1. Introduktion til AC-drev (Variable Frequency Drives) Inden for moderne industriel kontrol er en ......
LÆS MEREEn programmerbar logisk controller (PLC) er en robust industriel computer designet specifikt til at overvåge input fra sensorer og feltenheder, udføre et lagret kontrolprogram og styre output - såsom motorer, ventiler, aktuatorer og indikatorer - i realtid. I modsætning til en almindelig computer er en PLC konstrueret til at fungere pålideligt i barske industrielle miljøer karakteriseret ved elektrisk støj, vibrationer, ekstreme temperaturer og støv, mens den udfører kontrolprogrammer med deterministisk timing - hvilket betyder, at controlleren fuldfører sin scanningscyklus på en forudsigelig, gentagelig tid uanset procesforhold. Denne kombination af industriel hærdning og realtidsdeterminisme er det, der gør PLC'er til standardautomationscontrolleren på tværs af fremstilling, procesindustrier, forsyningsselskaber, bygningsautomatisering og infrastruktur verden over.
PLC'en blev udviklet i slutningen af 1960'erne specifikt til at erstatte de store banker af elektromekaniske relæer, der styrede samlebånd til biler - systemer, der var dyre at installere, krævede betydelige omledninger for at ændre og krævede konstant vedligeholdelse, da relækontakter blev slidt og svigtet. Ved at erstatte den fysiske relælogik med en programmerbar software-baseret ækvivalent tillod PLC'en produktionsingeniører at ændre maskinens adfærd ved at ændre et program i stedet for at omkoble et panel, hvilket dramatisk reducerede tiden og omkostningerne ved produktionsskift. Tres år senere forbliver kernekonceptet uændret, men moderne programmerbare logiske controllere har udvidet fra simple relæudskiftninger til sofistikerede automatiseringsplatforme, der understøtter højhastighedsbevægelseskontrol, proceskontrol, sikkerhedsfunktioner, maskinsynsintegration og industriel netværkskommunikation på tværs af komplekse multisystemarkitekturer.
Det grundlæggende driftsprincip for en programmerbar logisk controller er scanningscyklussen - en gentagende sekvens af operationer, som PLC'en udfører kontinuerligt, så længe den er i driftstilstand. At forstå scanningscyklussen er afgørende for at forstå, hvordan en PLC opfører sig, især i tidskritiske applikationer, hvor responstiden på en inputændring bestemmer, om styresystemet fungerer korrekt.
En standard PLC-scanningscyklus består af fire sekventielle trin. Først læser indgangsscanningen den aktuelle tilstand af alle tilsluttede digitale og analoge indgange - sensorer, switches, indkodere, sendere - og kopierer disse værdier til et inputbilledregister i hukommelsen. For det andet udfører programscanningen styreprogrammet, der er lagret i hukommelsen, ved at bruge inputbilledværdierne (ikke live-input-aflæsninger) til at evaluere logiske forhold og bestemme den påkrævede tilstand af output. For det tredje skriver outputscanningen outputbilledværdierne bestemt af programmet til den fysiske outputhardware, aktiverer eller deaktiverer de tilsluttede enheder. For det fjerde håndterer husholdningsfasen kommunikation, selvdiagnostik og opdatering af interne timere og tællere, før cyklussen gentages.
Den tid, der kræves for at gennemføre en scanningscyklus - scanningstiden - er typisk 1 til 10 millisekunder for de fleste standardapplikationer, selvom den øges med programkompleksitet og I/O-punktantal. Scanningscyklusarkitekturen betyder, at ændringer i inputtilstand ikke reageres før den næste scanningscyklus, som introducerer en maksimal en-scanningscyklus latens i kontrolsvaret. For de fleste industrielle automatiseringsapplikationer er denne latenstid helt acceptabel. Til højhastighedsapplikationer - servobevægelseskontrol, højfrekvenstælling eller sikkerhedsfunktioner, der kræver sub-millisekunder-respons - bruges specialiserede afbrydelsesrutiner, dedikerede bevægelsesprocessorer eller separate sikkerheds-PLC'er til at omgå standard scanningscyklus-latenstiden.
Et PLC-system består af flere forskellige hardwarekomponenter, der tilsammen udgør den komplette automationscontroller. Forståelse af hver komponents funktion tydeliggør, hvordan et PLC-system specificeres, samles og vedligeholdes.
