Nejmenší řídicí systémy – programovatelné moduly

Nejmenší řídicí systémy – programovatelné moduly

Článek je věnován relativně novému typu jedněch z nejmenších číslicových řídicích zařízení na trhu – programovatelným modulům. Jsou v něm uvedeny základní vlastnosti jejich hardwaru a softwaru i vhodné oblasti aplikací.

1. Úvod

V posledních pěti letech se na trhu objevila početná škála „malých chytrých modulů“ s nejrůznějšími názvy a s nejrůznějšími možnostmi. O co vlastně jde, do jaké kategorie zařízení tyto přístroje patří, pro jaké úlohy jsou určeny?

Odpověď není jednoduchá. Vzniku nové kvalitativní jednotky vždy předchází vznik velkého množství různých, i když tak trochu si podobných prvků. Po určité době z této množiny „vykrystalizují“ typičtí a nejlepší představitelé nové kvalitativní skupiny. Zdá se, že právě této etapy vývoje jsme svědky v oblasti nejmenších řídicích systémů.

V současnosti jsou k dispozici malé přístroje označované nejrůznějšími názvy, jako např. programovatelné moduly, mikrokontroléry, programovatelná relé, řídicí relé, inteligentní relé, nanoPLC, mikroPLC, nejmenší PLC (Programmable Logic Controller – programovatelný automat), komunikační moduly s programovatelnými funkcemi, koncentrátory dat apod.

Z pohledu na trh je patrné, že z této bohaté nabídky nejmenších řídicích systémů již vykrystalizovala nová kvalita – nová třída přístrojů vyplňujících mezeru mezi klasickou diskrétní spínací technikou a mikroPLC. Přijměme pro ně zatím obecný pracovní název programovatelné moduly. Jde o přístroje malé svými rozměry, nikoliv však svými možnostmi, což není jen reklamní heslo firmy Siemens, která přišla s touto kategorií přístrojů na trh jako první. V základním kompaktním provedení většinou mají do dvaceti digitálních vstupů nebo výstupů, jsou programovatelné a někdy mají určité komunikační schopnosti (AS-Interface, Profibus-DP). Některé jsou v současné době k dispozici i v modulárním provedení, které jejich možnosti značně rozšiřuje a zvyšuje i celkový počet vstupů a výstupů, takže podle tohoto kritéria je již možné je řadit mezi mikroPLC. Programování těchto přístrojů je většinou téměř intuitivní. Zpravidla se programují v některém z grafických jazyků způsobem co nejvíce přizpůsobeným nejširšímu okruhu uživatelů, kteří pro programování nepotřebují speciální vzdělání. Většinou jde o univerzální přístroje vhodné pro jednoduché kombinační a sekvenční řízení strojů a procesů na nejnižší úrovni hierarchie rozsáhlých řídicích systémů nebo jako řídicí systémy jednoduchých jednoúčelových strojů, v technice budov anebo v energetice. Také obsluha těchto přístrojů za provozu je velmi jednoduchá a nevyžaduje žádné dlouhodobé proškolování provozních techniků.

K typickým představitelům programovatelných modulů patří logické moduly LOGO! firmy Siemens, řídicí relé EASY firmy Moeller (obr. 1) anebo programovatelné logické moduly řady Alpha firmy Mitsubishi Electric (obr. 2).

K programovatelným modulům je možné podle některých hledisek dále zařadit např. přístroje TSX Nano (Schneider Electric), Tecomat TC400 (Teco), EH-Micro (Hitashi), Millenium I a II (Crouzet), Promos Logic (Elsaco), SAIA DDC-Compact PCS1 (SAIA--Burgess Controls) a FEC20 (Festo-Beck). Samostatnou skupinu na okraji kategorie programovatelných modulů přístrojů tvoří velmi malé (ohledně počtu vstupů nebo výstupů) tzv. OPLC, tj. PLC s grafickým operátorským panelem, např. M90 v různých provedeních nebo Vision230 firmy Unitronics.

2. Základní charakteristiky hardwaru

Programovatelné moduly jsou většinou určeny k montáži na lištu DIN, popř. i k přišroubování na stěnu. V zásadě se lze setkat se dvěma základními variantami konstrukčního provedení programovatelných modulů, kompaktními a modulárními. Kompaktní provedení bývá k dispozici v několika velikostech. Některé moduly mají osazeno tlačítkové pole, obvykle pouze se šesti až osmi základními funkcemi pro listování zobrazením (nahoru, dolů,vlevo a vpravo) a pro potvrzení a zrušení akce. Displej je LCD, textový a několikařádkový s možností zobrazení semigrafických znaků. Existují i moduly bez ovládacích a zobrazovacích prvků (tzv. holé neboli pure varianty). Dále lze někdy na modulu nalézt rozhraní pro připojení kabelu od PC pro účely programování či monitorování funkce, popř. šachtu pro zasunutí přídavného paměťového modulu (obr. 4).

