Pomyślnie System sterowania PLC projektowanie rozpoczyna się od jasno określonych celów automatyzacji dostosowanych do celów produkcyjnych. Analizy branżowe wskazują, że 62% przypadków niepowodzeń automatyzacji wynika z słabo udokumentowanych celów. Aby tego zapobiec, zespoły powinny:
Te mierzalne cele zapewniają, że system sterowania wspiera efektywność operacyjną i długoterminową skalowalność.
Skuteczne mapowanie wejść/wyjść wymaga rozróżnienia sygnałów cyfrowych (włącz/wyłącz) i analogowych (zmiennych). Typowymi urządzeniami przewodowymi są:
Wybór odpowiedniego typu wejść/wyjść zapewnia dokładną interpretację sygnałów i niezawodną reakcję aktuatorów w zmiennych warunkach pracy.
Systemy PLC zazwyczaj opierają się na trzech głównych elementach działających razem. W centrum całego układu znajduje się jednostka centralna, inaczej CPU. Ten komponent uruchamia programy sterujące i obsługuje wszystkie zadania związane z siecią w ramach systemu. Następnie mamy moduły wejścia/wyjścia. Te małe pracoholiki odbierają sygnały z czujników temperatury, manometrów oraz innych urządzeń polowych i przekształcają je na dane, które komputer może zrozumieć. Wykonują również pracę odwrotną, wysyłając impulsy elektryczne w celu uruchomienia silników, otwarcia zaworów lub aktywowania alarmów zgodnie z poleceniami otrzymanymi od CPU. Na końcu, ale z pewnością nie najmniej ważne, jest jednostka zasilania. Większość przemysłowych instalacji wymaga stabilnych 24 V prądu stałego, aby wszystko działało bez zarzutu. Jednostki wysokiej jakości są wyposażone w obwody rezerwowe, dzięki czemu nie ulegają awarii podczas nagłych spadków napięcia, które mają miejsce w fabrykach, gdzie duże maszyny są ciągle włączane i wyłączane w pobliżu.
| Konfiguracja | Najlepszy dla | Główna przewaga |
|---|---|---|
| Sterowniki stałe | Procesy proste i statyczne | Wstępnie skonfigurowane, opłacalne |
| Sterowniki modułowe | Skaliwalne operacje | Dostosowalne wejścia/wyjścia poprzez karty dodatkowe |
| Sterowniki szafowe | Automatyzacja na dużą skalę | Centralna architektura sterowania |
Wybór odpowiedniej konfiguracji zależy od złożoności procesu, planów rozbudowy oraz ograniczeń fizycznych.
W przypadku sterowników modułowych te urządzenia potrafią obsłużyć nawet do 64 rozszerzeń wejść/wyjść w najwyższych konfiguracjach, co czyni je praktycznie idealnymi dla systemów rozwijających się w czasie. Z drugiej strony, sterowniki o stałej konfiguracji obniżają koszty wstępne o około 30 aż do nawet 45 procent w mniejszych instalacjach, jednak po montażu nie ma możliwości rozbudowy, gdyby taka stała się konieczna. Ma znaczenie również miejsce. Systemy szafowe zajmują według większości instalatorów, z którymi rozmawialiśmy, mniej więcej dwukrotnie więcej przestrzeni niż kompaktowe rozwiązania w szafach sterowniczych. Ale jest haczyk: choć zajmują więcej miejsca, jednostki szafowe ułatwiają konserwację, ponieważ wszystko znajduje się razem w jednym miejscu, a technicy mogą łatwo dotrzeć do poszczególnych komponentów, nie musząc rozbierać ścian czy szaf tylko po to, by naprawić jedną drobną rzecz.
Jeden z głównych producentów części samochodowych zaczął ubiegłego roku stosować modułowe systemy sterowników PLC na liniach produkcyjnych baterii do pojazdów elektrycznych. Taka konfiguracja pozwoliła stopniowo, w ciągu około trzech lat, wprowadzić roboty do spawania laserowego oraz inteligentne czujniki kontroli jakości, nie przerywając normalnej pracy fabryki. Zamiast całkowitego demontażu starych systemów, to podejście skutkowało obniżeniem kosztów przebudowy o prawie połowę, według raportów wewnętrznych. Same oszczędności stanowią przekonujący argument za tym, dlaczego elastyczne rozwiązania sprzętowe stają się tak ważne we współczesnych środowiskach produkcji wysokotechnologicznej.
