Robotyka Czym są sterowniki PLC i jak je programować? Zupełne podstawy

[Marcel_S]

Ciężko sobie wyobrazić świat bez fabryk. Praktycznie wszystko, co nas otacza zostało stworzone z części wyprodukowanych na liniach produkcyjnych, które są coraz bardziej zautomatyzowane. Pozwala to na coraz większą produkcję w coraz krótszym czasie. Jednym z głównych urządzeń współczesnej automatyzacji i automatyki jest sterownik PLC.

Szafy sterownicze mogą zawierać sterowniki PLC, które sterują często całymi systemami produkcyjnymi. Źródło zdjęcia.

PLC oznacza Programmable Logic Controller co po polsku tłumaczy się jako Sterownik swobodnie programowalny. Jak sama nazwa wskazuje to urządzenie służy do sterowania różnymi procesami. Można go swobodnie programować za pomocą kilku standaryzowanych języków. 

Kiedyś dominowały układy stycznikowo-przekaźnikowe. One i połączenia między nimi zostały zastąpione jednym, względnie małym urządzeniem - sterownikiem PLC. Jest to rozwiązanie mniej skomplikowane, a w przypadku naprawdę złożonych systemów tańsze. Źródło zdjęcia.

 

Zasada działania sterownika PLC

Pętla programowa sterownika to kluczowe pojęcie podczas projektowania algorytmów na sterowniki PLC. Nie wolno go pominąć, bo ta wiedza jest niezbędna do pisania poprawnie działających algorytmów sterowania. Pętlę programową najprościej przedstawić w schemacie blokowym:

Cykl programowy PLC. Trzeba go znać!

1. Po Starcie wykonywana jest diagnostyka sterownika. Sprawdzane jest, czy wszystkie elementy sterownika działają poprawnie. Jeżeli na tym etapie coś nie zadziała, to jest to sygnalizowane odpowiednim komunikatem.
2. Aktualizacja wejść następuje na podstawie analizy obwodów wejściowych z obiektu. Na tym etapie sterownik sprawdza, czy np. przycisk jest wciśnięty.
3. Wykonywanie programu użytkownika to proces wykonywania instrukcji, które programista zaprojektował i wgrał do sterownika PLC.
4. Aktualizacja wyjść, czyli inaczej wysterowanie odpowiednich wyjść na podstawie programu i nowych stanów wejść. Sterownik działa na obwody wyjść, które działają na obiekt, np. załączany jest stycznik, który steruje silnikiem.
5. Komunikacja polega na rozmowie PLC z innymi urządzeniami, np. z pulpitami operatorskimi (HMI).
6. Pętla się zamyka.

Dlaczego zapamiętanie pętli programowej jest ważne? Wiele funkcji w sterowniku PLC korzysta z tego aspektu, więc żeby zrozumieć jak one działają trzeba najpierw poznać cykl pracy sterownika. Sztandarowym przykładem jest wykrycie zbocza narastającego lub opadającego. Cały cykl pracy sterownika PLC praktycznie trwa 5 - 20 ms. Ten czas może się różnić w zależności od sterownika PLC.

Jak zbudowany jest sterownik PLC?

Najważniejsze elementy, z których zbudowany jest praktycznie każdy sterownik to:

• Procesor - mózg urządzenia.
• Wejścia i wyjścia cyfrowe - działają w logice binarnej. Wyjścia mogą być tranzystorowe i przekaźnikowe.
• Wejścia i wyjścia analogowe - jeżeli trzeba odczytać wartość wyjściową z potencjometru i przekazać ją dalej, to ten element jest niezbędny do tych operacji.
• Elementy komunikacyjne - np. Port Ethernet. Służą do przesyłania informacji pomiędzy PLC a innymi urządzeniami.

Sterowniki są często modułowe. Rozszerzenia portów I/O (input/output), modułów komunikacyjnych itp. możemy dokładać jak klocki.

Sterowniki firmy SIEMENS cieszą się ogromną popularnością. Źródło zdjęcia.

