Programarea PLC-urilor: un rezumat tehnic cu exemple Siemens

Controlerele logice programabile (PLC) sunt dispozitive electronice robuste, bazate pe microprocesoare, esențiale pentru toată automatizarea modernă, inclusiv:

• Industriile de prelucrare a petrolului și gazelor, industria nucleară, siderurgică și de tratare a apelor reziduale, care implică un număr mare de procese
• Industriile care pun accentul pe controlul sarcinilor discrete – inclusiv automatizarea generală a fabricilor, depozitarea automată, ambalarea, fabricarea de produse alimentare și băuturi și de dispozitive medicale

În aceste instalații, PLC-urile se găsesc în mod tradițional pe sisteme de rack montate pe șină DIN sau pe dulapuri de control cu fante pentru module PLC (care au unități centrale de procesare pentru a executa logica și a trimite comenzi) și module de alimentare complementare, module de funcții specifice aplicației și module de I/O digitale și analogice.

Desigur, PLC-urile nu reprezintă singura opțiune pentru controlul automatizării. Sistemele pe bază de relee își mențin caracterul indispensabil într-o gamă largă de aplicații, iar controlerele de automatizare programabile (PAC-uri) sau PC-urile industriale (IPC-uri), precum și PC-urile cu panou (HMI-uri cu electronică de control), reprezintă alte alternative pentru multe modele de utilaje și sisteme care necesită diferite grade de control distribuit. În special, PAC-urile și IPC-urile care rulează cu sisteme de operare Microsoft Windows de nivel industrial oferă flexibilitate de proiectare de top.

Fiecare dintre aceste sisteme de control este configurat și programat cu un software cu diverse componente sofisticate pentru a face ca toate tipurile de proiectare a controlului să fie mai avansate și mai ușor de utilizat ca niciodată. La rândul său, acest lucru permite constructorilor de utilaje OEM și inginerilor de fabrică să instituie rapid construcții, actualizări și migrări de sisteme cu un nivel maxim de eficiență, productivitate și conectivitate IIoT.

Instrumentele de programare a comenzilor – inclusiv PLC-urile

Figura 1: PLC-urile oferă toate avantajele hardware-ului construit special – inclusiv fiabilitatea. În schimb, PAC-urile oferă flexibilitate maximă. Unii furnizori permit inginerilor să programeze ambele tipuri de control în același mediu software unificat. De asemenea, astfel de medii pot oferi acces nelimitat la instrumente digitalizate de automatizare, inginerie și monitorizare operațională. (Sursa imaginii: Siemens)

Aproape toate PLC-urile din prezent sunt configurate și programate prin intermediul unui software bazat pe PC. Furnizorii mari, cu o gamă largă de componente programabile de control al mișcării, detecție, acționare și interfață cu utilajele (pe lângă produsele de automatizare generală și PLC), permit de obicei programarea tuturor acestor componente în propriile medii de programare unificate – software compatibil cu Windows, bazat pe PC, cu module de proiectare, configurare, programare și chiar operare și gestionare. Acest lucru este valabil mai ales în cazul în care gamele de produse ale furnizorilor includ oferte preintegrate – cum ar fi motoarele inteligente sau HMI-urile cu funcționalitate PLC, de exemplu.

Deși pot fi dificil de învățat, mediile de programare unificate (odată stăpânite) accelerează în mod considerabil proiectarea utilajelor.

Un avantaj al acestor medii software este faptul că oferă baze de date cu nume de simboluri, variabile sau etichete fără erori, editabile și universal aplicabile. Acestea sunt nume alfanumerice care pot fi citite de oameni, atribuite adreselor componentelor (inclusiv PLC-urilor) și care îmbunătățesc utilizarea directă a adreselor complicate ale registrelor – care era cândva o practică standard. În completarea acestor etichete de dispozitiv care pot fi sortate și căutate, există etichete informative pentru utilaje și celulele de lucru, precum și pentru funcțiile comune ale utilajelor, cum ar fi Auto, Manual, Motor pornit, Defecțiune sau Resetare.

Luați în considerare software-ul Siemens STEP 7 Totally Integrated Automation (TIA Portal), care include diverse pachete specifice utilizării și care este accesibil prin intermediul mediului de gestionare a software-ului Siemens SIMATIC (Siemens Automatic). Software-ul STEP 7 este util pentru a ilustra cele mai comune abordări ale programării PLC, deoarece este cel mai utilizat software din lume pentru automatizarea industrială – cu o verificare abundentă a funcționalității și fiabilității. Majoritatea estimărilor arată că PLC-urile Siemens sunt utilizate în aproape o treime din toate instalațiile PLC din întreaga lume.