CPU-modulet er hjernen i PLC'en - det indeholder processoren, der udfører kontrolprogrammet, hukommelsen, der gemmer programmet og data, og kommunikationsgrænseflader, der forbinder til programmeringsværktøjer og andre automatiseringssystemer. CPU-kapacitet er karakteriseret ved behandlingshastighed (scanningstid pr. 1.000 instruktioner i ladderlogik), programhukommelseskapacitet (typisk kilobyte til megabyte afhængig af PLC-klassen), datahukommelse til lagring af variable værdier og procesdata og rækken af understøttede kommunikationsprotokoller. Avancerede CPU-moduler indeholder også realtidsure, datalogningskapacitet og indbyggede OPC UA- eller MQTT-servere til direkte forbindelse til industrielle IoT- og cloud-systemer uden yderligere hardware.
I/O-moduler er den fysiske grænseflade mellem PLC'en og feltenhederne - sensorer, kontakter, ventiler, motorer og instrumenter - som styresystemet overvåger og styrer. Digitale inputmoduler modtager tænd/sluk-signaler fra enheder såsom nærhedssensorer, trykknapper og endestop, og konverterer feltniveauspændingen (typisk 24VDC eller 120/240VAC) til et logisk niveausignal, som CPU'en kan læse. Digitale udgangsmoduler skifter strøm til feltenheder såsom magnetventiler, motorstartere og indikatorlamper. Analoge inputmoduler konverterer kontinuerligt variable signaler - 4-20mA strømsløjfer, 0-10V spændingssignaler, termoelementspændinger, RTD-modstandsværdier - til digitale værdier, som CPU'en kan behandle. Analoge udgangsmoduler konverterer digitale værdier fra CPU'en til proportionale analoge signaler til styring af drev med variabel hastighed, proportionalventiler og andre kontinuerligt variable enheder. Specialiserede I/O-moduler inkluderer højhastighedstællerindgange til encoderfeedback, serielle kommunikationsmoduler og sikkerhedsklassificeret I/O til funktionelle sikkerhedsapplikationer.
PLC-strømforsyningsmodulet konverterer indgående netstrøm (typisk 120VAC eller 240VAC) eller DC-busstrøm til de regulerede DC-spændinger, der kræves af CPU- og I/O-modulerne. Valg af strømforsyning involverer at matche udgangsstrømkapaciteten til det samlede strømforbrug for alle moduler i racket eller systemet med en margin på mindst 20 til 30 % for pålidelighed og for at imødekomme fremtidig udvidelse. Redundante strømforsyningskonfigurationer - hvor to strømforsyningsmoduler kører parallelt med automatisk failover - er standard i højtilgængelige systemer, hvor en uplanlagt nedlukning fra en strømforsyningsfejl ville være uacceptabelt dyr.
I rack-monterede modulære PLC-systemer er backplane printkortet, der mekanisk understøtter og elektrisk forbinder CPU, strømforsyning og I/O-moduler. Bagplanet bærer den interne databus, strømfordelingen og i nogle systemer de realtidssynkroniseringssignaler, der kræves til koordineret multimoduldrift. Rackstørrelse — specificeret af antallet af modulpladser — bestemmer, hvor mange I/O-moduler, der kan installeres i et enkelt rack, og for systemer, der kræver mere I/O, end et enkelt rack kan rumme, er flere racks forbundet via udvidelseskabler eller fjern-I/O over et industrielt netværk.
PLC'er fremstilles i flere formfaktorer, der passer til forskellige skala- og kompleksitetskrav. Valg af den passende PLC-formfaktor til en applikation indebærer at matche controllerens I/O-kapacitet, udvidelsesmuligheder og behandlingsevne til de nuværende og forventede fremtidige krav til den maskine eller proces, der styres.
| PLC type | Typisk I/O-antal | Udvidelsesmuligheder | Bedst egnede applikationer | Eksempel produkter |
| Nano/mikro PLC | 6 – 40 I/O | Begrænset eller ingen | Simple maskiner, OEM-udstyr, relæudskiftning | Siemens LOGO!, Omron CP1E |
| Kompakt PLC | 20 – 256 I/O | Udvidelsesmoduler tilgængelige | Små til mellemstore maskiner, emballage, HVAC | Allen-Bradley Micro820, Siemens S7-1200 |
| Modulær PLC | 64 – 4.096 I/O | Kan udvides meget med ekstern I/O | Komplekse maskiner, produktionslinjer, procesanlæg | Siemens S7-1500, Allen-Bradley ControlLogix |
| Rack-baseret PLC | 256 – 65.000 I/O | Flere racks, distribueret I/O | Store procesanlæg, elproduktion, DCS-ækvivalent kontrol | Allen-Bradley PLC-5, GE RX3i, Schneider Premium |
| Safety PLC (SIL-klassificeret) | Varierer | Kan udvides med sikkerheds-I/O | Nødstop, sikkerhedslås, SIL 1-3 funktioner | Pilz PSS 4000, Siemens S7-1500F, AB GuardLogix |
Den kompakte PLC-kategori er blevet det mest betydningsfulde vækstområde på PLC-markedet, drevet af Siemens S7-1200 og Allen-Bradley Micro820-klassen af produkter, der tilbyder funktioner, der tidligere kun var forbundet med modulære systemer i fuld størrelse - inklusive motion control, PID-processtyring og Ethernet-baseret industriel kommunikation - i en lille formfaktor, der er velegnet til panelmontering uden et dedikeret rack. For nye maskinautomatiseringsprojekter med I/O-tal under 200 point er en kompakt modulær PLC nu standardudgangspunktet for de fleste automationsingeniører frem for de større rack-baserede systemer, der var nødvendige for et årti siden.
