Programabilni logički kontroler

Programabilni logički kontroler ili PLC (engl. programmable logic controller) je digitalni elektronski uređaj koji poseduje programabilnu memoriju za smeštanje instrukcija kojima se realizuju specifične funkcije (logičke i aritmetičke operacije, redosledno izvršavanje različitih akcija, odmeravanje vremenskih intervala, prebrojavanje događaja...) u cilju upravljanja različitim mašinama i procesima putem digitalnih i/ili analognih ulazno/izlaznih jedinica.

PLC

PLC se najviše koristi kao centralni deo upravljačkih automatskih sistema u industriji, njegov program se može brzo i jednostavno menjati te je pogodan za brza rešenja i aplikacije. Deo je mnogih mašina i procesa u industriji.

PLC je digitalni računar čiji se program izvršava ciklično i sastoji se od četiri faze:

• čitanje ulaznih promenljivih;
• izvršavanje programskog koda:
• ispisivanje rezultata logičkih operacija na izlaze;
• komunikacija sa drugim uređajima.

Program se pamti u internoj memoriji i kada uređaj ostane bez napajanja.

Projektovan je za teške uslove rada, otporan na vibracije, temperaturne promene, električne smetnje.

Istorija

Krajem šezdesetih i početkom sedamdesetih godina, napretkom industrijske proizvodnje, javila se potreba za unapređenjem samih industrijskih pogona i procesa koji se u njima odvijaju. Glavni cilj unapređenja bio je poboljšanje uslova i kvaliteta rada, povećanje produktivnosti i fleksibilnosti. U to doba, upravljanje industriskim pogonom se zasnivalo na korišćenju relejnih krugova. To je bio ogroman sistem koji se sastojao iz mnoštva elektromehaničkih releja, ponekad i preko stotinu, fizički povezanih žicama. Inženjer bi projektovao čitavu logiku sistema upravljanja, a električar bi sve te releje povezao prema shematskom planu logike.

Najveća mana ovakvog sistema su bili sami releji. Releji su mehanički uređaji, a mehanički uređaji sadrže pokretne delove koji su podložni trošenju i kvarenju. Ako bi se samo jedan relej pokvario, bilo je potrebno ispitati ceo sistem ne bi li se našao pokvareni relej te se zamenio novim. Sistem bi tokom tog perioda bio van funkcionalnosti, kao i sama proizvodnja.

Ukoliko bi se i najmanje promenili parametri proizvodnje, trebale su se napraviti i izmene upravljačkih sklopova. To je zahtevalo projektovanje novog sistema i samim tim povezivanje mnoštva releja. Rezultat toga bio je prazan hod u proizvodnji koji je za posledicu imao gubitak proizvodnog vremena i ogromne gubitke za kompaniju. Potencijalni problemi bi nastali ukoliko bi inženjer krivo isprojektovao ili električar krivo povezao sistem ili bi se pak u sistem ugradio mehanički neispravan relej. Jedini način da se proveri ispravnost sistema je da se sistem pusti u pogon.

Najmanje neispravnosti sistema donosile bi ogromne gubitke. Samim tim, ovi sistemi su bili veoma "skupi" i nefleksibilni. Trebalo je pronaći bolje rešenje za automatizaciju proizvodnih pogona.

Velika konkurencija u automobilskoj industriji naterala je inženjere na razmišljanje i kreativnost. Prvi iskorak napravila je američka kompanija "General Motors". Nastaje ideja o implementiranju elektronsko – kompjuterskog upravljačkog sistema koji bi zamenio postojeći neefikasni sistem. Takav sistem bi se mogao reprogramirati jednostavnom izmenom proizvodnog programa, bez dugotrajnih zastoja i bez zamornih povezivanja releja. 1968. godine "General Motors Hydromatic Divison", deo kompanije "General Motors", izdaje smernice za dizajniranje prvog logičkog kontrolera.

Zahtevi su bili da: mikroračunar bude otporan na industrijske uslove (povišena temperatura, niska temperatura, prašina, vibracije, vlaga, elektromagnetski uticaji...), da se jednostavno programira te da ima mogućnosti da se reprogramira i ponovno koristi za neke druge zadatke. Nakon izdatih smernica, "General Motors" je tražio potencijalne kompanije koje bi razvile proizvod. Kompanija "Gould Modicon" je prva izradila uređaj koji je odgovarao traženim specifikacijama.