Programowanie sterowników logicznych (PLC) polega na przekształceniu tego, co maszyny muszą wykonać, w rzeczywiste instrukcje, które mogą one realizować. System w czasie rzeczywistym odbiera informacje z czujników, takie jak temperatura danego elementu lub czy dany przełącznik został uruchomiony, a następnie podejmuje decyzje dotyczące kolejnych działań. Można tu pomyśleć o uruchamianiu silników w odpowiednim momencie lub zamykaniu zaworów dokładnie wtedy, gdy jest to potrzebne. Inżynierowie używają specjalistycznych pakietów oprogramowania do tworzenia tych systemów sterowania zgodnie z potrzebami fabryki. Niektóre konfiguracje skupiają się na maksymalnym przyspieszeniu przepływu produktów przez linie pakowania, podczas gdy inne wymagają ekstremalnej dokładności przy zadaniach takich jak montaż części samochodowych, gdzie nawet niewielkie błędy mają duże znaczenie.
Wybór języka programowania wpływa na szybkość opracowywania, elastyczność oraz łatwość utrzymania:
Wybór języka powinien odpowiadać kwalifikacjom zespołu oraz złożoności aplikacji.
Wszystkie sterowniki PLC działają w oparciu o ciągły cykl skanowania:
Optymalizacja czasu skanowania—często zmniejszana do milisekund w systemach wysokiej szybkości—zapewnia szybką i deterministyczną kontrolę, minimalizując opóźnienia w dynamicznych środowiskach produkcyjnych.
Dobre działanie integracji wejść/wyjść zależy w dużej mierze od sposobu rozmieszczenia okablowania od samego początku. Moduły analogowe obsługują zmienne sygnały pochodzące na przykład z termopar, podczas gdy cyfrowe łączą się z różnymi czujnikami typu włącz/wyłącz, w tym z wyłącznikami krańcowymi, które widzimy wszędzie. W kontekście walki z zakłóceniami elektromagnetycznymi najlepsze są ekranowane przewody skręcone, stosowane razem z izolacją galwaniczną. Zgodnie z raportem analitycznym branżowym z zeszłego roku około 17 procent wszystkich problemów z sygnałami w fabrykach wynika właśnie z zakłóceń elektromagnetycznych. Nie zapominaj również o ogranicznikach przepięć – są one niezbędne, aby chronić cenne komponenty sterowników PLC przed nagłymi skokami napięcia i szkodliwymi zwarciami, które mogą doprowadzić do całkowitego zatrzymania produkcji.
Różne urządzenia polowe, takie jak czujniki fotoelektryczne, zawory elektromagnetyczne i te VFD, podłączane są do sterownika PLC poprzez moduły wejść/wyjść. Najnowsze badania wskazują, że około 74 procent problemów w systemach automatyki wynika z nieprawidłowego dopasowania czujników i siłowników, co oznacza, że sprawdzanie kompatybilności komponentów jest bardzo ważne. Weźmy na przykład przetworniki ciśnienia – zazwyczaj muszą być podłączone do analogowego modułu wejściowego skonfigurowanego dla pętli prądowych przy sygnale 4–20 mA. Z kolei większość indukcyjnych czujników zbliżeniowych podłącza się bezpośrednio do standardowych cyfrowych wejść 24 V DC. Poprawne wykonanie tych połączeń decyduje o niezawodności całego systemu.
Gdy sygnały zaczynają działać niestabilnie, słabe uziemienie często znajduje się na samym szczycie listy możliwych przyczyn. Metoda punktu gwiazdy świetnie sprawdza się w takiej sytuacji, ponieważ wszystkie ekranowane przewody podłączone są do jednego miejsca na ramie, zamiast być rozprowadzonymi przez wiele punktów, jak ma to miejsce w układach szeregowych. Zgodnie z danymi z Industrial Automation Journal sprzed roku, takie podejście zmniejsza problemy z pętlami uziemienia o około dwie trzecie! W miejscach, gdzie występuje dużo zakłóceń elektrycznych, przejście na połączenia światłowodowe pomiędzy odległymi jednostkami wejścia/wyjścia a główną jednostką przetwarzającą znacznie pomaga w utrzymaniu czystości sygnału. Nie zapomnij również o dodaniu małych magnetycznych pierścieni, tzw. rdzeni ferrytowych, na przewody Ethernetowe. Dodatkowo oddzielenie przewodów zasilających od okablowania sterującego do osobnych przewodów daje dużą różnicę przy staraniach o niezawodną komunikację w złożonych systemach.
