PLC-ről általánosságban

Az irányítástechnika fejlődésében nagy mérföldkő volt a programozható logikai vezérlők /Programmable Logic Controller röviden PLC/ elterjedése. Régebben a különböző elektromos vezérlések (legyen az szerszámgép, kocsimosó, ipari folyamat) megvalósításához, jelfogókat {reléket} és más elektronikus alkatrészeket (diódákat, tranzisztorokat, logikai integrált áramköröket is lineáris integrált áramköröket ) alkalmaztak. Ezek összeállítása (nyák gyártása, beültetése és a relék összehuzalozása) munkaigényes feladat.

A PLC megjelenésével ezek a munkafolyamatok leegyszerűsödtek, a munka idő ráfordítás is csökkent. A PLC-és vezérlés rugalmassága még jobban érezhető akkor, ha egy meglévő PLC-s vezérlésű folyamaton kell módosítani (pl. a gyártási technológia megváltozik) és a folyamatban lévő berendezések nem bővülnek, akkor csak a vezérlő programon kell módosítani a huzalozáson nem.

A PLC felépítése

Az ábrán egy tipikus plc felépítése látható.

A PLC lelke a mikroprocesszor (CPU), kezdetekkor még 1-bites majd a mikroprocesszorok technikai fejlődése során 8-bites, 16-bites mikroprocesszorokat építettek a PLC-k be. A CPU a programmemóriába tárolt utasításokat értelmezi és végrehajtja.

A programmemória tárolja a gép, folyamatvezérléshez szükséges programot (RAM ehhez elem volt szükséges, EEPROM, MMC) és a rendszerprogramot, ami a PLC működéséhez szükséges (ROM, EPROM, EEPRO, MMC ).

Az adatmemória a bemeneti eszközök állapota ide másolódik be, ami egy cikluson belül nem változik, a program a kimeneteket nem közvetlenül írja, hanem ebben a memóriába kialakított területet írja és a program futása során a belső változóit is ide helyezi el.

A tápegység, ami lehet 230AC vagy 24DC táplálású a feladata, hogy a PLC működéséhez szükséges feszültség szinteket előállítsa.

A bemeneti egységek a vezérelt technológiai folyamat állapotára jellemző jeleket fogadja, ez lehet analóg, digitális, impulzus sorozat ezek az egységek csatlakozó kapcsai optocsatoló segítségével galvanikusan le van választva a PLC belső áramköreitől.

A digitális bemenetek kétállapotú (0 és 1 állapotú) jeleket fogadnak, ezek a jelek jöhetnek több forrásból pl. kezelőgombok, relék érintkezői, közelítéskapcsoló stb., ha a bemeneten feszültség van, akkor egy LED dióda jelzi. Feszültség szint szerint lehetnek AC 230VAC vagy 110VAC és DC 24V feszültségűek. A DC bemenetek szűrő áramkörön keresztül jut el az optocsatolóig, az AC bemeneteken van egy egyenirányító-híd, amely a váltakozófeszültséget egyenirányítja majd egy megfelelően méretezett előtét ellenálláson és szűrőegységen keresztül jut el az optocsatolóig.

Analóg bemenetek a technológiai folyamat fizikai jellemzőit (nyomás, hőmérséklet, sebesség, tartályszint) villamos jellé átalakító szenzorok jelét fogadja és alakítja át digitális formátumra. A bemenetek jelszintjei: 0-10V, +/- 10V, 0-20mA, 4-20mA, 1-5V lehet még több fajta ezek a panel leírásából kiolvasható. Gyártanak még több fajtájú hőelemek, Pt100hőmérséklet távadók jeleinek fogadására alkalmas bemeneteket. A beolvasott jeleket át kell konvertálni digitális formátumra egy analóg-digitális átalakító segítségével. Egy analóg-digitális átalakító bemenetére több távadó is csatlakoztatható multiplexer által, típustól függően 2,4,8,16 csatorna is lehet. Az átalakítás felbontási képessége a mért jelnek a legkisebb változása, amelynél a digitális érték egy bittel változik, ez az analóg-digitális konverter kimeneti bitjeitől függ. Az analóg-digitális konverterek 8, 10, 12, 16 bitesek lehetnek.

Számláló bemenetek a bemenetre érkező nagyobb frekvenciájú jelek esetén már a normál bemenet nem tudja lekezelni. A PLC katalógusok tartalmazzák a bemenetek frekvencia felső korlátját, amely felett a jelkezelés bizonytalan. A kompakt PLC-nél is alakítanak ilyen célra is bemeneteket, ami közönséges bemenetekként is használhatók. Erre a célja gyártanak gyors számláló modulokat, kártyákat a nem kompakt PLC-ék számára, ezek általában rendelkeznek normál bemenetekkel és kimenetekkel is.

A kimeneti egységek a vezérelt technológiai folyamatba vezérléséhez szükséges jeleket küld, ez lehet analóg, digitális ezek az egységek csatlakozó kapcsai is galvanikusan le van választva a PLC belső áramköreitől.