Sterowniki PLC muszą spełniać standardy i normy, które zapewnią niezawodność i bezpieczeństwo całego systemu. Jest to rozbudowane urządzenie, które posiada wiele funkcji i jest (często) proste w programowaniu i debugowaniu. Warto nadmienić, że istnieje kolosalna różnica między mikrokontrolerem a sterownikiem PLC. Mikrokontroler może być użyty w PLC. Jest on wtedy mózgiem całego urządzenia. Sterownik PLC może oferować o wiele więcej od pojedynczego mikrokontrolera. 

Zresztą użycie sterownika PLC spełniającego wiele norm będzie o wiele wygodniejsze od tworzenia sterownika od podstaw korzystając z uC. Taki zabieg zapewnia integralność wszystkich systemów przykładowo na hali produkcyjnej. Korzystając ze sterownika PLC mamy pewność, że inni automatycy także będą umieli naprawiać i konserwować maszynę lub system, który zaprojektowaliśmy.

Zastosowanie sterowników PLC

PLC możemy spotkać wszędzie tam, gdzie trzeba w jakiś sposób sterować jakimś obiektem. Sterownik swobodnie programowalny może służyć do sterowania:

• światłami sygnalizacyjnymi na skrzyżowaniu,
• ruchomymi schodami lub drzwiami obrotowymi w galerii handlowej,
• maszyną przemysłową, np. prasą hydrauliczną,
• całą fabryką!

Ostatni podpunkt nie jest przesadzony. Bez sterowników PLC dzisiejsze fabryki nie byłyby tak efektywne, jakie są. Jeżeli marzysz o zbudowaniu fabryki nie ruszając się z domu, to powinieneś zainteresować się programem Factory I/O. Nie jest to darmowy program, niemniej daje ogromne możliwości. Na podstawie posiadanego sterownika PLC można zasymulować działanie ogromnych linii produkcyjnych, a nawet manipulatorów przemysłowych.

Przykład PLC

SIEMENS SIMATIC

Na wyróżnienie zasługuje seria SIMATIC firmy SIEMENS, a w szczególność generacja S7. Sterownik SIEMENS SIMATIC S7-1200 jest szeroko rozpowszechnionym sterownikiem, który jest wykorzystywany w wielu branżach.

Budowa i wygląd S7-1200. Źródło zdjęcia.

W wersji CPU 1214C możemy liczyć na 14 wejść, 10 wyjść i 2 wejścia analogowe. Sterownik można programować w programie TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal), w językach typu LD, FBD, ST, o których będzie mowa później.

EATON EASYE4

Ciekawym sterownikiem jest EasyE4 Eaton. Posiada on 8 wejść cyfrowych i 4 wyjścia przekaźnikowe. Dodatkowo posiada wyświetlacz, na który możemy również wyświetlać informacje. EATON EASY E4 to tak naprawdę przekaźnik programowalny z cechami PLC! Nazywam go PLC jako uogólnienie i dlatego, że spełnia wiele cech pełnoprawnych sterowników. Warto go przytoczyć jako ciekawostkę i coś wartego uwagi w kontekście tanich i prostych rozwiązań.

Mały sterownik PLC. Wyróżnia go prostota. Źródło zdjęcia.

Warto o nim wspomnieć, ponieważ jest to idealne rozwiązanie dla prostych i mniej skomplikowanych aplikacji, jak i dla początkujących. Był to PLC, na którym uczyłem się programować i wspominam go bardzo dobrze za prostą obsługę, możliwość wybrania podstawowych języków programowania, jak i za możliwość rozbudowy o wiele modułów rozszerzeń. 

Sterownik jest względnie tani, a oprogramowanie easySoft oferuje 4 języki: LD, FBD, ST i EDP. Obsługa, programowanie i konfiguracja tego urządzenia jest bardzo prosta i to największy atut tego sterownika.

Jak programować sterowniki PLC?

Tak jak w przypadku zwykłych języków programowania, korzysta się z IDE. W świecie sterowników najczęściej każdy sterownik ma specjalny program, za pomocą którego można zaprojektować oprogramowanie. Oprócz dwóch wcześniej przeze mnie przytoczonych można również wymienić program GX Developer za pomocą którego można programować sterowniki firmy Mitsubishi.

