Technologia sterowników PLC wciąż ewoluuje i nadal są one najlepszym rozwiązaniem dla różnych dziedzin automatyki przemysłowej. Większa elastyczność i łatwość programowania, skalowalność, więcej pamięci, mniejsze rozmiary, bardzo szybki (Gigabit) Ethernet i wbudowana sieć bezprzewodowa, to cechy współczesnych programowalnych sterowników logicznych.
Ktoś, kto jest użytkownikiem sterowników PLC lub myśli o ich wykorzystaniu w swoich aplikacjach, mógłby uznać, że od strony technologicznej są to już urządzenia niemal doskonałe, gdyż stosuje się je z powodzeniem od prawie pięćdziesięciu lat. Jednak tak naprawdę będą one ulepszane bez końca ? podobnie jak ich odpowiedniki w elektronice użytkowej, dając nadzieję na szybsze, coraz mniejsze i tańsze rozwiązania.
PLC z wbudowanym procesorem oraz z zamkniętym systemem operacyjnym czasu rzeczywistego okazał się być ostoją światowej automatyki przemysłowej, pokonując tym wszystkich rywali. Wprawdzie konstruktorzy otwartych systemów bazujących na Microsoft Windows poczynili postępy, ale nadal pozostają w tyle. Wciąż to właśnie sterowniki PLC ze specjalnie zaprojektowaną platformą sprzętową, oprogramowaniem i modelem wsparcia jednego dostawcy pozostają najlepszym wyborem do wielu zastosowań w kontroli procesów przemysłowych.
Od samego początku sterowniki PLC, zastępując wiele, jeśli nie setki, przekaźników i liczników, pozwoliły zmniejszyć rozmiary systemów automatyki oraz uprościć ich obsługę i konserwację. Przez wiele lat ich funkcjonowania na rynku panele przekaźnikowe zostały zastąpione mniejszymi PLC na bazie systemu rack (fot. 1) lub jeszcze mniejszymi PLC ze zdalnymi modułami I/O.
W zakresie oprogramowania często stosowany język schematów drabinkowych początkowo naśladował struktury systemów automatyki oparte na przekaźnikach oraz modułach licznikowych i nadal jest on najczęściej używanym językiem programowania PLC. Pojawiły się jednak inne opcje, szczególnie zestaw języków programowania PLC zawartych w normie IEC 61131-3. Branża sterowników PLC będzie się nadal rozwijać, przy jednoczesnym doskonaleniu technologii w zakresie komunikacji, sprzętu i oprogramowania. Część zmian dotyczyć będzie scalania PLC i funkcjonalności programowalnych sterowników automatyki (PAC) wraz z postępującym rozszerzaniem komunikacji z hali produkcyjnej na najwyższy poziom (PAC jest powszechnie określany jako modułowy sterownik przemysłowy, który wykorzystuje procesor oparty na architekturze komputerów klasy PC i pozwala na programowanie w języku IEC 61131-3. Przemysłowy PC lub IPC to inne terminy, często używane zamiennie z PAC).
Mniejsze, szybsze, lepsze
W całej branży elektronicznej współczesne procesory, płyty z obwodami drukowanymi i całe podzespoły ?kurczą się?, czyli są coraz mniejsze. Ulepszenia technologiczne powoli przechodzą także do branży sterowników PLC, choć konieczność zachowania odpowiednich poziomów stabilności, niezawodności i wytrzymałości spowalnia ich wprowadzanie. Najnowsze ulepszenia obejmują szybsze procesory dla skrócenia czasu cyklu, dodatkową pojemność pamięci i nowe funkcje komunikacyjne.
W odpowiedzi na potrzeby rynku wiele funkcji migruje z wyższej do niższej klasy PLC. Możemy na przykład spodziewać się, że kolejne generacje małych sterowników PLC będą zawierać wiele funkcji z modeli najwyższej klasy, a z kolei w klasie średniej i wyższej pojawią się mniejsze, bardziej kompaktowe rozwiązania, wychodzące naprzeciw potrzebom użytkowników.