A digitális kimenetek kétállapotú kimenetek elektromos szelepek, mágneskapcsolók, relék működtetésére, engedélyező jelek villamos egységek számára használják. Több kialakítás is létezik belőlük relés, tranzisztoros, triakos.

A relés kimenet, a kimeneti rész egy relé (REED) érintkezője ez így galvanikus leválasztást is megoldja a PLC belsőáramkörei és a külső áramkör között. Egyen és váltakozó áramkörök kapcsolása is megoldható és nagyobb áramok is kapcsolhatók vele. A kapcsolási frekvenciája (másodpercenkénti kapcsolások száma) 10Hz körül van és mechanikus alkatrész tartalma így kapcsolási száma véges.

A tranzisztoros kimenet a kimenetén egy teljesítmény tranzisztor van, amelyet egy optocsatoló választja le a belsőáramkörről. A kapcsolási frekvenciája nagy maximum 100Hz- több kHz-ig gyártótól függően, mivel mechanikus alkatrészt nem tartalmaz, így elvileg végtelen lehet az élettartama. Ez a kimenet csak egyenáramú áramkörökben használható és polaritás helyesen, a maximális kimeneti árama körülbelül 100mA-500mA ez is gyártótól függően, a terhelés jellegére is érzékeny (pl. induktív terhelés).

A triakos kimenet a kimenetet kapcsoló elem itt egy triak amit egy optocsatoló választ le a PLC belsőáramköréről. Mechanikus alkatrészt nem tartalmaz, így elvileg végtelen lehet az élettartama, váltakozó áramkörökben használható, kapcsolási sebessége nagy, nagyobb áramokat is képes kapcsolni. Induktív terhelésre kevésbé érzékenyek mivel a váltakozó áram értéke tartóárama alá esik.

Analóg kimenetek beavatkozó jeleket küldhetünk a folyamatirányítási rendszerben lévő olyan beavatkozó elemekre, mint pl. frekvenciaváltóra (fordulatszám- nyomatékjeleket), proporcionális szelepre. A bemeneti jelek állapotából a PLC kiszámolja az irányított folyamatba szükséges beavatkozó jelek digitális értékét. Az analóg kimeneti elemek átalakítják a digitális-analóg konverter segítségével kvázi folyamatos analóg jellé. A kimenetek jelszintjei többek között lehetnek: 0 -20mA, 4 - 20mA, 0-10VDC, + /- 10VDC.

A kommunikációs eszköz az kétirányú adatátvitelt biztosít más eszközök számára. Ilyen eszközök lehetnek másik PLC-k, érzékelők, végrehajtó szervek, SCADA számítógép, vonalkód leolvasó HMI stb. Adatátvitel történhet Profi-Bus-os, CAN-Bus-on,RS232, RS422/488, Ethernet-en, Controller Link-en keresztül. Programozó eszköz is ide csatlakoztatható, amellyel a felhasználói program (gép vagy a folyamat vezérlő programja) írása történik. Ez lehet csak erre a célra kialakított készülék vagy egy számítógép megfelelő szoftverrel. A PLC-vel állandó kapcsolata nem szükséges csak új program írásakor, módosításakor, teszteléskor, hibakereséskor kell.

A PLC működése

A PLC a megírt programot utasításonként sorosan dolgozza fel, és újra kezdi elölről. A feldolgozási időnek rövidnek kell lenni, mert a bemenetre érkező jel megváltozását érzékelni kell és erre a jelre kimeneten keresztül, válaszolni kell. A rendkívül gyorsan változó jelekre / több 10kHz impulzus sorozat, forgásjel adó jelei / a PLC-gyártók több módszert dolgoztak ki. A megszakításos rendszer mikor az erre kialakított bemeneteken a jel megváltozik, a PLC program felfüggeszti a futását és elkezdi a bemenet kezelésére megírt program végrehajtását, a másik módszer speciális modult alakítanak ki, amely a PLC-ben lévő processzor megkerülésével kezeli le az eseményt és a processzor később, értesül az eseményről.

A PLC ciklus ideje két részből áll a rendszerprogram végrehajtási ideje és a felhasználói program végrehajtási ideje. A rendszerprogram végrehajtás alatt az aktuális bemenetek állapota beolvasása egy átmeneti tárolóba (bemeneti) erre azért van szükség, mert a felhasználói program vérhajtása közben a bemenetek változása ne zavarja a program működését. A bemeneti adattároló aktualizálása után a felhasználói program sorban végrehajtja a logikai, aritmetikai, egyéb utasításokat a bemeneti, kimeneti belső adattárolók állapota szerint, az eredmény a belsőkimeneti adat tárolóba rögzítődik. Majd a kimeneti adat tároló állapota kiírása a kimenetekre.

A felhasználói programok írása a PLC saját fejlesztő rendszerében a programozó egységen keresztül történik. A program írása történhet utasításlistás, létra diagram, funkcióblokk, strukturált szöveg alapján.