Programowanie sterowników PLC: podsumowanie techniczne z przykładami firmy Siemens

Programowalne sterowniki logiczne (PLC) stanowią wzmocnioną elektronikę opartą na mikroprocesorach, niezbędną we wszystkich nowoczesnych instalacjach automatyki, w tym w obszarach takich jak:

• Przemysł przetwórczy ropy i gazu, energetyka jądrowa, hutnictwo i oczyszczanie ścieków
• Branże kładące nacisk na sterowanie zadaniami dyskretnymi - w tym ogólna automatyka przemysłowa, zautomatyzowane magazynowanie, pakowanie, przemysł spożywczy oraz produkcja urządzeń medycznych

W tych instalacjach sterowniki PLC są tradycyjnie spotykane w systemach montowanych na szynach DIN lub w szafach sterowniczych z gniazdami na moduły PLC (z procesorami do uruchamiania logiki i poleceń wysyłania), wraz z uzupełniającymi modułami zasilania, modułami funkcyjnymi specyficznymi dla zastosowania oraz cyfrowymi i analogowymi modułami wejścia-wyjścia.

Oczywiście programowalne sterowniki logiczne (PLC) nie są jedyną opcją automatyzacji sterowania. Systemy oparte na przekaźnikach pozostają niezastąpione w szerokiej gamie zastosowań, jednak innymi opcjami dla wielu projektów maszyn i systemów wymagających różnych stopni sterowania rozproszonego są programowalne sterowniki automatyki (PAC) lub komputery przemysłowe (IPC), a także komputery tablicowe (interfejsy HMI z elektroniką sterującą). Szczególnie wysoką elastyczność projektowania oferują programowalne sterowniki automatyki i komputery przemysłowe z przemysłowymi systemami operacyjnymi Microsoft Windows.

Każdy z tych systemów sterowania jest konfigurowany i programowany za pomocą oprogramowania o różnym stopniu zaawansowania, dzięki czemu wszystkie rodzaje instalacji sterowania są bardziej zaawansowane i przyjazne dla użytkownika niż kiedykolwiek. To z kolei umożliwia konstruktorom maszyn OEM i inżynierom zakładowym szybkie wdrażanie poszczególnych kompilacji i aktualizacji oraz przeprowadzanie migracji z maksymalną wydajnością, produktywnością i łącznością z przemysłowym Internetem rzeczy (IIoT).

Narzędzia do programowania sterowników - w tym sterowników PLC

Ilustracja 1: programowalne sterowniki logiczne (PLC) posiadają wszystkie zalety specjalnie zaprojektowanego sprzętu - w tym niezawodność. Z kolei programowalne sterowniki automatyki (PAC) oferują najwyższą elastyczność. Niektórzy dostawcy umożliwiają inżynierom programowanie obu typów elementów sterowania w tym samym ujednoliconym środowisku oprogramowania. Takie środowiska mogą również zapewniać nieograniczony dostęp do cyfrowych narzędzi automatyzacji, inżynierii i monitorowania operacyjnego. (Źródło ilustracji: Siemens)

Prawie wszystkie współczesne sterowniki PLC są konfigurowane i programowane za pomocą oprogramowania komputerowego. Duzi dostawcy oferujący szeroką gamę programowalnych elementów sterowania ruchem, komponentów pomiarowych, aktuatorów i interfejsów maszynowych (oprócz produktów ogólnej automatyki i sterowników PLC) zazwyczaj umożliwiają programowanie wszystkich tych komponentów we własnych, zastrzeżonych ujednoliconych środowiskach programistycznych, które stanowią oprogramowanie na komputery PC kompatybilne z systemem Windows i zawierają moduły do projektowania, konfiguracji, programowania, a nawet do obsługi i zarządzania. Jest to szczególnie ważne w przypadku, gdy asortyment dostawców obejmuje produkty wstępnie zintegrowane - takie jak na przykład inteligentne silniki lub interfejsy człowiek-maszyna (HMI) z obsługą sterowników PLC.

Ujednolicone środowiska programistyczne mogą być trudne do nauczenia, jednak po opanowaniu znacznie przyspieszają projektowanie maszyn.

Jedną z zalet takich środowisk programistycznych jest to, że zapewniają bezbłędne, edytowalne i powszechnie stosowane bazy danych symboli, zmiennych lub nazw znaczników. Są to czytelne dla człowieka nazwy alfanumeryczne przypisane do adresów komponentów (w tym sterowników PLC) i udoskonalone poprzez bezpośrednie użycie skomplikowanych adresów rejestrów - co kiedyś było standardową praktyką. Uzupełnieniem tych umożliwiających sortowanie i przeszukiwanie znaczników urządzeń są informacyjne znaczniki maszyn i komórek roboczych, a także znaczniki dla typowych funkcji maszyn, takich jak praca automatyczna, praca ręczna, uruchomienie silnika, usterka czy reset.