Napájecí napětí bývá 24 V DC, 12 V DC nebo 115/230 V AC. Některé moduly mají vedle digitálních vstupů i několik vstupů analogových a několik vstupů pro rychlé čítání. Digitální výstupy jsou reléové nebo tranzistorové. Analogové výstupy jsou osazeny vzácně. Některé základní moduly mají integrováno určité komunikační rozhraní. Rozšiřující moduly slouží většinou pro rozšíření počtu vstupů a výstupů nebo pro speciální komunikační funkce.

Další charakteristiky hardwaru, jako např. velikost paměti pro uživatelský program a data v procesorové jednotce, doba uchování dat po výpadku napájení, doba vykonávání logických i aritmetických instrukcí, možnost využít přerušení, počet kvaziparalelně zpracovávaných procesů apod., jsou natolik závislé na konkrétním výrobci a výrobku, že není možné je postihnout hromadně.

3. Konkrétní příklady řešení

Na obr. 4 je v detailu ukázán programovatelný logický modul Alpha10 s popisem hlavních prvků. Číslo 10 uvedené za názvem zde znamená celkový součet vstupů a výstupů. Firma SMC používá programovatelné moduly Alpha jako základ řešení s názvem PneuAlpha pro své aplikace pneumatického ovládání. Je možné je využít např. i pro řízení inteligentních ventilových terminálů (intelligent valve island), popř. i s připojením na sběrnici AS-Interface u těch typů modulů, které mají rozhraní pro AS-Interface a mohou na této sběrnici zastávat roli podřízených zařízení (slave).

Řídicí relé EASY se vyrábějí v kompaktním i modulárním provedení ve verzi s ovládacími prvky a displejem i ve verzi holé. Spolu se základními a rozšiřujícími moduly různých šířek (a tím i počtu vstupů a výstupů), různých typů napájení a různých typů výstupů jsou k dispozici komunikační moduly pro AS--Interface a také pro Profibus-DP. Displej na řídicím modulu není u některých typů určen jen pro programování, ale umožňuje i jednoduchou vizualizaci stavu až dvou provozních proměnných, včetně krátkého doprovodného textu. Nejnovější typy modulů mohou pracovat ve ztížených provozních podmínkách při teplotě okolí např. od –25 do +55 °C.

Logické moduly LOGO! se dříve vyráběly ve čtyřech typových řadách, a to ve standardním provedení, s dvojitou šířkou (typ long), s dvojitou šířkou s rozhraním AS-Interface a ve variantě bez tlačítek a displeje. Nyní je k dispozici nová modulární řada LOGO! (obr. 3), jejíž centrální jednotka, vždy osazená osmi vstupy a čtyřmi výstupy, se vyrábí ve variantě Logo!Basic (s tlačítky a displejem) a ve variantě Logo!Pure (bez tlačítek a displeje). U typů se stejnosměrným napájením se mohou dva ze vstupů použít jako analogové v rozsahu 0 až 10 V nebo jako rychlé čítací vstupy. Rozšiřující moduly mají jednotnou velikost (šířka je oproti centrální jednotce poloviční) a jsou buď digitální (vždy v uspořádání čtyři vstupy a čtyři výstupy), analogové (dva vstupy 0 až 20 mA nebo 0 až 10 V) nebo komunikační (k dřívějšímu rozhraní AS-Interface přibyla možnost připojení na instalační sběrnice EIB a LON).

Velmi zajímavými přístroji, jejichž některé konfigurace lze též zařadit do kategorie nejmenších řídicích prvků, jsou automaty FEC (Front End Controller) firmy Festo (Beck). Tyto přístroje nemají displej ani ovládací prvky k programování a programují se přes PC. Mají vždy k dispozici dvě sériová rozhraní (COM pro programování a EXT pro komunikaci s operátorským displejem anebo klávesnicí). Typ IPC FEC Compact je nejmenším automatem s integrovaným rozhraním Ethernet. Tyto přístroje mohou komunikovat nejen navzájem mezi sebou, ale prostřednictvím mechanismu dynamické výměny dat (DDE) nebo serverů OPC si mohou vyměňovat data i s prostředím Windows. Mohou dokonce fungovat i jako webové servery nebo zasílat zprávy elektronickou poštou.

