Automate programabile - PLC

1. Introducere

Sistemele automate de control a proceselor sunt un conglomerat de dispozitive electronice care conferă stabilitate, acurateţe şi performanţă. Sistemele de operare pot avea diverse forme de implementare pornind de la surse de alimentare şi până la maşini. Fiind un rezultat rapid a progresului tehnologic, cele mai complexe operaţii au fost rezolvate prin conectarea în sistem a unor automate programabile şi unităţi centrale de proces. Aceste automate programabile (PLC - Programabille Logic Controller), aşa cum le vom denumi în continuoare, pe lângă conexiunile cu instrumentele de măsură şi senzorii din procesul de automatizare, va trebui să permită comanda intregului proces şi ceea ce este şi important, să comunice operatorului stările procesului prin semnale vizuale şi sunet şi/sau printr-o reţea de comunicaţie la un computer local. Aceste caracteristici permit exploatarea automatizări la un înalt grad de flexibilitate, prin schimbarea şi monitorizarea mult mai comodă a parametrilor de bază a procesului.

Fiecare componentă din sistemul de control a procesului joacă un anumit rol, în concordanţă cu importanţa sa. Spre exemplu, fără niciun senzor, PLC-urile nu ar putea ştii modul de variaţie în timp a parametrilor principali ai procesului (consideraţi parametri de intrare). În sistemele automate, PLC-urile sunt partea centrală a sistemului de control sau a automatizării.



Prin executarea programului înregistrat în memorie, PLC-ul monitorizează în mod continuu stările sistemului prin recepţia semnalelor de la dispozitivele de intrare (senzori). Pe baza logici implementată în program PLC-ul determină ce acţiune trebuie executată pentru a c-da un instrument. Pentru a comanda mai multe procese simultan este posibil să conectăm mai multe PLC-uri la o unitate centrală (un calculator). Un astfel de sistem este prezentat în fig.1.

2. Panouri de automatizare clasice

La începutul revoluţiei industriale, în special în perioada anilor '60, '70, releele electromagnetice erau folosite la automatizarea proceselor sau a panourilor de automatizare, lucru ce necesita o densitate de cabluri foarte mare pentru interconectarea releelor. În anumite cazuri panoul de automatizare acoperea un perete întreg. Descoperirea unei erorii în sistemul de automatizare necesita foarte mult timp, cu atât mai mult cu cât creşte şi complexitatea instalaţiei de automatizare.

În topul cauzelor defectării sistemului de automatizăre este releul electromagnetic, cu o durată de viaţă limitată datorată construcţiei şi modului de operare. Deci, deranjamentele survenite în instalaţiei erau cu preponderenţă cauzate de fiabilitatea scăzută a releelor din panoul de automatizare, fapt ce se concluziona prin înlocuirea frecventă a acestora. Înlocuirea frecventă a releelor conduce şi la oprirea producţiei. Întreţinerea era costisitoare, suprasolicitând şi cei mai dibaci electricieni în depistarea şi înlăturarea defectului.



De regulă, un panou de automatizare era folosit pentru conducerea unui singur proces şi nu putea fi adaptat pentru cerinţele noi tehnologii de lucru. Într-un cuvânt, panourile de automatizare convenţionale se dovedesc inflexibile, deoarece îmbunătăţirea parametrilor de lucru a sistemului de automatizare se realiza prin schimbarea topologiei de funcţionare a panoului şi chiar a unor piese componente (lucru de altfel costisitor). Un exemplu tipic de panou de automatizare convenţional este prezentat în fig.2.

În fig.2 o să observaţi un număr destul de larg de cabluri şi conductoare electrice, relee (de timp, intermediare�) şi alte elemente dintr-un panou de automatizare din perioada respectivă. Panoul de automatizare din fig.2 nu este foarte complex aşa cum sunt sau au fost unele panouri convenţionale în perioada respectivă, dar cred că vă puteţi imagina unul mult mai complex!

Cele mai importante dezavantaje ale panourilor de automatizare convenţionale sunt:

• manopera costisitoare pentru interconectarea conductoarelor;
• dificultăţi în schimbarea sau înlocuirea componentelor;
• dificultăţi în găsirea erorilor � necesită forţă de muncă cu experienţă vastă şi calificată;
• atunci când survine o problemă, timpul pentru remediere nu se poate stabili cu exactitate, acesta fiind în majoritatea cazurilor lung.

3. Panouri de automatizare cu automate programabile



Odată cu invenţia automatului programabil, s-au schimbat foarte multe în proiectarea sistemelor de control automate. Au apărut mai multe avantaje. Spre exemplu, în fig.3 este prezentat un panou modern de automatizare cu automat programabil (PLC).

