Co to jest PLC, z czego się składa i do czego służy?

Programowalne sterowniki logiczne (PLC) to małe komputery przemysłowe z modułowymi komponentami zaprojektowanymi do automatyzacji niestandardowych procesów sterowania. Sterowniki PLC są często używane w fabrykach i zakładach przemysłowych do sterowania silnikami, pompami, oświetleniem, wentylatorami, wyłącznikami automatycznymi i innymi maszynami. Aby lepiej zrozumieć przeznaczenie sterowników PLC, zerknijmy na krótką historię sterowników PLC.

Automatyka przemysłowa zaczęła się na długo przed PLC. Na początku, do połowy XX wieku automatyzacja była zwykle wykonywana przy użyciu skomplikowanych elektromechanicznych obwodów przekaźnikowych. Jednak ilość przekaźników, przewodów i przestrzeni potrzebnej do stworzenia nawet prostej automatyzacji była problematyczna. Do zautomatyzowania prostego procesu fabrycznego mogą być potrzebne tysiące przekaźników! A gdyby trzeba było zmienić coś w obwodzie logicznym? Matko jedyna!

W 1968 roku pojawił się pierwszy programowalny sterownik logiczny, który zastąpił skomplikowane obwody przekaźnikowe w zakładach przemysłowych. PLC został zaprojektowany tak, aby był łatwy do programowania przez inżynierów i techników, którzy byli już zaznajomieni z logiką przekaźników i schematami sterowania. Od samego początku sterowniki PLC były programowane przy użyciu języka drabinkowego, który został zaprojektowany tak, aby naśladować schematy obwodów sterowania. Schematy drabinkowe wyglądają jak obwody sterowania, w których moc przepływa od lewej do prawej przez zamknięte styki, aby zasilić cewkę przekaźnika.

Logika drabinkowa wygląda jak proste schematy obwodów sterowania, w których źródła wejściowe, takie jak przełączniki, przyciski, czujniki zbliżeniowe itp., są pokazane po lewej stronie, a źródła wyjściowe są pokazane po prawej. Możliwość programowania skomplikowanych zautomatyzowanych procesów za pomocą intuicyjnego interfejsu, takiego jak logika drabinkowa, sprawiła, że przejście z logiki przekaźnikowej na sterowniki PLC stało się znacznie prostsze dla wielu w branży.

Chociaż pierwsze sterowniki PLC miały bardzo ograniczoną pamięć i możliwości szybkości, z biegiem lat szybko się poprawiły. Obecność sterowników PLC pomogła uprościć projektowanie i wdrażanie automatyki przemysłowej.

Jak działają sterowniki PLC?

Sterowniki PLC można opisać jako małe komputery przemysłowe z modułowymi komponentami zaprojektowanymi do automatyzacji procesów sterowania. Są sterownikami stojącymi za prawie całą nowoczesną automatyką przemysłową. PLC składa się z wielu komponentów:
Sterowniki PLC składają się z następujących elementów:

– jednostki centralnej (CPU)
– wejść cyfrowych
– wejść analogowych
– wyjść cyfrowych
– wyjść analogowych
– modułu zasilania
– modułu komunikacji
– pamięci

➡ Jak to dokładnie działa? Sterownik PLC pobiera dane wejściowe, wykonuje logikę na wejściach w CPU, a następnie włącza lub wyłącza wyjścia w oparciu o tę logikę:

• CPU monitoruje stan wejść (np. włączenie, wyłączenie czujnika zbliżeniowego, 40% otwarcie zaworu, itp.)
• CPU pobiera informacje, które otrzymuje z wejść, wykonuje logikę na wejściach
• CPU obsługuje logikę wyjściową (np. wyłącz silnik, otwórz zawór, itp.)

We wszystkich systemach obudowa PLC stanowi najważniejszy moduł i działa jako kręgosłup systemu. PLC są dostępne w różnych kształtach i rozmiarach. W przypadku bardziej złożonych systemów sterowania wymagane są większe szafy PLC.

Mały sterownik PLC jest wyposażony w stałą konfigurację pinów wejścia/wyjścia. Dlatego zdecydowali się na modułowe sterowniki PLC typu rack, które akceptują różne typy modułów wejścia/wyjścia z możliwością przesuwania i dopasowaniem do koncepcji. Wszystkie moduły wejścia/wyjścia będą znajdować się w tej obudowie.

Moduł zasilania dla sterownika PLC

Moduł ten służy do dostarczania wymaganej mocy do całego systemu PLC. Konwertuje dostępną moc AC na prąd stały, który jest wymagany przez CPU i moduł wejścia/wyjścia. PLC generalnie działa na zasilaniu 24 V DC. Niewiele PLC korzysta z izolowanego źródła zasilania.

Moduł wejść i wyjść

Sterownik PLC posiada również moduł do łączenia wejść i wyjść, który jest nazywany modułem wejścia i wyjścia.

