Η αρχή λειτουργίας και τα βασικά του PLC προγραμματισμού

Προγραμματιζόμενοι λογικοί ελεγκτές (PLCs)

Πριν από την εμφάνιση των λογικών κυκλωμάτων στερεάς κατάστασης, η ανάπτυξη συστημάτων λογικού ελέγχου βασίστηκε σε ηλεκτρομηχανικά ρελέ. Μέχρι σήμερα, τα ρελέ δεν είναι παρωχημένα στον προορισμό τους, αλλά σε ορισμένες από τις προηγούμενες λειτουργίες τους αντικαθίστανται από έναν ελεγκτή.

Στη σύγχρονη βιομηχανία υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός διαφορετικών συστημάτων και διαδικασιών που απαιτούν αυτοματοποίηση, αλλά τώρα τέτοια συστήματα σπάνια σχεδιάζονται από ρελέ. Οι σύγχρονες διαδικασίες παραγωγής απαιτούν μια συσκευή που είναι προγραμματισμένη να εκτελεί διάφορες λογικές λειτουργίες. Στα τέλη της δεκαετίας του 1960, η αμερικανική εταιρεία Bedford Associates ανέπτυξε μια ηλεκτρονική συσκευή που ονομάζεται MODICON (Modular Digital Controller). Αργότερα, το όνομα της συσκευής έγινε το όνομα της μονάδας της εταιρείας που σχεδίασε, έκανε και πώλησε.

Άλλες εταιρείες δημιούργησαν τις δικές τους εκδόσεις αυτής της συσκευής και τελικά έγινε γνωστή ως PLC ή προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή. Ο στόχος ενός προγραμματιζόμενου ελεγκτή ικανού να προσομοιώσει τη λειτουργία ενός μεγάλου αριθμού ρελέ ήταν να αντικαταστήσει τα ηλεκτρομηχανικά ρελέ με λογικά στοιχεία.

Το PLC διαθέτει ένα σύνολο τερματικών εισόδου με τα οποία μπορείτε να παρακολουθήσετε την κατάσταση των αισθητήρων και των διακοπτών. Υπάρχουν επίσης ακροδέκτες εξόδου που παρέχουν ένα σήμα "υψηλό" ή "χαμηλό" σε δείκτες ισχύος, σωληνοειδείς βαλβίδες, επαφές, μικρούς κινητήρες και άλλες συσκευές αυτοελέγχου.

Τα PLC είναι εύκολο να προγραμματιστούν επειδή η γλώσσα προγραμματισμού τους μοιάζει με τη λογική ενός ρελέ. Έτσι, ένας συνηθισμένος βιομηχανικός ηλεκτρολόγος ή ένας ηλεκτρολόγος μηχανικός, εξοικειωμένος με τα κυκλώματα λογικής κλίμακας ανάγνωσης, θα νιώθει άνετα όταν προγραμματίζει ένα PLC να εκτελεί τις ίδιες λειτουργίες.

Η σύνδεση σήματος και ο τυπικός προγραμματισμός είναι κάπως διαφορετικοί για διαφορετικά μοντέλα PLC, αλλά είναι αρκετά παρόμοια, πράγμα που σας επιτρέπει να τοποθετήσετε εδώ μια "γενική" εισαγωγή στον προγραμματισμό αυτής της συσκευής.

Η παρακάτω εικόνα δείχνει ένα απλό PLC, ή μάλλον, πώς θα μπορούσε να φαίνεται μπροστά. Δύο βιδωτά τερματικά για σύνδεση εσωτερικών κυκλωμάτων PLC έως 120 VAC φέρουν σήμανση L1 και L2.

Έξι βιδωτά τερματικά που βρίσκονται στην αριστερή πλευρά παρέχουν σύνδεση για συσκευές εισόδου. Κάθε τερματικό αντιπροσωπεύει το κανάλι εισόδου του (X). Ο βιδωτός ακροδέκτης ("γενική" σύνδεση) που βρίσκεται στην κάτω αριστερή γωνία συνδέεται συνήθως στην πηγή ρεύματος L2 (ουδέτερη) με τάση 120 V AC.