PLC-programmering er standardiseret under IEC 61131-3, som definerer fem programmeringssprog, som kompatible PLC-udviklingsmiljøer skal understøtte. Forskellige sprog passer til forskellige typer kontrollogik og forskellige tekniske baggrunde, og de fleste moderne PLC-programmeringsværktøjer gør det muligt at bruge flere sprog inden for et enkelt projekt - hvilket gør det muligt for ingeniører at vælge det mest passende sprog til hver sektion af programmet.
Ladder Diagram er det mest udbredte PLC-programmeringssprog, især i Nordamerika og i diskrete produktionsmiljøer. Den grafiske repræsentation efterligner de relælogiske diagrammer, som PLC'er oprindeligt blev designet til at erstatte - vandrette trin af logik forbinder venstre og højre strømskinner med normalt åbne og normalt lukkede kontaktsymboler, der repræsenterer inputbetingelser og spolesymboler, der repræsenterer outputkommandoer. Ladder-logik er intuitiv for elektroingeniører, der er fortrolige med relækredsløbsdiagrammer og er nem at læse og fejlfinde online (med PLC'en i driftstilstand fremhæves aktive elementer i programmeringssoftwaren, hvilket gør det muligt at spore fejltilstande visuelt). Begrænsningen ved Ladder Diagram er, at det bliver uhåndterligt for komplekse matematiske operationer, datamanipulation og sekventiel programmering, der er mere naturligt udtrykt i tekstbaserede sprog.
Funktionsblokdiagram repræsenterer kontrollogik som indbyrdes forbundne grafiske blokke — hver blok indkapsler en specifik funktion (AND-gate, PID-controller, tæller, timer, motorfunktionsblok) med input- og outputforbindelser vist som ledninger mellem blokke. FBD er det dominerende sprog i processtyringsapplikationer - det knytter sig naturligt til repræsentationen af rør- og instrumentdiagram (P&ID), som procesingeniører kender, og indkapslingen af komplekse funktioner (PID-sløjfer, ventilstyring, motorbeskyttelse) i standardiserede genanvendelige funktionsblokke reducerer programmeringsindsatsen betydeligt i procesanlægsapplikationer. De fleste proces- og sikkerhedsorienterede PLC-platforme tilbyder omfattende biblioteker af IEC 61511-kompatible funktionsblokke til almindelige processtyrings- og sikkerhedsfunktioner.
Struktureret tekst er et tekstbaseret sprog på højt niveau, der syntaktisk ligner Pascal eller C, der understøtter betingede udsagn, loops, matematiske udtryk, strenghåndtering og komplekse datastrukturer, der er besværlige eller umulige i grafiske sprog. ST bruges i stigende grad af automationsingeniører med softwareudviklingsbaggrunde og er det foretrukne sprog til kompleks databehandling, recepthåndtering, kommunikationshåndtering og enhver applikation, der kræver sofistikeret algoritmisk logik, som grafiske sprog ikke kan udtrykke effektivt. IEC 61131-3-standardens definition af struktureret tekst har gjort den ægte bærbar mellem forskellige PLC-platforme - kode skrevet i ST for et mærkes PLC kan tilpasses til et andet mærkes platform med relativt små ændringer, i modsætning til Ladder Diagram-kode, som har tendens til at bruge producentspecifikke instruktioner og konventioner.
Sekventielt funktionsdiagram repræsenterer kontrolprogrammer som et flowchart af trin og overgange - hvert trin indeholder handlinger (programmeret i LD, FBD eller ST), og hver overgang definerer den betingelse, der skal være opfyldt, for at programmet kan gå videre til næste trin. SFC er det naturlige sprog for sekventering af applikationer - vaskemaskinecyklusser, batchprocessekvenser, flertrins montageoperationer og enhver applikation, hvor en maskine skal udføre en defineret række af operationer i rækkefølge. Programmering af en kompleks sekventiel proces i Ladder Diagram producerer store, vanskelige at følge programmer; den samme sekvens udtrykt i SFC er umiddelbart læsbar som et procesflow og er betydeligt nemmere at fejlfinde og ændre.