Urządzeniami wejściowymi mogą być przyciski uruchamiania i zatrzymywania, przełączniki itp., A urządzeniami wyjściowymi mogą być grzałki elektryczne, zawory, przekaźniki itp. Moduł wejścia/wyjścia pomaga w łączeniu urządzeń wejściowych i wyjściowych z mikroprocesorem.

➡ Moduł wejściowy PLC spełnia cztery główne funkcje:

1. Interfejs modułu wejściowego odbiera sygnał z urządzeń procesowych o napięciu 220 V AC
2. Konwertuje sygnał wejściowy na 5 V DC, który może być używany przez PLC
3. Blok izolacyjny służy do izolowania / zapobiegania fluktuacjom PLC
4. Po czym sygnał jest wysyłany na wyjście

W module wejściowym znajdują się dwie główne sekcje, a mianowicie sekcja mocy i sekcja logiczna. Obie sekcje są od siebie odizolowane elektrycznie. Początkowo przycisk jest zamknięty. Tak więc zasilanie 220 V AC jest podawane do obwodu mostka przez rezystory R1 i R2.

Mostek prostowniczy służy do konwersji sygnału prądu przemiennego na prąd stały, a dioda Zenera zapewnia niskie napięcie zasilania diod LED. Kiedy światło z diody LED pada na fototranzystor, działa on w obszarze przewodzenia. Na koniec do procesora jest dostarczane zasilanie 5 V DC.

Moduł wyjściowy PLC działa podobnie do modułu wejściowego, ale w procesie odwrotnym. Łączy obciążenie wyjściowe i procesor. Więc tutaj pierwsza sekcja byłaby sesją logiczną, a sekcja mocy jest następna.

Gdy wysoki sygnał logiki programu jest generowany z procesora, dioda LED zaświeci się i pozwoli, aby światło padło na fototranzystor. Kiedy tranzystor przechodzi do obszaru przewodzenia, generuje impuls do bramki triak. Blok izolacyjny służy do izolowania sekcji logicznej i sekcji sterowania.

Moduł komunikacji

Służy do sprzęgnięcia sterownika z innymi urządzeniami takimi jak programator bądź elementy sieci lokalnej w określonym standardzie (np. Profibus, Ethernet) za pomocą odpowiedniego złącza w odpowiednim standardzie (np. USB, RS232).

Moduł procesora i pamięć

Moduł CPU posiada centralny procesor, pamięć ROM i RAM. Pamięć ROM zawiera system operacyjny, sterowniki i aplikacje. Pamięć RAM służy do przechowywania programów i danych. Procesor jest mózgiem PLC z ośmiokątnym lub sześciokątnym mikroprocesorem.

Będąc procesorem opartym na mikroprocesorze, zastępuje timery, przekaźniki i liczniki. Do sterownika PLC można dołączyć dwa typy procesorów, w tym procesory jednobitowe lub tekstowe. Do wykonywania funkcji logicznych używany jest procesor jednobitowy. Natomiast procesory tekstu są używane do przetwarzania tekstu, danych liczbowych, sterowania i rejestrowania danych.

CPU odczytuje dane wejściowe z czujników, przetwarza je i ostatecznie wysyła polecenie do urządzeń sterujących.

Rodzaje sterowników PLC

Dwa główne typy sterowników PLC to stały/kompaktowy sterownik PLC i modułowy sterownik PLC.

Kompaktowy sterownik PLC
W jednym przypadku byłoby wiele modułów. Posiada stałą liczbę modułów wejścia/wyjścia i zewnętrznych kart wejścia/wyjścia. Nie ma więc możliwości rozbudowy modułów. O każdym wejściu i wyjściu decydowałby producent.

Modułowy sterownik PLC
Ten typ sterownika PLC umożliwia wielokrotną rozbudowę poprzez „moduły”, stąd określany jako modułowy sterownik PLC. Można zwiększyć liczbę komponentów wejścia/wyjścia. Jest łatwiejszy w użyciu, ponieważ każdy element jest od siebie niezależny.

Rodzaje sterowników PLC typu modułowego
PLC są podzielone na trzy typy w zależności od wyjścia, a mianowicie wyjście przekaźnikowe, wyjście tranzystorowe i wyjście PLC z wyjściem triaka. Typ wyjścia przekaźnikowego najlepiej nadaje się do urządzeń wyjściowych AC i DC. Sterownik PLC z wyjściem tranzystorowym wykorzystuje operacje przełączania i jest używany wewnątrz mikroprocesorów.

W zależności od rozmiaru fizycznego PLC dzieli się na Mini, Micro i Nano PLC.

Producentami sterowników PLC są m.in.: Allen Bradley, ABB, Siemens, Mitsubishi PLC, Hitachi PLC, Delta PLC, Honeywell PLC, Schneider Electric