Novi uređaj je pružao funkcionalnost koju su do tada obavljali relejni krugovi, zamenjujući njihovu ožičenu logiku. Isto tako, novi uređaji su bili modularni i proširivi prema potrebi. Uređaje je bilo jednostavno implementirati u zahtevno industrijsko okruženje i bili su jednostavni za korišćenje. Najveća prednost novog uređaja bila je ta što se za njegovo korišćenje nije morao učiti novi programski jezik. Programirao se jezikom koji su inženjeri i električari već znali – lestvičastim dijagramom (ladder diagram). Uređaj je prvo nazvan PC kontroler (Programmable Controllers).

Pojavom personalnih računara (Personal Computers), programibilni kontroleri dobijaju naziv programibilni logički kontroleri (Programmable Logic Controllers) kako bi se izbegla zabuna kod krajnjih korisnika. U veoma kratkom vremenu, PLC uređaji postaju široko prihvaćeni te se počinju koristiti za vođenje procesa proizvodnje i u drugim industrijama. Od tog vremena, pa do danas, PLC uređaji se neprestano usavršavaju, kako u pogledu performansi (moći obrade), softverske podrške, mogućnosti sprezanja sa najrazličitijim uređajima, tako u pogledu načina i procedura programiranja, kao i jezika koji se koriste za njihovo programiranje. Na taj način, PLC uređaji su postali "razumljiviji" široj populaciji industrijskih inženjera.

Osamdesetih godina dolazi do eksponencijalnog rasta tržišta PLC uređaja, a njihova primena se širi van industrijskih pogona, i to na sisteme kao što su elektro-energetska postrojenja, sistemi automatizacije stambenih/poslovnih objekata, sistemi obezbeđenja i nadzora,... Danas, PLC uređaji se sve više primenjuju i u oblastima kao što je medicinska oprema i uređaji, kućni aparati i sl.

Prvi PLC kontroleri su bili jednostavni uređaji za on/off upravljanje i koristili su se za zamenu zastarele relejne tehnike. Međutim, takvi PLC kontroleri nisu mogli da obezbede složenije upravljanje, kao što je upravljanje temperaturom, pritiskom, pozicijom. U međuvremenu, proizvođači PLC kontrolera razvili su i ugradili u PLC kontrolere brojna poboljšanja i funkcionalna unapređenja. Savremeni PLC kontroleri imaju mogućnost obavljanja izuzetno složenih zadataka kao što je upravljanje preciznim pozicioniranjem i upravljanje složenim tehnološkim procesima. Takođe, brzina rada PLC kontrolera je značajno povećana, kao i lakoća programiranja. Razvijeni su brojni moduli specijalne namene za primene kao što je radio komunikacija, kompjuterski vid ili čak prepoznavanje govornih komandi.

Danas postoji veliki broj različitih tipova PLC kontrolera koji se razlikuju po veličini, izgledu i moći obrade, počev od malih jedinica sa malim i ograničenim brojem ulaza i izlaza do velikih, modularnih sistema koji se mogu konfigurisati za rad sa više stotina ili čak hiljada ulaza/izlaza.

Prednosti

Iako su elektromehanički releji pouzdana kola, kombinovanje više stotina releja u složenu električnu mrežu dovodi do sledećih problema:

• Fizičke dimenzije kabineta za smeštanje relejne logike
• Ukupna cena ( releji, žice i konektori, kao i cena njihove ugradnje i povezivanja)
• Pouzdanost celokupnog sistema
• Otežano pronalaženje i otklanjanje kvarova i grešaka

Svaka promena u logici upravljanja postrojenjem zahteva novi fizički raspored i novo povezivanje releja, a za sve to vreme postrojenje mora biti zaustavljeno. Takođe, releji su mehaničke komponente koje su, s obzirom da imaju pokretne delove, sklone habanju i vremenom spontano otkazuju. Dijagnostikovanje otkaza i otklanjanje kvarova je naročito teško u sistemima sa velikim brojem releja, veza i konektora, kakvi su tipični upravljački sistemi. Za vreme dok traje otklanjanje kvara ili zamena pohabanih releja, proizvodni proces mora biti prekinut.

