PLC-k programozása: műszaki összefoglaló a Siemenstől vett példákkal

A programozható logikai vezérlőegységek (PLC-k) mikroprocesszor alapú strapabíró elektronikai berendezések, amelyek nélkülözhetetlenek minden korszerű automatizáláshoz, beleértve az alábbiakat:

• Az olyan folyamatigényes iparágak, mint az olaj- és gázfeldolgozó ipar, az atomenergia-ipar, az acélgyártás és a szennyvíztisztítás.
• Olyan iparágak, amelyekben az elkülönülő feladatok ellenőrzésén van a hangsúly – beleértve az általános gyárautomatizálást, az automatizált raktárkezelést, a csomagolást, az élelmiszer- és italgyártást, valamint az gyógyászati eszközök gyártását.

Az ilyen a berendezésekben a PLC-k hagyományosan (a logika futtatására és a parancsok kiadására szolgáló mikroprocesszorokkal (CPU) ellátott) PLC-modulok és a kiegészítő tápegységmodulok, a felhasználásspecifikus funkcionális modulok, valamint a digitális és analóg be- és kimeneti (I/O) modulok befogadására szolgáló bővítőhelyekkel ellátott DIN-sínre vagy vezérlőszekrényben elhelyezett állványrendszerre vannak szerelve.

Természetesen nem a PLC-k jelentik az egyetlen lehetőséget az automatizált vezérlésre. A reléalapú rendszerek sokféle készülékben továbbra is nélkülözhetetlenek, és rajtuk kívül a programozható automatizált vezérlőegységek (PAC) és az ipari számítógépek (ipari PC-k vagy IPC-k), valamint a panelszámítógépek (vagy panel PC-k) (gyakorlatilag vezérlőelektronikával ellátott kezelőképernyők) további alternatívát jelentenek számos olyan gépkialakítás és rendszer esetében, amelyek különböző mértékű elosztott vezérlést igényelnek. Az ipari minőségű Microsoft Windows operációs rendszert futtató PAC-k és IPC-k különösen nagy tervezési rugalmasságot kínálnak.

Ezen vezérlőrendszerek mindegyikét különböző kifinomultságú szoftverekkel állítják be és programozzák, hogy minden vezérlésfajta kialakítása minden eddiginél fejlettebb és felhasználóbarátabb legyen. Ez pedig lehetővé teszi a gépösszeszerelő cégek és az üzemmérnökök számára, hogy gyorsan, a lehető legnagyobb hatékonysággal és termelékenységgel, IIoT-kapcsolaton át (azaz az ipari dolgok internetére kapcsolódva) végezzék a rendszerépítést, frissítéseket és áttelepítéseket.

A vezérlőegységek – köztük a PLC-k – programozásához szükséges eszközök

1. ábra: A PLC-k a célirányos hardverek minden erősségét kínálják, beleértve a megbízhatóságot is. Ezzel szemben a PAC-k a lehető legnagyobb rugalmasságot teszik lehetővé. Néhány gyártó lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy mindkét vezérlésfajtát ugyanabban az egységes szoftverkörnyezetben programozzák. Az ilyen környezetek korlátlan hozzáférést tehetnek lehetővé a digitalizált automatizálási, mérnöki és működésfelügyeleti eszközökhöz is (kép: Siemens)

Ma már szinte minden PLC-t számítógépes szoftverrel állítanak be és programoznak. Az általános automatizálás és a PLC-k mellett sokféle programozható mozgásvezérlőt, érzékelőt, működtetőelemet és gépi kezelőfelületet is kínáló nagy gyártók jellemzően lehetővé teszik az összes ilyen részegység valamilyen saját fejlesztésű egységes programozási környezetben történő programozását. Ezek többnyire számítógépen futó, Windows-kompatibilis szoftverek tervező-, beállító-, programozó-, sőt akár még üzemeltetési és kezelőmodulokkal is. Különösen igaz ez ott, ahol a gyártók kínálatában előre beépített termékek is szerepelnek – például intelligens villanymotorok vagy PLC-funkciókkal rendelkező kezelőképernyők.

