PLC útmutató: Fogalmak, alkalmazások és kábelezési alapismeretek

Bevezetés: Az „agy” az automatizálás hullámában

Napjaink gyorsan fejlődő ipari automatizálási környezetében a gyártási hatékonyság, a rugalmasság és a megbízhatóság kritikus mérőszámai a gyártási kapacitásnak.

A hagyományos, összetett relévezérlő áramkörök nehezen teljesítik a modern ipar bonyolult logika, gyors válaszidő és kényelmes karbantartás iránti igényét.

Ebben a háttérben a programozható logikai vezérlő (PLC) megjelent, és gyorsan az automatizálási vezérlőrendszerek központi „agyaként” nőtte ki magát.

Ez a dokumentum szisztematikusan végigvezeti Önt a PLC-k világán, elmagyarázva alapelveiket, széleskörű alkalmazásukat és alapvető bekötési technikáikat.

1. rész: A PLC bemutatása – Alapvető fogalmak és előnyök

1. Mi az a PLC? 

A PLC vagy programozható logikai vezérlő egy digitális elektronikus rendszer, amelyet kifejezetten ipari környezetben való használatra terveztek.

Programozható memóriát használ a felhasználó-orientált utasítások tárolására olyan funkciók végrehajtásához, mint a logikai műveletek, a sorozatvezérlés, az időzítés, a számlálás és az aritmetikai műveletek.

Digitális vagy analóg bemeneti/kimeneti (I/O) modulokon keresztül különféle típusú gépeket vagy gyártási folyamatokat vezérel.

2. Összehasonlítás a hagyományos vezérléssel: Miért válasszunk PLC-t? 

A PLC-k széles körű elterjedése előtt az ipari vezérlés elsősorban relékből, kontaktorokból, időzítőkből stb. álló vezetékes logikai áramkörökre támaszkodott.

• Hagyományos áramkörök (relé logika):
  • Fix funkciók: A bekötés után a vezérlési logika megváltoztatása nehéz és munkaigényes.
  • A vezetékezés bonyolultsága: Az alkatrészek száma és a vezetékek mennyisége exponenciálisan növekszik a vezérlési logika bonyolultságával.
  • Nehéz karbantartás: A hibaelhárítás a fizikai kapcsolatok pontról pontra történő ellenőrzését igényli, ami időigényes.
  • Korlátozott elérhetőségek: A fizikai érintkezéseknek véges mennyiségi és élettartam-korlátai vannak.
  • Rossz skálázhatóság: Az új funkciók hozzáadása gyakran jelentős áttervezést és újrahuzalozást tesz szükségessé.
• PLC vezérlőrendszerek:
  • Nagy rugalmasság: A vezérlési logika egy szoftverben található. A funkcionalitás módosítása általában csak a programkód megváltoztatását jelenti, a hardver huzalozásának megváltoztatása nélkül. Például az X00 bemeneti gomb megváltoztatása Y001 kimenetről Y002 vezérlésre csak kisebb módosítást igényel a programozó szoftverben.
  • Egyszerűsített tervezés és bekötés: A bemenetek (pl. gombok, érzékelők) és kimenetek (pl. jelzőlámpák, motorkontaktor tekercsek) közvetlenül csatlakoznak a PLC I/O moduljaihoz, drasztikusan csökkentve a külső huzalozás bonyolultságát.
  • Erőteljes funkcionalitás: A PLC-k gazdag utasításkészletet kínálnak, könnyen megvalósítható összetett logika, időzítés, számlálás, adatkezelés stb. A belső szoftverkapcsolatok (Normally Open/Normally Closed) gyakorlatilag korlátozás nélkül használhatók.
  • Könnyű karbantartás és diagnosztika: A programozószoftver online megfigyelési lehetőségeket biztosít, lehetővé téve a programvégrehajtás állapotának és az I/O jelek valós idejű megfigyelését, megkönnyítve a hiba gyors lokalizálását.
  • Nagy megbízhatóság és skálázhatóság: A zord ipari környezethez tervezett PLC-k erős zajtűrő képességet mutatnak. Moduláris felépítésük lehetővé teszi az I/O pontok egyszerű bővítését vagy speciális funkciómodulok hozzáadását a követelményeknek megfelelően.