Avantajele panourilor de automatizare cu automate programabile se pot prezenta în căteva subpuncte:

• În comparaţie cu un panou de automatizare clasic, numărul necesar de conductoare este redus cu 80%;
• Consumul este foarte mult redus deoarece PLC-ul consumă mult mai puţin decât releele din panoul de automatizare convenţional;
• Funcţia de detectare a erorilor din automatul programabil este foarte rapidă şi foarte uşor de utilizat;
• Schimbarea secvenţelor de operare din cadrul aplicaţiei este diferită de la proces la proces şi poate fi făcută foarte uşor înlocuind sau modificând programul scris în automatul programabil cu ajutorul unui PC (aceasta acţiune nu necesită schimbarea conductoarelor sau recablarea panoului de automatizare � aşa cum se întâmpla la panourile de automatizare clasice � ci se rezumă doar la interconectarea dispozitivelor necesare la intrarile şi/sau ieşirile PLC-ului);
• Panourile de automatizare cu PLC necesită câteva piese de schimb;
• Este mult mai ieftin în comparaţie cu un sistem de automatizare clasic, deoarece fiind dotat cu un număr larg de intrări-ieşiri, se poate conecta un număr mare de periferice atunci când se doreşte realizarea unor funcţii complexe;
• Repunerea în funcţie a unui PLC se face mult mai repede şi uşor decât orice releu electromecanic sau de timp.

Dintre dezavantajele lucrului cu automate programabile putem menţiona:

• aplicaţii 'fixe': unele aplicatii nu au nevoie de automat programabil datorita gradului foarte mic de complexitate neexistand astfel necesitatea achizitionarii unui automat programabil relativ sofisticat;
• probleme de mediu: in unele medii exista temperaturi ridicate sau alte conditii care pot duce la deteriorarea automatelor programabile astfel ca acestea sunt greu sau chiar imposibil de utilizat;
• funcţionare 'fixa': daca nu apar schimbari in cadrul procesului de multe ori folosirea automatului poate fi mai costisitoare.

4. Etapele proiectării sistemelor de control automate

a). Mai întâi, va trebui să adoptaţi un instrument sau un sistem pe care doriţi să-l automatizaţi. Sistemul automatizat poate să fie o maşină sau un proces mai mult sau mai puţin complex. La intrările sistemului va trebui sa conectaţi dispozitivele de intrare (senzori şi/sau traductoare) care vor trebui sa transmită semnalele corespunzătoare la un automat programabil (PLC). Ca răspuns la aceste semnale, PLC-ul expedieaza un semnal, ca rezultat, la un dispozitiv extern (numit şi de execuţie), care controlează funcţionarea sistemului sau procesului după diagrama de funcţionare dorită. Această diagramă poate conţine unul sau mai multe cicluri de funcţionare a procesului.

b). În al doilea rând, va trebui să specificaţi toate instrumentele de intrare şi ieşire care vor fi conectate la automatul programabil. Dispozitivele de intrare sunt comutatoare diverse, senzorii de temperatura, presiune şi alte tipuri de traductoare. Dispozitivele de ieşire pot fi: bobine, valve electromagnetice, motoare, relee, instrumente de lumină şi sunet etc. Urmând identificarea tuturor intrărilor şi ieşirilor, după aceea acestea pot fi foarte uşor implementate în programul PLC-ului. Alocarea intrărilor şi ieşirilor este o etapa importantă în realizarea propriu-zisă a programului. Pentru a uşura identificarea acestora, fiecărei intrării şi ieşiri i se alege o denumire în corelaţie cu funcţia preluată sau executată de automatul programabil.

c). Această etapă constă în elaborarea programului ce urmează să fie implementat în memoria automatului programabil. Cea mai simplă metodă constă în elaborarea programului în mediul ladder diagram. Dar ca să faceţi acest lucru va trebui pentru început să vă alegeţi un automat programabil şi un program de dezvoltare a aplicaţiilor ce permite lucrul în modul ladder diagram. De regulă, orice producător de automate programabile oferă propria soluţie software pentru programarea PLC-ului produs. Nu o să puteţi folosi un soft de la un producător ca să programaţi un PLC de la un alt producător. Mai intervine aici şi incompatibilitatea soluţiei de interconectare a echipamentelor (PC-PLC), diferită de la producător la producător de automate programabile. După realizarea programului acesta este scris în memoria PLC-ului. De regulă, în cazul proceselor industriale complexe, inainte să fie implementat în automatizare, după ce este programat, PLC-ul este testat pe un stand independent. Pe acest stand sunt depistate eventualele erori şi apoi eliminate. Această metodă este întâlnită cu precădere în cazul "automatizărilor prototip".

5. Generalităţi privind construcţia şi funcţionarea PLC-urilor

Industria a început să recunoască necesitatea îmbunătăţirii şi creşterea productivităţii în perioada anilor '60, '70. Flexibilitatea a devenit de asemenea o preocupare majoră (capacitatea de a schimba rapid starile procesului şi a remedia deranjamentul a devenit o cerinţă foarte importantă pentru sadisfacţia clientului).