Az egységes programozási környezetek, bár elsőre ijesztőnek tűnhet megtanulni őket, rendkívüli mértékben felgyorsítják a géptervezést, ha valaki már mesterfokon tudja kezelni őket.

Az ilyen szoftverkörnyezetek egyik előnye az, ahogyan hibamentes, szerkeszthető és általánosan alkalmazható szimbólum-, változó- vagy címkenév-adatbázisokat kínálnak. Ezek ember által olvasható alfanumerikus nevek, amelyeket az alkatrészek (beleértve a PLC-ket is) címeihez rendelnek, és amelyek megkönnyítik a bonyolult regisztercímek közvetlen használatát, ami korábban bevett gyakorlat volt. Ezeket a rendszerezhető és kereshető eszközcímkéket informatív gép- és munkacellacímkék, valamint a gépek általános funkcióira utaló olyan címkék egészítik ki, mint az Auto (Automatikus), a Manual (Kézi), a MotorOn (A motor jár), a Fault (Hiba) vagy a Reset (Alaphelyzetbe állítás).

Vegye fontolóra a Siemens STEP 7 Totally Integrated Automation (TIA Portal) (a név jelentése: teljesen beépített automatizálás) szoftver használatát, amely különböző felhasználásspecifikus csomagokat tartalmaz, és a Siemens SIMATIC (Siemens Automatic) szoftverkezelési környezetén keresztül érhető el. A STEP 7 szoftver kényelmes eszköz a PLC-programozás leggyakoribb módjainak szemléltetésére, mivel ez a világ legelterjedtebb ipari automatizálási szoftvere, és sokféle lehetőséget kínál a funkciók és a megbízhatóság ellenőrzésére. A legtöbb becslés szerint a világ összes PLC-berendezésének közel egyharmadán használnak Siemens PLC-ket.

Ezzel a szoftverrel a mérnökök folyamatirányítást, az alkatrészgyártás automatizálását, energiagazdálkodást, a kezelőképernyőn történő képi megjelenítést, illetve a PLC-k és más ipari vezérlőegységek funkcióihoz kapcsolódó szimulációt és digitálisiker-programozást végezhetnek. A PLC-k esetében a Siemens STEP 7 (TIA Portal) mérnöki szoftver a korábbi SIMATIC STEP 7 szoftverből lett kifejlesztve, hogy támogassa az S7-1200, S7-1500 és S7-1500 vezérlőegységek, valamint az ET 200SP be- és kimeneti (I/O) processzorok (CPU-k) és a régi S7-300 CPU-k (egy időtálló ipari eszköz) és az S7-400 és SIMATIC WinAC vezérlőegységek programozását. A STEP 7 professzionális szintű és egyedileg licencelt példányai további funkciókat, logikai szerkesztőket és beépített hagyományos mérnöki szoftvereket tartalmaznak.

Bár nem tartozik e cikk tárgykörébe, érdemes megjegyezni, hogy a többfunkciós PLC-k ipari vezérlésben használt alternatívái kiegészítő szoftverek segítségével állíthatók be és programozhatók. A Siemens-vezérlések hatalmas ökoszisztémája bőséges példákkal szolgál erre.