Μέσα στο περίβλημα PLC που συνδέει κάθε τερματικό εισόδου με ένα κοινό τερματικό, υπάρχει ένας απομονωτής συσκευής (LED) που παρέχει ένα ηλεκτρικά απομονωμένο σήμα "high" για το κύκλωμα του υπολογιστή (ένας φωτοτρανίστας ερμηνεύει τη λυχνία LED) όταν ένα εναλλασσόμενο ρεύμα 120 volt είναι εγκατεστημένο μεταξύ του αντίστοιχου ακροδέκτη εισόδου και του κοινού τερματικό σταθμό. Η λυχνία LED στο μπροστινό μέρος του PLC καθιστά δυνατή την κατανόηση της εισόδου που είναι ενεργή:

Τα σήματα εξόδου παράγονται μέσω κυκλώματος ηλεκτρονικών υπολογιστών PLC, ενεργοποιώντας μια συσκευή μεταγωγής (τρανζίστορ, θυρίστορ ή ακόμα και ηλεκτρομηχανικό ρελέ) και συνδέοντας τον τερματικό "Source" (κάτω δεξιά γωνία) με οποιαδήποτε έξοδο που σημειώνεται με το γράμμα Y. Το τερματικό πηγής συνήθως συσχετίζεται με το L1. Όπως κάθε είσοδος, κάθε έξοδος που ενεργοποιείται είναι επισημασμένη με ένα LED:

Έτσι, το PLC μπορεί να συνδεθεί με οποιαδήποτε συσκευή, όπως διακόπτες και ηλεκτρομαγνήτες.

Βασικά στοιχεία προγραμματισμού PLC

Η σύγχρονη λογική του συστήματος ελέγχου εγκαθίσταται στο PLC μέσω ενός προγράμματος υπολογιστή.Αυτό το πρόγραμμα καθορίζει ποιες εξόδους είναι ζωντανές και υπό ποιες συνθήκες εισόδου. Αν και το ίδιο το πρόγραμμα μοιάζει με ένα κύκλωμα λογικής ρελέ, δεν υπάρχουν επαφές διακόπτη ή πηνία ρελέ που να λειτουργούν μέσα στο PLC για να δημιουργούν συνδέσεις μεταξύ εισόδου και εξόδου. Αυτές οι επαφές και οι ρόλοι είναι φανταστικοί. Το πρόγραμμα γράφεται και προβάλλεται χρησιμοποιώντας έναν προσωπικό υπολογιστή συνδεδεμένο στη θύρα προγραμματισμού του PLC.

Εξετάστε το ακόλουθο πρόγραμμα κυκλώματος και PLC:

Όταν ο διακόπτης με κουμπιά δεν είναι ενεργοποιημένος (στην κατάσταση εκτός λειτουργίας), το σήμα δεν αποστέλλεται στην είσοδο X1. Σύμφωνα με το πρόγραμμα, το οποίο δείχνει την είσοδο "ανοιχτό" Χ1, το σήμα δεν θα σταλεί στην έξοδο Υ1. Έτσι, η έξοδος Υ1 θα παραμείνει απενεργοποιημένη και ο συνδεδεμένος δείκτης θα απενεργοποιηθεί.

Αν πατήσετε το διακόπτη του κουμπιού, το σήμα θα σταλεί στην είσοδο X1. Όλες οι επαφές X1 στο πρόγραμμα θα αναλάβουν μια ενεργοποιημένη κατάσταση, σαν να είναι επαφές ρελέ ενεργοποιημένες με παροχή τάσης σε ένα πηνίο ρελέ που ονομάζεται Χ1. Σε αυτή την περίπτωση, η ανοικτή επαφή X1 θα είναι "κλειστή" και θα στείλει ένα σήμα στο πηνίο Y1. Όταν το πηνίο Y1 είναι ενεργοποιημένο, η έξοδος Y1 θα ανάψει με έναν λαμπτήρα συνδεδεμένο σε αυτό.

