Dobór sterownika przemysłowego

Fot. 2. Sterowniki PLC z serii Productivity 1000, 2000 i 3000 firmy AutomationDirect to urządzenia o różnej wielkości, jednak każde z nich wykorzystuje to samo oprogramowanie do programowania. Źródło: firma Automation Direct.

Proces doboru najbardziej efektywnego sterownika wymaga starannego przeanalizowania wielu wymagań dotyczących tego urządzenia.

Istnieje wiele ważnych aspektów do przeanalizowania podczas doboru sterownika maszyny i procesu technologicznego. Punktem wyjścia dla takiej analizy jest określenie wymagań operacyjnych, dotyczących sterowanego sprzętu, które okazuje się pomocne w oszacowaniu dostępnego zakresu sterowników wyszczególnionych przez producentów OEM lub konstruktorów maszyn. W zależności od tego, jak dany sprzęt jest dopasowany do większego środowiska produkcyjnego, system automatyki może stanowić kompletne rozwiązanie lub po prostu sterować indywidualnymi, wydzielonymi częściami tego środowiska.

Wyznaczony sterownik, taki jak programowalny sterownik logiczny (PLC) czy programowalny sterownik automatyki (PAC), może obsługiwać pojedynczą stację, maszynę, jednostkę procesową, całą linię montażową lub nawet całą fabrykę. Jeśli dokonuje się automatyzacji zintegrowanego systemu produkcyjnego to pojedynczy duży sterownik, wykorzystujący wiele rozszerzeń i zdalnych wejść/wyjść (I/O), komunikujących się przez Ethernet, może stanowić rozwiązanie całościowe dla automatyki w fabryce. Jednak inna aplikacja może wymagać podziału systemu automatyki na wiele sekcji logicznych. W tym przypadku system automatyki może składać się z wielu mniejszych sterowników PLC lub nawet mikrosterowników PLC, w zależności od potrzeb i funkcjonalności (patrz fot.1).

Fot. 1. Na tym schemacie blokowym każdy moduł jest maszyną, która może być sterowana osobno za pomocą mniejszego programowalnego sterownika logicznego (PLC), lub razem z innymi maszynami za pomocą większego sterownika PLC. Źródło: firma AutomationDirect

Większość inżynierów automatyków uważa decyzję o wyborze jednej z tych dwóch alternatyw za nieodwracalną, ponieważ alternatywy te sugerują bardzo różniące się od siebie platformy, jednak tak być nie musi. Niektóre rodziny sterowników oferują kilka różnych opcji wielkości systemu sterowania, z których każda wykorzystuje to samo oprogramowanie do programowania sterowników (patrz fot.2). Pojedyncze środowisko programistyczne zapewnia elastyczność aplikacji, jednocześnie oszczędzając czas i pieniądze, ponieważ programy mogą być łatwo konwertowane lub przenoszone z jednego sterownika PLC do drugiego, w celu uzyskania kompatybilności pomiędzy projektami.

Trudności może sprawiać podejmowanie decyzji – czy uruchamiać pojedynczy program na dużym sterowniku PLC, czy wdrożyć ten sam projekt na wielu mniejszych sterownikach PLC, z których każdy wykonuje tylko części programu, wymagane do obsługi specyficznego podsystemu.

Jest to bardziej złożone zagadnienie niż wybór wielkości, możliwości i funkcji sterownika PLC, PAC czy opartego na komputerze typu PC. Aby pomoc sobie w podjęciu decyzji, który sterownik będzie najlepszy dla naszej aplikacji, należy przeanalizować następujące czynniki:

  • Automatyzowany system: nowy czy istniejący.
  • Problemy środowiskowe.
  • Urządzenia dyskretne.
  • Urządzenia analogowe.
  • Sterowanie w pętli.
  • Moduły lub funkcje specjalistyczne.
  • Urządzenia We/Wy:  lokalne lub zdalne.
  • Komunikacja.
  • Programowanie.