1. táblázat: A PLC-rendszerek összehasonlítása a hagyományos relévezérlő rendszerekkel

2. rész: A PLC-k alapvető funkciói és alkalmazási tartományai

A PLC képességei messze túlmutatnak az alapvető kapcsolási vezérlésen. A modern PLC-k sokoldalú erőművek, az alkalmazások általában az alábbi öt területre oszthatók:

1. Digitális vezérlés (diszkrét vezérlés): Ez a legalapvetőbb és legelterjedtebb PLC alkalmazás. Ez magában foglalja az olyan eszközök BE/KI jeleinek (digitális bemeneteinek) feldolgozását, mint a nyomógombok, kapcsolók és érzékelők, valamint a működtetők, például a jelzőlámpák, relék és mágnesszelepek (digitális kimenetek) a programlogika alapján. Ez képezi a berendezés indítási/leállítási szekvenciáinak és szekvenciális műveleteinek alapját.
2. Mozgásvezérlés: Sok PLC, különösen a közép- és csúcskategóriás modellek nagy sebességű impulzuskimeneti pontokkal rendelkeznek. Ezek a kimenetek nagyfrekvenciás impulzussorozatokat generálnak a léptetőmotorok vagy szervohajtások precíz vezérléséhez, lehetővé téve az olyan összetett feladatokat, mint a precíziós pozicionálás, a sebességszabályozás és a pályakövetés. Ez kulcsfontosságú a csomagológépekben, a CNC gépekben, a robotikában és hasonló alkalmazásokban.
3. Analóg vezérlés: Az ipari folyamatok gyakran folyamatosan változó fizikai mennyiségeket foglalnak magukban, például hőmérsékletet, nyomást, áramlási sebességet és szintet. A PLC-k analóg bemeneti modulokat használnak a jelek (általában 4-20 mA vagy 0-10 V) vételére az adóktól és érzékelőktől. A belső feldolgozás (A/D konverzió, szűrés, skálázás) után az analóg kimeneti modulok olyan eszközöket vezérelnek, mint a moduláló szelepek vagy a változó frekvenciás meghajtók (VFD-k) zárt hurkú szabályozás eléréséhez. Gyakori példa a hőmérsékletszabályozás és az állandó nyomású vízellátás. Sok PLC beépített PID (arányos integrál-származék) vezérlő funkcióblokkot tartalmaz a precíz folyamatvezérlés érdekében. További információ a PID-szabályozókról
4. Adatkezelés (adatfeldolgozás): A PLC-k robusztus képességekkel rendelkeznek a matematikai műveletek (összeadás, kivonás, szorzás, osztás, trigonometrikus függvények stb.), logikai műveletek, adatösszehasonlítás, adatátvitel és rendezés elvégzésére. Gyártási adatokat gyűjthetnek elemzés, feldolgozás és tárolás céljából. Ilyen például a termékek számlálása, a ciklusidők kiszámítása, a receptek kezelése és az összetett munkafolyamat-logika megvalósítása (pl. sorkezelő rendszerek).
5. Kommunikáció és hálózatépítés: A modern automatizálás az összekapcsolhatóságot hangsúlyozza. A PLC-k különféle kommunikációs portokkal vannak felszerelve (pl. RS232, RS485, Ethernet), és több ipari protokollt támogatnak (pl. Modbus, Profibus, ProfiNet, EtherNet/IP). Ez lehetővé teszi a PLC-k számára, hogy:
   • Kommunikáció az ember-gép interfészekkel (HMI-k)/Érintőképernyők: Grafikus interfészek létrehozása az eszköz állapotának figyeléséhez, a paraméterek beállításához és a kézi működtetéshez, számos fizikai gomb és lámpa cseréjével.
   • Kommunikáció a felügyeleti számítógépekkel/SCADA rendszerekkel: Megkönnyíti az adatgyűjtést, a távfelügyeletet és az üzemirányítást.
   • Hálózat más PLC-kkel vagy intelligens eszközökkel (például VFD-kkel, műszerekkel): Építsen elosztott vezérlőrendszereket (DCS), vagy tegye lehetővé a gépek közötti összehangolt működést.
   • Fedezze fel a gyakori ipari protokollokat: Modbus Organization, ODVA (kezeli az EtherNet/IP-t et al.)

