פרק 5-ג': בקר לוגי ניתן לתכנות PLC

פרק 5-ג': בקר לוגי ניתן לתכנות PLC

בקר לוגי מתכנת (PLC) או בקר מתכנת הוא מחשב תעשייתי שעבר יציבות והותאם לבקרת תהליכי ייצור, כגון פסי ייצור, מכונות, מכשירים רובוטיים, או כל פעילות הדורשת אמינות גבוהה, קלות תכנות, ואבחון תקלות בתהליך. דיק מורלי נחשב לאבי ה-PLC שכן הוא המציא את ה-PLC הראשון, ה-Modicon 084, עבור ג'נרל מוטורס ב-1968.

PLCs יכולים לנוע מהתקנים מודולריים קטנים עם עשרות כניסות ויציאות (I/O), במארז אינטגרלי עם המעבד, ועד להתקנים מודולריים מודולריים גדולים עם אלפי I/O, ואשר לרוב מחוברים לרשתות PLC אחרות מערכות SCADA.

הם יכולים להיות מתוכננים עבור סידורים רבים של קלט/פלט דיגיטלי ואנלוגי, טווחי טמפרטורה מורחבים, חסינות לרעשים חשמליים ועמידות בפני רעידות והשפעות. תוכניות לשלוט על פעולת המכונה מאוחסנות בדרך כלל בזיכרון מגובה סוללה או לא נדיף.

PLCs פותחו לראשונה בתעשיית ייצור הרכב כדי לספק בקרים גמישים, קשיחים וניתנים לתכנות בקלות להחלפת מערכות לוגיקה ממסרים עם חוטים. מאז, הם אומצו באופן נרחב בתור בקרי אוטומציה בעלי אמינות גבוהה המתאימים לסביבות קשות.

PLC הוא דוגמה למערכת קשיחה בזמן אמת שכן יש להפיק תוצאות פלט בתגובה לתנאי קלט תוך זמן מוגבל, אחרת תיווצר פעולה לא מכוונת.

המצאה ופיתוח מוקדם

PLC מקורו בסוף שנות ה-60 בתעשיית הרכב בארה"ב ונועדו להחליף מערכות לוגיקה ממסרות. לפני כן, לוגיקה בקרה לייצור הייתה מורכבת בעיקר מממסרים, טיימרים מצלמות, רצפי תופים ובקרי לולאה סגורה ייעודיים.

הטבע הקשיח הקשה על מהנדסי התכנון לשנות את תהליך האוטומציה. שינויים ידרשו חיווט מחדש ועדכון זהיר של התיעוד. אם אפילו חוט אחד לא היה במקום, או ממסר אחד נכשל, המערכת כולה הייתה תקולה. לעתים קרובות טכנאים היו מקדישים שעות לפתרון תקלות על ידי בחינת הסכמות והשוואתם לחיווט קיים. כאשר מחשבים למטרות כלליות הפכו זמינים, הם יושמו עד מהרה לשליטה בלוגיקה בתהליכים תעשייתיים. המחשבים המוקדמים הללו היו לא אמינים והצריכו מתכנתים מומחים ושליטה קפדנית על תנאי העבודה, כגון טמפרטורה, ניקיון ואיכות החשמל.

ה-PLC סיפק מספר יתרונות על פני מערכות אוטומציה קודמות. הוא סבל את הסביבה התעשייתית טוב יותר ממחשבים והיה אמין יותר, קומפקטי ודרש פחות תחזוקה ממערכות ממסר. זה היה ניתן להרחבה בקלות עם מודולי I/O נוספים, בעוד שמערכות ממסר דרשו שינויי חומרה מסובכים במקרה של תצורה מחדש. זה איפשר איטרציה קלה יותר על פני עיצוב תהליך הייצור. עם שפת תכנות פשוטה המתמקדת בלוגיקה ופעולות מיתוג, היא הייתה ידידותית יותר למשתמש ממחשבים המשתמשים בשפות תכנות למטרות כלליות. היא גם אפשרה לפקח על פעולתו. PLCs מוקדמים תוכנתו בלוגיקת סולם, אשר דומה מאוד לתרשים סכמטי של לוגיקה ממסר.

Modicon

בשנת 1968, GM Hydramatic (חטיבת ההילוכים האוטומטית של ג'נרל מוטורס) פרסמה בקשה להצעת הצעות להחלפה אלקטרונית למערכות ממסר חוטיות על סמך נייר לבן שנכתב על ידי המהנדס אדוארד ר. קלארק. ההצעה הזוכה הגיעה מ-Bedford Associates מ-Bedford, מסצ'וסטס. התוצאה הייתה ה-PLC הראשון - שנבנה ב-1969 - שיועדה ל-084, מכיוון שזה היה הפרויקט השמונים וארבעה של Bedford Associates.

Bedford Associates הקימו חברה המוקדשת לפיתוח, ייצור, מכירה ושירות של מוצר חדש זה, אשר הם כינו Modicon (המשמעות של בקר דיגיטלי מודולרי). אחד האנשים שעבדו על הפרויקט הזה היה דיק מורלי, שנחשב ל"אבא" של PLC. המותג מודיקון נמכר ב-1977 לגולד אלקטרוניקה ולאחר מכן לשניידר אלקטריק, הבעלים הנוכחיים. בערך באותו זמן, מודיקון יצרה את Modbus, פרוטוקול תקשורת נתונים המשמש עם ה-PLC שלה. Modbus הפך מאז לפרוטוקול פתוח סטנדרטי המשמש לחיבור מכשירים חשמליים תעשייתיים רבים.

