1. Johdatus taajuusmuuttajiin (taajuusmuuttajat) Nykyaikaisen teollisen valvonnan alalla ...
LUE LISÄÄOhjelmoitava logiikkaohjain (PLC) on kestävä teollisuustietokone, joka on suunniteltu erityisesti valvomaan antureista ja kenttälaitteista tulevia tuloja, suorittamaan tallennettua ohjausohjelmaa ja ohjaamaan lähtöjä, kuten moottoreita, venttiileitä, toimilaitteita ja indikaattoreita, reaaliajassa. Toisin kuin yleiskäyttöiset tietokoneet, PLC on suunniteltu toimimaan luotettavasti vaativissa teollisuusympäristöissä, joille on ominaista sähköinen melu, tärinä, äärimmäiset lämpötilat ja pöly, ja samalla se suorittaa ohjausohjelmia deterministisellä ajoituksella – mikä tarkoittaa, että ohjain suorittaa skannausjaksonsa ennustettavassa, toistettavissa olevassa ajassa prosessiolosuhteista riippumatta. Tämä teollisen karkaisun ja reaaliaikaisen determinismin yhdistelmä tekee PLC:istä vakioautomaation ohjaimen valmistus-, prosessiteollisuudessa, apulaitoksissa, rakennusautomaatiossa ja infrastruktuurissa maailmanlaajuisesti.
PLC kehitettiin 1960-luvun lopulla nimenomaan korvaamaan suuret sähkömekaaniset releryhmät, jotka ohjasivat autojen kokoonpanolinjoja – järjestelmiä, jotka olivat kalliita asentaa, vaativat merkittäviä johdotuksia muuttaakseen ja vaativat jatkuvaa huoltoa relekontaktien kuluessa ja epäonnistuessa. Korvaamalla fyysisen relelogiikan ohjelmoitavalla ohjelmistopohjaisella vastineella PLC antoi tuotantoinsinööreille mahdollisuuden muuttaa koneen käyttäytymistä vaihtamalla ohjelmaa paneelin uudelleenjohdotuksen sijaan, mikä lyhensi dramaattisesti tuotannon vaihtamiseen kuluvaa aikaa ja kustannuksia. Kuusikymmentä vuotta myöhemmin ydinkonsepti pysyy ennallaan, mutta nykyaikaisena ohjelmoitavat logiikkaohjaimet ovat laajentuneet yksinkertaisista releiden vaihdoista kehittyneiksi automaatioalustoiksi, jotka tukevat nopeaa liikkeenohjausta, prosessinohjausta, turvallisuustoimintoja, konenäköintegraatiota ja teollista verkkoviestintää monimutkaisten monijärjestelmäarkkitehtuurien välillä.
Ohjelmoitavan logiikkaohjaimen perustoimintaperiaate on skannausjakso – toistuva toimintosarja, jota PLC suorittaa jatkuvasti niin kauan kuin se on ajotilassa. Pyyhkäisysyklin ymmärtäminen on välttämätöntä PLC:n käyttäytymisen ymmärtämiseksi, erityisesti aikakriittisissä sovelluksissa, joissa vasteaika tulon muutokseen määrittää, toimiiko ohjausjärjestelmä oikein.
Normaali PLC-skannausjakso koostuu neljästä peräkkäisestä vaiheesta. Ensin tuloskannaus lukee kaikkien liitettyjen digitaalisten ja analogisten tulojen – anturien, kytkimien, kooderien, lähettimien – nykyisen tilan ja kopioi nämä arvot muistiin tulevaan kuvarekisteriin. Toiseksi ohjelman skannaus suorittaa muistiin tallennetun ohjausohjelman käyttämällä sisääntulokuvan arvoja (ei reaaliaikaisia tulolukemia) loogisten ehtojen arvioimiseksi ja vaaditun lähtöjen tilan määrittämiseksi. Kolmanneksi tulosskannaus kirjoittaa ohjelman määrittämät lähtökuva-arvot fyysiseen lähtölaitteistoon aktivoimalla tai deaktivoimalla kytketyt laitteet. Neljänneksi taloudenhoitovaihe hoitaa tiedonsiirron, itsediagnostiikan ja sisäisten ajastimien ja laskurien päivityksen ennen syklin toistumista.