3. rész: A PLC-kábelezés alapjai

A megfelelő bekötés minden PLC-rendszer stabil működéséhez elengedhetetlen. A PLC huzalozása elsősorban a bemeneti és kimeneti kapcsokat foglalja magában.

1. Bemeneti vezetékek: A PLC bemenetek jeleket fogadnak külső terepi eszközöktől.

• Csatlakoztatható eszközök: Nyomógombok, választókapcsolók, végálláskapcsolók, közelségérzékelők (induktív), fotoelektromos érzékelők, mágneses kapcsolók (reed kapcsolók, gyakran hengerpozícióhoz), száloptikai erősítők, U-alakú (rés) érzékelők stb.. Lényegében ezek az eszközök kapcsolási jelet adnak a PLC-nek.
• Az áramkör alapelemei: A teljes bemeneti áramkörhöz tápforrásra, kapcsolóelemre (a bemeneti eszközre) és terhelésre (jelen esetben a PLC bemeneti pontjának optocsatolójára) van szükség.
• Bemeneti típusok és csatlakozások (például: Mitsubishi FX3U, DC24V tápegység):
  • Közös terminál (S/S vagy COM): A PLC bemenetek jellemzően belülről optocsatolókon keresztül vannak leválasztva. Az összes bemeneti optocsatoló egyik oldala belsőleg egy közös terminálhoz csatlakozik. Külső vezetékezéshez ezt a közös kivezetést a külső egyenáramú tápegység egyik pólusához kell csatlakoztatni.
  • Nyelő bemenet (NPN Logic): A közös kivezetés (S/S) a külső egyenáramú tápegység pozitív (+24V) csatlakozójára csatlakozik. A bemeneti eszköz (pl. nyomógomb) a PLC X bemeneti kapcsa és a tápegység negatív (0V) közé csatlakozik. A gomb megnyomásakor áram folyik a +24V -> S/S -> belső optocsatoló -> X terminál -> gomb -> 0 V felől, ezzel lezárva az áramkört, és a PLC BE bemenetet regisztrál. Ez a konfiguráció az NPN típusú érzékelőkhöz használatos.
  • Forrás bemenet (PNP logika): A közös kapocs (S/S) a külső egyenáramú tápegység negatív (0V) csatlakozójára csatlakozik. A bemeneti eszköz a PLC X bemeneti kapcsa és a tápegység pozitív (+24V) közé csatlakozik. A gomb megnyomásakor áram folyik a +24V -> gomb -> X kivezetés -> belső optocsatoló -> S/S -> 0V. Ez a konfiguráció a PNP típusú érzékelőkhöz használatos.
  • 2 vezetékes eszköz csatlakozás: Az olyan eszközök, mint a szabványos nyomógombok, végálláskapcsolók és 2 vezetékes mágneses kapcsolók, a kiválasztott nyelő vagy forrás bekötési séma szerint csatlakoznak. Megjegyzés: A 2 vezetékes mágneses kapcsolóknak gyakran van polaritásuk (barna és kék vezetékek). Csatlakoztassa helyesen a PLC bemeneti típusától (Sink/Source) és az áramáramlástól függően. Általános szabály: Mosogató bemenethez (S/S - +24 V), csatlakoztassa a barna vezetéket az X bemenethez, a kék vezetéket a 0 V-hoz. Forrás bemenethez (S/S – 0 V) csatlakoztassa a barna vezetéket a +24 V-hoz, a kék vezetéket az X bemenethez. (Mindig ellenőrizze az eszköz specifikációit).
  • 3 vezetékes érzékelő csatlakozás (pl. fotoelektromos/közelség):
    • NPN érzékelő: Barna vezeték a +24V-hoz, kék vezeték 0V-hoz, fekete jelvezeték a PLC X bemeneti termináljához. A PLC bemenet kell konfigurálható/beköthető a mosogató bemenethez (S/S +24V-ra csatlakoztatva).
    • PNP érzékelő: Barna vezeték a +24V-hoz, kék vezeték 0V-hoz, fekete jelvezeték a PLC X bemeneti termináljához. A PLC bemenet kell konfigurálható/beköthető a Source Inputhoz (S/S 0V-ra csatlakoztatva).