Moderne programmerbare logiske controllere er netværksenheder lige så meget som de er automationscontrollere. En PLC's kommunikationsmuligheder bestemmer, hvordan den integreres med andet automationsudstyr, overvågningssystemer, virksomhedsdatabaser og cloudplatforme - en stadig vigtigere overvejelse, efterhånden som industriel automation udvikler sig mod forbundne industri 4.0-arkitekturer.
PLC-markedet er domineret af et lille antal store automationsvirksomheder, som hver især tilbyder et komplet økosystem af PLC-hardware, programmeringssoftware, I/O-moduler, drev, HMI-paneler og kommunikationsinfrastruktur, der er designet til at arbejde problemfrit sammen. At vælge en PLC fra en bestemt producent betyder typisk at forpligte sig til denne producents økosystem for det fulde automatiseringssystem, hvilket har betydelige konsekvenser for integration, reservedele, træning og langsigtet support.
| Producent | Nøgle PLC familier | Programmeringsmiljø | Primært industrielt netværk | Markedsstyrke |
| Siemens | S7-1200, S7-1500, S7-300/400 | TIA-portal (trin 7) | PROFINET, PROFIBUS | Europa, globale procesindustrier |
| Rockwell Automation (Allen-Bradley) | ControlLogix, CompactLogix, Micro820 | Studio 5000 Logix Designer | EtherNet/IP, DeviceNet | Nordamerika, bilindustrien, mad og drikkevarer |
| Mitsubishi Electric | MELSEC iQ-R, iQ-F, Q-serien | GX Works3 | CC-Link IE, SLMP | Asien-Stillehavsområdet, bilindustrien, halvledere |
| Schneider Electric | Modicon M580, M340, TM-serien | EcoStruxure kontrolekspert | Modbus TCP, EtherNet/IP | Procesindustrier, energi, infrastruktur |
| Omron | NX, NJ, CP-serien | Sysmac Studio | EtherNet/IP, EtherCAT | Asien, maskinautomatisering, motion control |
PLC'er diskuteres ofte sammen med Distributed Control Systems (DCS) og Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) systemer, og grænserne mellem disse kategorier er udvisket betydeligt, efterhånden som teknologien har udviklet sig. Forståelse af distinktionerne - og hvor de har konvergeret - er vigtigt for at specificere den korrekte automatiseringsarkitektur for en given applikation.
Et distribueret kontrolsystem er en automatiseringsarkitektur, hvor kontrolfunktioner er fordelt på tværs af flere controllere, der er installeret tæt på den proces, der styres, alle forbundet til et centraliseret overvågningssystem gennem et anlægsnetværk med høj pålidelighed. DCS-systemer blev udviklet til store kontinuerlige procesapplikationer - olie og gas, petrokemi, elproduktion, farmaceutisk fremstilling - hvor tusindvis af analoge kontrolsløjfer, kompleks interlock-logik og omfattende alarmstyring er påkrævet på tværs af et stort fysisk anlæg. DCS-systemer prioriterer høj tilgængelighed (redundante controllere, I/O, strøm og netværk som standard), omfattende procesdatahistorikerkapacitet og integrerede operatørstationsvisninger. Forskellen mellem et moderne high-end modulært PLC-system og en entry-level DCS er nu marginal med hensyn til funktionalitet - de primære forskelle er i softwaremiljøet, leverandørens applikationsfokus og den kommercielle model.
SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) refererer specifikt til overvågningslaget - softwaresystemet, der indsamler data fra PLC'er og andre feltcontrollere, præsenterer procesinformation til operatører gennem grafiske HMI-displays, logger historiske data og kan sende sætpunktkommandoer tilbage til controllerne. SCADA er ikke en erstatning for en PLC - det er laget over PLC'en, der giver menneskelig overvågning og datastyring. En typisk industriel automationsarkitektur kombinerer PLC'er på maskin- eller processtyringsniveau, et industrielt netværk, der bærer data mellem PLC'er og overvågningssystemer, og et SCADA- eller MES-system, der giver operatørgrænseflade, historiske data og integration med forretningssystemer.
Valg af den rigtige programmerbare logiske controller til en ny maskin- eller processtyringsapplikation involverer evaluering af en række tekniske og kommercielle faktorer, der tilsammen afgør, om systemet vil opfylde dets funktionelle krav, blive leveret til tiden og være understøttet i hele dets driftslevetid. Følgende rammer dækker de vigtigste evalueringskriterier.
Et PLC-system i kontinuerlig drift kræver proaktiv vedligeholdelse og livscyklusstyring for at opretholde pålideligheden og undgå uplanlagt nedetid. Følgende fremgangsmåder er standard i veldrevne automationsingeniøroperationer.