Kwestia tego, czy system sterowania jest nowy czy stanowi modernizację już istniejącego, często narzuca wiele kluczowych czynników dla dokonania doboru sterowników. Jeżeli w zakładzie są już zainstalowane jakieś urządzenia automatyki, to dobrą praktyką jest zachowanie kompatybilności nowego systemu z nimi. Przy czym trzeba pamiętać, iż niektóre sterowniki, nawet pochodzące od tego samego producenta, nie są kompatybilne z innymi.

Jeśli w zakładzie istnieją ekstremalne warunki środowiskowe, to dużym problemem mogą być ograniczenia dotyczące temperatury otoczenia . Typowy sterownik posiada zakres temperatur pracy od 30°F do 130°F (od -1,1°C do 54,4°C), jednak rzeczywiste warunki na hali produkcyjnej lub specyficzne przepisy obowiązujące w fabryce, mogą wymagać zastosowania sterownika, który został zaprojektowany do pracy w trudniejszych warunkach.

Liczba, typy i lokalizacja urządzeń We/Wy

Po uporaniu się z kwestiami na poziomie systemu, następnym etapem doboru jest zdefiniowanie liczby urządzeń We/Wy oraz typów urządzeń obiektowych. Dobrą praktyką jest tu sporządzenie w arkuszu kalkulacyjnym listy wejść i wyjść dyskretnych i zdefiniowanie każdego typu urządzeń, takich jak czujniki analogowe, czujniki cyfrowe, elektromagnesy, elementy wykonawcze, zawory sterujące itd. Należy dołączyć do tej listy typy sygnałów, wymagania dotyczące zasilania, protokoły komunikacyjne oraz w razie konieczności inne czynniki i dane techniczne.

Liczba i typy zdefiniowanych urządzeń We/Wy mają bardzo duży wpływ na wybraną platformę sterowania. Popularnym błędem jest tu dobór sterownika, który jest w stanie obsługiwać obecne potrzeby w procesie lub w całym zakładzie, ale nie dysponuje miejscem na przyszłe rozszerzenia. Dobór sterownika posiadającego miejsce na dołączenie dodatkowych 20% wejść/wyjść może zapobiec powstaniu dużych trudności w późniejszym okresie eksploatacji. Jednocześnie należy być świadomym tego, że niektóre sterowniki posiadają ograniczenia w stosunku do możliwości obsługi niektórych typów wejść/wyjść, szczególnie analogowych i specjalistycznych, takich jak szybkie wejścia lub wyjścia. Może to być problematycznym ograniczeniem.

Arkusz wejść/wyjść powinien także zawierać listę funkcji i poziomów sygnałów dla wszystkich wymaganych urządzeń analogowych. Lista ta powinna zawierać zestawienia dla pętli napięciowych, pętli prądowych, termoelementów oraz wejść rezystancyjnych czujników temperatury (RTD) wraz z podsumowaniem zestawień dla wyjść napięciowych i prądowych. Muszą być sprawdzone dane techniczne sterownika tak aby zapewnić, że jest obsługiwana zarówno całkowita liczba wejść i wyjść analogowych, jak i odpowiednie poziomy sygnałowe. Osobno muszą także być przeanalizowane i umieszczone na liście w arkuszu specjalistyczne wejścia/wyjścia lub moduły inteligentne. Elementy specjalistyczne to zegary czasu rzeczywistego, szybkie liczniki, szybkie wyjścia, pozycjonery, serwomotory/silniki krokowe i inne.

Może okazać się również, że wymagane dla aplikacji funkcje specjalistyczne mogą nie być obsługiwane przez sterownik. Nie należy zakładać, że każdy sterownik potrafi realizować złożone funkcje czasowe lub nawet obsługiwać proste funkcje sterowania ruchem. Zrozumienie wymagań aplikacji oraz możliwości sterownika jest konieczne aby zapewnić, że dostępne są w systemie wszystkie funkcje potrzebne teraz i w przyszłości.

Do arkusza powinna być także dokładnie określona i dodana fizyczna lokalizacja podłączeń urządzeń We/Wy ze względu na urządzenia obiektowe. Ten podział modułowy pomoże w określeniu wymagań dla lokalnych i zdalnych urządzeń We/Wy oraz tego, jakie protokoły komunikacyjne czasu rzeczywistego mogą być wymagane. Niektóre instalacje oparte są na wejściach/wyjściach lokalnych, podczas gdy inne głównie na zdalnych lub kombinacji obydwu typów.

