Programowalne sterowniki logiczne

Programowalny sterownik logiczny (ang. programmable logic controller — PLC) jest rodzajem komputera przemysłowego przeznaczonego do sterowania urządzeniami i procesami przemysłowymi, takimi jak silniki, linie montażowe oraz maszyny do przetwarzania i przenoszenia. Sterowniki PLC, zaprojektowane tak, aby były odporne na trudne warunki, idealnie nadają się do aplikacji sterujących w środowiskach, w których występują duże ilości pyłu lub wilgoci, wibracje, wstrząsy i ekstremalne temperatury.

Silniki są szeroko stosowane w aplikacjach przemysłowych, a sterowniki PLC są idealnym rozwiązaniem do ich sterowania. Pozwalają one na łatwe wdrożenie złożonych reguł: na przykład po naciśnięciu przycisku startu silnik powinien się uruchomić tylko wtedy, gdy czujniki wskazują na obecność osłon bezpieczeństwa i nie występują warunki błędu.

Czym są sterowniki PLC?

Sterownik PLC to sterownik przemysłowy oparty na mikroprocesorze. Posiada programowalną pamięć używaną do przechowywania instrukcji programu i różnych funkcji. Sterownik PLC gromadzi dane z czujników lub innych urządzeń wejściowych, przetwarza te dane zgodnie z ustawionymi parametrami, a następnie generuje odpowiednie wyjścia.

Wyjścia te mogą być poleceniami do uruchomienia lub zatrzymania maszyny lub uruchomienia alarmów ostrzegających, że proces przekroczył swoje wartości graniczne.

Sterownik PLC składa się z pięciu głównych elementów:

• Jednostka procesorowa: interpretuje wejścia, wykonuje zapisany program sterowania i wysyła sygnały wyjściowe
• Zasilacz: przetwarza napięcie prądu zmiennego (AC) na prąd stały (DC)
• Jednostka pamięci: przechowuje dane otrzymane z wejść oraz program wykonywany przez procesor
• Interfejs wejścia i wyjścia: wykorzystywany przez sterownik do odbierania i wysyłania danych z i do urządzeń zewnętrznych
• Interfejs komunikacyjny: odbiera i przesyła dane w sieciach komunikacyjnych do i ze zdalnych sterowników PLC

Sterowniki PLC są łatwe do zaprogramowania, nawet przez osoby z niewielkim doświadczeniem w zakresie języków programowania. Najczęściej stosowaną metodą jest graficzny język programowania zwany schematem drabinkowym. Sterowniki PLC oferują również wysoką niezawodność i łatwą diagnostykę błędów w procesach.

Zastąpiły one przewodowe systemy sterowania oparte na przekaźnikach, które były czasochłonne i trudne do zaprojektowania oraz nastręczały kłopotów przy rozwiązaniu problemów. Pomimo pojawienia się bardziej zaawansowanych systemów sterowania opartych na standardowym sprzęcie komputerowym, sterowniki PLC pozostają popularne ze względu na swoją solidną konstrukcję i łatwość obsługi.

Jak sterownik PLC steruje silnikiem?

Sterowniki PLC nie sterują bezpośrednio silnikami. Dostarczają one raczej sygnał wyjściowy do urządzenia pośredniego, takiego jak przekaźnik lub napęd o zmiennej częstotliwości (ang. variable frequency drive — VFD), który nakazuje włączenie silnika.

Sterowniki PLC są w efekcie bardzo elastycznymi komputerami przemysłowymi, które mogą wykorzystywać szeroką gamę sygnałów wejściowych i wyjściowych. Mogą one przyjmować dwie formy: sygnałów dyskretnych lub analogowych. Sygnały dyskretne mogą przyjmować tylko wartość włączenia lub wyłączenia z urządzeń takich jak łączniki krańcowe, czujniki i kodery.

Sygnały analogowe mogą wykorzystywać napięcie lub prąd, które są proporcjonalne do monitorowanej zmiennej i mogą przyjmować dowolną wartość w ramach ich skali. Parametry wejściowe wykorzystujące sygnał analogowy obejmują ciśnienie, natężenie przepływu i masę.