2. Kimeneti vezetékek: A PLC kimenetek külső terheléseket hajtanak meg.

• Csatlakoztatható terhelések: Jelzőlámpák, mágnesszelepek (pneumatikus/hidraulikus vezérléshez), köztes relék, kontaktorok (nagy teljesítményű motorokhoz), félvezetős Relék (SSR-ek, fűtőtestekhez stb.), vezérlőjelek VFD-ekhez, léptető/szervo hajtásokstb.
• Kimeneti típusok: A PLC kimeneti modulok elsősorban három típusban kaphatók, amelyeket a terhelési jellemzők és az alkalmazási igények alapján választanak ki.
  • Relé kimenet (pl. MR utótag a Mitsubishiben):
    • Alapelv: Belső miniatűr elektromechanikus reléket használ. Amikor a program feszültség alá helyez egy kimeneti tekercset (Y), a megfelelő belső reléérintkező zár, és ezzel befejeződik a külső terhelési áramkör.
    • Előnyök: AC és DC terhelést is képes meghajtani, széles feszültségtartomány, viszonylag nagy áramkapacitás, jó elektromos szigetelés, alacsonyabb költség.
    • Hátrányok: véges mechanikai élettartam (jellemzően több százezer-millió ciklus), lassú kapcsolási sebesség (~10ms), nem alkalmas nagyfrekvenciás kapcsolásra (például PWM vagy nagy sebességű impulzus kimenetek). Az ajánlott kapcsolási frekvencia ~0,1 Hz alatt (6 alkalom/perc) az élettartam maximalizálása érdekében.
    • Bekötés: Minden kimeneti pontnak (vagy csoportnak) van egy közös terminálja (COM). Csatlakoztassa a terhelés egyik oldalát az Y kimeneti csatlakozóhoz, a másik oldalát a terhelés tápegységének egyik pólusához. Csatlakoztassa a terhelési tápegység másik pólusát a megfelelő COM-kivezetéshez. A COM csatlakozás rugalmas a polaritás (DC) vagy a vonal/semleges (AC) tekintetében.
  • Tranzisztor kimenet (pl. MT utótag a Mitsubishiben):
    • Alapelv: Belső teljesítménytranzisztorokat (tipikusan MOSFET-eket) használ.
    • Előnyök: Rendkívül gyors kapcsolási sebesség (mikroszekundum), nincs mechanikai kopás, nagyon hosszú élettartam, ideális olyan nagyfrekvenciás alkalmazásokhoz, mint a léptető/szervo hajtások (impulzuskimenetek) és a PWM vezérlés (sötétítés/sebesség).
    • Hátrányok: Csak egyenáramú terhelést képes meghajtani. Alacsonyabb tolerancia túlterhelésekhez és bekapcsolási áramokhoz; gyakran szükség van külső védelemre (pl. flyback dióda induktív terhelésekhez). Kikapcsolt állapotban kis szivárgási áramot mutat.
    • Vezetékezés: Elérhető Sink (NPN) vagy Forrás (PNP) típusban.
      • Mosogató kimenet: A közös terminál (COM) a külső terhelésű tápegység negatív (0V) csatlakozójához csatlakozik. Csatlakoztassa a terhelés egyik oldalát a táp pozitív (+V), a másik oldalát a PLC Y kimeneti kapcsához. Amikor az Y bekapcsol, a terhelést 0 V-ra kapcsolja.
      • Forrás kimenet: A közös kivezetés (COM) a külső terhelésű tápegység pozitív (+V) csatlakozójához csatlakozik. Csatlakoztassa a terhelés egyik oldalát a táp negatív (0V), másik oldalát a PLC Y kimeneti csatlakozójához. Amikor Y bekapcsol, +V-t ad a terhelésnek.
  • Triac kimenet (tirisztor kimenet, pl. MS utótag a Mitsubishiben):
    • Alapelv: Belső triacokat használ (egyfajta kétirányú tirisztor).
    • Előnyök: Gyors kapcsolási sebesség, hosszú élettartam, alkalmas váltakozó áramú terhelések meghajtására, különösen kis váltóáramú kontaktorok, mágnesszelepek stb.
    • Hátrányok: Csak váltakozó áramú terhelést képes meghajtani. Jellemzően nulla keresztezésű kapcsolást tartalmaz (előny a zaj csökkentésében, de megakadályozza a fázisszög szabályozását). Kikapcsolt állapotban némi szivárgási áramot mutat. Feszültségugrások/túlfeszültség okozta sérülésekre érzékeny.
    • Bekötés: Hasonló koncepció a relé kimeneti vezetékekhez (terhelés az Y és a táp közé, a COM a táp másik oldalára csatlakozik), de szigorúan az AC áramkörökhöz.