W rozwoju PLC pomaga znaczny spadek kosztów produkcji i zmniejszanie rozmiarów pamięci półprzewodnikowych. Pozwala to na znaczne zwiększenie możliwości lokalnego przechowywania danych, umożliwiając korzystanie z wielu aplikacji, które wcześniej wymagały drogich systemów akwizycji danych. Otwiera to również drogę do realizacji innych funkcji, takich jak przechowywanie informacji o produktach, które mogą przyspieszyć rozwiązywanie problemów na miejscu, w czasie eksploatacji.
We współczesnych sterownikach PLC wykorzystuje się już także technologię USB, dzięki czemu łatwiej niż kiedykolwiek wcześniej można je podłączać online, programować oraz monitorować systemy kontroli.Technologia ta jest wciąż rozwijana, a ze względu na dostępność mniejszych złączy mikro- i mini-USB można się spodziewać rozpowszechniania tej opcji komunikacji w większości mniejszych modeli PLC.
Innym przykładem rozwiązań stosowanych w elektronice użytkowej, które szybko wkraczają na rynek regulatorów przemysłowych, jest wykorzystanie przenośnych pamięci. Przynosi to duże korzyści dla klienta stosującego sterowniki PLC, zapewniając ogromną ilość dodatkowej pamięci w małym opakowaniu. Opcje te obejmują urządzenia USB, SD, mini-SD i karty micro-SD, zapewniając do 32 GB dodatkowej pamięci do sterownika, z których w razie potrzeby może skorzystać użytkownik, producent maszyny lub integrator systemów.
Łączność PLC i PAC
Wielu dostawców sterowników przemysłowych dostrzega różnice między technologiami PLC i PAC, ale przyszli inżynierowie automatyki mogą nie dbać o nomenklaturę, skupiając się na wydajności i dostępnych funkcjach przy określaniu potrzeb swoich systemów. Definicja i cechy każdego z nich zmieniały się na przestrzeni lat, a w przyszłości będą one dalej ewoluować, stopniowo upodabniając się do siebie. Podczas tego procesu będzie dużo miejsca narynku dla procesorów niskiej i wysokiej klasy. Wraz z postępem technologii sprzętowej i upływem czasu zaawansowane funkcje zaczną się jednak pojawiać również w procesorach z niższej półki. To z kolei wywrze presję na dostawców, by jeszcze więcej funkcji i opcji znalazło się w produktach z wyższej półki.
Procesory o większej prędkości i z większą pamięcią otwierają drogę do implementacji zaawansowanych funkcji, takich jak kontrola ruchu, integracja systemów wizyjnych i jednoczesna obsługa wielu protokołów komunikacyjnych ? przy zachowaniu prostoty, dzięki której ??sterowniki są tak atrakcyjne dla wielu użytkowników. Porównując PLC z PAC, dostrzec można szybki postęp obu klas produktów. Sterowniki PAC pozwoliły rozszerzyć zakres tradycyjnej automatyki przemysłowej, co zachęca dostawców do rozwijania produktów dopasowanych do potrzeb nawet bardzo wymagających użytkowników. Dzięki tym wymaganiom projektanci dostali impuls do szukania nowych sposobów wspierania dostępnych komponentów i wbudowywania ich w system, który będzie wytrzymały i sprosta środowisku przemysłowemu. Wśród nich są: dostarczanie rozszerzonej pamięci, łączności i ulepszanie przetwarzania energii przy coraz bardziej skomplikowanych aplikacjach, z jednoczesnym utrzymaniem lub nawet obniżeniem kosztów produktu końcowego.
Drabinka logiczna: nigdy nie mów ?do widzenia?