Przyjrzyjmy się oprogramowaniu Siemens STEP 7 Totally Integrated Automation (TIA Portal), które zawiera różne pakiety dostosowane do użytkownika i jest dostępne za pośrednictwem środowiska do zarządzania oprogramowaniem Siemens SIMATIC (Siemens Automatic). Oprogramowanie STEP 7 dobrze ilustruje najczęstsze podejścia do programowania sterowników PLC, ponieważ jest to najczęściej używane oprogramowanie do automatyki przemysłowej na świecie - którego funkcjonalność i niezawodność bezustannie podlega weryfikacji. Według większości szacunków sterowniki PLC firmy Siemens są wykorzystywane w prawie jednej trzeciej wszystkich instalacji programowalnych sterowników logicznych na całym świecie.

Za pomocą tego oprogramowania inżynierowie mogą programować powiązane ze sterownikami PLC i innymi sterownikami przemysłowymi funkcje sterowania procesami, dyskretnej automatyki, zarządzanie energią, wizualizacji HMI, symulacji i cyfrowych bliźniaków. Oprogramowanie inżynierskie STEP 7 (TIA Portal) firmy Siemens zostało rozwinięte ze starszego oprogramowania SIMATIC STEP 7 z myślą o sterownikach PLC, aby obsłużyć programowanie sterowników S7-1200, S7-1500 i S7-1500 - a także procesorów wejść-wyjść ET 200SP i starszych procesorów S7-300 (wciąż będących podstawą w branży) wraz ze sterownikami S7-400 i SIMATIC WinAC. Profesjonalne i specjalnie licencjonowane kopie oprogramowania STEP 7 zawierają dodatkowe funkcje, edytory logiki oraz funkcje integracji tradycyjnego oprogramowania inżynierskiego.

Chociaż wykracza to poza zakres niniejszego artykułu, warto zauważyć, że komponenty do sterowania przemysłowego, które można zastosować w miejsce wielofunkcyjnych sterowników PLC, mogą być konfigurowane i programowane za pomocą dodatkowego oprogramowania. Ogromny ekosystem sterowników Siemens dostarcza wielu przykładów.

1. LOGO! Moduły logiczne spełniają wymagania małych i ograniczonych instalacji automatyki, wypełniając lukę między przekaźnikami a sterownikami przemysłowymi opartymi na mikroprocesorach. Programuje się je za pomocą oprogramowania Siemens LOGO! z oprogramowaniem inżynierskim Soft Comfort, narzędzia dostępowego LOGO! i opartego na sieci Web edytora LOGO!, co upraszcza konfigurację i prace projektowe.
2. Systemy sterowania procesami wykorzystują sterowniki Siemens SIMATIC PCS 7 programowane za pomocą oprogramowania systemowego SIMATIC PCS 7.
3. Produkty do montażu w szafach (na szynach), tablicowe i stacjonarne komputery przemysłowe (IPC) do sterowania rozproszonego i maszyn wymagających łączności IIoT opierają się na modułach oprogramowania Siemens SIMATIC IPC, w tym IPC Image and Partition Creator; IPC DiagMonitor; IPC Remote Manager; IPC FirmwareManager oraz SIMATIC Industrial OS.
4. Interfejsy człowiek-maszyna (HMI) służące jako tablicowe komputery PC do sterowania na maszynie wykorzystują m.in. oprogramowanie SIMATIC WinCC Unified (TIA Portal) oraz SIMATIC WinCC (TIA Portal), WinCC flexible, WinCC V7, WinCC OA, oprogramowanie do diagnostyki procesów ProAgent, oprogramowanie do powiadamiania dla urządzeń mobilnych.

Wybór między sterownikami PLC SIMATIC a innymi elementami sterowania maszynami jest jeszcze prostszy dzięki coraz większej liczbie programów - w postaci internetowego narzędzia doboru w chmurze (albo jego wariantu offline), w którym inżynierowie są pytani o fizyczny układ danego projektu (czy wymaga szafy sterowniczej, czy sterowania rozproszonego) oraz:

• Liczbę przewidywanych wejść-wyjść, w tym dla czujników, przełączników i aktuatorów.
• Używany język programowania, czy to diagram drabinkowy (LD), strukturalny język sterowania (SCL) czy diagram bloków funkcyjnych (FBD); bardziej zaawansowany tekst strukturalny (ST), sekwencyjny wykres funkcji oparty na wykresie (SFC), ciągły wykres funkcji (CFC); czy bardziej zaawansowane języki.
• Wymagany poziom sterowania ruchem (w stosownych przypadkach) - od prostego sterowania prędkością i położeniem po elektroniczne sterowanie krzywkami i zaawansowane sterowanie kinematyczne.
• Preferencje sprzętowe i to, czy programowy sterownik PLC działający na komputerze IPC może być najbardziej odpowiedni.