Θα πρέπει να γίνει κατανοητό ότι η επαφή Χ1 και το πηνίο Υ1 συνδέονται με καλώδια και το σήμα που εμφανίζεται στην οθόνη του υπολογιστή είναι εικονικό. Δεν υπάρχουν ως πραγματικά ηλεκτρικά εξαρτήματα. Είναι παρόντες μόνο σε ένα πρόγραμμα υπολογιστή - μέρος του λογισμικού - και μοιάζουν ακριβώς με αυτό που συμβαίνει στο κύκλωμα ρελέ.

Είναι εξίσου σημαντικό να καταλάβουμε ότι ο υπολογιστής που χρησιμοποιείται για την εγγραφή και την επεξεργασία του προγράμματος δεν χρειάζεται για περαιτέρω χρήση του PLC. Αφού το πρόγραμμα έχει φορτωθεί στον προγραμματιζόμενο ελεγκτή, ο υπολογιστής μπορεί να απενεργοποιηθεί και το PLC θα εκτελεί ανεξάρτητα τις εντολές του προγράμματος. Περιλαμβάνουμε μια οθόνη υπολογιστή για να κατανοήσετε τη σχέση μεταξύ των πραγματικών συνθηκών (κλείσιμο διακόπτη και κατάσταση λυχνιών) και τις καταστάσεις προγραμμάτων (σήματα μέσω εικονικών επαφών και εικονικών πηνίων).

Η πραγματική ισχύς και η ευελιξία του PLC αποκαλύπτονται όταν θέλουμε να αλλάξουμε τη συμπεριφορά του συστήματος ελέγχου. Δεδομένου ότι το PLC είναι προγραμματιζόμενη συσκευή, μπορούμε να αλλάξουμε τις εντολές που έχουμε ρυθμίσει χωρίς να επαναπροσδιορίσουμε τα εξαρτήματα που είναι συνδεδεμένα σε αυτήν. Ας υποθέσουμε ότι αποφασίσαμε να αλλάξουμε την λειτουργία "διακόπτης - λαμπτήρας" αντίστροφα: πατήστε το κουμπί για να απενεργοποιήσετε τη λάμπα και να την απελευθερώσετε για να την ενεργοποιήσετε.

Η λύση αυτού του προβλήματος σε πραγματικές συνθήκες είναι ότι ο διακόπτης, "ανοιχτός" υπό κανονικές συνθήκες, αντικαθίσταται από ένα "κλειστό". Η λύση λογισμικού της αλλάζει το πρόγραμμα έτσι ώστε η επαφή X1 υπό κανονικές συνθήκες να είναι "κλειστή" και όχι "ανοιχτή".

Στην παρακάτω εικόνα θα δείτε ένα πρόγραμμα που έχει ήδη αλλάξει, με τον διακόπτη να μην ενεργοποιείται:

Και εδώ ενεργοποιείται ο διακόπτης:

Ένα από τα πλεονεκτήματα της εφαρμογής λογικού ελέγχου στο λογισμικό, σε αντίθεση με τον έλεγχο μέσω υλικού, είναι ότι τα σήματα εισόδου μπορούν να χρησιμοποιηθούν όσες φορές χρειάζεται. Για παράδειγμα, εξετάστε ένα κύκλωμα και ένα πρόγραμμα που έχει σχεδιαστεί για να ενεργοποιεί έναν λαμπτήρα, εάν ενεργοποιούνται ταυτόχρονα τουλάχιστον δύο από τους τρεις διακόπτες:

Για την κατασκευή ενός παρόμοιου κυκλώματος με τη χρήση ενός ρελέ, απαιτούνται τρεις ρελέ με δύο ανοικτές επαφές υπό κανονικές συνθήκες, καθένα από τα οποία πρέπει να χρησιμοποιείται. Ωστόσο, χρησιμοποιώντας το PLC, μπορούμε να προγραμματίσουμε όσες ακίδες για κάθε είσοδο "Χ" όπως θα θέλαμε χωρίς την προσθήκη πρόσθετου εξοπλισμού (κάθε είσοδος και έξοδος πρέπει να καταλαμβάνουν όχι περισσότερο από 1 bit στην ψηφιακή μνήμη PLC) και να τις καλέσει όσες φορές χρειάζεται .