Wiele programów odznacza się ciekawymi i unikatowymi funkcjami. W GX Developer można skorzystać z języka SFC - graficznego języka, który charakteryzuje się przejrzystością napisanego programu. Dodatkowo software daje możliwość zaprogramowania specjalnej funkcji bezpieczeństwa EMERGENCY_OFF, która powoduje powrót do samego początku programu.

Wszystkie sterowniki mają jeden wspólną cechę - języki programowania.

Języki to nieodłączny element oprogramowania. Źródło zdjęcia.

Języki programowania sterowników PLC

Języki programowania w automatyce przemysłowej definiuje norma IEC 61131-3, która wyróżnia pięć oficjalnych języków, za pomocą których powinny być programowane sterowniki. Opracowana została przez Międzynarodową Elektrotechniczną Komisję Normalizacyjną (IEC). Jest powszechnie stosowana w globalnym przemyśle. Standard gwarantuje współdziałanie różnych systemów automatyki poprzez wprowadzenie jednolitych zasad programowania.

Wyróżnia się 5 języków:

1. Ladder logic (LD lub LAD. Po polsku Język Drabinkowy/Logika Drabinkowa) - najpopularniejszy, graficzny język programowania sterowników PLC. Jego nazwa wzięła się od charakterystycznego wyglądu. Symbole określające wejścia, wyjścia i bloki funkcyjne są ustawione na szeregu poziomych szczebli między dwoma pionowymi szynami, co przypomina drabinę. Program wykonywany jest równolegle od lewej do prawej zgodnie z pętlą programową.

Język drabinkowy. Najpopularniejszy język programowania PLC. Źródło zdjęcia.

2. Function block diagram (FBD) - graficzny język, w którym używa się bloków, które odpowiadają za poszczególne instrukcje. Działa na podobnych zasadach co schematy budowane za pomocą bramek logicznych.

Język FBD. Jest wygodny w użyciu przy względnie małych programach. Źródło zdjęcia.

3. Sequential function chart (SFC) - ostatni język graficzny wymieniony w normie. Składa się z kroków, do których przypisana jest jakaś akcja. Jeżeli w tym kroku zostanie spełniony ustalony warunek (tzw. tranzycja), to przechodzi się do kolejnego kroku. Oprócz tego każdy program napisany w tym języku musi mieć warunek początkowy, od którego rozpoczyna się cały algorytm. Istnieje możliwość pisania programów, w których kilka kroków może przebiegać równolegle. Do akcji w krokach można wykorzystać język LAD.

Język SFC. Bardzo przejrzysty i czytelny język, który można mieszać z językiem LAD. Źródło zdjęcia.

4. Structured text (ST lub STX) - wysokopoziomowy, tekstowy język programowania bazujący na Pascalu. Język posiada pętle, instrukcje warunkowe i funkcje typu pierwiastek kwadratowy i sinus.

Język ST. Pozwala implementować skomplikowane algorytmy w zwięzłej formie. Źródło zdjęcia.

5. Instruction list (IL) - niskopoziomowy, tekstowy język oparty na assemblerze.

Język IL. Źródło zdjęcia.

Jeżeli nauczysz się któregoś z powyższych języków, to programowanie większości sterowników nie powinno Ci sprawić problemów. Wtedy pozostaje tylko kwestia nauczenia się środowiska programistycznego dla konkretnego sterownika. Dodatkowo mogą wystąpić inne symbole reprezentujące zmienne lub dodatkowe funkcje nieoferowane w innych środowiskach.

Jak nauczyć się programowania PLC?

Oczywistym krokiem jest wybranie się na studia na kierunku automatyka i robotyka/mechatronika. Tam najprawdopodobniej podczas laboratoriów będziesz miał okazję zaprogramować sterownik niejednego producenta. Samoucy mają ciężej. Branża automatyki, a w szczególności sterowników PLC jest dość zamknięta na początkujących. Środowiska do programowania PLC mogą kosztować bardzo dużo, a same sterowniki, sprzęt i narzędzia jeszcze więcej. Bardzo dobrze o tym mówi niemiecki youtuber Jakob Sagatowski w jego filmie o szalonym koszcie programowania PLC. 