1. A LOGO! logikai modulok a kis és szerényebb automatizálási területek igényeit elégítik ki, áthidalva a relék és a mikroprocesszor alapú ipari vezérlőegységek közötti szakadékot. Programozásuk a Siemens LOGO! szoftveren keresztül a Soft Comfort mérnöki szoftverrel, a LOGO! Access Tool eszközzel, valamint a LOGO! Web Editor webes szerkesztőprogrammal történik. Ezek egyszerű beállításra és tervezésre adnak lehetőséget.
2. A folyamatirányító rendszerek a Siemens SIMATIC PCS 7 vezérlőegységeket használják, amelyek a SIMATIC PCS 7 rendszerszoftverrel programozhatók.
3. Az elosztott vezérlésekhez és az IIoT-kapcsolatot igénylő (az ipari dolgok internetére kapcsolódó) gépekhez használt állványos (sínes) készülékek, panelszámítógépek és dobozházas ipari számítógépek (IPC) a Siemens SIMATIC IPC szoftvermoduljaira támaszkodnak, amilyen például az IPC Image and Partition Creator (IPC lemezképkészítő és particionáló), az IPC DiagMonitor (IPC hibakereső), az IPC Remote Manager (IPC távfelügyelő), az IPC FirmwareManager (IPC belsővezérlőprogram-kezelő) és a SIMATIC Industrial OS (SIMATIC ipari operációs rendszer).
4. A magán a gépen elhelyezett vezérlések panelszámítógépeként szolgáló kezelőképernyők a SIMATIC WinCC Unified (TIA Portal) szoftvert, valamint a SIMATIC WinCC (TIA Portal), a WinCC flexible, a WinCC V7 és a WinCC OA szoftvert, a ProAgent folyamatdiagnosztikai szoftvert, mobil eszközökhöz való értesítőszoftvereket és még sok más szoftvert használnak.

A SIMATIC PLC-k és a többi gépvezérlés közti választást még több szoftver egyszerűsíti egy internetes, felhőalapú kiválasztóeszköz (vagy annak kapcsolatmentes változata) formájában, amely megkérdezi a mérnököktől, hogy milyen az adott konstrukció fizikai elrendezése (szükség van-e vezérlőszekrényre vagy elosztott vezérlésre), valamint az alábbiakat:

• A be- és kimenetek várható száma, beleértve az érzékelőket, kapcsolókat és működtetőelemeket is.
• A használandó programozási nyelv fajtája, legyen az létradiagram (LD), strukturált vezérlési nyelv (SCL) vagy funkcióblokk-diagram (FBD), fejlettebb strukturált szöveg (ST), grafikonalapú szekvenciális függvénydiagram (SFC) vagy folyamatos függvénydiagram (CFC), illetve fejlettebb nyelvek.
• A szükséges mozgásvezérlés szintje (adott esetben) – az egyszerű sebesség- és helyzetvezérléstől az elektronikus bütyökprofilos vezérlésen át a fejlett kinematikai vezérlésig.
• A hardverpreferencia, és hogy nem egy IPC-n futó szoftveres PLC program lenne-e a legmegfelelőbb.

Projektek PLC-programozása

A projekteknek gyakran része a gyártó által adott PLC-szoftverben írt PLC-program. Ezek olyan jellemzően készülékspecifikus műveletekhez kapcsolódnak, mint például az alábbiak:

• Fűtés, keverés, töltés, adagolás és öntözés
• Mozgás, kormányzás, cikluskezelés, helyzetbeállítás és fékezés
• Megfogás, vágás, lyukasztás és szeletelés
• Hegesztés, ragasztás, jelölés és adagolás
• Érzékelés, követés, sorrendbeállítás és jelzés

A legfejlettebb lehetőségek támogatják a digitális tervezést és a beépített mérnöki felügyeletet, valamint a felhasználóspecifikus képernyőket tartalmazó kezelőképernyőkön keresztül egy művelettel könnyen hozzáférhető átlátható működést. Más szóval az ilyen PLC-szoftverek a gépkezelők, a szerelők, az üzemvezetők vagy akár az ágazatvezetők eltérő adatigényeinek kiszolgálása érdekében lehetővé teszik a szükséges PLC-adatok különböző kijelzőkön történő megjelenítését.

A gyártó által adott PLC-szoftverkörnyezetekben elérhető szimulációs eszközök szintén lerövidíthetik egy adott termék piacra kerülési idejét, és növelhetik a késztermék átfutási sebességét is. A szoftveralapú fejlesztések sorát energiagazdálkodási funkciók és diagnosztika egészítik ki.

