Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Přehled trhu PLC a logických modulů

Článek je průvodním komentářem k tabulkám přehledu trhu programovatelných automatů (PLC a PAC) a programovatelných logických modulů (smart relais). Přehled trhu je uveden na stranách 24 až 28 a tento článek se snaží vymezit jednotlivé kategorie PLC a upozorňuje na problematičnost tohoto třídění. Krátce seznamuje se strukturou sloupců tabulek a s významem jednotlivých položek.

 PLC, nebo PAC?

Programovatelné automaty jsou nejpoužívanějšími řídicími systémy pro automatizační techniku. Již dávno není jejich použití omezeno na řízení diskrétních průmyslových procesů, zejména ve strojírenství. Jsou využívány k řízení spojitých procesů v chemickém, potravinářském a farmaceutickém průmyslu, ve válcovnách (obr. 1), ale i v dopravě, k řízení technických zařízení budov, v tepelné a chladicí technice a vzduchotechnice, v ekologických a zemědělských provozech. Snad neexistuje obor, kde by nebyly nebo nemohly být použity. Tradičně jsou programovatelné automaty označovány zkratkou PLC (Programmable Logic Controller, doslovně: programovatelný logický řídicí systém či řadič). Moderní systémy jsou velmi výkonné, komunikativní a mnohostranně použitelné, takže přívlastek „logic“ v pojmenování již nevystihuje jejich podstatu. Proto se někdy používá výstižnější pojmenování PAC (Programmable Automation Controller, doslovně: programovatelný automatizační řídicí systém či řadič), které se ale příliš nevžilo a většina výrobců zůstává u tradičního pojmenování PLC. V češtině doporučujeme používat ustálený název programovatelný automat.

Kategorie PLC kdysi...

Ještě poměrně nedávno by nebyl problém připravit do tisku přehled trhu programovatelných automatů. Systémy bylo možné snadno zařadit do jedné z kategorií a v jejich rámci je porovnávat. Velké modulární systémy byly opravdu modulární a velké – svými rozměry, výpočetním výkonem, sortimentem modulů, komunikačními možnostmi. Počet vstupů a výstupů bylo možné volit v rozsahu od desítek do tisíců. Jejich cena byla rovněž vysoká. Systémy této kategorie byly využívány k řízení středně složitých až velmi složitých a obvykle rozsáhlých objektů.

Kompaktní systémy byly řešeny skutečně kompaktní, nanejvýš byly rozšiřitelné v rozsahu jednoho nebo několika málo přídavných modulů. Výpočetní výkon a komunikační možnosti byly omezené, počet vstupů a výstupů se pohyboval v rozsahu desítek. Cena byla rovněž nízká. Kompaktní systémy byly vhodné pro řízení objektů malé až střední úrovně složitosti. Někdy se ještě rozlišovaly systémy kategorie malých kompaktních PLC nebo též mikroPLC. Byly obvykle odvozeny od systémů předchozí třídy (kompaktních PLC) – a byly skutečně malé a kompaktní, zpravidla bez možnosti rozšíření s počty vstupů a výstupů okolo deseti až dvaceti. Omezené byly i jejich komunikační možnosti. Zachováno bylo ale programování obvyklé pro PLC. Nízká byla i cena. MikroPLC byly vhodné pro řízení nejmenších objektů s minimálními požadavky na instrumentaci.

Oddělenou třídu řídicích systémů tvořily programovatelné logické moduly nebo též tzv. chytrá relé (smart relais). Neměly „ambice“ být PLC, ale v nejjednodušších úlohách jim úspěšně konkurovaly, zejména nízkou cenou a jednoduchým programováním. Byly malé i na pohled, měly omezené možnosti programování, omezený výpočetní výkon i rozsah paměti programu a dat. Komunikační možnosti byly minimální (obvykle se omezovaly na připojení k PC s vývojovým systémem pro vytvoření a ladění programu). Běžné bylo programování přímo tlačítky na přístroji. První systémy typu chytrá relé nebyly rozšiřitelné nebo jen ve velmi omezené míře. Počet vstupů a výstupů býval v rozsahu deset až dvacet.

Samostatnou třídou řídicích systémů byly softPLC. Lze je charakterizovat jako PLC na bázi počítače. Jejich provedení bylo různé – od tradičního stolního PC se sériově připojeným systémem periferií až po různé varianty průmyslových počítačů (IPC, Industrial PC) v modulárním provedení nebo se sériově připojeným systémem periferií. Spojoval je způsob programování, shodný s programováním ostatních PLC, obvykle podle normy IEC 61131-3.