Sygnały dyskretne są najbardziej odpowiednim typem do prostego sterowania silnikiem. W większości przypadków operatorzy będą potrzebowali jedynie polecenia włączenia lub wyłączenia na wyjściu lub odczytania stanu czujnika, który określa, czy silnik jest w stanie bezpiecznym, umożliwiającym pracę.

Typowa aplikacja sterowania silnikiem przez sterownik PLC

W aplikacji sterowania silnikiem silnik będzie podłączony do zasilacza silnika, który dostarcza do silnika moc, zwykle trójfazowe zasilanie 415 V. Programowanie schematu drabinkowego umożliwia zaprogramowanie sterownika PLC w celu reagowania na wejścia z przełączników i czujników. Dlatego też sterownik PLC dostarczy sygnał włączenia silnika tylko wtedy, gdy spełnione zostaną określone warunki.

Sterownik PLC będzie miał kilka wejść, w tym przycisk startu, przycisk zatrzymania i kilka wejść blokad — na przykład wysokie wibracje silnika, przeciążenie, wysoka temperatura silnika i czujniki na barierach ochronnych. Będzie on również posiadał wejście wskazujące, czy silnik jest pod kontrolą lokalną z poziomu panelu, czy zdalną z poziomu sterownika PLC.

Podstawowym działaniem jest uruchomienie silnika po wciśnięciu przycisku start. Jeżeli którekolwiek z wejść blokady zostanie aktywowane, program sterownika PLC odczyta to jako błąd i uniemożliwi uruchomienie silnika. Sterownik PLC musi również zatrzymać silnik po naciśnięciu przycisku stop lub gdy wejścia z blokad osiągną stan wysoki, wskazując na stan błędu lub problem związany z bezpieczeństwem.

Sterowniki PLC mogą wykorzystywać również inne wejścia do sterowania silnikiem podczas pracy. Sygnały analogowe, takie jak prędkość, prąd i temperatura silnika, mogą być wykorzystane do zapewnienia optymalnego wykonania zadania; natomiast sygnały takie jak ograniczniki krańcowe zapewnią, że ładunek poruszany przez silnik pozostanie w określonym obszarze fizycznym.

Sterowanie silnikiem prądu stałego przez sterownik PLC

Silniki prądu stałego najłatwiej jest obsługiwać za pomocą przekaźników. Przekaźnik elektromechaniczny (ang. electromechanical relay — EMR) jest zasadniczo przełącznikiem sterowanym przez elektromagnes. Przekaźnik włącza lub wyłącza obwód obciążenia poprzez wzbudzenie elektromagnesu, który z kolei otwiera lub zamyka styki połączone szeregowo z obciążeniem. Przekaźniki są zazwyczaj używane do sterowania małymi obciążeniami o wartości nieprzekraczającej 15 A.

Przekaźnik ma dwa obwody, wejście cewki (zwane również obwodem sterowania) i wyjście styku (obwód obciążenia). W obwodach silnikowych często stosuje się przekaźniki EMR do sterowania cewkami w stycznikach i rozrusznikach silnikowych.

Przekaźnik zwykle ma tylko jedną cewkę, ale może mieć wiele różnych styków. Przekaźniki EMR posiadają zarówno styki stacjonarne jak i ruchome, przy czym styki ruchome są przymocowane do twornika. Styki są oznaczone jako normalnie otwarte (ang. normally open — NO) i normalnie zamknięte (ang. normally closed — NC). Gdy cewka jest pod napięciem, powstaje pole elektromagnetyczne, które powoduje ruch twornika, zamykając styki NO i otwierając styki NC.

Cewki są zwykle oznaczane literą, przy czym M stosuje się do rozrusznika silnika, natomiast CR do przekaźników sterujących. Styki przekaźników sterujących są małe, ponieważ muszą obsługiwać tylko niewielkie prądy stosowane w obwodach sterowania, co pozwala im zawierać liczne izolowane styki.