Yhden skannausjakson suorittamiseen tarvittava aika – skannausaika – on tyypillisesti 1–10 millisekuntia useimmissa vakiosovelluksissa, vaikka se kasvaakin ohjelman monimutkaisuuden ja I/O-pisteiden määrän myötä. Skannausjakson arkkitehtuuri tarkoittaa, että tulotilan muutoksiin reagoidaan vasta seuraavassa skannausjaksossa, mikä tuo ohjausvasteeseen yhden skannausjakson maksimilatenssin. Useimmissa teollisuusautomaatiosovelluksia varten tämä latenssi on täysin hyväksyttävä. Nopeissa sovelluksissa – servo-liikkeenohjaus, suurtaajuinen laskenta tai turvallisuustoiminnot, jotka vaativat alimillisekuntivastetta – erityisiä keskeytysrutiineja, omistettuja liikeprosessoreja tai erillisiä turva-PLC:itä käytetään ohittamaan vakioskannausjakson latenssi.
PLC-järjestelmä koostuu useista erillisistä laitteistokomponenteista, jotka yhdessä muodostavat täydellisen automaatioohjaimen. Kunkin komponentin toiminnan ymmärtäminen selventää, kuinka PLC-järjestelmä määritellään, kootaan ja ylläpidetään.
CPU-moduuli on PLC:n aivot - se sisältää prosessorin, joka suorittaa ohjausohjelman, muistin, joka tallentaa ohjelman ja tiedot, sekä tietoliikennerajapinnat, jotka muodostavat yhteyden ohjelmointityökaluihin ja muihin automaatiojärjestelmiin. CPU-kyvylle on tunnusomaista käsittelynopeus (skannausaika 1000 tikapuulogiikan käskyä kohti), ohjelmamuistikapasiteetti (yleensä kilotavuista megatavuihin PLC-luokasta riippuen), datamuisti muuttuvien arvojen ja prosessitietojen tallentamiseen sekä tuettujen tiedonsiirtoprotokollien valikoima. Huippuluokan CPU-moduulit sisältävät myös reaaliaikaiset kellot, tiedonkeruutoiminnon ja sisäänrakennetut OPC UA- tai MQTT-palvelimet, jotka mahdollistavat suoran yhteyden teollisiin IoT- ja pilvijärjestelmiin ilman lisälaitteita.
I/O-moduulit ovat fyysinen rajapinta PLC:n ja kenttälaitteiden – anturien, kytkimien, venttiilien, moottoreiden ja instrumenttien – välillä, joita ohjausjärjestelmä valvoo ja ohjaa. Digitaaliset tulomoduulit vastaanottavat päälle/pois-signaaleja laitteista, kuten läheisyysantureista, painikkeista ja rajakytkimistä, muuntaen kenttätason jännitteen (yleensä 24 VDC tai 120/240 VAC) logiikkatason signaaliksi, jonka CPU voi lukea. Digitaaliset lähtömoduulit kytkevät virran kenttälaitteisiin, kuten solenoidiventtiileihin, moottorin käynnistimiin ja merkkivaloihin. Analogiset tulomoduulit muuntavat jatkuvasti muuttuvat signaalit - 4-20 mA virtasilmukat, 0-10 V jännitesignaalit, termoparijännitteet, RTD-vastusarvot - digitaalisiksi arvoiksi, joita CPU voi käsitellä. Analogiset lähtömoduulit muuntavat digitaaliset arvot CPU:sta suhteellisiksi analogisiksi signaaleiksi säädettävänopeuksisten käyttöjen, suhteellisten venttiilien ja muiden jatkuvasti muuttuvien laitteiden ohjaamiseksi. Erikoistuneet I/O-moduulit sisältävät nopeat laskuritulot enkooderin takaisinkytkentää varten, sarjaliikennemoduulit ja turvaluokiteltu I/O toiminnallisia turvallisuussovelluksia varten.
