес. Ең жақсы жүйелер энергияны үнемдеудің де тәсілдерін табады, бүгінгі күндері өте маңызды болып табылатын ыңғайлылық пен электр энергиясының шығыны арасында теңдестік орнатады.

Қолдау мен қателерді іздеу үшін кодты құрылымдаудың ең жақсы тәжірибелері

Модульдік бағдарламалау монолиттік тәсілдермен салыстырғанда қателерді іздеу уақытын 30–50% қысқартады (ISA-88 стандарттары). Негізгі тәжірибелерге мыналар жатады:

• Тегтерді сипаттамалы түрде атаңыз (мысалы, «Pump_1_Overload»)
• Байланысты функцияларды қайта пайдалануға болатын блоктарға біріктіру (мысалы, қозғалтқышты басқару бағдарламалары)
• Логикалық тармақтар мен порогтарды түсіндіру үшін бағдарламаға түсініктеме қосу
  Git сияқты нұсқаларды басқару жүйелерін қолдану өзгерістерді бақылауға және күтпеген жағдайларда орнына келтіруге мүмкіндік береді.

HMI, Байланыс Протоколдарын және PLC Жүйесін Келешекке Бағыттау интеграциялау

Қазіргі заманғы PLC басқару жүйелері тиімділікті максималдандыру үшін құрылғылардың, бағдарламалық жабдықтардың және байланыс негіздерінің үйлесімді интеграциясына тәуелді.

PLC Басқару Жүйесімен Оператордың Өзара Әрекеттесуін Жақсартуда HMI Рөлі

Адам-машина интерфейстері (HMIs) күрделі PLC деректерін интуитивті тақталарға айналдырады, операторлардың температура мен өндіру қарқындары сияқты параметрлерді нақты уақытта бақылауына мүмкіндік береді. Ток жанындағы HMIs бағдарламалаушы емес адамдардың орнатылған нүктелерді өзгертуіне, тревогаларға жауап қайтаруына және қауіпсіздік протоколдарын іске қосуына мүмкіндік береді. Орталықтандырылған HMI-PLC архитектурасын қолданатын объектілерде тоқтап қалу уақыты 20–35% азайғаны туралы хабарланады (Ponemon 2023).

Жиі қолданылатын байланыс протоколдары: Modbus, Profibus, EtherNet/IP интеграциясы

Стандартталған байланыс протоколдары өнеркәсіптік желілер арасындағы үйлесімділікті қамтамасыз етеді:

• Modbus : Қысым немесе температура сияқты бақылау қолданбаларындағы қарапайым master-slave орнатулары үшін ең жарамды.
• PROFIBUS : Автоматтандырылған жинау жолдарындағы қозғалысты басқару үшін жоғары жылдамдықты деректер алмасуын қамтамасыз етеді.
• EtherNet/IP : Нативті Ethernet байланысы бар IIoT-дайын жүйелерді қолдайды, бұл бұлттық талдау мен алыс қашықтықтан қолжетімділікті мүмкіндік етеді.

PLC, SCADA және кәсіпорын жүйелері арасындағы нақты уақытта деректер алмасуын қамтамасыз ету

SCADA (бақылау және деректерді жинау жүйесі) жүйелерімен синхрондаған кезде PLC-лер партиялық араластыру немесе жиналым сияқты маңызды операциялар үшін миллисекунд деңгейіндегі жаңартуларды қамтамасыз етеді. Бұл интеграция нақты уақыт режиміндегі жұмыс істеу деректерін ERP платформаларына береді, ол қоймадағы қорды болжау мен алдын ала техникалық қызмет көрсетуді жоспарлау сапасын арттырады.

Масштабтауға, IIoT дайындығына және ұзақ мерзімді техникалық қызмет көрсетуге негізделген жобалау

Болашаққа дайын PLC архитектуралары мыналарды қамтиды:

• Модульді I/O кеңейтулер өндірісті жаңартуға қолдау көрсету үшін
• OPC-UA-мен сәйкестік буын қызметтерімен қауіпсіз, платформадан тәуелсіз деректер алмасу үшін
• Болжамды қолданбалар мысалы, тербеліс датчиктері, олар жоспарланбаған тоқтатуларды 45% дейін қысқартады

Осы стратегияларды қабылдау Industry 4.0 талаптарының дамуына ұзақ мерзімді бейімделуін қамтамасыз етеді.

ЖИІ ҚОЙЫЛАТЫН СҰРАҚТАР

PLC-лер өндірісте не үшін қолданылады?

PLC немесе бағдарламаланатын логикалық басқару құрылғылары өндірісте процестерді автоматтандыру үшін қолданылады. Олар өндіріс жолдарын басқару мен бақылауға, сенсорлық деректерді қадағалауға және бағдарламаланған логиканы орындау арқылы қолмен кіріп түзетудің қажеттілігін азайтуға көмектеседі.

PLC жүйесінің негізгі компоненттері қандай?

Әрбір PLC жүйесі кіріс сигналдарын өңдеу үшін CPU-дан, сенсорлар мен актюаторлар сияқты өрістегі құрылғыларға қосылу үшін I/O модульдерінен және желілік кернеуді тұрақты тұрақты токқа түрлендіру үшін қуат көзінен тұрады.

Қазіргі заманғы PLC-тер дәстүрлі релелік басқару жүйелерінен қалай ерекшеленеді?

Қазіргі заманғы PLC-тер бағдарламалық бағдарламалауды пайдаланады, бұл дәстүрлі релелік жүйелерде болғандай физикалық бөлшектерді ауыстыру орнына қайта бағдарламалау мүмкіндігін береді. Бұл икемділік жұмыс істеу тиімділігін арттырады және процестерге жеңіл түзетулер енгізуге мүмкіндік береді.

PLC бағдарламалауда қолданылатын бағдарламалау тілдерінің қандай түрлері бар?

PLC программалауға Ладдер логикасы, Функционалдық блок схемалары және Құрылымдық мәтін сияқты тілдер кіреді. Олардың әрқайсысы оңай пайдаланылатын интерфейстерден бастап күрделі есептеулер мен логика үшін қуатты мүмкіндіктерге дейінгі әртүрлі артықшылықтар ұсынады.