Projekty programów sterowników PLC

Kod sterownika PLC napisany w oprogramowaniu dostawcy sterownika PLC jest często zawarty w projektach. Są one związane z ukierunkowanymi operacjami zależnymi od zastosowania, takimi jak:

• Ogrzewanie, mieszanie, napełnianie, odmierzanie i nawadnianie
• Przemieszczanie, działania cykliczne, pozycjonowanie i hamowanie komponentów/urządzeń lub kierowanie nimi
• Chwytanie, cięcie, wykrawanie i krojenie
• Spawanie, klejenie, znakowanie i dozowanie
• Pomiary, śledzenie, sekwencjonowanie i sygnalizacja

Najbardziej zaawansowane opcje wspomagają cyfrowe planowanie i zintegrowaną inżynierię, a także umożliwiają przejrzystą obsługę, która jest łatwa dzięki interfejsom HMI z ekranami dostosowanymi do użytkownika. Innymi słowy, takie oprogramowanie dla sterowników PLC umożliwia prezentację istotnych informacji o sterowniku PLC na różnych wyświetlaczach, aby przekazywać operatorom maszyn, technikom, kierownikom zakładów, a nawet kierownikom biznesowym różne potrzebne informacje.

Narzędzia symulacyjne w środowiskach oprogramowania dostawców sterowników PLC mogą również skrócić czas wprowadzania danego produktu na rynek i poprawić wydajność gotowego produktu. Uzupełnieniem pakietu ulepszeń opartych na oprogramowaniu są funkcje zarządzania energią i diagnostyka.

Weryfikacja i wczytywanie do sterowników PLC programów napisanych w oprogramowaniu

Ilustracja 2: sterownik PLC SIMATIC firmy Siemens i systemy automatyki zostały po raz pierwszy wprowadzone w latach pięćdziesiątych XX w. Obecnie produkty SIMATIC S7 (w tym omówione tutaj sterowniki PLC SIMATIC S7-1500) ewoluowały, umożliwiając obsługę różnych zastosowań automatyki przemysłowej. (Źródło ilustracji: Siemens)

Istotą optymalnego działania sterownika PLC jest jakość jego programowania. Cały kod powinien spełniać standardy branżowe i najlepsze praktyki związane z tworzeniem oprogramowania. Poza tym procesy weryfikacji (zarówno ręczne, jak i automatyczne) mogą ujawnić wszystko, od błędów krytycznych po nieefektywność kodu. Rozważmy programowanie produktów SIMATIC S7. Funkcja weryfikacji projektów w ekosystemie TIA Portal firmy Siemens pozwala automatycznie porównywać określony kod z regułami podanymi w przewodniku stylu programowania dla tych konkretnych sterowników PLC. Następnie inżynierowie mogą eksportować wyniki porównania do pliku XML lub Excel. Zestawy reguł zdefiniowane przez użytkownika (nawet złożone) można również dodawać za pomocą zestawu rozwojowego oprogramowania (SDK) do weryfikacji projektów w języku C# lub Visual Basic (.NET). Omawiany zestaw SDK przede wszystkim sprawdza styl programu.

Tabela 1: weryfikację zaprogramowania sterownika PLC można przeprowadzać ręczne i automatyczne - przy czym ten drugi sposób jest szczególnie przydatny w przypadku weryfikacji stylu i techniki. (Źródło tabeli: Siemens)

Po napisaniu i zweryfikowaniu projektu przeznaczonego dla sterownika PLC, projekt ten należy wczytać do sterownika. W wielu przypadkach, aby wczytać to oprogramowanie do mikroelektroniki sterownika PLC, należy tymczasowo podłączyć komputer PC (często laptop) do sterownika PLC za pomocą kabla Ethernet lub specjalnego adaptera PC USB - PLC COMM. Sterownik PLC łączy się następnie ze sterowanymi komponentami za pośrednictwem modułów wejścia-wyjścia. Po dodatkowej weryfikacji po uruchomieniu sterownik PLC wykonuje swoje programy, wydając polecenia aktuatorom podłączonym do sieci (za pośrednictwem różnych typów sygnałów) i dokonując regulacji w czasie rzeczywistym w odpowiedzi na informacje zwrotne z urządzeń polowych.

Czasami maszyna lub zautomatyzowane gniazdo produkcyjne wymaga regulacji, rozwiązywania problemów lub naprawy - oraz (poprzez pewien rodzaj programowania połączenia komputera ze sterownikiem PLC) wymuszonego nadpisania domyślnych odpowiedzi sterownika PLC na sprzężenie zwrotne. Na skutek tego sterownik PLC działa tak, jakby „myślał”, że pewne sprzężenie zwrotne ma określoną wartość, podczas gdy tak nie jest - jest to taktyka stosowana na przykład, gdy trzeba „odhaczyć” stacje zlokalizowane za nieprawidłowo działającym aktuatorem. Innym razem konieczna może być regulacja obiektowa parametrów sterownika PLC maszyny lub gniazda produkcyjnego w drodze modyfikacji. Takie regulacje muszą odnosić się do odpowiednich wyzwalaczy, wartości zmiennych lub tabel, liczników i układów czasowych.

Podsumowanie

Praca z szeroką gamą produktów z dziedziny automatyki i sterowania przemysłowego firmy Siemens pozwala inżynierom na głębsze zrozumienie dzisiejszych opcji sterowania - w tym sterowników PLC i innych typów sprzętu. Jest tak bez względu na markę lub podtyp sprzętu ostatecznie wybranego do zautomatyzowanej instalacji.