Водич за ПЛЦ: концепти, апликације и основе ожичења

Увод: „Мозак“ у таласу аутоматизације

У данашњем окружењу индустријске аутоматизације које брзо напредује, ефикасност производње, флексибилност и поузданост су критичне метрике за производне способности.

Традиционална, сложена контролна кола релеја се боре да испуне захтеве модерне индустрије за сложеном логиком, брзим временом одзива и практичним одржавањем.

У том контексту, програмибилни логички контролер (ПЛЦ) се појавио и брзо се етаблирао као централни „мозак“ система управљања аутоматизацијом.

Овај документ ће вас систематски водити кроз свет ПЛЦ-ова, објашњавајући њихове основне принципе, широк спектар примена и основне технике ожичења.

Део 1: Откривање ПЛЦ-а – Основни концепти и предности

1. Шта је ПЛЦ? 

ПЛЦ, или програмабилни логички контролер, је дигитални електронски систем посебно дизајниран за рад у индустријским окружењима.

Користи програмабилну меморију за складиштење корисничких инструкција за имплементацију функција као што су логичке операције, контрола секвенце, мерење времена, бројање и аритметичке операције.

Преко дигиталних или аналогних улазно/излазних (И/О) модула, контролише различите врсте машина или производних процеса.

2. Поређење са традиционалном контролом: Зашто одабрати ПЛЦ? 

Пре широко распрострањеног усвајања ПЛЦ-ова, индустријска контрола се првенствено ослањала на ожичена логичка кола састављена од релеја, контактора, тајмера, итд. Концептуално:

• Традиционална кола (релејна логика):
  • Фиксна функционалност: Када се једном повеже, промена контролне логике је тешка и радно интензивна.
  • Сложеност ожичења: Број компоненти и количина ожичења расту експоненцијално са сложеношћу контролне логике.
  • Тешко одржавање: Решавање проблема захтева проверу физичких веза од тачке до тачке, што одузима много времена.
  • Ограничени контакти: Физички контакти имају ограничену количину и животни век.
  • Лоша скалабилност: Додавање нових функција често захтева значајан редизајн и поновно ожичење.
• ПЛЦ контролни системи:
  • Висока флексибилност: Контролна логика се налази у софтверском програму. Модификовање функционалности обично укључује само промену програмског кода, без промене хардверског ожичења. На пример, промена дугмета улаза Кс00 са контролног излаза И001 на контролу И002 захтева само мању модификацију у софтверу за програмирање.
  • Поједностављени дизајн и ожичење: Улази (нпр. дугмад, сензори) и излази (нпр. индикаторске лампице, намотаји контактора мотора) се повезују директно на И/О модуле ПЛЦ-а, драстично смањујући сложеност спољашњег ожичења.
  • Моћна функционалност: ПЛЦ-ови нуде богат скуп инструкција, лако имплементирајући сложену логику, мерење времена, бројање, манипулацију подацима, итд. Интерни софтверски контакти (Нормално отворени/Нормално затворени) могу се користити виртуелно без ограничења.
  • Једноставност одржавања и дијагностике: Софтвер за програмирање пружа могућности надгледања на мрежи, омогућавајући у реалном времену посматрање статуса извршавања програма и И/О сигнала, олакшавајући брзу локализацију грешке.
  • Висока поузданост и скалабилност: Дизајнирани за оштра индустријска окружења, ПЛЦ-ови показују јаку отпорност на буку. Њихов модуларни дизајн омогућава лако проширење И/О тачака или додавање специјализованих функционалних модула како се захтеви развијају.