Zgodnie z danymi Automation World sprzed ubiegłego roku, staranne testowanie zmniejsza problemy związane z wdrażaniem w środowiskach przemysłowych o około dwie trzecie. Gdy dochodzi do rzeczywistej implementacji, symulacje pętli sprzętowej są szczególnie skuteczne w ocenie wydajności systemów sterowania w warunkach rzeczywistych. Tymczasem różne metody diagnostyczne, takie jak wymuszanie stanów wejść/wyjść lub ustawianie punktów przerwania, pozwalają wykryć uporczywe problemy czasowe, które często są pomijane. Weźmy na przykład linie produkcyjne w przemyśle motoryzacyjnym – wiele firm samochodowych testuje setki różnych sytuacji awaryjnych, zanim rozważą uruchomienie stacji spawalniczych robotów w trybie pełnej produkcji. Takie podejście pozwala wykryć niemal każdy możliwy błąd już na etapie przygotowań.
Obiekty działające na obszarach o wysokim ryzyku, takie jak zakłady chemiczne, muszą spełniać normy SIL 3 pod względem integralności bezpieczeństwa. Zwykle wiąże się to z konfiguracją systemów z procesorami zapasowymi oraz dwukanałowymi układami wejścia/wyjścia. Weźmy pod uwagę zakład produkujący stal, w którym wystąpił poważny problem z zacięciem się taśmy transportowej. System awaryjnego zatrzymania zadziałał niemal natychmiast, zatrzymując wszystkie poruszające się elementy w ciągu zaledwie 12 milisekund. Taka szybka reakcja pozwoliła uniknąć uszkodzeń sprzętu wartej około 2,1 miliona dolarów. Pod względem protokołów bezpieczeństwa, kluczowe jest przestrzeganie wytycznych ISO 13849 oraz IEC 62061. Najważniejsze jest, aby krytyczne procedury zatrzymania działały wystarczająco szybko, by móc zareagować na niebezpieczne sytuacje w maksymalnie 100 milisekund.
| Protokół | Prędkość | Topologia | Przypadki zastosowania przemysłowego |
|---|---|---|---|
| Modbus RTU | 19,2 kbps | Master-Slave | HVAC, starsze sieci czujników |
| PROFIBUS DP | 12 Mbps | Liniowy | Sterowanie silnikami, zaworami procesowymi |
| Ethernet/IP | 100 Mbps | Gwiazda | Systemy wizyjne, integracja z MES |
Każdy protokół oferuje kompromisy w zakresie szybkości, topologii i kompatybilności, wpływając na przydatność do konkretnych zastosowań.
Gdy technologia operacyjna jest łączona z systemami IT, otwiera się nowe możliwości dla utrzymania predykcyjnego poprzez ciągły przepływ danych PLC do platform analitycznych w chmurze. Nedawne spojrzenie na działania fabryk wykazało coś imponującego – zakłady z połączonymi sieciami wykrywały wady o 89 procent szybciej, gdy zastosowały sztuczną inteligencję w swoich procesach diagnostyki w czasie rzeczywistym, według badań z zeszłego roku. Poprawne skonfigurowanie takiego systemu nie jest jednak proste. Bezpieczeństwo pozostaje dużym problemem, dlatego większość wdrożeń wymaga zaszyfrowanych tuneli sieci prywatnej wirtualnej (VPN), kontroli dostępu opartych na rolach użytkowników oraz bramek OPC UA, które pozwalają inżynierom na zdalne monitorowanie bez kompromitowania stabilności całej sieci. Te środki bezpieczeństwa mogą wydawać się dodatkową pracą, ale są niezbędne do ochrony poufnych danych przemysłowych.
Główne komponenty systemu sterowania PLC to jednostka centralna (CPU), moduły wejścia/wyjścia (I/O) oraz zasilacz.
Istnieją trzy główne typy PLC: PLC stałe, PLC modułowe oraz PLC montowane na szynie, z których każde nadaje się do różnych skal i stopni złożoności operacji.
Ladder Logic jest powszechnie używany, ponieważ przypomina tradycyjne obwody przekaźnikowe, co czyni go intuicyjnym dla elektryków i techników konserwacyjnych.
Cykl skanowania PLC obejmuje trzy fazy: skanowanie wejść, wykonywanie logiki oraz aktualizację wyjść, które zapewniają efektywne przetwarzanie i kontrolę.
Ochrona przed EMI ma kluczowe znaczenie w integracji I/O, ponieważ zapobiega zakłóceniom elektromagnetycznym, które mogą powodować poważne problemy sygnałowe w systemach automatyki.
Prawa autorskie © 2024 Shenzhen QIDA electronic CO.,ltd
EN