Pięćdziesiąt lat temu przewodowa logika przekaźnika została zastąpiona schematem drabinkowym. Ten język był prosty dla techników i inżynierów, którzy korzystali z logiki przekaźnikowej, ale miał pewne ograniczenia, w szczególności w zakresie kontroli procesu i obsługi danych. Norma IEC 61131-3 wprowadza inne języki programowania dla sterowników przemysłowych, ale schemat drabinkowy dzięki własnemu, niezależnemu rozwojowi wykazuje wciąż zaskakująco mocną pozycję. Istnieją co prawda aplikacje, w których wykresy sekwencyjne funkcji są lepsze, szczególnie do kontroli procesu. Tekst strukturalny sprawdza się lepiej przy sterowaniu danymi, a i inne języki normy IEC mają swoje mocne strony. Jednak schemat drabinkowy wybija się ponad te rozwiązania i pozostaje liderem wśród języków programowania sterowników PLC.
Dostawcy i ich klienci obsługują dużą liczbę zainstalowanych urządzeń kontrolowanych przez sterowniki PLC zaprogramowane w języku drabinkowym. Istnieje też duża grupa inżynierów, techników, elektryków i personelu technicznego, którzy wciąż preferują tę prostą technikę programowania. Niezależnie od platform sprzętowych, język ten przeszedł bardzo długą drogę ku temu, by zostać branżowym standardem programowania PLC ? i wszystko wskazuje na to, że ów trend będzie kontynuowany. Ponieważ język drabinkowy jest przykładem prostego programowania funkcji sterowania maszyn, to techniki programowania w oparciu o bloki funkcjonalne mogą się przyczynić do redukcji ilości kodu programu, szczególnie gdy programowanie sterownika PLC jest realizowane w jednym środowisku programowania.
Jedno środowisko programowania
Programowanie i integracja sterowników PLC, kontroli ruchu i modułów interfejsu człowiek-maszyna (HMI) w jednym środowisku stanowi trend, który będzie się rozwijać w ciągu najbliższych kilku lat. Integracja procesora PLC i HMI w jednej obudowie typu rack może występować w wersji z monitorem (jako część pakietu) lub bez niego, dostępnym wówczas jako opcja zewnętrzna. Do sterownika PLC systemu rack mogą być dodane różne moduły interfejsu HMI, dodatkowego procesora i inne. Nie ma to większego znaczenia, bo przyobecnej technologii i tak możliwa jest odpowiednia konfiguracja.
Jednolite środowisko programowania stanowi idealne rozwiązanie dla większości użytkowników, o ile nie jest dla nich zbyt skomplikowane i przytłaczające. Kluczowe korzyści z połączenia tych pakietów obejmują krótszy okres uczenia się ich obsługi i zredukowany całkowity czas rozwoju aplikacji. Jednakże, jeśli narzędzie nie jest dobrze przemyślane, może stać się kłopotliwe i uciążliwe w nawigacji.
Znaczącym krokiem w kierunku uzyskania w pełni jednolitego środowiska programowania jest zapewnienie urządzeń, które mogą dzielić tę samą bazę danych. Ustandaryzowane nazywanie zmiennych stanowi kluczowe ogniwo między programem i procesem, a tworzenie złożonych baz danych jest czasochłonne. Eliminując działania powielane w tych zadaniach, znacznie zmniejsza się całkowity czas projektowania i ryzyko błędów.
Porozmawiajmy o komunikacji
W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat, a zwłaszcza na początku lat 90., stworzono i rozwinięto nadmierną ilość różnorodnych standardów sieci i protokołów, służących do komunikacji w aplikacjach przemysłowych. Z czasem jednak pozostało na rynku tylko kilku liderów. Tendencja ta będzie kontynuowana, w jeszcze większym stopniu skupiając się na rozwiązaniach typu plug-and-play, które mają zdolność samokonfiguracji ? podobnie jak w elektronice użytkowej, w przypadku komputerów i urządzeń peryferyjnych. Nie trzeba będzie skupiać się na tym, czy te technologie komunikacyjne naprawdę działają w czasie rzeczywistym, gdyż już sama prędkość Ethernetu i wielu innych sieci kontroli przemysłowej będzie znacznie większa niż to, co jest niezbędne dla większości zastosowań.