Încercaţi să vă imaginaţi o linie de producţie automatizată din anii '60, '70. Această automatizare conţine un număr destul de mare de cabluri electrice pentru controlul automatizării şi în multe cazuri, acoperă o suprafaţă mare. Panoul clasic de automatizare conţine un număr semnificativ de relee electromagnetice care realizează munca întregului sistem. Totuşi, metoda clasică de cablare a panoului sau panourilor de automatizare implica existenţa un personal de întreţinere şi punere în funcţie foarte calificat, personal care ar trebui să cunoască schema de automatizare şi să interconecteze, cu ajutorul cablurilor, releele.

Un inginer trebuia să conceapă logic schema iar un electrician, având schema în faţă, trebuia să o implementeze cablând corespunzător releele. Unele scheme conţineau peste o sută de relee electromagnetice de diferite tipuri. Planul după care executa cablarea panoului de automatizare electricianul se numea schemă monofilară sau "ladder schematic". În schema monofilară era afişate toate componentele: comutatoare, senzori, valve, relee etc, pe care le găsim în sistemul de automatizare. Jobul electricianul era acela de interconectare a acestor componente.

Cea mai mare problema a acestei scheme de control o reprezenta releele electromagnetice. Instrumentele mecanice sunt cele mai predispuse uzurii datorită părţilor componente în mişcare. Dacă un releu se defecta, electricianul trebuia să verifice sau să examineze întregul sistem (întregul sistemul trebuia oprit până se depista şi îndepărta cauza deranjamentului). Deci, o altă problemă a acestui tip de automatizare era timpul relativ mare a întreruperii funcţionării sistemului în caz de deranjament. În plus, dacă se dorea schimbarea ciclurilor de funcţionare a sistemului (chiar şi o schimbare minoră), acest lucru se realiza cu costuri majore şi pierderi mari de timp până când sistemul era din nou funcţional.

Nu este chiar aşa greu de imaginat ce se poate întâmpla dacă un inginer a făcut câteva greşeli minore pe parcursul realizării proiectului. Este de asemenea imaginabil ce se va întâmpla dacă electricianul ar greşi în căteva puncte cablarea sistemului de automatizare. La final vă puteţi imagina căteva componente defecte. După aceea, ca să aflăm dacă sistemul funcţionează, va trebui să testăm funcţionarea acestuia. Cum iniţial în proiect au fost strecurate greşeli, înclusiv de execuţie, cu siguranţa sistemul de automatizare nu va funcţiona. Aşadar, această soluţie "clasică" de execuţie a sistemelor automate era foarte mult predispusă la conceperea unui lot de panouri de automatizare cu multe exemplare rebut. Introducerea automatelor programabile a eliminat din start acest dezavantaj.

5.1 Primul automat programabil

"General Motors" a fost prima companie care a recunoscut nevoia înlocuirii tehnicii de cablare clasică a panourilor de automatizare. Înlocuirea vechi tehnologii de cablare a panourilor de automatizare a sporit competiţia producătorilor de autoturisme prin creşterea productivităţii şi calităţi. Nu numai industria auto a avut de câştigat de pe urma noii tehnologii. Flexibilitatea, întreţinerea ieftină şi uşoară, dar şi posibilitatea schimbării rapide a ciclurilor de producţie a devenit o necesitate crucială în actuală evoluţie a economie de piaţă.

Ideea companiei "General Motors" a constat în implementarea logicii cablate într-un microcalculator, logică care a înlocuit tehnica clasică de cablare a releelor. În majoritatea aplicaţiilor, microcalculatorul are la bază soluţii cu microcontrolere pe 8 sau 16biţi, în funcţie de complexitatea sistemului de automatizare. Deci, calculatorul avea să ia locul blocurilor sau panourilor de automatizare cu numeroase relee. Orice schimbarea a ciclurilor de operare sau de producţie se poate face foarte uşor modificând� programul scris în automatul programabil. Deci, în prezent, schimbarea schemei de comanda este mult mai comoda.

Totul a fost bine până la punerea în aplicare a tehnologiei, când o nouă problemă a apărut şi anume aceea de a-i face pe electricieni să accepte şi să-şi însuşească funcţionarea sistemului de automatizare cu noile dispozitive. Sistemele sunt de regulă complexe şi necesită cunoaşterea anumitor tehnici de programare. A fost un mare semn de întrebare dacă electricieni ar putea să-şi însuşească tehnici de programare pe lângă atribuţiile iniţiale de serviciu. Divizia Hidromatic de la General Motors a recunoscut necesitatea implementării noii tehnologii şi astfel a pus bazele primului proiect cu automat programabil (au mai fost câteva companii în lume care au creeat dispozitive capabile să controleze procese industriale, dar aceste dispozitive electronice erau nişte simple controlere secvenţiale şi nu PLC-uri aşa cum le cunoaştem noi astăzi).