Табела 1: Поређење ПЛЦ система у односу на традиционалне релејне управљачке системе

Део 2: Основне функције и апликативни домени ПЛЦ-а

Могућности ПЛЦ-а се протежу далеко од основне контроле комутације. Модерни ПЛЦ-ови су свестране електране, са апликацијама које су генерално категорисане у ових пет области:

1. Дигитална контрола (дискретна контрола): Ово је најосновнија и најраширенија ПЛЦ апликација. Укључује обраду ОН/ОФФ сигнала (дигиталних улаза) са уређаја као што су тастери, прекидачи и сензори, и покретачких покретача као што су индикаторске лампе, релеји и електромагнетни вентили (дигитални излази) на основу програмске логике. Ово чини основу за секвенце покретања/заустављања опреме и секвенцијалне операције.
2. Контрола покрета: Многи ПЛЦ-ови, посебно модели средњег и високог ранга, имају излазне тачке импулса велике брзине. Ови излази генеришу високофреквентне низове импулса за прецизну контролу корачних мотора или серво погона, омогућавајући сложене задатке као што су прецизно позиционирање, контрола брзине и праћење путање. Ово је кључно у машинама за паковање, ЦНЦ машинама, роботици и сличним апликацијама.
3. Аналогна контрола: Индустријски процеси често укључују континуирано променљиве физичке величине као што су температура, притисак, брзина протока и ниво. ПЛЦ-ови користе аналогне улазне модуле за добијање сигнала (обично 4-20мА или 0-10В) од предајника и сензора. Након интерне обраде (А/Д конверзија, филтрирање, скалирање), аналогни излазни модули контролишу уређаје као што су модулациони вентили или драјвери са променљивом фреквенцијом (ВФДс) да би се постигла контрола у затвореној петљи. Уобичајени примери укључују регулацију температуре и довод воде под сталним притиском. Многи ПЛЦ-ови имају уграђене ПИД (пропорционално-интегрално-изводне) управљачке блокове за прецизну контролу процеса. Сазнајте више о ПИД контролерима
4. Руковање подацима (обрада података): ПЛЦ поседују робусне могућности за математичке операције (сабирање, одузимање, множење, дељење, тригонометријске функције, итд.), логичке операције, поређење података, пренос података и сортирање. Они могу прикупљати производне податке за анализу, обраду и складиштење. Примери укључују бројање производа, израчунавање времена циклуса, управљање рецептима и имплементацију сложене логике тока посла (нпр. системи управљања редовима).
5. Комуникација и умрежавање: Савремена аутоматизација наглашава међусобну повезаност. ПЛЦ-ови су опремљени различитим комуникационим портовима (нпр. РС232, РС485, Етхернет) и подржавају више индустријских протокола (нпр. Модбус, Профибус, ПрофиНет, ЕтхерНет/ИП). Ово омогућава ПЛЦ-овима да:
   • Комуницирајте са интерфејсима човек-машина (ХМИ)/Екрани на додир: Креирајте графичке интерфејсе за праћење статуса уређаја, подешавање параметара и ручни рад, замењујући бројна физичка дугмад и лампице.
   • Комуникација са надзорним рачунарима/СЦАДА системима: Олакшајте прикупљање података, даљинско праћење и управљање постројењем.
   • Мрежа са другим ПЛЦ-овима или интелигентним уређајима (као што су ВФД, инструменти): Изградите дистрибуиране системе управљања (ДЦС) или омогућите координиран рад између машина.
   • Истражите уобичајене индустријске протоколе: Модбус организација, ОДВА (управља ЕтхерНет/ИП и др.)

Део 3: Основе ожичења ПЛЦ-а

Исправно ожичење је најважније за стабилан рад било ког ПЛЦ система. ПЛЦ ожичење првенствено укључује улазне и излазне терминале.

1. Улазно ожичење: ПЛЦ улази примају сигнале са екстерних теренских уређаја.