Jeżeli pomiędzy sterownikiem a podsystemami występują duże odległości, to zdalne wejścia/wyjścia są dobrą opcją w stosunku do prowadzenia długich przewodów do poszczególnych urządzeń obiektowych. Metoda i obsługiwane prędkości komunikacji muszą być adekwatne do aplikacji. Wejścia/wyjścia szeregowe oraz Ethernetowe są tu jednymi z możliwych opcji. W tego typu aplikacjach popularne są protokoły Ethernetu przemysłowego, takie jak EtherNet/IP wraz z różnymi wersjami protokołu Modbus i innych.

Wymagania komunikacyjne

Poza rozproszonymi wejściami/wyjściami może być także wymagana komunikacja pomiędzy wieloma sterownikami PLC, urządzeniami peryferyjnymi oraz systemami na poziomie przedsiębiorstwa. Zakres tych potrzeb komunikacyjnych musi być wyznaczony na wczesnym etapie procesu doboru sterownika. Należy oczekiwać, że bez względu na to, jakie potrzeby są obecnie, to będą one rosły i staną się raczej bardziej złożone w przyszłości. Niektóre sterowniki mogą posiadać tylko jeden lub dwa porty komunikacyjne, z których jeden może być wykorzystywany tylko do programowania. Sterowniki te mogą ponadto nie obsługiwać najbardziej popularnych protokołów lub specyficznego protokołu wymaganego dla kluczowej aplikacji w zakładzie.

Dodatkowego zdefiniowania wymaga komunikacja z innymi systemami, interfejsami operatorskimi (HMI) oraz urządzeniami obiektowymi za pomocą Ethernetu przemysłowego lub komunikacji szeregowej. Wraz z gwałtownym wzrostem zastosowań Internetu Rzeczy, większa ilość portów COM i opcji komunikacyjnych jest zawsze lepszym wyborem. Należy się upewnić, że istnieje jeden lub dwa dodatkowe porty Ethernetowe, port szeregowy, port USB lub dostępne są inne opcje konfigurowalne (patrz fot.3).

Należy określić, które z protokołów Ehternetowych, takich jak EtherNet/IP, Modbus TCP oraz innych, wraz z protokołami szeregowymi i ASCII, są wymagane. To pomoże dobrać sterownik, który potrafi obsługiwać obecne wymagania i te które pojawią się w przyszłości.

Fot. 3. Jednostki centralne z serii Productivity firmy AutomationDirect oferują możliwość komunikacji za pomocą Ethernetu przemysłowego oraz połączeń szeregowych i USB. Źródło: firma AutomationDirect

Wymagania sprzętowe

Niektóre z wymagań sprzętowych, które należy przeanalizować, to wielkość pamięci, szybkość skanowania oraz zasilanie awaryjne z akumulatora. Sterownik będzie wymagał odpowiedniej ilości pamięci systemowej do obsługi funkcji zarówno dotyczących danych jak i programu. Określenie ilości urządzeń, które muszą być obsługiwane przez system, pomaga w oszacowaniu niezbędnej wielkości pamięci danych. Pamięć ta jest używana zarówno do przechowywania zmiennych jak i dynamicznym manipulowaniu danymi. Wstępnie wprowadzane nastawy, czas łączny/zliczenia oraz inne flagi wewnętrzne w układach czasowych i licznikach, to przykładowe elementy i funkcji korzystające z pamięci danych.

Potrzeba przechowywania danych historycznych w sterowniku może wymagać znacznie większych tabeli danych. Powinny być określone dokładne szczegóły wymagań rejestrowania danych, metod uzyskiwania dostępu do danych, interfejsów operatorskich (HMI), informatycznych systemów sterowania procesami technologicznymi/produkcji (SCADA) oraz baz danych programów do archiwizacji. W perspektywie połączenia z Przemysłowym Internetem Rzeczy (IIoT, ang. Industrial Internet of Things) znaczenia nabierają wymagania dotyczące pracy w sieci, obsługiwanych protokołów i zasobów pamięci.