Noile dispozitive trebuia să aibă anumite caracteristici: să funcţioneze corect în medii industriale (vibraţii, temperaturii ridicate, praf�), să fie flexibile şi de dimensiuni reduse ca un computer şi să permită reprogramarea acestora daca se dorea realizarea altor operaţii. Ultimul criteriu şi cel mai important era acela ca noile dispozitive să poată fi programate şi întreţinute uşor de către electricieni şi tehnicieni. După ce cerinţele au fost trasate, General Motors a căutat companii interesate care pot să proiecteze aceste dispozitive în corelaţie cu aplicaţiile unde urma să fie implementate.

"Gould Modicon" a dezvoltat primul dispozitiv care respecta aceste specificaţii. Cheia succesului a fost aceea că pentru programare nu era necesar învăţarea unui limbaj de programare. Programare se efectua într-un limbaj asemenea schemelor clasice monofilare (ladder diagram), cu particularităţile proprii. Din acest motiv electricieni şi tehnicieni puteau foarte uşor să înveţe programare deoarece schema logică trasată în program era foarte asemănătoare cu schema clasică.

Iniţial, PLC-urile s-au numit PC Controllers sau controlere programabile. Această denumire se confunda de multe ori cu numele de calculator personal (PC). Pentru a elimina această confuzie, denumirea "PC" a fost atribuită doar calculatoarelor personale iar controlerele programabile s-au denumit "programmable logic controllers" sau simplu: PLC.

La început PLC-urile au fost dispozitive simple. La intrările acestora erau conectate comutatoare, senzorii digitali etc, iar la ieşiri se comanda pornirea şi oprirea funcţionării altor dispozitive. Când au apărut primele PLC-uri acestea nu erau capabile să controleze procese mai complexe, cum ar fi: controlul temperaturii, a poziţiei, presiunii etc. Cu toate acestea, odată cu trecerea anilor, au apărut şi PLC-uri care au fost capabile să realizeze aceste funcţii. În prezent, automatele programabile sunt capabile să controleze procese foarte complexe, inclusiv controlul poziţiei. Modul de realizare şi programare a acestora a fost mult îmbunătăţit. Au fost concepute module speciale care ataşate PLC-ului pot lărgi aria de operabilitate a acestuia. Un exemplu în acest sens este modulul de comunicaţie, care permite interconectarea mai multor automate programabile. În prezent este foarte greu să ne imaginăm un proces care să nu fie controlat de un automat programabil!

5.2 Componentele automatelor programabile 

PLC-ul este actualmente un sistem industrial cu microcontroler (iniţial a fost numit procesor în loc de microcontroler) care se compune dintr-o partea hardware şi software specifică şi adaptată să funcţioneze în medii industriale. Schema bloc este prezentată în fig.4. O atenţie deosebită trebuie acordată separării galvanice a microcontrolerului faţă de partea de forţă şi execuţie din mediul industrial.

Componentele pot diferi ca numar de la un exemplar la altul dar elementele care se regasesc in general sunt urmatoarele:

• unitatea centrala: reprezinta partea cea mai importanta a automatului programabil si este compusa din 3 parti importante: procesor, memorie si sursa de alimentare. Prin intermediul acesteia se realizeaza practic conducerea intregului proces;
• unitatea de programare: la ora actuala este reprezentata in multe cazuri de catre un calculator prin intermediul caruia pot fi scrise programe care apoi sunt incarcate pe unitatea centrala si rulate. In cazul in care se doreste o unitate mai usor de manevrat sunt puse la dispozitia programatorilor(de catre majoritatea firmelor) console(sisteme de gen laptop) prin intermediul carora pot fi scrise programe pentru automate;
• modulele de intrare/iesire: permit interconectarea cu procesul primind sau transmitand semnale catre acesta. Acestea pot cuplate direct cu unitatea centrala sau prin control la distanta (daca este cazul pentru un anumit proces);
• sina: dispozitivul pe care sunt montate unitatea centrala, modulele de intrare/iesire si alte module functionale aditionale (daca este cazul).

5.3 Unitatea centrala de procesare � CPU

Unitatea centrală de procesare (CPU) este creierul automatului programabil. CPU este în mod uzual un microcontroler. Odinioară, aceste microcontrolere erau pe 8 biţi, cum ar fi 8051, iar actualmente sunt microcontrolere pe 16 sau 32 de biţi. În automate programabile de marcă, cum ar fi Siemens, Hitachi şi Fujitsu, o să regăsiţi diferite tipuri de microcontrolere produse de diferite firme, cum ar fi Motorola. Modulul de comunicaţie este ataşată la unul din porturile microcontrolerului. Automatele programabile au diferite rutine pentru verificare memoriei, asta din motive de siguranţă. La modul general vorbind, unitatea generală de procesare efectuează o serie întreagă de rutine de verificare a stării tehnice a PLC-ului. Pentru semnalizarea diferitelor erori sau stări de funcţionare PLC-urile sunt dotate cu indicatori optici (diode luminiscente sau leduri).