• Уређаји за повезивање: Дугмад, селекторски прекидачи, крајњи прекидачи, сензори близине (индуктивни), фотоелектрични сензори, магнетни прекидачи (реед прекидачи, често за положај цилиндра), оптички појачавачи, сензори у облику слова У (слот) итд. У суштини, ови уређаји дају сигнал за пребацивање ПЛЦ-у.
• Основни елементи кола: Комплетно улазно коло захтева извор напајања, прекидачки елемент (улазни уређај) и оптерећење (у овом случају, оптоспојник ПЛЦ улазне тачке).
• Типови улаза и везе (пример: Митсубисхи ФКС3У, ДЦ24В напајање):
  • Заједнички терминал (С/С или ЦОМ): ПЛЦ улази су обично изоловани интерно преко оптокаплера. Једна страна свих улазних оптокаплера је интерно повезана на заједнички терминал. За екстерно ожичење, овај заједнички терминал мора бити повезан на један пол екстерног ДЦ напајања.
  • Синк Инпут (НПН логика): Заједнички терминал (С/С) је повезан са позитивним (+24В) екстерног ДЦ напајања. Улазни уређај (нпр. дугме) повезује се између Кс улазног терминала ПЛЦ-а и минуса (0В) напајања. Када се дугме притисне, струја тече од +24В -> С/С -> интерни оптокаплер -> Кс терминал -> дугме -> 0В, завршавајући коло, а ПЛЦ региструје ОН улаз. Ова конфигурација се користи за сензоре типа НПН.
  • Изворни улаз (ПНП логика): Заједнички терминал (С/С) је повезан на минус (0В) екстерног ДЦ напајања. Улазни уређај се повезује између Кс улазног терминала ПЛЦ-а и плуса (+24В) напајања. Када се дугме притисне, струја тече од +24В -> дугме -> Кс терминал -> интерни оптокаплер -> С/С -> 0В. Ова конфигурација се користи за сензоре типа ПНП.
  • 2-жична веза уређаја: Уређаји као што су стандардни тастери, гранични прекидачи и 2-жични магнетни прекидачи су повезани према изабраној шеми ожичења Синк или Соурце. Напомена: 2-жични магнетни прекидачи често имају поларитет (браон и плава жица). Повежите исправно на основу типа ПЛЦ улаза (Синк/Соурце) и протока струје. Опште правило: За улаз умиваоника (С/С до +24В), повежите смеђу жицу на Кс улаз, плаву жицу на 0В. За улаз извора (С/С до 0В), повежите смеђу жицу на +24В, плаву жицу на Кс улаз. (Увек проверите спецификације уређаја).
  • 3-жична веза сензора (нпр. фотоелектрични/близина):
    • НПН сензор: Смеђа жица до +24В, плава жица до 0В, црна сигнална жица до Кс улазног терминала ПЛЦ-а. ПЛЦ улаз мора бити конфигурисан/ожичен за улаз умиваоника (С/С повезан на +24В).
    • ПНП сензор: Смеђа жица до +24В, плава жица до 0В, црна сигнална жица до Кс улазног терминала ПЛЦ-а. ПЛЦ улаз мора бити конфигурисан/ожичен за изворни улаз (С/С повезан на 0В).

2. Излазно ожичење: ПЛЦ излази покрећу спољна оптерећења.