Jest wiele różnych opcji i dróg, które można wybrać. Istnieje wiele kursów i książek na temat programowania PLC. Jeżeli ktoś chciałby spróbować swoich sił w symulacjach programowania PLC, to istnieją takie strony jak plcsimulator. Nie jest to najwyższych lotów symulator, ale sprawdza się w testowaniu na szybko różnych pomysłów.

Innym rozwiązaniem jest pobranie TIA PORTAL jako TRIAL lub kupienie taniego sterownika z oprogramowaniem. Z tanich rozwiązań warto wziąć pod uwagę EasyE4 lub Arduino OPTA.

Nauka PLC może być trudna, ale też bardzo wynagradzająca. Sterowniki używa się wszędzie i one rządzą dzisiejszymi fabrykami i maszynami. Źródło zdjęcia.

Arduino OPTA

Zakończę ciekawostką, że Arduino przy współpracy z firmą Finder wydało sterownik PLC. Arduino OPTA występuje w trzech wersjach:

• Arduino Opta Lite
• Arduino Opta RS485 - wyposażony w dodatkowy interfejs półdupleksowej łączności RS485
• Arduino Opta WiFi - wyposażony w układ komunikacji WiFi / Bluetooth Low Energy (BLE)

Na tym sterowniku równolegle mogą pracować skrypt z Arduino IDE i głównego programu PLC, np. w języku ST.

Arduino OPTA. Źródło zdjęcia.

Podsumowanie

Przedstawiłem Ci wiedzę na temat sterowników PLC w pigułce. Pamiętaj, że to dopiero początek. W trakcie nauki natrafisz na takie wątki jak teoria sterowania, regulacja/regulatory, modelowanie procesów i nawet Przemysł 4.0 lub IoT. Bez sterowników PLC nasz świat nie wyglądałby tak jak teraz a poznanie ich na pewno przyda się w niejednej branży.

[Treker (Damian Szymański)]

@Marcel_S dziękuję za kolejny ciekawy artykuł 🙂 Tematyka sterowników PLC nie jest pewnie znana większości czytelników Forbota, więc taki wstęp na pewno się przyda. Mało hobbystyczny, ale na pewno ciekawy temat.

Przy okazji pytanie do innych użytkowników - czy ktoś z Was korzystał ze wspomnianego tutaj Arduino Opta w praktyce? Macie jakieś swoje przemyślenia w tej kwestii?

[Tradiatore]

Bardzo fajny artykuł, napisany prostym językiem, aby również osoby niezaznajomione z tematem mogły zrozumieć podstawy tego, czym jest PLC. 😄 Z polecanych sterowników można jeszcze dorzucić popularny Logo!8 od Siemensa - urządzenie bardzo podobne do wymienionego przez Ciebie Eaton EasyE4. Z "trochę" droższych sterowników, to można rzucić okiem na produkty izraelskiej firmy Unitronics

Edytowano 21 października przez Tradiatore

[BlackJack]

Cóż LOGO 8 nie jest sterownikiem PLC, a przekaźnikiem programowalnym. Easy E4 jest.. hm.. taką ewolucyjną hybrydą przekaźnika programowalnego i PLC, bo posiada pewną cechę sterownika PLC czyli przerwania sprzętowe dostępne dla programisty, czego nie ma LOGO. Ogólnie obecnie jest dążenie do zatarcia różnic między przekaźnikiem programowalnym jak LOGO, EASY, APB, TECO SG2/3 a PLC, ale w szczegółach PLC jest jednak bardziej zawansowanym sterownikiem posiadającym bardziej złożone zasoby sprzętowe i programowe, no i wydajność w sensie szybkości działania. Większość producentów stara się tak przebudować przekaźniki programowalne, od strony funkcyjnej  aby mogły stać się zdalnymi stacjami (modułami I/O) dla PLC. LOGO8, Easy E4, TECO SG3.