...a dnes

Dnes je ale všechno jiné. Programovatelné automaty všech tříd významně pokročily ve svém vývoji – „vyspěly“ – jako ostatně všechny elektronické produkty, PC, mobilní telefony a komunikační zařízení, fotoaparáty a spotřební elektronika. Vzrostl jejich výpočetní výkon a zlepšily se komunikační možnosti systémů PLC i periferních prvků a operátorského rozhraní. V mnoha směrech přerostla kvantita (výkon a způsoby řešení tradičních funkcí) v novou kvalitu – v dosud neexistující možnosti. Programovatelné automaty tak vybočují z rozsahu dosud obvyklých kategorií a je velmi obtížné je zařadit a porovnávat. Velké modulární systémy možná již nejsou tak velké svými rozměry, ale svým výpočetním výkonem a možnostmi komunikace konkurují výkonným distribuovaným systémům třídy DCS, mnohdy je jen otázka diskuse, zda daný systém pojmenovat DCS nebo PLC.

Kompaktní systémy PLC jsou i nadále kompaktní a někdy překvapivě malých rozměrů, s nemnoha vstupy a výstupy na centrálním modulu. Často v sobě mají „srdce titána“ s výpočetním výkonem a možnostmi srovnatelnými (někdy shodnými) s centrální jednotkou velkého modulárního systému. Připojením lokálních rozšiřujících modulů a modulů vzdálených vstupů a výstupů (RIO – Remote Imput/Output) lze jejich konfiguraci významně rozšířit, obvykle na desítky až stovky I/O. Za další vstupy a výstupy lze považovat i senzory, akční členy a další prvky připojené k průmyslovým sběrnicím. Komunikační možnosti dovolují vytvářet sítě propojením několika PLC a navzájem sdílet jejich proměnné (vnitřní, vstupní i výstupní) – i ty lze považovat za další vstupy a výstupy. Vytvořený distribuovaný systém může obsahovat PLC různých kategorií, zapojených do různých topologických struktur. Může být prostorově velmi rozlehlý, každopádně velmi výkonný a při chytrém návrhu i bezpečný – a obvykle levnější než srovnatelný velký centrální systém.

Programovatelná relé stále zůstávají ve své kategorii, přestože v mnohém se přiblížily vlastnostem a možnostem PLC. O systémech softPLC se dnes mnoho nemluví. Snad proto, že postupně splynuly s tradičními PLC a není nutné je považovat za samostatnou kategorii. Centrální moduly mnohých PLC (modulárních i kompaktních) jsou tvořeny výkonným počítačem. Pak je jen otázkou obchodní strategie, zda bude daný celek pojmenován jako PLC nebo softPLC. Obdobně to platí i pro modulární průmyslové počítače IPC. Charakter průmyslových PC a možnosti řídicích systémů mají i operátorské panely.

Funkce PLC ve strojích a zařízeních

S funkcemi programovatelných automatů se lze mnohdy setkat i u systémů, které nejsou takto pojmenovány. Například měniče frekvence nebo regulátory pohonů mají v sobě zabudovanou možnost programování PLC po­dle normy IEC 61131-3. Rovněž v systémech CNC pro řízení obráběcích a tvářecích strojů (obr. 2) a robotů lze rozpoznat geometrický a logický podsystém (s funkcí PLC). Programuje se stejně jako PLC a obvykle řeší úlohy specifické pro konkrétní stroj, např. řízení vřetena, zásobníku nástrojů, výměny nástrojů, obrobků nebo palet, přídavný manipulátor. Občas je možné se setkat s uzavřenou aplikací PLC pro vybranou skupinu objektů (např. pro řízení tepelných čerpadel, pro regulaci spotřeby elektrické energie). Komunikační možnosti PLC je předurčují pro úlohu konvertorů sběrnic a komunikačních protokolů.

Technická úroveň soudobých programovatelných automatů, počítačů, komunikačních prostředků a možností informačních a komunikačních technologií je na takové úrovni, že současný PLC a automatizační technika nabízené možnosti využívají jen z malé části. Úvaha o možnostech dalšího vývoje PLC a prostředků automatizace by byla námětem pro dlouhou (a nepochybně zajímavou) diskusi, pro kvalifikované prognostiky a vizionáře, ale i pro autory sci-fi nebo katastrofických scénářů.

Kategorie PLC v přehledu trhu

V předkládaném přehledu trhu (str. 24 až 28) jsme se rozhodli pro kompromis. Pro srovnání jsme zvolili tři kategorie: modulární PLC, kompaktní PLC a programovatelné logické moduly (chytrá relé). Pro všechny tři kategorie jsme použili téměř stejné dotazníkové formuláře, a tedy i strukturu sloupců, a otázky v dotazníku, které pak byly transformovány do hesel v záhlaví řádků. Rozdíly jsou v odpovědích respondentů a v údajích sloupců pro systémy odpovídajících kategorií. Respondenti, kteří prezentují systémy různých kategorií, tak sice odpovídají na (téměř) shodné otázky, ovšem v každé kategorii různě, abychom srovnávali srovnatelné (systémy srovnatelných „výkonnostních tříd“). Nechali jsme na autorech, aby své prezentované systémy zařadili do odpovídající kategorie. Zvolili jsme jednoduché formuláře s omezeným počtem dotazů a bez detailního členění odpovědí. Cílem bylo poskytnout stručný přehled o nabídce programovatelných automatů. Potřebné detaily lze najít buď v podrobnějším PR článku (jestliže existuje) nebo na internetových stránkách dodavatele.