4. Software a tvorba programu

Algoritmus řešení dané aplikační úlohy, někdy označovaný jako spínací program, lze zadávat v zásadě dvěma způsoby. Buď přímo na přístroji s použitím jednoduchého tlačítkového pole a nápovědy v menu na malém textovém displeji, nebo pohodlněji ve speciálním vývojovém prostředí na PC. Nejčastěji používanými programovacími jazyky jsou jazyk kontaktních schémat (Ladder Diagram – LD) a jazyk funkčních bloků (Function Block Diagram – FBD). Lze se setkat i se seznamem instrukcí (IL) nebo strukturovaným textem (ST). Někdy je možné vložit program do modulu také přímo prostřednictvím předem naprogramovaného paměťového modulu (některé moduly mají zabudovánu ochranu know-how a program z nich nelze zpětně přečíst). Co se týče přístrojů programovatelných v jazyku FBD, je jejich výkonnostní spektrum do jisté míry závislé na bohatosti nabídky připravených firemních funkčních bloků. U některých systémů je možné vytvářet i vlastní uživatelské funkční bloky. U všech přístrojů této kategorie je hlavním omezením velikost paměti pro program.

Soubor funkčních bloků systémů LOGO! zahrnuje např. v kategorii základních funkcí základní kombinační logické funkce se třemi vstupy AND, OR, NOT, XOR, NAND a NOR a dále dvě velmi užitečné funkce – AND s detekcí náběžné hrany a NAND s detekcí sestupné hrany signálu. V kategorii zvláštních funkcí je možné vybírat z nejrůznějších sekvenčních funkcí, jako jsou klopné obvody, časovače, čítače, hodiny reálného času, generátory impulsů, komparátory apod. U některých funkcí časového typu je možné zvolit tzv. remanenci, kdy po přerušení a poté obnovení napájení navazuje aktuální hodnota uběhlého času správně, jako kdyby k výpadku nedošlo.

5. Přímé programování pomocí tlačítkového pole a menu na displeji

Jestliže se program zadává v jazyku FBD, je programování rozděleno v podstatě do dvou kroků. Nejprve je třeba vytvořit strukturu programu, tzn. vybrat vhodné funkční bloky a propojit je. Ve druhé fázi je nutné program tzv. parametrizovat, tj. přiřadit některým funkčním blokům, jako jsou např. různé časovače, čítače, spínací hodiny apod., konkrétní hodnoty jejich parametrů. Protože se na displeji zobrazuje vždy jen jeden blok spolu s jeho označením a označením výstupního signálu a vstupních signálů, je vhodné mít připraven program předem v písemné podobě. Bloky se vkládají odzadu, tj. od posledního bloku, jehož výstupem je některý z výstupních konektorů Qi (výstupů – obr. 5). Funkční bloky, které je možné vybírat z knihoven, se přidávají postupně směrem ke vstupním konektorům (vstupům), a to zvlášť v každé větvi, která přísluší některému ze vstupů zobrazeného bloku. Celý uložený program lze též editovat, popř. vymazat a nahradit novým. Menu, které je možné zobrazit na displeji a které je průvodcem při programování, umožňuje např. u systémů LOGO! kromě zadávání, editace a parametrizování programu také jeho vložení z paměťového modulu i naopak uložení do paměťového modulu, dále zadání hesla a nastavení hodin reálného času.

Jestliže se programuje v jazyku kontaktních schémat, postupuje se podobně po jednotlivých příčkách a též odzadu, tzn. od výstupů.

6. Programování ve vývojovém prostředí na PC

Vývojová prostředí na PC většinou umožňují přehledně a v komfortním prostředí na obrazovce PC naprogramovat algoritmus aplikace, aplikaci odladit a vést technickou dokumentaci alespoň v podobě vytvořeného schématu a nahrát program z PC do modulu a opačně. Program je většinou možné simulačně odladit a někdy i za provozu (on-line) sledovat jeho činnost.

Řídicí relé EASY se např. programují na PC pomocí programu EASY-SOFT, a to pouze v jazyku kontaktních schémat, s možností volit jeden ze tří typů zobrazení: v souladu s mezinárodní normou DIN IEC se svislými příčkami a s klasickými symboly kontaktů a cívek, ve zjednodušeném firemním formátu, nebo v souladu s normou ANSI/CSA.