Επιπλέον, δεδομένου ότι κάθε έξοδος PLC δεν καταλαμβάνει περισσότερο από ένα bit στη μνήμη του, μπορούμε να προσθέσουμε επαφές στο πρόγραμμα, μεταφέροντας την έξοδο Y σε κατάσταση μη ενεργοποιημένη. Για παράδειγμα, πάρτε ένα διάγραμμα κινητήρα με ένα σύστημα για να ελέγξετε την έναρξη της κίνησης και να σταματήσετε:

Ο διακόπτης που συνδέεται στην είσοδο X1 λειτουργεί ως το κουμπί "Έναρξη", ενώ ο διακόπτης που συνδέεται στην είσοδο X2 λειτουργεί ως το κουμπί "Διακοπή". Μια άλλη επαφή, με την ονομασία Y1, όπως η εκτύπωση σε επαφή, επιτρέπει στον επαφέα κινητήρα να παραμείνει ενεργοποιημένος ακόμα κι αν αφήσετε το κουμπί "Έναρξη". Σε αυτή την περίπτωση, μπορείτε να δείτε πώς η επαφή X2, "κλειστή" υπό κανονικές συνθήκες, εμφανίζεται στο μπλοκ χρώματος, δείχνοντας έτσι ότι βρίσκεται στην κατάσταση "κλειστό" ("ηλεκτρικά αγώγιμο").

Εάν πατήσετε το κουμπί "Έναρξη", τότε ένα ρεύμα θα περάσει από την "κλειστή" επαφή X1 και θα στείλει 120 VAC στον επαφέα κινητήρα. Η παράλληλη επαφή Y1 θα "κλείσει", κλείνοντας έτσι το κύκλωμα:

Εάν πιέσουμε τώρα το πλήκτρο "Έναρξη", επικοινωνήστε με το X1 θα μεταβεί στην κατάσταση "ανοικτής", αλλά ο κινητήρας θα συνεχίσει να λειτουργεί, επειδή η κλειστή επαφή Y1 θα κρατήσει ακόμα το πηνίο ενεργοποιημένο:

Για να σταματήσετε τον κινητήρα, πρέπει να πατήσετε γρήγορα το κουμπί "Stop", το οποίο θα αναφέρει την τάση στην είσοδο X1 και την επαφή "ανοιχτή", η οποία θα οδηγήσει στον τερματισμό της παροχής τάσης στο πηνίο Y1:

Όταν πατήσατε το κουμπί "Διακοπή", η είσοδος Χ1 έμεινε χωρίς τάση, επιστρέφοντας έτσι την επαφή Χ1 στην κανονική της κατάσταση "κλειστό". Σε καμία περίπτωση ο κινητήρας δεν θα λειτουργήσει ξανά μέχρι να πατήσετε ξανά το κουμπί εκκίνησης, επειδή έχει χαθεί η εκτύπωση στην καρφίτσα Y1:

Ένα μοντέλο ανθεκτικότητας σε βλάβες των συσκευών ελέγχου PLC είναι πολύ σημαντικό, όπως συμβαίνει με τις ηλεκτρομηχανικές συσκευές ελέγχου ρελέ. Είναι πάντα απαραίτητο να λαμβάνεται υπόψη η επίδραση μιας λανθασμένης "ανοικτής" επαφής στη λειτουργία του συστήματος. Έτσι, για παράδειγμα, στην περίπτωση μας, εάν η επαφή X2 είναι εσφαλμένα "ανοιχτή", δεν θα υπάρχει τρόπος να σταματήσετε τον κινητήρα!