Struktura tabulek přehledu trhu

Věnujme se nejprve kategorii modulárních systémů. V řádku o binárních vstupech je uveden maximální počet dvouhodnotových vstupů a jejich možné typy (pro jaké napěťové úrovně vstupních signálů jsou určeny). Nerozlišovali jsme, kolik vstupů jakého typu je umístěno na jednotlivých typech modulů, pouze jaké typy vstupních obvodů jsou k dispozici a absolutní maximum z počtu binárních vstupů, kterého lze dosáhnout. V závorce je někde uveden počet vstupů, dostupný ještě s využitím modulů vzdálených vstupů a výstupů nebo prvků na průmyslových sběrnicích. Jsme si vědomi, že jde o zjednodušení, že každý systém dovoluje různé možnosti ve vytvoření maximální konfigurace, ale nebylo možné všechny tyto detaily akceptovat – navíc by byly specifické pro jednotlivé výrobce a typy PLC. Podobně jsou řešeny i položky pro univerzální vstupy (vstupní obvody, které mohou volitelně fungovat jako binární nebo analogové). Je zřejmé, že u modulárních PLC nejsou příliš rozšířeny, protože sortiment modulů dovoluje zvolit konfiguraci „přesně na míru“, a univerzální vstupy jsou využity jen pro „doladění konfigurace“ nebo pro její dodatečné rozšíření. U binárních výstupů je uveden typ spínacího prvku. U analogových vstupů je ještě doplněna položka o počtu bitů analogově-číslicového (A/D) převodníku, který rozhoduje o jemnosti rozlišení číselného údaje. U analogových výstupů je uveden typ výstupního signálu.

Speciální moduly vykonávají funkce, které se vymykají obvyklým možnostem programu při zpracování vstupů a výstupů (např. rychlé čítače, vyhodnocení přírůstkových snímačů polohy), nebo také specifické funkce (např. měření a řízení polohy, regulace), které provádějí obvykle kvalitněji a rychleji. Speciální moduly vykonávají také funkce, jejichž řešení by v programu PLC nebylo výhodné (bylo by příliš pracné nebo pomalé).

Údaje o kapacitě paměti seznamují s maximálním rozsahem paměti pro uložení programu PLC, pro registry (proměnné programu) a pro data. Tabulka dále obsahuje informaci o možnosti připojení přídavné paměti, obvykle standardní paměťové karty. Rychlost programu je většinou uváděna jako doba vykonání 1 000 instrukcí programu. Je to údaj pouze orientační, protože některé instrukce (např. logické s bity) mají kratší dobu provedení než třeba instrukce pro výpočty v pohyblivé řádové čárce nebo instrukce regulátorů, které mohou být pomalejší až o několik řádů.

Možnost změny programu za běhu je významná zejména u velkých systémů, které řídí náročné technologie (např. ve válcovnách). Rozhoduje o tom, zda je při změně programu nutné technologii zastavit a znovu rozběhnout, nebo zda lze plynule pokračovat (obr. 1). Funkcí logického analyzátoru je myšlena možnost PLC zobrazit časový průběh zvolených proměnných podobně jako u číslicového osciloskopu. Obvykle je spojena i s možnostmi „nastavení pasti“ (specifikování startovací události) a zobrazením vývoje před událostí nebo po ní, popř. obojí. Tato funkce je významná při ladění složitých programů PLC, zejména při lokalizaci „záludných“ jednorázových chyb. Je důležitá i pro diagnostiku řízené soustavy.

Podobnou strukturu a obsah mají i dotazníky pro zbývající dvě kategorie systémů. U kompaktních PLC je běžné, že několik vstupů a výstupů lze připojit k modulu centrální jednotky, ale maximální počet vstupů a výstupů může být podstatně větší zásluhou přídavných modulů, modulů vzdálených vstupů a výstupů a distribuovaných vstupů a výstupů. Proto jsou oba údaje v každé položce odděleny. Věříme, že předložený přehled trhu usnadní orientaci v nabídce moderních PLC na našem trhu.

           Ladislav Šmejkal

Obr. 1. Zejména ve složitých technologických procesech ocení technici možnost změny programu PLC za běhu provozu

Obr. 2. Funkce PLC se uplatňují také v systémech CNC na řízení obráběcích strojů