Na obr. 5 je ukázán program pro řízení osvětlení domku. Jedná se o jeden z příkladů poskytovaných firmou Siemens v rámci vývojového prostředí LOGO!Soft Comfort V2.0. Program je vytvořen v jazyku FBD. Konektory vstupů (I1, I3, I4) jsou připojeny na vstupy tzv. základních funkcí (GF: logické součty, součiny) nebo tzv. speciálních funkcí (SF), kterými zde jsou týdenní spínací hodiny (B03, B08) a blok zpožděného vypnutí (B05), jejichž výstupy jsou přivedeny na konektory výstupů (Q1, Q2).

V nové verzi LOGO!Soft Comfort V3.0 se již připravu-je programování i v jazyku kontaktních schémat. Velkou výhodou tohoto vývojového prostředí je nezávislost na hardwaru a operačním systému. Je totiž naprogramováno v jazyce Java.

Na obr. 6 je jiný příklad vytvořený ve vývojovém prostředí Pneu Alpha Visual Logic pro systémy PneuAlpha firmy SMC. Programy je zde možné vytvářet také v jazyku FBD. V tomto vývojovém prostředí je velmi pěkně vyřešena možnost odlaďování bez přítomnosti reálného modulu. Vedle okna, v němž je vytvářen vlastní program (FBD – Simulation Mode), je totiž k dispozici ještě jedno okno pro vizualizaci a monitorování (Monitoring in System Sketch). V něm je možné pomocí jednoduchých kreslicích nástrojů a symbolů pro vstupní a výstupní prvky připravit jednoduché zobrazení řízeného zařízení (schéma nádoby pro dávkování kapaliny, čerpadlo se symbolem motoru, ventil se symbolem solenoidu, snímače dolní a horní hladiny se symboly přepínačů) a na něm v simulačním režimu „ručně“ vytvářet signály, přicházející jakoby z řízeného zařízení, a sledovat tak průběh řízení. Velmi zajímavá je i možnost přípravit texty různých stavových hlášení, která se mohou při řízení objevovat na displeji programovatelného modulu (např. hlášení PLNÍ, VYPOUŠTÍ apod.). Toto zobrazení je možné využít i pro monitorování funkce modulu za provozu.

7. Aplikační oblasti

Jak již bylo v předchozím textu uvedeno, mají přístroje kategorie programovatelných modulů charakter spíše univerzální a hodí se pro nejrůznější malé aplikační úlohy. K typickým aplikacím patří např. automatizace v instalační technice v domácnostech i ve veřejných budovách („inteligentní“ osvětlení místností nebo výloh, ovládání žaluzií, rolet, okenic, dveří, vrat, větrání, bezpečnostních zařízení, slunečních kolektorů, domácích vodáren apod.), automatizace menších strojních zařízení (čerpadla, kompresory, míchadla, nádrže, sila, pohyblivé schody, dopravníky aj.), automatizace zařízení používaných na lodích (především v síti AS-Interface), speciální úlohy ve sklenících a zimních zahradách, předzpracování signálů pro řídicí systémy na vyšších úrovních řídící hierarchie, řízení jednoduchých jednoúčelových zařízení a strojů nejrůznějšího typu v potravinářském průmyslu, nejrůznější testovací zařízení, kde je nutné opakovaně vykonávat velký počet jednoduchých sekvencí atd.

Vzhledem k velmi příznivým cenám, jednoduchému programování i obsluze a stále se rozšiřujícím komunikačním možnostem si programovatelné modulové výrobky již vydobyly své pevné místo mezi řídicími systémy a počet jejich aplikací bude zcela určitě ještě dále narůstat. V přeneseném slova smyslu se možná v budoucnosti stanou základní „automatizační jednotkou“ s přesně vymezenými schopnostmi, možnostmi a pravomocemi, budou co nejlépe vykonávat úkoly svěřené jim v rámci rozsáhlých distribuovaných řídicích systémů a s ostatními systémy budou komunikovat v zájmu dosažení nejlepšího výsledku celku (např. co nejvyšší kvality a zároveň co největšího objemu produkce u diskrétních i kontinuálních výrobních systémů nebo co největšího komfortu a zároveň co nejmenší spotřeby energie u aplikací např. v instalační technice). Paralela s jedincem – mravencem a celkem – mraveništěm zde určitě má své opodstatnění.

Ing. Marie Martinásková, Ph.D.,
Strojní fakulta ČVUT v Praze
(martinas@fsid.cvut.cz)