5.4 Memoria

Memoria sistemului - actualmente de tip FLASH - este utilizată de automatul programabil pentru stocarea programului folosit la controlul automatizării. Înainte să fie scris în memorie, programul trebuie compilat, cu ajutorul altui program cu ajutorul căruia a fost scrisă logica automatizării în leader diagram. Reprogramarea sau rescrierea memoriei se realizează, de regulă, cu ajutorul unui cablu serial.
Memoria utilizată este împărţită în diferite blocuri cu diferite funcţii. Anumite părţi ale memoriei sunt folosite pentru a înregistra stările porturilor (intrare sau ieşire). Fiecare stare a memoriei este stocată printr-un bit: 1 sau 0. Fiecare intrare sau ieşire îi corespunde un bit din memorie. Alte părţi ale memoriei stochează variabilele pe care le foloseşte programul. Spre exemplu, perioada de temporizare ori valoarea numărată pot fi stocate în această parte a memoriei.

5.5 Programarea automatelor programabile 

PLC-ul poate fi reprogramat cu ajutorul unui computer (cea mai comodă cale), dar poate fi programat şi manual cu ajutorul unei console. Acest lucru înseamnă că fiecare automat programabil poate fi programat cu ajutorul unui computer care are instalat un program special pentru operaţia asta. Astăzi calculatoarelor pot utiliza linii de transmisie pentru interconectarea PLC-urilor şi programarea lor. Este un avantaj enorm pentru industrie. Odată ce PLC-ul este conectat la PC, pentru început se poate citi programul deja scris în acesta (asta daca am mai fost programat anterior). Comunicaţia cu PLC-ul este foarte importanta deoarece, pe lângă celelalte avantaje care le aduce, permite monitorizarea procesului de automatizare de la distanţă, inclusiv verificarea stării PLC-ului.

Aproape fiecare program pentru programarea automatelor programabile include diferite opţiuni utile ca: trecerea din ON in OFF a intrarilor si iesirilor, simularea programului în timp real ş.a.m.d. Aceste opţiuni sunt necesare pentru determinarea erorilor sau a funcţionării defectuoase a programului. Programatorul poate adaoga comentarii, nume intrărilor şi ieşirilor, foarte utile în întreţinerea sistemului. Spre exemplu, adaogarea comentariilor ajuta electricienii şi tehnicieni să înţeleagă mult mai bine schema de comandă schiţată în mediu de programare ladder diagram. Aceste comentarii ajuta foarte mult la întreţinerea şi depanarea automatizării.

5.6 Sursa de alimentare

Sursa de alimentare are rolul de a alimenta cu energie electrică automatul programabil. Majoritatea PLC-urilor lucrează cu tensiunii de 24Vdc sau 230Vac. Unele automate programabile se alimentează printr-un modul separat. PLC-urile cu sursă de alimentare separată sunt automate programabile mari. Pentru a determinarea puterea electrică a sursei de alimentare va trebui să cunoaştem consumul PLC-urilor, determinat în mare parte, de către necesarul de curent al ieşirilor. Sursa de alimentare trebuie să îndeplinească anumite cerinţe de compatabilitate electromagnetică, ca de exemplu: să fie imună la perturbaţii electromagnetice, medii corozive, întâlnite cu preponderenţă în mediul industrial.

5.7 Întrările automatului programabil

Inteligenţa unui sistem de automatizare depinde în mare măsură de capabilitatea automatului programabil să citească semnalul provenit de la diferiţi senzori şi dispozitive de intrare. Taste, kepad-uri, comutatoare cu şi fără automenţinere, sunt căteva din elementele care au facut legătura dintre om şi maşina. Pe de altă parte, pentru a verifica piesele care sunt în mişcare, pentru a verifica presiunea sau nivelul de fluid, veţi avea nevoie de traductoare care să transmită la ieşirea lor un semnal unificat (0�5V sau 4�20mA), recunoscut de automatul programabil. Sunt diferite metode să obţineţi un senzor. Spre exemplu, aţi putea folosi un optocuplor sau un transformator.

5.8 Ieşirile automatului programabil

Un sistem de automatizare este incomplet dacă la ieşirile sale nu este conectat niciun dispozitiv. Cele mai întâlnite dispozitive sunt: motoare, bobine, relee, indicatoare, sunete de semnalizare ş.a.m.d. Pentru a porni un motor sau alimenta un releu, PLC-ul transmite "1" logic la ieşirea aferentă - în funcţie de caracteristicile programului. În acest caz spunem că ieşirea automatului programabil este digitală. Totuşi, ieşirile pot fi şi analogice. O ieşire analogică este utilizată pentru a genera un semnal analogic (ex. un motor funcţionează cu o anumită viteză care corespunde unei anumite tensiuni).

5.9 Extensia numărului de intrări / ieşiri

Orice automat programabil are un număr limitat de intrări / ieşiri. Numărul de intrări sau ieşiri poate fi mărit prin conectarea unui modul extern. Acest modul este o extensie de intrari si iesiri, extensie care diferă de la PLC la PLC (ex. Dacă ieşirea este un releu, atunci tranzistorul care acţionează releul poate fi un mode extensie).