2. táblázat: A PLC kimeneti modulok típusainak összehasonlítása

Kiválasztási útmutató:

• Ha a terhelés AC vagy DC, és a kapcsolási frekvencia alacsony (pl. kevesebb, mint 6-szor percenként), az egyszerűség és a költséghatékonyság miatt gyakran a relé kimenet a preferált választás.
• Ha nagy sebességű kapcsolás, impulzuskimenet generálás (mozgásvezérléshez) vagy egyenáramú terhelések gyakori kapcsolása szükséges, akkor tranzisztoros kimenet szükséges. Ne felejtse el kiválasztani a nyelőt (NPN) vagy a forrást (PNP) a rendszer kialakítása és az érzékelő típusa alapján.
• Ha a terhelés váltakozó áramú, és gyorsabb kapcsolást igényel, mint a relék vagy nagyon gyakori működés, akkor a Triac kimenet jöhet szóba.

Következtetés:

A programozható logikai vezérlő (PLC) a benne rejlő rugalmasság, erőteljes funkcionalitás, egyszerű programozás és karbantartás, valamint kivételes megbízhatóság révén a modern ipari automatizálás vezérlésének nélkülözhetetlen alapeleme.

Alkalmazásai az alapvető digitális logikai vezérléstől a kifinomult mozgásvezérlésig, a precíz analóg szabályozásig, a fejlett adatfeldolgozásig és a zökkenőmentes hálózati kommunikációig terjednek, áthatja az automatizált gyártósorokat és berendezéseket különböző iparágakban.

A PLC-k alapfogalmainak megértése, sokrétű képességeik megismerése és a helyes bemeneti/kimeneti vezetékezési technikák elsajátítása (különösen a Sink/Source, NPN/PNP megkülönböztetése és a megfelelő kimeneti típus kiválasztása) elengedhetetlen készség minden automatizálási mérnök és technikus számára.

Ahogy az Ipar 4.0 és az intelligens gyártás folyamatosan fejlődik, a PLC-k megtartják kritikus szerepüket, lehetővé téve a vállalkozások számára, hogy hatékonyabb, intelligensebb és rugalmasabb termelést érjenek el.