A PLC-k ellenőrzése és a szoftverben írt programok betöltése

2. ábra: A Siemens SIMATIC PLC-k és a Siemens SIMATIC automatizálási rendszerek az 1950-es években jelentek meg először. Napjainkra a SIMATIC S7-termékek (köztük az itt látható SIMATIC S7-1500 PLC-összetevők) továbbfejlődtek, hogy támogassák a különböző ipari automatizálási rendszereket (kép: Siemens)

A PLC-k optimális működésének alapja a programozás minősége. Minden kódnak meg kell felelnie a szoftverfejlesztési iparágra vonatkozó szabványoknak és a bevált gyakorlatoknak. Ezen túlmenően a (kézi és automatizált) ellenőrzési folyamatok a kritikus hibáktól kezdve a kód nem kielégítő hatékonyságáig mindent feltárhatnak. Gondolja át újra a SIMATIC S7-termékek programozását. A Siemens-ökoszisztémán belül a TIA Portal Project Check alkalmazása automatikusan össze tud hasonlítani bizonyos kódokat az adott PLC-re vonatkozó programozási útmutatóban lefektetett szabályokkal. Ezután a mérnökök az összehasonlítás eredményét XML- vagy Excel-fájlba exportálhatják. Felhasználó által meghatározott szabálykészleteket (akár összetett típusokat) is hozzá lehet adni a rendszerhez egy C# vagy Visual Basic (.NET) nyelvű Project Check szoftverfejlesztő készlet (azaz SDK, software development kit) segítségével. Ez az SDK elsősorban a program stílusát ellenőrzi.

1. táblázat: A PLC-programozás ellenőrzése kézi és automatizált megközelítéseket egyaránt használhat – ez utóbbi különösen a stílus és a technika ellenőrzéséhez hasznos (táblázat: Siemens)

Miután a PLC-hez készített programot teljesen megírták és ellenőrizték, be kell tölteni a PLC-be. Sok esetben egy számítógépet (gyakran egy hordozható számítógépet) ideiglenesen csatlakoztatnak a PLC-hez Ethernet-kábellel vagy a számítógép USB-portját a PLC kommunikációs (COMM) portjával összekötő speciális adapteren keresztül, hogy a programot betöltsék a PLC mikroelektronikájába. A PLC ezután be- és kimeneti (I/O) modulokon keresztül csatlakozik a vezérelt részegységekhez. Az indításkor elvégzett további ellenőrzés után a PLC végrehajtja a programjait a hálózatra kapcsolt működtetőelemeket (különböző jeltípusokkal) vezérelve, és a külső eszközöktől kapott visszacsatolásokra reagálva valós idejű beállításokat végez.

Alkalmanként egy gép vagy egy automatizált munkacella beállítást, hibakeresést vagy javítást, valamint olykor (valamilyen a PLC-hez kapcsolt programozó számítógéppel végrehajtva) a PLC visszacsatolásokra adott alapértelmezett válaszainak kényszerített felülírását igényli. Ez „becsapja” a PLC-t, hogy úgy működjön, mintha egyes visszacsatolások egy adott értéket jeleznének, miközben nem azt jelzik. Ez a taktika például olyankor használható, amikor egy hibásan működő működtetőelem után következő állomások jeleit kell törölni. Máskor egy gép vagy egy munkacella a használt PLC paramétereinek módosításával történő helyszíni beállítást igényel. Az ilyen beállításoknak megfelelő indítójelekre, változóértékekre vagy táblázatokra, számlálókra és időzítőkre kell hivatkozniuk.

Összegzés

A Siemens automatizálási és ipari vezérlésre szolgáló termékválasztékának széles skálájával való munka során a tervezőmérnökök jobban megismerhetik a mai vezérlési lehetőségeket, köztük a PLC-ket és más hardvertípusokat. Ez az automatizált telepítéshez végül választott márkától és hardveraltípustól függetlenül igaz.