Jeśli chodzi o uniwersalny interfejs do lokalnej pamięci i innych urządzeń, USB okazuje się obiecujące, ale ma swoje ograniczenia. Funkcjonuje w trybie plug-and-play, jednak integracja oprogramowania i sprzętu, umożliwiająca szerokie stosowanie USB, wymaga od dostawców urządzeń dodatkowych inwestycji. Z tego powodu producenci powoli zmieniającego się sprzętu przemysłowego, takiego jak wagi lub czytniki kodów kreskowych, zachowali wciąż złącze komunikacyjne RS232. Wysokiej klasy sterowniki PLC zawierają wiele portów komunikacyjnych do obsługi wielu protokołów (fot. 2). Oczywiście długoterminowo zapowiadane są w tym względzie zmiany, ponieważ użytkownicy oczekują bardziej standardowych opcji. Być może pozostanie tylko Ethernet i sieć bezprzewodowa, z przemysłowym Bluetoothem jako opcją drugiej kategorii.
Żyjemy w erze sieci bezprzewodowej. Zanim jednak osiągniemy dużą zbieżność komercyjnych i przemysłowych protokołów komunikacji bezprzewodowej, potrzebne są bardziej dopracowane technologie, również w zakresie ilości transmitowanych danych i ochrony ich integralności. Obserwowano już postęp w tej dziedzinie, poczynając od najnowszych WiFi (802.11n) i protokołów ZigBee (802.15.4) przez zastosowania doraźne oraz wzrost wykorzystania Bluetootha i standardu Near Field Communication (NFC), lecz żadne z rozwiązań nie okazało się wystarczające dla krytycznych zastosowań. Przyszłość będzie obejmować szersze wykorzystanie opcji bezprzewodowych, które działają dobrze z urządzeniami takimi jak zdalne terminale (RTU) z dostępnym zasięgiem, a także mniej krytyczne aplikacje monitorujące, w których nie jest wymagane sterowanie w czasie rzeczywistym.
Podłączony fabrycznie
Być może najbardziej znaczącą zmianą dla przyszłości rozwoju sterowników PLC będzie integracja planowania zasobów przedsiębiorstwa (ERP) i innych systemów komputerowych wyższego poziomu hali produkcyjnej. W przeszłości głównym zadaniem integracji danych było wyodrębnienie urządzenia lub procesu i przekazanie go w górę do tych systemów, ale przyszłe technologie będą zawierać funkcje i cechy potrzebne do uproszczenia tej integracji (rys. 1).Mając to na uwadze, producenci sterowników muszą dostarczyć rozwiązanie, w którym zadaniem takiego sterownika jest nie tylko kontrolowanie aplikacji, ale również zapewnienie narzędzia płynnego manipulowania oraz przekazanie aktualnych danych procesowych użytkownikom, którzy ich potrzebują. Może to obejmować zapewnienie dostępu do danych za pomocą przeglądarki internetowej lub aplikacji mobilnych albo narzędzia do komunikacji z bazą danych. Jest to naturalny postęp w odniesieniu do PLC. Rozszerzone możliwości komunikacji, zwiększenie mocy przetwarzania i zwiększona pojemność pamięci ? to wszystko zapewnia sterownikom możliwość zarządzania danymi tworzonymi na bieżąco. W przyszłości prawdopodobnie PLC nadal będą w użyciu wielu aplikacji sterowania i automatyki przemysłowej, choć w kwestii formy, celu i wydajności pojawią się znaczące zmiany (patrz tabela obok). Rozmiar modułów sterowników będzie sukcesywnie zmniejszany, a ulepszenia dotyczyć będą liczby cech, funkcji i możliwości takiego wytrzymałego i trwałego sterownika przemysłowego. Rozwój dotknie także możliwości oprogramowania i komunikacji, stwarzając nową platformę automatyki przemysłowej, choć ze starą nazwą.
Jeff Payne pracuje jako Product Manager w Automation Controls Group, AutomationDirect (wcześniej PLCDirect).