PLC kontroleri su razvijeni sa ciljem da se prevaziđu mnogi probemi koji su karakteristični za upravljačke sisteme zasnovane na elektromehaničkim relejima. Sa padom cene PLC kontrolera, uz istovremeno povećanje njihove funkcionalnosti i pouzdanosti, PLC kontroleri su danas u širokoj primeni. U odnosu na relejnu tehniku, PLC kontroleri su:

• Kompaktniji (ožičenje se smanjuje ~80%)
• Jeftiniji, za najveći broj primena
• Pouzdaniji
• Lakše pronalaženje kvarova i održavanje sistema
• Jednostavna promena logike upravljanja
• Mogućnost probnog rada (rad PLC kontrolera se može ispitati u laboratoriji, pre ugradnje u proizvodni pogon)
• Mogućnost vizuelnog praćenja rada

Međutim, i pored svih navedenih prednosti, ključ uspeha PLC kontrolera ipak leži u načinu njihovog programiranja. Za programiranje PLC kontrolera koristi se jezik lestvičastih logičkih dijagrama, koji je već dugi niz godina u upotrebi u industriji pri projektovanju logičkih i sekvencijalnih relejnih uređaja. Ovaj jezik koristi grafičku notaciju koja je po vizuelnom izgledu i logici rada slična dijagramima električnih šema i zbog toga je lako razumljiv industrijskim inženjerima. Drugim rečima, industrijski inženjeri ne moraju biti eksperti za programiranje da bi u svojim sistemima koristili PLC kontrolere. Program lestvičastih dijagrama se tipično razvija na personalnom računaru uz pomoć specijalizovanih softvera sa intuitivnim grafičkim interfejsom koji, dodatno, omogućavaju proveru i testiranje lestvičastog programa. Lestvičasti dijagram se upisuje u PLC kontroler uz pomoć programatora, a sam proces upisa ne traje duže od nekoliko minuta. Mogućnost brzog reprogramiranja je bitna jer proizvodni proces, uz minimalni zastoj, može biti lako prilagođen novim zahtevima.

Nedostaci

Iako su PLC kontroleri znatno bolji od svojih prethodnika - relejnih kola, i oni imaju nedostatke.

• Nova tehnologija - pokazalo se da je teško promeniti način razmišljanja industrijskih inženjera sa relejne logike na PLC koncept. Međutim, zahvaljujući sve široj primeni, ne samo u domovima i kancelarijama već sve više i u fabričkim halama, računari postaju i sredstvo za postizanje veće produktivnosti proizvodnje.
• Aplikacije sa fiksnim programom - u slučajevima gde su aplikacije zasnovane na samo jednoj funkciji koja se veoma retko ili nikada ne menja, zamena postojeće opreme PLC kontrolerom ne donosi veliki dobitak, jer se njihova glavna osobenost – mogućnost reprogramiranja – praktično ne koristi. PLC je najbolje rešenje kada su neophodne periodične promene u načinu rada.
• Bezbednost u radu - kod relejnih sistema uvek postoji tzv. STOP prekidač, kojim se u bilo kom momentu može trenutno prekinuti rad sistema isključenjem napajanja. Pri tome, relejni sistem se automatski ne resetuje kada se napajanje uključi, već zadržava stanje u kome je bilo kada je napajanje isključeno. Ovakvo ponašanje se svakako može programski ostvariti i kod PLC kontrolera, tako što će se STOP prekidač povezati na jedan od ulaza PLC kontrolera. Međutim, ovakvo rešenje nije bezbedno (ako PLC otkaže, prekidač STOP gubi funkciju!) Ovaj nedostatak se može prevazići ugradnjom bezbedonosnih releja na izlazima PLC kontrolera.