Programowanie przekaźnika programowalnego (PP) i PLC w podstawach jest identyczne, ale w szczegółach jednak różne, głównie przez różnice w zasobach sprzętowych jak i programowych. W PP mamy wiele rzeczy uproszczonych i ukrytych przed użytkownikiem, pod maską kompilatora/edytora schematu, w PLC często musimy zejść do szczegółów, choć wiele rzeczy jest zunifikowanych przez normy języków programowania.

Podstawą jest dokumentacja programowania. Nawet LOGO ma parę "ukrytych" i przydatnych funkcji, ale trzeba się zagłębić nieco w sztukę programowania.

Edytowano 21 października przez BlackJack

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Leoneq]

Ciekawy artykuł, jako certyfikowany technik mechatronik ™️ akceptuję treść. Jednak faktycznie - logo to nie jest plc. 

No i zastanawia mnie przetłumaczenie nazwy - pierwszy raz widzę swobodny (?)... zawsze to było "programowalny sterownik logiczny". Chyba że to stara szkoła.

Warto też wspomnieć że IL nie jest już wspierany przez normę, najczęściej z tego co wiem programuje się w ladderze albo ST. SFC do każdego synchronicznego programu to obowiązek (da się też do asynchronicznych użyć, ale już sama implementacja przycisku bezpieczeństwa do każdego kroku jest kłopotliwa, nie mówiąc o bardziej skomplikowanych rzeczach). 

Siemensy się programuje dość komfortowo, choć osobiście nie mam porównania z innymi producentami (i o ile sam sterownik to nie jest aż tak duży koszt, TIA portal już jest)

[Tradiatore]

Panowie, jestem automatykiem i z wykształcenia, i z zawodu i zapewniam, że znam różnicę między programowalnym przekaźnikiem a PLC 🙂 

Autor wymienił hybrydę PP+PLC Eatona, jako coś dobrego dla początkujących i dlatego postanowiłem wspomnieć również o Logo!8, mając pełną świadomość, że to nie jest pełnoprawny PLC. Umożliwia on jednak wszystko to, co umożliwiłby "normalny" PLC początkującemu. 😉 Połączenie sieciowe - jest, inputy - są, outputy - są (fakt, że tylko przekaźnikowe, a nie tranzystorowe, ale są), proste HMI - jest. I najważniejsze - jest drabinka. Osobiście jestem zwolennikiem języków tekstowych, a drabinka mnie odrzuca, ale prawda jest taka, że w branży częściej poprawiamy po kimś, niż piszemy sami od zera, a większość programistów PLC preferuje jednak Laddera.

Wracając, Logo!8 jako PLC, ponieważ mało który pasjonat jest w stanie wyrzucić 3-4x tyle siana na S7-1200 czy inne Siemensy (Rockwelle i GeFanuci to również droga zabawa). Dlatego poniekąd wymieniłem też Unitronicsa jako alternatywę, ale jedynym znanym mi dysrtybutorem w PL jest Elmark, a i w branży Unitronics jest rzadko spotykany - ale no... tani 😄

Edytowano 22 października przez Tradiatore

[jand]

Dnia 22.09.2024 o 22:21, Marcel_S napisał:

Ladder logic (LD lub LAD. Po polsku Język Drabinkowy/Logika Drabinkowa) -.............. Jego nazwa wzięła się od charakterystycznego wyglądu.

A jego wygląd pochodzi z czasów gdy automatyka była realizowana na przekaźnikach. Na takich schematach, rysowanych na papierze, w uporządkowany sposób pokazywane były cewki kolejnych przekaźników i kombinacja styków (innych przekaźników, krańcówek, czujników...) które je uruchamiały.