Podobnym urządzeniem do przekaźnika EMR jest stycznik, przy czym główną różnicą jest wielkość i liczba styków. Styczniki przeznaczone są do bezpośredniego podłączenia do urządzeń obciążonych wysokim prądem. Urządzenia przełączające prąd powyżej 15 A lub w obwodach o mocy znamionowej powyżej kilku kilowatów określa się ogólnie jako styczniki.

Jak sterownik PLC steruje prędkością silnika?

Sterowniki PLC mogą być wykorzystywane do sterowania prędkością silników prądu zmiennego za pośrednictwem napędu o zmiennej prędkości (ang. variable speed drive — VSD), znanego również jako napęd o zmiennej częstotliwości (VFD). W sterowaniu silnikiem z napędem VFD częstotliwość zasilania silnika prądem zmiennym jest zmieniana. Ponieważ prędkość silnika indukcyjnego zależy od częstotliwości zasilania, napęd VFD można wykorzystać do zmiany jego prędkości. To rozwiązanie może być także stosowane z silnikami synchronicznymi.

Napęd VFD to zasadniczo konwerter mocy, który wykorzystuje elektronikę do przekształcenia stałej częstotliwości i stałego napięcia w zmienną częstotliwość i zmienne napięcie. Zazwyczaj będzie on miał programowalny interfejs użytkownika, który pozwala na łatwe monitorowanie prędkości silnika elektrycznego.

Ponieważ poprzez kontrolę prędkości silnika napędy zmniejszają wydajność aplikacji, takiej jak pompa lub wentylator, może to często zmniejszyć zużycie energii o 50%, a w skrajnych przypadkach nawet o 90%.

Podczas gdy napęd VFD kontroluje prędkość silnika, sam napęd VFD może być sterowane zdalnie za pomocą sterownika PLC. Aby to osiągnąć, sterownik PLC musi dostarczyć do napędu VFD wartość zadaną dla prędkości silnika. Może to nastąpić automatycznie ze sterownika PLC lub może być ustawione przez operatora za pomocą interfejsu człowiek–maszyna (ang. human–machine interface — HMI). W tym układzie sterownik PLC kontroluje prędkość napędu poprzez wartość zadaną, a napęd VFD kontroluje prędkość silnika poprzez regulację jego częstotliwości, aby osiągnąć wartość zadaną.

Typowa aplikacja napędu VFD do sterowania prędkością silnika może wykorzystywać funkcje sterowania PID, które oferują niektóre sterowniki PLC. Jak sama nazwa wskazuje, regulator PID składa się z głównych trzech współczynników: proporcjonalnego (ang. proportional), całkowego (ang. integral) i pochodnego (ang. derivative). Jako część systemu sterowania w pętli zamkniętej, sterownik PLC będzie wykorzystywał funkcję PID do oceny prędkości silnika i generowania odpowiedniego wyjścia. Takie informacje zostaną wysłane do napędu VFD, dzięki czemu silnik będzie mógł zwolnić lub przyspieszyć, aby osiągnąć wymaganą wartość zadaną.

Zalety sterowników PLC w aplikacjach napędów silników

Sterowniki PLC oferują kilka korzyści dla aplikacji napędów silników. Ponieważ silniki w zakładach przemysłowych często znajdują się w zapylonej lub wilgotnej atmosferze lub tam, gdzie występuje wysoki stopień drgań mechanicznych, urządzenia sterujące muszą być wytrzymałe i solidne, a sterowniki PLC właśnie to zapewniają.

Dobre przemysłowe sterowniki PLC nie są zwykle narażone na zakłócenia elektryczne powszechne w większości lokalizacji przemysłowych. Ponieważ mają bardzo mało ruchomych części, ryzyko usterek i uszkodzeń jest także znacząco ograniczone. Są one również kompaktowe i łatwe do umieszczenia w wielu miejscach, gdzie sterowanie silnikiem może być potrzebne.