PLC-virtalähdemoduuli muuntaa tulevan verkkotehon (yleensä 120 VAC tai 240 VAC) tai DC-väylän tehon CPU- ja I/O-moduulien vaatimiksi säädellyiksi tasajännitteiksi. Virtalähteen valintaan kuuluu lähtövirran kapasiteetin sovittaminen telineen tai järjestelmän kaikkien moduulien kokonaisvirrankulutukseen vähintään 20–30 %:n marginaalilla luotettavuuden ja tulevan laajennuksen huomioon ottamiseksi. Redundantit virtalähdekokoonpanot – joissa kaksi virtalähdemoduulia toimii rinnakkain automaattisen vikasietoisuuden kanssa – ovat vakiona korkean käytettävyyden järjestelmissä, joissa suunnittelematon sammutus virtalähteen katkeamisen vuoksi olisi kohtuuttoman kallista.
Telineeseen asennetuissa modulaarisissa PLC-järjestelmissä taustalevy on piirilevy, joka tukee ja yhdistää sähköisesti prosessorin, virtalähteen ja I/O-moduuleja. Taustalevy kuljettaa sisäisen dataväylän, tehonjakelun ja joissakin järjestelmissä koordinoidun monimoduulitoiminnan edellyttämät reaaliaikaiset synkronointisignaalit. Telineen koko — moduulipaikkojen lukumäärän mukaan — määrittää, kuinka monta I/O-moduulia voidaan asentaa yhteen telineeseen, ja järjestelmissä, jotka vaativat enemmän I/O:ta kuin yhteen telineeseen mahtuu, useat telineet liitetään laajennuskaapeleilla tai etä-I/O:lla teollisuusverkon kautta.
PLC:itä valmistetaan useissa eri mittakaava- ja monimutkaisuusvaatimuksiin soveltuvissa muototekijöissä. Sopivan PLC-muototekijän valitseminen sovellukselle edellyttää ohjaimen I/O-kapasiteetin, laajennettavuuden ja prosessointikyvyn sovittamista ohjattavan koneen tai prosessin nykyisiin ja ennakoituihin tuleviin vaatimuksiin.
| PLC tyyppi | Tyypillinen I/O-määrä | Laajennettavuus | Parhaiten sopivat sovellukset | Esimerkkituotteet |
| Nano / mikro PLC | 6 – 40 I/O | Rajoitettu tai ei mitään | Yksinkertaiset koneet, OEM-laitteet, releiden vaihto | Siemens LOGO!, Omron CP1E |
| Kompakti PLC | 20 – 256 I/O | Laajennusmoduuleja saatavilla | Pienet ja keskikokoiset koneet, pakkaus, LVI | Allen-Bradley Micro820, Siemens S7-1200 |
| Modulaarinen PLC | 64 – 4 096 I/O | Erittäin laajennettavissa etä-I/O:lla | Monimutkaiset koneet, tuotantolinjat, prosessilaitos | Siemens S7-1500, Allen-Bradley ControlLogix |
| Telinepohjainen PLC | 256 – 65 000 I/O | Useita telineitä, hajautettu I/O | Suuret prosessilaitokset, sähköntuotanto, DCS-vastaava ohjaus | Allen-Bradley PLC-5, GE RX3i, Schneider Premium |
| Turva-PLC (SIL-luokitus) | Vaihtelee | Laajennettavissa turva-I/O:lla | Hätäpysäytys, turvalukitus, SIL 1-3 toiminnot | Pilz PSS 4000, Siemens S7-1500F, AB GuardLogix |
Pienikokoisesta PLC-kategoriasta on tullut PLC-markkinoiden merkittävin kasvualue, jota ohjaavat Siemens S7-1200- ja Allen-Bradley Micro820 -tuotteet, jotka tarjoavat aiemmin vain täysikokoisiin modulaarisiin järjestelmiin liittyviä ominaisuuksia – mukaan lukien liikkeenohjaus, PID-prosessin ohjaus ja Ethernet-pohjainen teollisuusviestintä – pienessä muodossa, joka sopii asennettavaksi ilman erillistä paneeliasennusta. Uusissa koneautomaatioprojekteissa, joissa I/O-määrät ovat alle 200 pistettä, pienikokoinen modulaarinen PLC on nyt useimpien automaatioinsinöörien oletuslähtökohta suurempien telinepohjaisten järjestelmien sijaan, jotka olivat välttämättömiä vuosikymmen sitten.