[BlackJack]

Cytat

Wracając, Logo!8 jako PLC, ponieważ mało który pasjonat jest w stanie wyrzucić 3-4x tyle siana na S7-1200 czy inne Siemensy

Też trochę mam styczności z automatyką, choć bardziej w HMI obecnie siedzę, ale na tapecie mam też  aktualnie Mitsubishi FX5U. A wracając do tematu. LOGO (EASY też) nie jest tanie zwarzywszy że oprogramowanie jest płatne, a wersja demo nie pozwala wgrywać softu do sterownika z tego co pamiętam. Do nauki w symulacji OK. Do tego dochodzi wiele wersji tego sterownika na przestrzeni lat, różniących się czasami znacznie możliwościami, co powoduje że niezorientowana poczatkująca osoba może się sparzyć, szczególnie na używkach, bo sami sprzedawcy często nie wiedzą co sprzedają, jest to po prostu dla nich tylko Siemens LOGO więc musi kosztować jak LOGO. Taka moja dygresja z własnego doświadczenia z Siemens LOGO.

Jeżeli chcemy mówić o tanich przekaźnikach programowalnych z potencjałem i darmowym oprogramowaniem to moja lista jest następująca. (większość przeszła mi przez ręce, tak na marginesie)

1. APB - sprzedawany przez firmę TELMATIK. bardzo ciekawy PP, programowany w języku FDB, z zintegrowanym graficznym HMI, w całkiem przystępnej cenie. Dobrze udokumentowany w naszym języku. Firma ma w ofercie także jego uboższych możliwościowo braci. Warto zajrzeć

2.TECO SG2 - Koreańska marka, na naszym rynku chyba dobre 15 lat. Kiedyś dystrybutorem był INTROL, po którym została Polska dokumentacja programowania, Obecnie dystrybutorem jest firma Indastra. Można programować go w Ladder lub FDB, oczywiście soft darmowy. Posiada HMI 4x12 znaków jak pamiętam. Obecnie jest powoli zastępowany przez model SG3, który jest takim rozwojowo odpowiednikiem LOGO 8, bo posiada port Ethernet i z wyglądu też podobny tylko biały. Firma ma także w ofercie PLC TECO TP03. Oprogramowanie jest darmowe, tylko język ladder i SFC. Moim zdaniem bardzo ciekawy i tani sterownik PLC, który niestety nie został wypromowany w odpowiednim czasie przez INTROL, i zaginął w cieniu konkurencji, a szkoda bo ma potencjał w taniej automatyce. Miałem okazje być na kursie programowania. Ciekawy sprzęt ale niestety nigdy odpowiednio nie wypromowany, taki biały kruk można powiedzieć, dla koneserów.

Innych, typu ZILO, Relpol itd. bardzo nie widzę sensu wymieniać, bo albo oprogramowanie jest płatne, albo ceny zaporowe, albo są niszowe po prostu Zresztą wraz z kolegą na tych dwóch wymienionych stawialiśmy, przysłowiowe cuda wianki i baranki, naprawdę jak ktoś się wgryzie w dokumentację i sam sterownik można. Oba sterowniki (APB i SG2,) bez problemu ożeniłem z HMI Weintek, a nawet Chińską podrubką DELTY.

Taka ostatnia rada, dla zainteresowanych nauką programowania. Nie trzeba mieć fizycznie żadnego PP ani PLC, aby się uczyć. Podstawy można w 100% zdobyć w symulacji programowej.

Edytowano 22 października przez BlackJack

[BlackJack]

12 godzin temu, jand napisał:

A jego wygląd pochodzi z czasów gdy automatyka była realizowana na przekaźnikach. Na takich schematach, rysowanych na papierze, w uporządkowany sposób pokazywane były cewki kolejnych przekaźników i kombinacja styków (innych przekaźników, krańcówek, czujników...) które je uruchamiały.

A najśmieszniejsze w tym jest to, że elektrycy szczególnie starszej daty (nie wszyscy, ale sporo), z myślą dla których stworzono ten sposób programowania, aby łatwiej było im przejść na nowe rozwiązania, nie cierpią tego języka i wolą FDB z bramkami logicznymi. A dla czego? Bo większość elektryków ma problemy z czytaniem schematów elektrycznych, i jak widzą Laddera to mają naturalny odruch ucieczkowy. Ale to problem szkolnictwa, w którym nie ma moim zdaniem odpowiedniego nacisku, na rysowania i czytanie schematów i dokumentacji.