6. Arhitectura automatelor programabile

6.1 Generalităţi 
Reamintesc că acest articol tratează per ansamblu construcţia şi funcţionarea PLC-urilor. În acest punct, datorită multitudinii de automate programabile existente pe piaţă, este imposibil să descriem arhitectura fiecărui PLC în parte. Nu este nici spaţiu dar nici scopul acestui articol. În plus, schema bloc este aproximativ aceeaşi, fiecare firmă producătoare de PLC-uri făcând variaţiuni pe lângă aceasta. De aceea, în cadrul acestui punct al articolului, voi lua ca reper doar un singur model de PLC. Celelalte tipuri de PLC-uri, comercializate de celalalte firme, sunt mai mult sau mai puţin identice cu acesta, principiul de funcţionare rămânând acelaşi.

6.2 De ce OMRON?
De ce, nu? Este o companie mare care produce la un înalt standard de calitate, automate programabile, asemenea altor firme de renume din domeniu, cum ar fi Siemens, Mitsubishi sau Hitachi. Astăzi putem să spunem cu siguranţă că automatele programabile produse de aceste companii sunt nişte dispozitive excelelente pentru realizarea unor automatizări de înaltă fineţe şi calitate. Totuşi, pentru o aplicaţie specifică trebuie să adoptăm şi să cunoaştem caracteristicile PLC-ului.

Automatul programabil se adoptă de abia după ce s-a trasat schema de c-dă "clasică" şi se cunoaşte cu exactitate numărul de intrări/ieşiri şi senzori sau traductoare necesare. Pentru a creea nişte exemple mult mai uşor de înţeles şi aplicat practic, am ales, spre descriere, automatul programabil produs de compania OMRON, micro class CPM1A. Adjectivul "micro" semnifică existenţa unui număr minim de opţiuni ataşate automatului programabil. Dar chiar şi aşa, modelul pe mărginea căruia vom discuta în cele ce urmează, este suficient pentru înţelegerea modului de funcţionare şi implementare practică a automatelor programabile.

6.3 OMRON CPM1A PLC controller



Fiecare PLC este în esenţă un sistem cu microcontroler - unitatea centrala de procesare a automatului programabil se bazează pe un microcontroler, sau mai recent, pe un procesor PC de generaţie mai veche � care are conectate diferite periferice: intrări ieşiri digitale sau relee ca în cazul nostru. Oricum, acesta nu este un sistem cu microcontroler obişnuit. O întreagă echipă a lucrat pentru perfecţionarea microcontrolerului şi dezvoltarea programului folosit la programarea lui. Iniţial s-a utilizat programarea în ansambler, care se mai utilizează şi în prezent la programarea microcontrolerelor. Firmele producătoare de PLC-uri a trebuit să dezvolte acest mod de programare pentru a fi mult mai uşor înţeles de electricieni şi tehnicieni, şi bineînţeles, pentru a se aprofunda într-un timp cât mai scurt. Astfel s-a născut programarea "în ladder" despre care vom vorbi în punctul 6 al acestui articol.

O imagine de ansamblu cu PLC-ul OMRON CPM1A se poate vedea în figura 5. Pe panoul din faţă sunt 4 indicatoare cu LED şi conectorul RS232 pentru interfaţa cu PC-ul. În afară de acestea, se mai pot vedea terminalele de intrare şi ieşire. Cu ajutorul acestor terminale (cu şuruburi) se poate conecta PLC-ul în schema de automatizare. Din clemele L1 şi L2 se alimentează PLC-ul, în acest caz cu 230VAC. Automatele programabile lucrează de obicei la 24Vdc, deci pentru controlul lor prin intermediul senzorilor va trebui sa avem acces la masa sursei de tensiune continuă care le alimentează intern. În acest sens, orice PLC trebuie prevăzut cu o clemă de acces la masă sau GND. În cazul nostru această clemă este notată "COM". Microcontrolerul PLC-ului este alimentat printr-o referinţă internă de tensiune sau regulator dc de tensiune la 5Vdc. Ieşirile automatului programabil sunt la 24Vdc, de unde se poate intui uşor la ce putem folosi aceste ieşiri (spre exemplu: pentru comanda unor relee intermediare aflate între PLC şi partea de execuţie a procesului). PLC-ul OMRON mai cuprinde două găuri pentru prinderea acestuia în tabloul de automatizare sau se poate monta, mult mai uşor, pe un rack industrial sau binecunoscuta şină omega.