Η λύση αυτού του προβλήματος είναι να επαναπρογραμματίσετε την επαφή X2 μέσα στο PLC και να πατήσετε πραγματικά το κουμπί Stop:

Όταν δεν πατηθεί το πλήκτρο "Διακοπή", η είσοδος του PLC Χ2 ενεργοποιείται, δηλ. η επαφή X2 είναι "κλειστή". Αυτό επιτρέπει στον κινητήρα να ξεκινήσει τη λειτουργία του όταν μεταδίδεται ρεύμα στον ακροδέκτη Χ1 και να συνεχίσει τη λειτουργία του όταν απελευθερωθεί το πλήκτρο "Έναρξη". Όταν πιέζετε το πλήκτρο "Διακοπή", το X2 μεταβαίνει στην κατάσταση "ανοιχτό" και ο κινητήρας σταματά να λειτουργεί. Έτσι, μπορείτε να δείτε ότι δεν υπάρχει λειτουργική διαφορά μεταξύ αυτού και του προηγούμενου μοντέλου.

Ωστόσο, εάν ο ακροδέκτης εισόδου X2 "άνοιξε" εσφαλμένα, η είσοδος X2 μπορεί να σταματήσει πατώντας το κουμπί "Διακοπή". Ως αποτέλεσμα, ο κινητήρας σβήνει αμέσως. Το μοντέλο αυτό είναι ασφαλέστερο από το προηγούμενο, όπου πατώντας το κουμπί "Διακοπή" θα είναι αδύνατο να σταματήσει ο κινητήρας.

Εκτός από τις εισόδους (X) και τις εξόδους (Y) στο PLC, είναι δυνατή η χρήση "εσωτερικών επαφών και πηνίων. Χρησιμοποιούνται με τον ίδιο τρόπο όπως και τα ενδιάμεσα ρελέ που χρησιμοποιούνται στα τυποποιημένα κυκλώματα ρελέ.

Για να κατανοήσουμε την αρχή της λειτουργίας των "εσωτερικών" κυκλωμάτων και των επαφών, εξετάστε το ακόλουθο κύκλωμα και το πρόγραμμα που αναπτύχθηκε με βάση τις τρεις εισόδους της λογικής συνάρτησης AND:

Σε αυτό το κύκλωμα, η λυχνία είναι αναμμένη μέχρι να πατηθεί ένα από τα κουμπιά. Για να απενεργοποιήσετε τη λυχνία, πατήστε και τα τρία κουμπιά:

Αυτό το άρθρο σχετικά με προγραμματιζόμενους λογικούς ελεγκτές δείχνει μόνο ένα μικρό δείγμα των δυνατοτήτων τους. Ως ένας υπολογιστής PLC, μπορεί να εκτελέσει άλλες προηγμένες λειτουργίες με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια και αξιοπιστία από ό, τι όταν χρησιμοποιεί ηλεκτρομηχανικές λογικές συσκευές. Τα περισσότερα PLC έχουν περισσότερες από έξι εισόδους και εξόδους. Η παρακάτω εικόνα δείχνει ένα PLC της Allen-Bradley:

Με μονάδες, κάθε μία από τις οποίες διαθέτει 16 εισόδους και εξόδους, αυτό το PLC έχει τη δυνατότητα να ελέγχει δώδεκα συσκευές.Τοποθετημένο σε πίνακα ελέγχου PLC καταλαμβάνει ελάχιστο χώρο (για ηλεκτρομηχανικά ρελέ που εκτελούν τις ίδιες λειτουργίες, απαιτείται περισσότερος ελεύθερος χώρος).

Ένα από τα πλεονεκτήματα του PLC, το οποίο απλά δεν μπορεί να αντιγραφεί από ένα ηλεκτρομηχανικό ρελέ, είναι η απομακρυσμένη παρακολούθηση και ο έλεγχος μέσω του ψηφιακού δικτύου του υπολογιστή. Δεδομένου ότι ένα PLC δεν είναι τίποτα περισσότερο από έναν εξειδικευμένο ψηφιακό υπολογιστή, μπορεί εύκολα να "επικοινωνήσει" με άλλους υπολογιστές. Η ακόλουθη φωτογραφία είναι μια γραφική αναπαράσταση της διαδικασίας πλήρωσης υγρών (σταθμός άντλησης για την επεξεργασία αστικών λυμάτων) που ελέγχεται από ένα PLC. Επιπλέον, ο ίδιος ο σταθμός βρίσκεται λίγα χιλιόμετρα από την οθόνη του υπολογιστή.