PLC-ohjelmointi on standardoitu IEC 61131-3:n mukaan, joka määrittelee viisi ohjelmointikieltä, joita yhteensopivien PLC-kehitysympäristöjen on tuettava. Eri kielet sopivat erilaisiin ohjauslogiikkatyyppeihin ja erilaisiin suunnittelutaustoihin, ja useimmat nykyaikaiset PLC-ohjelmointityökalut mahdollistavat useiden kielten käytön yhdessä projektissa – jolloin suunnittelijat voivat valita sopivimman kielen ohjelman jokaiselle osalle.
Ladder Diagram on laajimmin käytetty PLC-ohjelmointikieli, erityisesti Pohjois-Amerikassa ja erillisissä valmistusympäristöissä. Graafinen esitys jäljittelee relelogiikkakaavioita, jotka PLC:t alun perin suunniteltiin korvaamaan – logiikan vaakasuorat puolat yhdistävät vasemman ja oikean tehokiskon normaalisti avoimella ja normaalisti suljetulla kosketinsymbolilla, jotka edustavat tuloolosuhteita ja kelasymbolit, jotka edustavat lähtökäskyjä. Tikaslogiikka on intuitiivinen sähköinsinööreille, jotka tuntevat relepiirikaaviot, ja se on helppo lukea ja tehdä vianmääritys verkossa (PLC:n ollessa ajotilassa aktiiviset elementit korostetaan ohjelmointiohjelmistossa, mikä mahdollistaa vikatilanteiden visuaalisen jäljittämisen). Ladder Diagramin rajoitus on, että siitä tulee raskas monimutkaisille matemaattisille operaatioille, tietojen käsittelylle ja peräkkäiselle ohjelmointille, jotka ilmaistaan luonnollisemmin tekstipohjaisilla kielillä.
Toimintolohkokaavio esittää ohjauslogiikkaa toisiinsa kytkettyinä graafisina lohkoina – jokainen lohko sisältää tietyn toiminnon (AND-portin, PID-säätimen, laskurin, ajastimen, moottorin toimintolohkon) tulo- ja lähtöliitännöillä, jotka on esitetty johtoina lohkojen välillä. FBD on hallitseva kieli prosessinohjaussovelluksissa – se liittyy luonnollisesti prosessi-insinööreille tuttuihin putki- ja instrumentointikaavioihin (P&ID), ja monimutkaisten toimintojen (PID-silmukat, venttiilin ohjaus, moottorin suojaus) kapselointi standardoituihin uudelleenkäytettäviin toimintolohkoihin vähentää ohjelmointia merkittävästi prosessilaitossovelluksissa. Useimmat prosessi- ja turvallisuuspainotteiset PLC-alustat tarjoavat laajat kirjastot IEC 61511 -yhteensopivista toimintolohkoista yleisiä prosessinohjaus- ja turvallisuustoimintoja varten.