Automatul programabil prezentat are doar 8 cm înălţime şi se divide vertical în două părţi: o parte cu un convertor 230/24Vdc şi alta cu CPU-ul, memoria, intrările digitale şi releele de ieşire aferente. Dacă o să îndepărtaţi porţiunea de plastic din partea stângă o să descoperiţi conectorul RS232, adica interfaţa serială cu PC-ul. Această interfaţă este utilizată pentru programarea automatului programabil cu ajutorul calculatorului. Atunci când instalaţi PLC-ul nu este neaparat necesar să instalaţi interfaţa dar este recomandat să faceţi lucru asta pentru a schimba anumite setări ale programului pe parcursul efectuării încercărilor şi operaţiilor de punere în funcţie a automatizării.

Pentru o informare mai bună a programatorilor asupra stării automatului programabil, pe panoul frontal al acestuia sunt dispuse 4 indicatoare cu led-uri (Power, Run, Comm şi Error / Alm). Pe lângă aceste leduri, mai există şi indicatoarele de stare pentru fiecare intrare şi ieşire a automatului programabil. Aceste leduri le găsiţi în imediata vecinătate a şuruburilor de fixare (ex. D0�.D5). Spre exemplu, dacă o ieşire este activă, atunci ledul aferent luminează şi viceversa.

6.4 Ieşirile automatului programabil OMRON CPM1A
Cu excepţia tranzistorului de ieşire în conexiune NPN sau PNP, automatul programabil poate avea la ieşire şi relee. Prin existenţa la ieşirile automatului programabil a releelor se pot conecta mult mai uşor dispozitivele externe. Modelul CPM1A conţine exact la ieşire aceste relee. CPM1A are în total 4 relee ale căror contacte se regăsesc la terminalele de ieşire ale automatului programabil. În realitate, schema internă a unei ieşiri a PLC-ului arată ca în figura 6.



Odată cu activarea optocuplorului, prin trecerea în zero logic a ieşiri microcontrolerului, bobina releeului este alimentată iar contactele A şi B se închid. În cazul nostrul contactele A şi B pot să închidă sau să întrerupă un circuit extern. Deci starea acestor contacte este determinată de starea porturilor de ieşire a microcontrolerului. În figura 7 este exemplificat cazul în care portul de ieşire îî corespunde un anumit şir de cifre binare, şir notat cu IR010. Aşa cum se întâmpla şi la programarea individuală a microcontrolerelor şi în cazul PLC-urilor va trebui să setăm starea porturilor de ieşire la începutul scrieri programului. Folosind programarea în ladder a PLC-ului putem foarte uşor să definim stările de intrare şi ieşire. Daca nu definiţi starea ieşirilor, se poate întâmpla ca atunci când puneţi în funcţie automatul programabil, acestă să pornească, spre exemplu, un motor, când de fapt ar fi trebui să aştepte să primească o comandă pe o intrare ca să facă acest lucru.




6.5 Intrările automatului programabil OMRON CPM1A

Diferiţi senzori, chei, comutatoare şi alte elemente asemenea se pot conecta la intrările PLC-ului. Pentru a putea să conectăm senzorii menţionaţi la intrările PLC-ului va trebui să folosim o sursa de alimentare care să activeze circuitele de intrare. Este necesar să facem acest lucru deoarece porturile de intrare a microcontrolerului care echipează PLC-ul sunt izolate galvanic, cu ajutorul unor optocuploare, de partea propriu zisă de c-dă a automatului programabil. Cum pentru activarea unui optocuplor avem nevoie de o sursa de tensiune externă, pentru funcţionarea corectă a senzorilor de intrare, va trebui să intercalăm aceşti senzori pe traseul de alimentare a intrării optocuploarelor. Cea mai simplă metodă este aceea să utilizăm sursa de tensiune de 24Vdc a PLC-ului. O astfel de metodă este aratată în figura 9.



Dacă adoptaţi metoda din figura 9 trebuie să ţineţi cont de curentul maxim pe care îl poate da sursa internă a automatului programabil. PLC-ul CPM1A permite un maxim 0,2A. Atunci când conectaţi senzori pe intrare va trebui să ţineţi cont de consumul total al acestora. Acest consum trebuie să fie mai mic sau egal cu valoarea maximă a sursei interne a automatului programabil. Daca un senzor are un curent mai mare atunci se pot utiliza o altă sursă externă pentru alimentarea lui sau cu alte cuvinte, va trebui făcută o adaptare.



6.6 Cum funcţionează PLC-ul ?
Funcţia de bază a unui automat programabil este aceea de scanare continuă a stărilor programului. Prin scanare se înţelege verificarea continuă a condiţiilor programului într-o perioadă de timp. Acest proces de scanare a stărilor se compune din trei paşi:



Testarea intrărilor. Pentru început PLC-ul testează fiecare intrare cu intenţia de a depista care este în starea "ON" şi care este în starea "OFF". Cu alte cuvinte, PLC-ul verifică dacă este conectat vreun senzor sau comutator la intrări. După aceea, acest pas este memorat şi va fi folosit în următorul pas.