Struktura

Svi PLC kontroleri bez obzira na veličinu imaju istu hardversku strukturu, sličnu drugim računarskim sistemima, adaptiranu industrijskom okruženju, koja ima iste osnovne celine:

• CPU (eng. CPU - centralna procesorska jedinica)
• Memorija za program i podatke
• Komunikacioni deo
• Mrežni deo za napajanje
• Ulazni deo (digitalni, analogni)
• Izlazni deo (digitalni, analogni)
• Deo za proširenje

Centralna procesorska jedinica

Centralna procesorska jedinica je mozak PLC kontrolera koji odlučuje šta da se radi. CPU brine o:

• komunikaciji
• međusobnoj povezanosti ostalih delova ovog konrolera
• izvršavanju programa
• upravljanju memorijom
• nadgledanjem ulaza
• postavljanjem izlaza
• moduli za proširenje

Centralna procesorska jedinica izvodi se sa mikroprocesorom ili mikrokontrolerom kod uređaja sa manjim i srednjim brojem ulaza i izlaza ili kao multiprocesorska kod uređaja sa većim brojem ulaza i izlaza. PLC kontroler komunicira sa upravljačkim procesom preko analognih, digitalnih i brojačkih ulaza i izlaza. Informacije o stanju ulaza primarno se obrađuju i smeštaju u memoriju stanja ulaza i izlaza.

Memorija

Može podeliti na sistemsku i korisničku.

Sistemska memorija

Sistemska memorija se koristi od strane PLC-a za operativni sistem. U njoj se pored operativnog sistema nalazi i korisnički program u binarnom obliku. Ova memorija je obično EEPROM (eng. Electrically erasable programmable read - only memory) i može se menjati samo kad se radi o menjanju korisničkog programa. Korisnički program sa algoritmom obrade ulaznih informacija unosi se preko odgovarajućeg programatora, danas obično personalnog računara. Dobra praksa je da se program smešta i u RAM memoriju podržanu baterijom, tako da se izvršava iz RAM-a, odnosno da se učitava u RAM iz EEPROM-a svaki put kad se uključuje PLC, ili u slučaju gubitka podataka iz RAM-a.

Korisnička memorija

Korisnička memorija je podeljena u blokove koji imaju posebne funkcije. Jedan deo ove memorije se koristi za čuvanje stanja ulaza i izlaza, drugi deo se koristi za čuvanje vrednosti promenljivih kao što su vrednosti tajmera i brojača. Na osnovu stanja ulaza, stanja vremenskih članova, brojača i memorisanih međustanja, vrši se obrada koja formira stanja izlaza, koja se prenose u odgovarajuće memorijsko područje, a odatle preko internog basa ka izlazu.

Komunikacioni deo

Komunikacioni deo obezbeđuju pre svega komunikaciju sa nadređenim programatorom ili personalnim računarom na kojem se piše upravljački program, šalje u PLC i zatim proverava njegova funkcionalnost. Ostale mogućnosti su komunikacija sa drugim PLC uređajima i raznim senzorima, komunikacija sa operatorskim panelima, nadređenim računarima i modemskom vezom. Gotovo svi PLC-i imaju ugrađen serijski port za komunikaciju (RS232), a komunikacija se vrši preko protokola koji zavisi od proizvođača (najčešće full-duplex serijska veza).

Modul napajanja

Pored osiguravanja potrebnog napona za pojedine komponente sistema, modul napajanja nadgleda i reguliše napon koji se dovodi te upozorava centralnu procesorsku jedinicu ukoliko nešto nije kako treba. Većina PLC uređaja radi na naizmenični izvor napajanja (AC), međutim neki uređaji mogu raditi i na jednosmernim izvorom napajanja (DC). Potreban napon napajanja je 120/230 VAC ili 24 VDC.

Kako u stvarnosti dolazi do oscilacija u vrednostima napona, modul napajanja mora biti u mogućnosti tolerisati ±10% od nominalnog iznosa. To znači da ukoliko napon bude 198 VAC i 242 VAC , sistem bi trebao normalno funkcionisati. Za sve vrednosti izvan navedenog intervala java se greška procesoru.

Ulazni modul

Ulazni modul PLC kontrolera obavlja sledeća dva zadatka:

1. prihvataju ulazne signale iz spoljnjeg sveta
2. štite logičku jednicu od spoljnjeg sveta

Ulazni modul konvertuje logičke nivoe napona iz spoljnjeg sveta u logičke nivoe koje zahteva logička jedinica.