Cu ajutorul acestui software, inginerii pot crea controlul proceselor, automatizare discretă, gestionarea energiei, vizualizare HMI sau simulare și programare digitală pe baza conceptului de geamăn digital în legătură cu funcțiile PLC-urilor și ale altor controlere industriale. Pentru PLC-uri, software-ul de inginerie STEP 7 (TIA Portal) al Siemens a evoluat de la software-ul tradițional SIMATIC STEP 7 pentru a sprijini programarea controlerelor S7-1200, S7-1500 și S7-1500 – precum și a procesoarelor ET 200SP I/O și a procesoarelor tradiționale S7-300 (un element de bază al industriei), împreună cu S7-400 și controlerele SIMATIC WinAC. Exemplarele de nivel profesional și copiile cu licență specială ale STEP 7 includ funcții suplimentare, editori logici și integrarea software-ului tradițional de inginerie.

Deși depășește obiectul acestui articol, merită menționat faptul că alternativele de control industrial la PLC-urile multifuncționale sunt configurabile și programabile prin intermediul unui software complementar. Vastul ecosistem al comenzilor Siemens oferă numeroase exemple.

1. Modulele logice LOGO! satisfac cerințele aplicațiilor de automatizare mici și modeste pentru a acoperi spațiul dintre relee și controlerele industriale bazate pe microprocesoare. Acestea sunt programate prin intermediul software-ului Siemens LOGO! cu software-ul de inginerie Soft Comfort, un instrument de acces LOGO! și un editor web LOGO! pentru configurare și proiectare simple.
2. Sistemele de control al proceselor utilizează produse de control Siemens SIMATIC PCS 7 programabile prin intermediul software-ului de sistem SIMATIC PCS 7.
3. Produsele PC industriale (IPC) de tip rack (șină), panou și cutie pentru comenzi distribuite și utilaje care necesită conectivitate IIoT se bazează pe modulele software Siemens SIMATIC IPC, inclusiv pe IPC Image and Partition Creator; IPC DiagMonitor; IPC Remote Manager; IPC FirmwareManager; și SIMATIC Industrial OS.
4. HMI-urile care funcționează ca PC-uri cu panou pentru comenzile la utilaje folosesc software-ul SIMATIC WinCC Unified (TIA Portal), precum și SIMATIC WinCC (TIA Portal), WinCC flexibil, WinCC V7, WinCC OA, software-ul de diagnosticare a proceselor ProAgent, software-ul de notificare pentru dispozitive mobile și multe altele.

Decizia privind alegerea între PLC-urile SIMATIC și alte sisteme de control al utilajelor este simplificată de un software suplimentar – sub forma unui instrument de selecție online bazat pe cloud (sau a variantei offline), care îi întreabă pe ingineri despre aranjamentul fizic al unui anumit proiect (dacă este necesar un dulap de control sau un control distribuit) și:

• Numărul de I/O anticipate, inclusiv senzori, întrerupătoare și mecanisme de acționare.
• Limbajul de programare care va fi utilizat, fie că este vorba de diagrama în scară (LD), limbajul de control structurat (SCL) sau diagrama blocurilor funcționale (FBD); text structurat mai avansat (ST), diagrama funcțională secvențială bazată pe grafice (SFC) și diagrama funcțională continuă (CFC); sau alte limbaje mai avansate.
• Nivelul necesar de control al mișcării (dacă este cazul) – de la un simplu control al vitezei și poziției până la came electronice și controale cinematice avansate.
• Preferințele hardware și dacă un program software PLC care rulează pe un IPC ar putea fi cel mai potrivit.