<li style="text-align: justify;">Executarea programului. Aici PLC-ul execută programul, instrucţiune cu instrucţiune. Cunoscând starea intrărilor obţinută din pasul precedent, atunci programul va executa paşii necesarii. Reacţia executării unui pas se poate observă prin activarea unei ieşiri, care poate fi memorată şi utilizată în pasul următor. <li style="text-align: justify;">Verifică şi corectează starea ieşirilor. În pasul final, PLC-ul verifică starea ieşirilor şi corectează, dacă este cazul, aceste erori, utilizându-se de logica programului. 7. Ladder diagram

În decursul timpului, încă de la apariţia PLC-urilor, s-au prezentat mai multe soluţii de programare a automatelor programabile - cea mai populară soluţie fiind programarea în "ladder diagram". Ca atare, în prezent, majoritatea automatelor programabile sunt programate în "ladder diagram" (schema de relee), ceea ce nu este altceva decât desenarea unei scheme clasice de comandă cu relee dar cu o simbolistică aparte. Acest mod de programare era mult mai uşor de înţeles atât de electricieni cât şi de tehnicieni, Pentru că simbolurile aparatelor şi contactelor acestora erau foarte similare cu cele din schemele clasice de automatizare.


Ladder diagram constă dintr-o linie verticală, pe care o regăsiţi în partea stângă a programului, şi una sau mai multe linii orizontale, pe care se înseriază, spre exemplu: contactele de intrare, ieşire şi anumite elemente logice de program (fig.11). Linia din partea stângă se numeşte "bus bar" iar linia orizontală este linia de instrucţiuni. Pe linia de instrucţiuni se dispun elementele logice ale programului (contacte normal-inchise, normal-deschise, porti logice, contactoare etc). Combinănd mai multe conditii sau elemente logice pe linie, se poate determina care instructiune urmează să se execute şi în final care element de ieşire îl poate comanda.

Cele mai multe instrucţiuni se pot realiza cu ajutorul unui singur operand iar altele cu mai mulţi operanzi. Acest operand poate să fie o cifră binară dintr-o anumită locaţie a memoriei sau un numar. Într-un exemplu precedent am prezentat operandul 0 din locatia de memorie IR000. În acest caz, când veţi dori să apelaţi acest operand, atunci folosiţi semnul �#" sub cifra scrisă (precizarea asta e foarte importantă pentru un compilator, ca să poată facă diferenţa dintre o constantă şi o adresă de memorie).

Deci, aşa cum se poate observa din fig.11, ladder diagram constă dintre o parte condiţională (partea stângă) şi una instrucţională (partea dreaptă). Când condiţia este realizată, instrucţiunea este executată.



În fig.12 este prezentat un exemplu de program in ladder diagram unde releul IR010.00 este acţionat când intrarea microcontrolerului este în "00". Condiţia poate fi activa (ON) sau inactivă (OFF). Condiţia poate simula practic un comutator. Când comutatorul este închis, releul este acţionat şi viceversa. Daca utilizăm un comutator fără automenţinere, când vom apasa prima oară comutatorul, releul va fi acţionat, iar când vom apasa a doua oară comutatorul, releul va reveni în poziţia iniţială.

Acesta este doar un exemplu simplu. Se poate foarte bine implementa un sistem de alarmă intr-o locuinta. Spre exemplu, condiţia poate fi reprezentată de uşile de la intrarea în casa. Puteţi privi aceste uşi ca fiind nişte comutatoare conectate la intrarile PLC-ului. Daca alarma este armată şi o uşă este deschisă neautorizat, comutatorul aferent condiţionează intrarea aferentă a PLC-ului in "ON" iar ieşirea aferentă va capăta aceea stare. Se poate astfel acţiona un circuit sonor de alarmare.

8. Un exemplu practic cu PLC-ul OMRON CPM1A 

În exemplu de mai jos este trasat un program simplu. Exemplu constă într-un dispozitiv de intrare (comutator) şi unul de ieşire (bec). Intrarea 000.00 reprezintă condiţia de executare a instrucţiunii 010.00. Daca anulăm intrarea sau altfel spus "închidem comutatorul", ieşirea aferentă va comuta şi va aprinde becul. Pentru o funcţionare corespunzătoare a programului va trebui să închidem instrucţiunea aferentă printr-o altă linie de program "END".



În imaginea următoare este prezentat schema de interconexiuni a aplicaţiei realizate pe baza programului de mai sus.




Bibliografie:

• [1] - Nelson, V.P., Nagle, H.T., Digital Logic Circuit Analysis and Design, Prentice Hall, NJ, 1995.
• [2] - Petruzella, F., Programmable Logic Controllers, Second ed., McGraw Hill, New York, 1996.
• [3] - Mange, D., Microprogrammed Systems. An Introduction to Firmware Theory, Chapman & Hall, London, 1992.
• [4] - Moise, A. Automate Programabile. Proiectare. Aplicaţii, Ed. MatrixRom, Bucureşti, 2004.
• [5] - Hugh Jack, Automating Manufacturing Systems with PLCs, (Version 5.0, May 4, 2007)