Ulazni prilagodni stepen štiti CPU od mogućih prevelikih signala na ulazu. Ulazni prilagodni stepen pretvara nivo stvarne logike u nivo logike koji odgovara CPU jedinici. Ovo se najčešće obavlja pomoću optokoplera kod digitalnih ulaza.

Izlazni modul

Izlazni prilagodni stepen takođe mora biti galvanski odvojen. Kod digitalnih izlaza, odvajanje je slično kao i kod ulaza. CPU dovodi signal na LED i uključuje ga. Svetlost pobuđuje foto tranzistor koji aktivira izlazni uređaj, obično relej koji je sposoban da vrši prekidanje jačih naponskih i strujnih signala.

Moduli za proširenje

Svaki PLC uređaj ima ograničen broj ulaza i izlaza. Ukoliko je potrebno, taj broj se može povećati preko modula za proširenje. Modul za proširenje je poseban uređaj koji se spaja na PLC. Sadrži dodatne ulazne i/ili izlazne module koje mogu biti drugačijeg tipa od onih na PLC uređaju. Napajaju se uglavnom iz PLC uređaja na koji su priključeni iako mogu imati i zasebno napajanje što nije preporučljivo. Veza PLC uređaja i modula za proširenje ostvaruje se komunikacijskim kablom.

Konstrukcija

Razlikuju se dva osnovna načina konstrukcije PLC kontrolera:

• kompaktni PLC kontroleri
• modularni PLC sistemi zasnovani na zajedničkoj magistrali.

Kompaktni PLC kontroleri

Kompaktni PLC kontroleri su nezavisni, zatvoreni uređaji sa fiksnim brojem ulaza/izlaza, bez mogućnosti proširenja.

U jednom kućištu, obično manjih dimenzija, smešetni su:

• izvor za napajanje
• procesorska jedinica
• ulazni modul
• izlazni modul

Kompaktni PLC kontroleri predstavalju ekonomično rešenje, predviđeno za upravljanje sistemima i procesima male složenosti. Obično, poseduju do 16 ulaza i 16 izlaza i memoriju od nekoliko kilobajta.

Modularni PLC sistemi

Modularni PLC sistemi se sastoje od većeg broja modula koji su smešteni unutar mehaničkog okvira tj. šasije, koji se zove rek (eng. rack). Rek poseduje veći broj slotova za smeštanje modula. Svaki slot čini par vođica duž gornje i donje stranice reka koje služe za mehaničko učvršćenje modula kao i konektor na zadnjoj ploči reka za priključivanje modula na zajedničku magistralu izvedenu na štampanoj ploči zadnje stranice reka.

• Po pravilu, prvi slot je namenjen modulu izvora napajanja, koji se priključuje na mrežni napon (220V) i generiše jednosmerne napone potrebne za rad ostatka sistema.
• Sledeći, drugi slot se koristi za modul logičke jedinice, tj. procesorski modul koji izvršava korisnički program i upravlja radom ostalih modula.
• Preostali slotovi se koriste za module specijalne namene, kao što su U/I moduli, memorijski moduli i sl.

Ovakav način kontrukcije omogućava lako proširenje sistema. Na primer, ako je potrebno povećati broj ulaza/izlaza dovoljno je ugraditi dodatni U/I modul. Ili, ako zbog povećanih zahteva obrade, postojeći procesorski modul više nije odgovarajući, on se može zameniti novim, moćnijim, a da pri tome ostali moduli ne moraju biti zamenjeni. Broj slotova u jednom PLC reku je, tipično, od 4 do 16. Mogućnost proširenja PLC sistema nije ograničena samo na jedan rek. Uz pomoć posebnih modula za proširenje moguće je povezati dva ili više reka, što omogućuje da se jednim procesorskim modulom upravlja velikim brojem dodatnih modula.

Programiranje

PLC radi na bazi izvršavanja programa koji je za njega napisan. Pisanje programa se izvodi na personalnom računaru u okviru instaliranog softvera za PLC.

