Podręcznik

Wykrystalizowana w latach 70-tych XX wieku architektura sterownika PLC, (jeszcze nie objęta międzynarodową normą IEC 1131, która to norma został opublikowana w 1993 roku), musiała sprostać wymaganiom, jakie nałożono na zadania procesowe dla tego urządzenia. Były to następujące wymagania m. in.:

• prosta do przeprowadzenia zmiana koncepcji sterowania danym procesem przemysłowym, polegająca na łatwej do zrealizowania modyfikacji lub wymianie programu sterującego w pamięci programu sterownika PLC przy użyciu dostępnego protokołu komunikacyjnego (np. PROFIBUS DP, MODBUS, Ethernet, MPI, PPI) oraz łącza szeregowego (np. RS 485 czy RS 232C);
• możliwe do przeprowadzenia na ekranie monitora (programatora) obserwacje, umożliwiające testowanie sterownika PLC oraz diagnostykę poprawności działania jego programu sterującego w tzw. trybie bezpośredniego połączenia ze sterownikiem (ang. ON-Line), często bez zatrzymania realizowanego programu sterującego;
• odpowiednia dla kontrolowanego procesu szybkość realizacji tzw. pojedynczej pętli programu sterującego (ang. Scan Cycle) mniejsza niż 1ms, gwarantująca odpowiednią jakość sterowania danym procesem produkcyjnym;
• duża niezawodność samego sterownika PLC wyrażana tzw. średnim czasem międzyawaryjnym MTBF (ang. Mean Time Between Failure) o wartości kilku milionów godzin bezawaryjnej pracy;
• możliwość zaprogramowania i obsługi sterownika PLC przez personel techniczny średniego szczebla zakładu produkcyjnego, w którym określony sterownik PLC funkcjonuje.

Na podstawie powyższych wymagań opracowano uniwersalną architekturę sterownika PLC, która z niewielkimi zmianami przetrwała do dnia dzisiejszego.

Rysunek 6: Uniwersalna architektura sterownika PLC

Przeznaczenie modułów sterownika PLC, wyszczególnionych na rysunku 6 jest następujące:

• Moduł CPU (ang. Central Processing Unit) – najważniejszy blok sterownika PLC, który zawiera mikroprocesor o odpowiednich parametrach technicznych. Bardzo często numer (liczba), który przyporządkowany jest do fabrycznego oznaczenia CPU, oznacza możliwości funkcjonalne (techniczne) sterownika PLC w zakresie m.in. czasu realizacji pojedynczego cyklu programowego Scan Cycle lub liczby obsługiwanych wejść/wyjść sterownika (np. CPU 221 w przypadku sterownika rodziny SIMATIC S7 200 firmy Siemens oznacza m.in. liczbę sześciu wejść oraz czterech wyjść sterownika);
• Moduł pamięci RAM/ROM (ang. Memory Module RAM/ROM) – jest blokiem sterownika PLC, który wyposażony jest w odpowiedni rodzaj pamięci zarówno dla danych ulotnych jak i nieulotnych. W starszych rodzinach sterowników PLC pamięć typu ROM zastąpiono pamięcią półprzewodnikową typu EPROM, czyli układem, który programuje się elektrycznie za pośrednictwem programatora, zaś kasuje zawartość tej pamięci za pośrednictwem promieniowania ultrafioletowego (w odpowiednim „kasowniku”) po uprzednim wyjęciu układu ze sterownika PLC. W nowszych odmianach sterowników PLC funkcjonuje już pamięć półprzewodnikowa typu EEPROM (E2PROM), czyli układ elektroniczny programowalny oraz kasowalny elektrycznie bez wymontowywania go ze sterownika PLC. Do tego modułu pamięci RAM/ROM możemy wliczyć również pamięć opcjonalną, która może być montowana w zależności od potrzeb do sterownika PLC oraz stanowić nadrzędną pamięć programu sterownika (np. sterowniki firmy SCHIELE);
• Rejestr dla wejść sterownika PLC (ang. Input Module) – jest blokiem sterownika PLC, który jest logicznie powiązany z tzw. modułem wejść sterownika SM (ang. Signal Module). Rejestr ten o organizacji będącej wielokrotnością 1-go Bajtu (1 Bajt = 8 bitów), przechowuje dla CPU informacje o stanie wejść sterownika PLC, która została wpisana do tego rejestru w czasie wykonywania pojedynczego cyklu programowego Scan Cycle. Jeżeli na poszczególnym wejściu sterownika PLC wystąpi informacja bitowa ze zbioru {0,1}, czyli fałsz lub prawda (np. sygnał z czujnika obecności materiału), to informacja ta po wpisaniu do rejestru dla wejść sterownika PLC zajmie „organizacyjnie” jeden bit. Jeżeli zaś na poszczególnym wejściu sterownika PLC wystąpi informacja analogowa, (np. doprowadzono sygnał analogowy z czujnika ciśnienia powietrza), to informacja ta (po procesach próbkowania, kwantowania oraz kodowania) po wpisaniu jej do tego rejestru będzie zajmować organizacyjnie 1 Bajt lub więcej, czyli osiem lub więcej bitów, w zależności od rozdzielczości przetwornika AC, który został wbudowany w rejestr dla wejść sterownika PLC. W przeważającej większości przypadków o stanie sygnału na poszczególnym wejściu modułu SM, który jest „przedsionkiem” dla rejestru wejść sterownika PLC informuje zorientowana z tym wejściem dioda LED. W przypadku stanu sygnału typu fałsz, dioda jest wygaszona, zaś w przypadku sygnału typu prawda zapala się.
• Rejestr dla wyjść sterownika PLC (ang. Output Module) - jest blokiem sterownika PLC, który jest logicznie powiązany z tzw. modułem wyjść sterownika OM (ang. Output Module). Rejestr ten analogicznie do rejestru wcześniej opisanego jest również o organizacji, będącej wielokrotnością 1-go Bajtu (1 Bajt = 8 bitów). Rejestr ten przechowuje dla CPU informacje o stanie wyjść sterownika PLC, która została wpisana do tego rejestru w czasie wykonywania pojedynczego cyklu programowego Scan Cycle. Jeżeli poszczególne wyjście sterownika PLC „zamierza” sterować urządzeniem za pośrednictwem sygnału ze zbioru {0,1}, czyli nie pracuje lub pracuje (np. sygnał sterowania przekaźnikiem elektromagnetycznym), to informacja ta po wpisaniu do rejestru dla wyjść sterownika PLC w danym momencie wykonywania programu zajmie „organizacyjnie” jeden bit. Jeżeli zaś na poszczególnym wyjściu sterownika PLC ma wystąpić sygnał analogowy z przedziału 0 ÷ 10V DC, (np. sygnał doprowadzony do silnika elektrycznego prądu stałego), to informacja ta po wpisaniu jej do rejestru wyjść sterownika PLC będzie zajmować organizacyjnie 1 Bajt lub więcej, czyli osiem lub więcej bitów, (też w zależności od rozdzielczości przetwornika, ale tym razem CA, który został wbudowany w rejestr dla wyjść sterownika PLC), by następnie w postaci żądanego sygnału analogowego być dostępna na odpowiednim wyjściu w module wyjść sterownika PLC. W przeważającej większości przypadków o stanie sygnału na poszczególnym wyjściu modułu OM, który znajduje się „za” rejestrem wyjść sterownika PLC, informuje zorientowana z tym wyjściem dioda LED. W przypadku stanu sygnału typu nie pracuje, dioda jest wygaszona, zaś w przypadku sygnału typu pracuje zapala się. Jak widać sygnalizacja LED występuje tylko dla sygnałów binarnych, czyli ze zbioru {0,1};
• Sygnalizacja LED (ang. Status LED) – jest zespołem sterownika PLC, który odpowiada za optyczne informowanie operatora procesu, serwisanta, itp., o stanie pracy samego urządzenia i ewentualnych błędach w pracy CPU. Wśród najczęściej stosowanych informacji za pomocą tych diod LED występują:

• RUN – dioda informująca o uruchomieniu sterownika PLC;
• STOP – dioda informująca o zatrzymaniu sterownika PLC;
• DC24V – dioda informująca o prawidłowym napięciu zasilającym układ sterownika PLC;
• BATF – dioda informująca o uszkodzeniu lub wyczerpaniu baterii podtrzymującej CPU;
• SF – dioda informująca o możliwym wystąpieniu błędów w zakresie programowym, np. użycie adresu, który w danej konfiguracji CPU nie występuje lub sprzętowym, np. użycie moduły, który nie może współpracować z pozostałymi modułami sterownika PLC.

• RS 232C, RS 485 – jest blokiem sterownika PLC, który umożliwia komunikację z programatorem urządzenia (starsze wersje sterowników PLC) lub komputerem typu PC z zainstalowanym oprogramowaniem narzędziowym do tworzenia programu sterującego celem przesłania go do sterownika PLC, jak również odpowiada za pracę sterownika PLC w odpowiednich topologiach sieci przemysłowych;
• Zasilacz PLC – jest blokiem sterownika PLC, który odpowiada za wytworzenie oraz dostarczenie napięć zasilających poszczególne bloki funkcjonalne sterownika PLC. Typowym napięciem zasilającym, które doprowadzane jest z zewnątrz do bloku zasilacza PLC jest napięcie 230V AC lub 24V DC. W dużej liczbie przypadków napięcie zasilające sam sterownik PLC jest napięciem zasilającym układy wejścia/wyjścia sterownika PLC;
• BUS – jest blokiem sterownika PLC, odpowiedzialnym za fizyczną rozbudowę sterownika o dodatkowe moduły wejścia/wyjścia. W pewnych rozwiązaniach konstrukcyjnych sterowników PLC fizyczne połączenie bazowego sterownika z dodatkowym modułem wejścia/wyjścia następuje poprzez użycie wbudowanych zatrzasków elektrycznych, zaś w innych rozwiązaniach należy wykorzystać dodatkowe elementy łącznikowe typu Bus Connector.