Structured Text on korkean tason tekstipohjainen kieli, joka muistuttaa syntaktisesti Pascalia tai C:tä, ja se tukee ehdollisia lausekkeita, silmukoita, matemaattisia lausekkeita, merkkijonojen käsittelyä ja monimutkaisia tietorakenteita, jotka ovat hankalia tai mahdottomia graafisilla kielillä. Ohjelmistokehitystaustaiset automaatioinsinöörit käyttävät ST:tä yhä useammin, ja se on suositeltu kieli monimutkaisessa tietojenkäsittelyssä, reseptien hallinnassa, viestinnän käsittelyssä ja kaikissa sovelluksissa, jotka vaativat kehittynyttä algoritmilogiikkaa, jota graafiset kielet eivät pysty ilmaisemaan tehokkaasti. IEC 61131-3 -standardin Structured Text -määritelmä on tehnyt siitä aidon siirrettävän eri PLC-alustojen välillä – yhden merkin PLC:n ST-kielellä kirjoitettu koodi voidaan mukauttaa toisen merkin alustalle suhteellisen pienin muutoksin, toisin kuin Ladder Diagram -koodi, jossa käytetään yleensä valmistajakohtaisia ohjeita ja käytäntöjä.
Peräkkäinen toimintokaavio edustaa ohjausohjelmia vaiheiden ja siirtymien vuokaaviona – jokainen vaihe sisältää toimintoja (ohjelmoitu LD-, FBD- tai ST-muodossa), ja jokainen siirtymä määrittelee ehdon, joka ohjelman on täytyttävä siirtyäkseen seuraavaan vaiheeseen. SFC on luonnollinen kieli sekvensointisovelluksiin – pesukoneen jaksot, eräprosessit, monivaiheiset kokoonpanotoiminnot ja kaikki sovellukset, joissa koneen on suoritettava tietty sarja toimenpiteitä järjestyksessä. Monimutkaisen peräkkäisen prosessin ohjelmointi tikapuukaavioon tuottaa suuria, vaikeasti seurattavia ohjelmia; sama SFC:ssä ilmaistu sekvenssi on heti luettavissa prosessivirtauksena ja sitä on huomattavasti helpompi korjata ja muokata.
Nykyaikaiset ohjelmoitavat logiikkaohjaimet ovat verkkolaitteita yhtä paljon kuin automaatioohjaimia. PLC:n viestintäominaisuudet määräävät, kuinka se integroituu muihin automaatiolaitteisiin, valvontajärjestelmiin, yritystietokantoihin ja pilvialustoihin. Tämä on yhä tärkeämpi näkökohta, kun teollisuusautomaatio kehittyy kohti yhdistettyjä Industry 4.0 -arkkitehtuureja.
PLC-markkinoita hallitsee pieni joukko suuria automaatioyrityksiä, joista jokainen tarjoaa täydellisen ekosysteemin PLC-laitteistoista, ohjelmointiohjelmistoista, I/O-moduuleista, asemista, käyttöliittymäpaneeleista ja viestintäinfrastruktuurista, joka on suunniteltu toimimaan saumattomasti yhdessä. Tietyn valmistajan PLC:n valitseminen tarkoittaa tyypillisesti sitoutumista kyseisen valmistajan ekosysteemiin koko automaatiojärjestelmän osalta, millä on merkittäviä vaikutuksia integraatioon, varaosiin, koulutukseen ja pitkäaikaiseen tukeen.