Programowanie sterownika PLC również jest proste, ponieważ są one programowane w logice drabinkowej przekaźników lub innych łatwych do nauczenia się językach. Dzięki wbudowanemu w jego pamięć językowi programowania oraz terminalom dla urządzeń polowych wejścia i wyjścia oraz portom komunikacyjnym, istniejące programy mogą być w każdej chwili łatwo modyfikowane. Dzięki temu inżynierowie z niewielkim doświadczeniem w programowaniu mogą znacznie łatwiej napisać lub dostosować programy do zarządzania aplikacjami silnikowymi.

Pomimo swojej prostoty sterowniki PLC są oparte na technologii mikroprocesorów półprzewodnikowych i jako takie stanowią wielki postęp w stosunku do czysto elektromechanicznych form sterowania silnikiem, takich jak przekaźniki. Podstawową wadą przekaźników jest to, że wymagają okablowania, aby spełniały określoną funkcję. Oznacza to, że gdy zmieniają się wymagania dotyczące układu silnika, należy również zmienić lub zmodyfikować okablowanie przekaźnika. Dzięki funkcjom programistycznym sterowniki PLC pozwoliły wyeliminować znaczną część okablowania wymaganego w konwencjonalnych obwodach sterowania silnikami opartych na przekaźnikach.

Po napisaniu i przetestowaniu programu można go łatwo pobrać do innych sterowników PLC obsługujących podobne aplikacje silnikowe. Ponieważ cała logika zapisana jest w pamięci sterownika PLC, wyeliminowano możliwość wystąpienia błędów w okablowaniu logiki.

W przypadku wystąpienia błędów rozwiązywanie problemów z aplikacjami opartymi na sterowniku PLC jest proste dzięki wbudowanej diagnostyce i funkcjom nadrzędnym, które pozwalają użytkownikom łatwo śledzić i korygować problemy zarówno w oprogramowaniu, jak i sprzęcie. Na przykład: użytkownicy mogą wyświetlać program sterujący na monitorze i obserwować go w czasie rzeczywistym podczas wykonywania. Rozwiązywanie problemów ułatwiają również wskaźniki błędów i komunikaty wyświetlane na ekranie programatora.

Dzięki możliwościom programowania sterowniki PLC oferują również większą elastyczność. W przypadku sterownika PLC relacje między wejściami i wyjściami są regulowane przez program użytkownika, a nie sposób ich łączenia. Producenci sprzętu oryginalnego mogą aktualizować system wysyłając nowy program, natomiast użytkownicy końcowi mogą modyfikować program w terenie. Użytkownicy mogą również dodać dodatkowe moduły funkcyjne i czujniki, aby zwiększyć elastyczność i wydajność systemu sterowania silnikiem opartego na sterowniku PLC. Na przykład czujnik temperatury może wskazywać, że proces wymaga chłodzenia lub ogrzewania, a sterownik PLC może włączyć silnik, aby napędzić wentylator chłodzący lub przekazać ciepło konwekcyjne ze źródła ciepła.

Sterowniki PLC posiadają również zaawansowane możliwości komunikacyjne i mogą komunikować się z innymi sterownikami lub sprzętem komputerowym. Dzięki temu mogą one realizować takie funkcje jak kontrola nadzorcza, gromadzenie danych, monitorowanie urządzeń i parametrów procesu oraz pobieranie i wysyłanie programów. Sterowniki PLC mogą także korzystać z wielu standardowych protokołów komunikacyjnych.

Dzięki tym wszystkim zaletom sterowniki PLC są idealnym sposobem sterowania aplikacjami silnikowymi. Wytrzymałe, solidne i łatwe do zaprogramowania, oferujące wysoką niezawodność i elastyczność — sterowniki PLC wprowadzają zaawansowane sterowanie silnikami przemysłowymi do obiektów bez konieczności przyjmowania pełnego systemu automatyki. Oferując zdolność do samodzielnego działania, ale z elastycznością do komunikowania się z innymi jednostkami, jak również zdolność do przyjmowania danych z szerokiej gamy czujników, sterowniki PLC mogą odpowiadać szerokiej gamie aplikacji sterowania silnikami.