Svaki proizvođač uz svoj PLC isporučuje i softver koji se sastoji od:

• programskog editor - služi za pisanje korisničkog programa, liniju po liniju
• kompajlera - proverava sintaksu napisanog programskog koda
• komunikacijskog softvera - služi za prenos ispravno napisanog programskog koda sa ličnog računara u RAM memoriju PLC uređaja

PLC se može programirati i ručnim programatorima, koji poseduju LCD displej i malu tastaturu. Direktno se povezuju sa PLC-om. Obično služe da se naprave male izmene u programu, kada se to mora obaviti u pogonu.

Proizvođači PLC-a uz njih isporučuju namenske programske jezike, koji su manje više u skladu sa standardom IEC 61131-1 (IEC = International Electrotechnical Commision).Po tom standardu programski jezici za kodiranje dele se na tekstualne i grafičke.

Tekstuali programski jezici su:

• IL – Instruction List (klasa asemblerskih jezika)
• ST – Structured Text (klasa proceduralnih jezika)

Grafički programski jezici su:

• LD – Ladder Diagram (lestvičasti dijagram)
• FBD – Function Block Diagram (funkcionalni blok dijagram).

Neki proizvođači nude i mogućnost programiranja pomoću BASIC i C programskih jezika, ali ti jezici nemaju širu zastupljenost.

Princip rada

Prihvatanje ulaza, obrada i ispis izlaza se ciklično ponavlja u skladu sa unesenim programom, određene dužine trajanja, zavisne od broja ulaza i izlaza i složenosti algoritma i vrste primenjenog procesora.

Programski ciklus se sastoji od četiri faze. Pri inicijalizaciji (uključenju), PLC prvo proverava moguće greške u svom hardveru i softveru. Ako ih ne pronađe, preuzima stanja ulaza (iz registara ulaza) i kopira njihove vrednosti u memoriju na zato predviđene lokacije. Taj postupak se naziva ulazni sken, a podaci u memoriji se nazivaju slika ulaza. Koristeći ulazne podatke, odnosno njihovu sliku, procesor izvršava programske naredbe kojima su definisane odgovarajuće aritmetičko logičke funkcije u fazi koja se naziva programski sken. Pri tom se rezultati obrade smeštaju u zato predviđeno memorijsko područje nazvano slika izlaza. Po završetku programskog skena u fazi nazvanoj izlazni sken podaci iz slike izlaza prenose se na izlaze (registre izlaza). Na ovaj način stvara se utisak da je PLC sve operacije definisane programom obavio u isto vreme. Četvrti deo sken ciklusa - komunikacija - namenjen je realizaciji razmene podataka sa uređajima koji su povezani sa PLC-om. Nakon toga, operativni sistem dovodi PLC u fazu održavanja u okviru koje se ažuriraju interni tajmeri i registri, obavlja upravljanje memorijom kao i niz drugih poslova vezanih za održavanje sistema, o kojima korisnik i ne mora da bude informisan. U zavisnosti od tipa ugrađenog mikroprocesora ulazni i izlazni sken ciklus izvršavaju se u vremenu reda milisekundi (od 0.25ms do 2,56ms). Trajanje programskog skena, svakako zavisi od veličine programa.

Izvori

• Turajlić, Srbijanka (2008), Programabilni logički kontroleri
  Allen Bradley – SLC500 (na jeziku: srpskohrvatski), Beograd 
• Matić, Nebojša (2001), Uvod u industrijske PLC kontrolere (na jeziku: srpskohrvatski), Beograd: mikroElektronika 
• Malčić, Goran, Programabilni logički kontroleri – interna skripta (na jeziku: srpskohrvatski), Zagreb: Tehničko veleučilište u Zagrebu 
• Rajić, Florijan (2001), Automatizacija postrojenja (na jeziku: srpskohrvatski), Zagreb: Školska knjiga 
• L.A., Bryan; E.A., Bryan (1997), Programmable Controllers [Programabilni kontroleri] (na jeziku: engleski), Atlanta: An Industrial Text Company 
• Bolton, W. (2006), Programmable Logic Controllers [Programabilni logički kontroleri] (na jeziku: engleski), Berlington: Elsevier Newnes