Wielkość programu sterownika oraz typy wykorzystywanych instrukcji także wpływają na wymagania dotyczące pamięci programowej. Większe programy z wieloma sekwencjami, skomplikowanymi funkcjami sterowania oraz wykrywaniem i diagnostyką awarii, mogą zwiększać wymagania dotyczące pamięci.

Możliwe jest oszacowanie wymaganej wielkości pamięci sterownika na podstawie liczby szczebli programu napisanego w języku drabinkowym oraz plików danych, jednak w niektórych sterownikach stosowane jest programowanie oparte na tagach, podczas gdy inne posiadają ustalone, ale rozszerzalne tablice danych różnych typów. Niektóre sterowniki przechowują w swojej pamięci programowej także dokumentację.

Różne instrukcje programowe posiadają różne wymagania dotyczące pamięci, zwykle podane w podręczniku programowania. Ilość pamięci używanej przez programy i tabele danych zmienia się w szerokich granicach dla różnych sterowników. Użyteczna praktyczna reguła sugeruje od 5 do 100 słów pamięci dla każdego dyskretnego urządzenia We/Wy oraz od 25 do 500 słów pamięci dla urządzeń analogowych We/Wy, jednak przy bardzo złożonych aplikacjach jest to trudne do oszacowania. Lepszym sposobem jest w takich sytuacjach napisanie jakiegoś wstępnego kodu dla części aplikacji i sprawdzenie rzeczywistego zużycia pamięci.

Szybkie cykle czasowe w maszynie wymagają bardzo mocnego wsparcia  ze strony sterownika. Często wymagany jest krótki czas skanowania sterownika. Szybkość procesora (CPU) sterownika oraz szybkość wykonywania instrukcji, są dwoma czynnikami branymi pod uwagę, ponieważ sterownik może obsługiwać szybszą logikę Boole’a, ale być powolniejszy przy wykonywaniu instrukcji obsługi danych.

Wymagania programowe

Podczas gdy platforma programowa i metody programowania sterownika są często sprawą osobistego, subiektywnego wyboru, to wymagania funkcjonalne już nie. Obsługa pętli regulacji proporcjonalno-różniczkująco-całkującej (PID), matematyki zmiennoprzecinkowej, sterowania sekwencyjnego typu bębnowego, przerwań programowych i podprogramów, musi być wnikliwie przeanalizowana w procesie doboru sterownika.

Niektóre sterowniki nie obsługują wszystkich instrukcji programowych potrzebnych dla specyficznej aplikacji. Przykładem jest tu funkcja regulacji PID. Znacznie łatwiej jest użyć wbudowanych instrukcji PID, jeśli są dostępne, zamiast pisania własnego kodu do obsługi sterowania procesem w pętli zamkniętej. Liczba wymaganych pętli PID jest często oszacowana zbyt nisko, tak więc należy sprawdzić zarówno aplikację, jak i jej obsługę przez sterownik. Należy starannie przeanalizować wszystkie wymagane funkcje programowania.

Układy sterowania sekwencyjnego typu bębnowego i zegary czasu rzeczywistego to kolejne z potrzeb wymaganych w niektórych przypadkach programowania sterownika, które także mogą być niezbędne dla uzyskania skutecznego systemu i aplikacji sterowania. Podczas doboru sterownika może być branych pod uwagę wiele innych czynników, jednak wykonanie starannej analizy według porad zamieszczonych w niniejszym artykule, powinno być dobrym punktem wyjścia dla doboru właściwego sterownika dla określonych i różnorodnych aplikacji.


Jeff Payne jest menadżerem produktu w firmie AutomationDirect. Zajmuje się produktami z branży automatyki i sterowania. Rozpoczął pracę w AutomationDirect 19 lat temu od stanowiska konsultanta telefonicznego w dziale wsparcia technicznego. Wcześniej zajmował się zarządzaniem, projektowaniem, programowaniem, instalowaniem, konserwacją i naprawami wielu różnych urządzeń o wysokim stopniu zautomatyzowania. Jeff Payne pracuje w branży automatyki przemysłowej i pokrewnych bez mała od 30 lat.