| Valmistaja | Tärkeimmät PLC-perheet | Ohjelmointiympäristö | Ensisijainen teollisuusverkko | Markkinoiden vahvuus |
| Siemens | S7-1200, S7-1500, S7-300/400 | TIA-portaali (vaihe 7) | PROFINET, PROFIBUS | Eurooppa, globaalit prosessiteollisuus |
| Rockwell Automation (Allen-Bradley) | ControlLogix, CompactLogix, Micro820 | Studio 5000 Logix Designer | EtherNet/IP, DeviceNet | Pohjois-Amerikka, autoteollisuus, ruoka ja juoma |
| Mitsubishi Electric | MELSEC iQ-R, iQ-F, Q-sarja | GX toimii 3 | CC-Link IE, SLMP | Aasian ja Tyynenmeren alue, autoteollisuus, puolijohde |
| Schneider Electric | Modicon M580, M340, TM-sarja | EcoStruxure Control Expert | Modbus TCP, EtherNet/IP | Prosessiteollisuus, energia, infrastruktuuri |
| Omron | NX, NJ, CP-sarja | Sysmac Studio | EtherNet/IP, EtherCAT | Aasia, koneautomaatio, liikkeenohjaus |
PLC:istä keskustellaan usein hajautettujen ohjausjärjestelmien (DCS) ja valvonta- ja tiedonkeruujärjestelmien (SCADA) rinnalla, ja näiden luokkien väliset rajat ovat hämärtyneet merkittävästi tekniikan kehittyessä. Erojen ymmärtäminen – ja missä ne ovat lähentyneet – on tärkeää määritettäessä oikea automaatioarkkitehtuuri tietylle sovellukselle.
Hajautettu ohjausjärjestelmä on automaatioarkkitehtuuri, jossa ohjaustoiminnot on hajautettu useille säätimille, jotka on sijoitettu lähellä ohjattavaa prosessia ja jotka kaikki on kytketty keskitettyyn valvontajärjestelmään korkean luotettavuuden laitosverkon kautta. DCS-järjestelmät kehitettiin suuriin jatkuviin prosessisovelluksiin – öljyn ja kaasun, petrokemian, sähköntuotantoon, lääkevalmistukseen – joissa vaaditaan tuhansia analogisia ohjaussilmukoita, monimutkaista lukituslogiikkaa ja kattavaa hälytyshallintaa suuressa fyysisessä tehtaassa. DCS-järjestelmät asettavat etusijalle korkean käytettävyyden (redundantit ohjaimet, I/O, teho ja verkot vakiona), kattavat prosessidatan historioitsijaominaisuudet ja integroidut käyttöasemien näytöt. Ero modernin huippuluokan modulaarisen PLC-järjestelmän ja lähtötason DCS:n välillä on nyt marginaalinen toiminnallisuuden kannalta – ensisijaiset erot ovat ohjelmistoympäristössä, toimittajan sovelluskeskeisyydessä ja kaupallisessa mallissa.
SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) viittaa erityisesti valvontakerrokseen – ohjelmistojärjestelmään, joka kerää tietoja PLC:istä ja muista kenttäohjaimista, esittää prosessitietoja käyttäjille graafisten käyttöliittymänäyttöjen kautta, kirjaa historiallisia tietoja ja voi lähettää ohjearvokomentoja takaisin ohjaimille. SCADA ei korvaa PLC:tä – se on PLC:n yläpuolella oleva kerros, joka tarjoaa ihmisen valvonnan ja tiedonhallinnan. Tyypillinen teollisuusautomaatioarkkitehtuuri yhdistää PLC:t koneen tai prosessin ohjaustasolla, teollisuusverkon, joka kuljettaa tietoja PLC:iden ja valvontajärjestelmien välillä, sekä SCADA- tai MES-järjestelmän, joka tarjoaa käyttöliittymän, historiatiedot ja integroinnin liiketoimintajärjestelmiin.
Oikean ohjelmoitavan logiikkaohjaimen valinta uudelle koneelle tai prosessinohjaussovellukselle edellyttää useiden teknisten ja kaupallisten tekijöiden arviointia, jotka yhdessä määrittävät, täyttääkö järjestelmä toiminnalliset vaatimukset, toimitetaanko se aikataulussa ja onko se tuettava koko käyttöiän ajan. Seuraava viitekehys kattaa tärkeimmät arviointikriteerit.
Jatkuvassa käytössä oleva PLC-järjestelmä vaatii ennakoivaa huoltoa ja elinkaarihallintaa luotettavuuden ylläpitämiseksi ja odottamattomien seisokkien välttämiseksi. Seuraavat käytännöt ovat vakiona hyvin hoidetussa automaatiosuunnittelutoiminnassa.