• Оптерећења која се могу повезати: Индикаторске лампе, електромагнетни вентили (за пнеуматску/хидрауличну контролу), интерпозициони релеји, контактори (за моторе велике снаге), Солид Стате Релеји (ССР, за грејаче, итд.), контролни сигнали за ВФД, степер/серво погони, итд.
• Типови излаза: ПЛЦ излазни модули првенствено долазе у три типа, који се бирају на основу карактеристика оптерећења и потреба апликације.
  • Релејни излаз (нпр. МР суфикс у Митсубисхи):
    • Принцип: Користи унутрашње минијатурне електромеханичке релеје. Када програм активира излазни калем (И), одговарајући унутрашњи контакт релеја се затвара, довршавајући спољно коло оптерећења.
    • Предности: Може да покреће и АЦ и ДЦ оптерећења, широк опсег напона, релативно висок струјни капацитет, добра електрична изолација, нижа цена.
    • Недостаци: Ограничен механички животни век (обично стотине хиљада до милион циклуса), спора брзина пребацивања (~10 мс), неприкладан за високофреквентно пребацивање (као ПВМ или брзи импулсни излази). Препоручена фреквенција пребацивања испод ~0,1 Хз (6 пута у минути) за максимизирање животног века.
    • Ожичење: Свака излазна тачка (или група) има заједнички терминал (ЦОМ). Повежите једну страну оптерећења на И излазни терминал, а другу страну на један пол напајања оптерећења. Повежите други пол напајања за оптерећење на одговарајући ЦОМ терминал. ЦОМ веза је флексибилна у погледу поларитета (ДЦ) или линијског/неутралног (АЦ).
  • Излаз транзистора (нпр. МТ суфикс у Митсубисхи):
    • Принцип: Користи интерне транзисторе снаге (обично МОСФЕТ).
    • Предности: Екстремно велика брзина пребацивања (микросекунде), без механичког хабања, веома дуг животни век, идеалан за високофреквентне апликације као што су управљање корачним/серво погонима (пулсни излази) и ПВМ контрола (затамњење/брзина).
    • Недостаци: Може да покреће само једносмерна оптерећења. Мања толеранција за преоптерећења и ударне струје; спољна заштита (нпр. повратна диода за индуктивна оптерећења) је често неопходна. Показује малу струју цурења када је ОФФ.
    • Ожичење: Доступно као умиваоник (НПН) или извор (ПНП).
      • Излаз судопера: Заједнички терминал (ЦОМ) повезује се са негативним (0В) екстерног извора напајања. Повежите једну страну оптерећења на позитивни (+В) извора напајања, а другу страну на И излазни терминал ПЛЦ-а. Када се И укључи, он повезује оптерећење на 0В.
      • Изворни излаз: Заједнички терминал (ЦОМ) повезује се са позитивним (+В) екстерног извора напајања. Повежите једну страну оптерећења на минус (0В) напајања, а другу страну на И излазни терминал ПЛЦ-а. Када се И укључи, он снабдева +В оптерећење.
  • Триац излаз (тиристорски излаз, нпр. МС суфикс у Митсубисхи):
    • Принцип: Користи интерне тријаке (врста двосмерног тиристора).
    • Предности: Брза брзина пребацивања, дуг животни век, погодан за управљање наизменичном струјом, посебно малих АЦ контактора, електромагнетних вентила итд.
    • Недостаци: Може да покреће само АЦ оптерећења. Обично карактерише пребацивање преко нуле (корист за смањење буке, али спречава контролу фазног угла). Показује неку струју цурења када је ОФФ. Подложан оштећењима услед скокова/пренапона напона.
    • Ожичење: Сличан концепт као и излазно ожичење релеја (оптерећење повезано између И и напајања, ЦОМ спојен на другу страну напајања), али стриктно за АЦ кола.

Табела 2: Поређење типова излазних модула ПЛЦ-а

Упутство за избор:

• Ако је оптерећење наизменичном или једносмерном струјом, а фреквенција пребацивања је ниска (нпр. мање од 6 пута у минути), релејни излаз је често пожељан избор због једноставности и економичности.
• Ако је потребно пребацивање велике брзине, генерисање импулсног излаза (за контролу кретања) или често пребацивање ДЦ оптерећења, неопходан је транзисторски излаз. Не заборавите да изаберете Синк (НПН) или Извор (ПНП) на основу дизајна вашег система и типова сензора.
• Ако је оптерећење наизменично и захтева брже пребацивање од релеја или веома чест рад, може се узети у обзир излаз тријака.

Закључак:

Програмабилни логички контролер (ПЛЦ), са својом инхерентном флексибилношћу, моћном функционалношћу, лакоћом програмирања и одржавања, и изузетном поузданошћу, стоји као незаменљива основна компонента у области савремене индустријске аутоматизације.

Његове примене се протежу од фундаменталне дигиталне логичке контроле до софистициране контроле кретања, прецизне аналогне регулације, напредне обраде података и беспрекорне мрежне комуникације, прожимајући аутоматизоване производне линије и опрему у различитим индустријама.

Разумевање основних концепата ПЛЦ-а, упознавање са њиховим различитим могућностима и савладавање исправних техника улазно/излазних ожичења (посебно разликовање између Синк/Соурце, НПН/ПНП и одабир одговарајућег типа излаза) су основне вештине за сваког инжењера и техничара аутоматизације.

Како Индустрија 4.0 и паметна производња настављају да се развијају, ПЛЦ-ови ће задржати своју кључну улогу, оснажујући предузећа да постигну ефикаснију, интелигентнију и флексибилнију производњу.