Proiecte de programare PLC

Programarea PLC scrisă în software-ul furnizorului de PLC este adesea inclusă în proiecte. Acestea sunt asociate cu operații specifice aplicației, cum ar fi:

• Încălzirea, amestecarea, umplerea, dozarea și irigarea
• Deplasarea, dirijarea, funcționarea în cicluri, poziționarea și frânarea
• Prinderea, tăierea, perforarea și felierea
• Sudarea, lipirea, marcarea și distribuirea
• Detectarea, urmărirea, secvențierea și indicarea

Cele mai avansate opțiuni acceptă planificarea digitală și ingineria integrată, precum și operarea transparentă, care este ușor accesibilă prin intermediul HMI-urilor cu ecrane specifice utilizatorului, odată ce sunt puse în funcțiune. Cu alte cuvinte, un astfel de software de PLC poate permite prezentarea informațiilor pertinente ale PLC pe diferite afișaje pentru a răspunde nevoilor divergente de informare ale operatorilor de utilaje, ale tehnicienilor, ale managerilor de fabrică sau chiar ale managerilor de afaceri.

De asemenea, instrumentele de simulare din cadrul mediilor de software ale furnizorilor de PLC pot să accelereze timpul de lansare pe piață pentru un anumit produs și să stimuleze producția de produse finite. Suita de îmbunătățiri bazate pe software este completată de funcții de gestionare a energiei și de diagnosticare.

Verificarea și încărcarea PLC-urilor cu programe scrise în software

Figura 2: sistemele Siemens SIMATIC PLC și de automatizare au fost introduse pentru prima dată în anii '50. În prezent, produsele SIMATIC S7 (inclusiv componentele PLC SIMATIC S7-1500 prezentate aici) au evoluat pentru a accepta diverse aplicații de automatizare industrială. (Sursa imaginii: Siemens)

Calitatea programării este esențială pentru o funcționalitate optimă a PLC-ului. Toate codurile trebuie să respecte standardele și cele mai bune practici ale industriei de dezvoltare a software-urilor. În plus, procesele de verificare (atât manuale, cât și automatizate) pot dezvălui orice, de la erori critice la ineficiențe ale codului. Reexaminați programarea produselor SIMATIC S7. În cadrul ecosistemului Siemens, o aplicație TIA Portal Project Check poate compara în mod automat anumite coduri cu regulile definite de un ghid de stil de programare pentru aceste PLC-uri specifice. Apoi, inginerii pot exporta rezultatele comparației într-un fișier XML sau Excel. De asemenea, pot fi adăugate și seturi de reguli definite de utilizator (chiar și tipuri complexe), prin intermediul unui kit de dezvoltare software (sau SDK) Project Check în C# sau Visual Basic (.NET). Acest SDK verifică în principal stilul unui program.

Tabelul 1: verificarea programării PLC poate utiliza abordări manuale și automate – acestea din urmă fiind deosebit de utile pentru verificarea stilului și a tehnicii. (Sursa graficului: Siemens)

După ce un proiect destinat unui PLC este complet scris și verificat, acesta trebuie încărcat pe respectivul PLC. În multe cazuri, un PC (adesea un laptop) este conectat temporar la PLC prin intermediul unui cablu Ethernet sau al unui adaptor specializat de la PC USB la PLC COMM – pentru a încărca programarea respectivă în microelectronica PLC. PLC-ul se conectează apoi la componentele controlate prin intermediul modulelor I/O. După o verificare suplimentară la pornire, PLC-ul își execută programele comandând mecanismele de acționare din rețea (prin diverse tipuri de semnal) și efectuând ajustări în timp real ca răspuns la feedbackul transmis de dispozitivele de pe teren.

Ocazional, un utilaj sau o celulă de lucru automatizată va necesita reglare, depanare sau reparații – și (printr-un anumit tip de conexiune PC de programare la PLC) înlocuirea răspunsurilor implicite ale PLC-ului la feedback cu forțare. Acest lucru „păcălește” PLC-ul să funcționeze ca și cum un anumit feedback ar fi la o anumită valoare, când nu este așa – o tactică folosită, de exemplu, atunci când stațiile din aval de un mecanism de acționare cu funcționare defectuoasă trebuie să fie curățate. Alteori, un utilaj sau o celulă de lucru poate necesita ajustarea pe teren a parametrilor unui PLC instalat prin modificare. Pentru aceste ajustări trebuie să se facă referire la declanșatori, valori variabile sau tabele, contoare și cronometre adecvate.

Concluzie

Utilizarea variatei game de oferte de automatizare și de control industrial Siemens poate oferi inginerilor proiectanți o înțelegere mai profundă a opțiunilor de control actuale – inclusiv a PLC-urilor și a altor tipuri de hardware. Acest lucru este valabil indiferent de marca sau de subtipul de hardware ales în cele din urmă pentru o instalare automată.