אחד מדגמי ה-084 הראשונים שנבנו מוצג כעת במתקן של שניידר אלקטריק בצפון אנדובר, מסצ'וסטס. הוא הוצג למודיקון על ידי GM, כשהיחידה הוצאה לגמלאות לאחר כמעט עשרים שנות שירות ללא הפרעה. מודיקון השתמשה בכינוי 84 בסוף מגוון המוצרים שלה עד שה-984 הופיע.

אלן-בראדלי

בפיתוח מקביל אודו יוזף שטרוגר ידוע לפעמים גם כ"אבי הבקר הלוגי הניתן לתכנות". הוא היה מעורב בהמצאת בקר הלוגיקה הניתן לתכנות של אלן-בראדלי וזוכה להמצאת ה-PLC הראשוניות. אלן-בראדלי (כיום מותג בבעלות Rockwell Automation) הפך ליצרן PLC גדול בארצות הברית במהלך כהונתו. Struger מילא תפקיד מוביל בפיתוח תקני שפת תכנות IEC 61131-3 PLC.

שיטות תכנות מוקדמות

PLCs מוקדמים רבים לא היו מסוגלים לייצוג גרפי של הלוגיקה, ולכן הוא יוצג במקום זאת כסדרה של ביטויים לוגיים בפורמט בוליאני כלשהו, בדומה לאלגברה בוליאנית. ככל שהתפתחו מסופי תכנות, הפך נפוץ יותר להשתמש בלוגיקת סולם, מכיוון שזה היה פורמט מוכר המשמש ללוחות בקרה אלקטרו-מכניים. קיימים פורמטים חדשים יותר, כגון לוגיקה מצב ובלוק פונקציות (שדומה לאופן שבו מתוארת הלוגיקה בעת שימוש במעגלי לוגיקה משולבים דיגיטליים), אך הם עדיין [מתי?] לא פופולריים כמו לוגיקה סולם. סיבה עיקרית לכך היא ש-PLC פותרים את ההיגיון ברצף צפוי וחוזר על עצמו, והלוגיקת הסולם מאפשרת לאדם שכותב את ההיגיון לראות בעיות כלשהן בתזמון הרצף ההגיוני בקלות רבה יותר מאשר בפורמטים אחרים.

עד אמצע שנות ה-90, PLCs תוכנתו באמצעות לוחות תכנות קנייניים או מסופי תכנות ייעודיים, שלעתים קרובות היו להם מקשי פונקציה ייעודיים המייצגים את האלמנטים הלוגיים השונים של תוכניות PLC. כמה מסופי תכנות קנייניים הציגו את האלמנטים של תוכניות PLC כסמלים גרפיים, אך ייצוגי תווים ASCII פשוטים של מגעים, סלילים וחוטים היו נפוצים. תוכניות אוחסנו על מחסניות קלטות. מתקני ההדפסה והתיעוד היו מינימליים בשל מחסור בקיבולת זיכרון. ה-PLC הוותיקים ביותר השתמשו בזיכרון ליבה מגנטית לא נדיפה.

ארכיטקטורה

PLC הוא בקר תעשייתי מבוסס מיקרו-מעבד עם זיכרון ניתן לתכנות המשמש לאחסון הוראות תוכנית ופונקציות שונות. זה מורכב מ:

• יחידת מעבד (CPU) המפרשת תשומות, מבצעת את תוכנית הבקרה המאוחסנת בזיכרון ושולחת אותות פלט,
• יחידת אספקת חשמל הממירה מתח AC לDC,
• יחידת זיכרון המאחסנת נתונים מכניסות ותוכנית לביצוע על ידי המעבד,
• ממשק קלט ופלט, שבו הבקר מקבל ושולח נתונים מ/אל התקנים חיצוניים,
• ממשק תקשורת לקליטת והעברת נתונים ברשתות תקשורת מ/אל PLC מרוחקים.

PLCs דורשים התקן תכנות המשמש לפיתוח ולאחר מכן להוריד את התוכנית שנוצרה לזיכרון של הבקר.

PLCs מודרניים מכילים בדרך כלל מערכת הפעלה בזמן אמת, כגון OS-9 או VxWorks.

עיצוב מכני

ישנם שני סוגים של תכנון מכני עבור מערכות PLC. קופסה בודדת, או לבנה (Break), היא בקר קטן שניתן לתכנות שמתאים לכל היחידות והממשקים למארז קומפקטי אחד, אם כי, בדרך כלל, זמינים מודולי הרחבה נוספים עבור כניסות ויציאות. סוג עיצוב שני - PLC מודולרי - כולל מארז (נקרא גם מתלה) המספק מקום למודולים בעלי פונקציות שונות, כגון אספקת חשמל, מעבד, בחירת מודולי I/O וממשקי תקשורת - שכולם ניתנים להתאמה אישית עבור יישום מסוים. ניתן לנהל מספר מתלים על ידי מעבד יחיד ועשויים לכלול אלפי כניסות ויציאות. נעשה שימוש בקישור קלט/פלט טורי מיוחד במהירות גבוהה או בשיטת תקשורת דומה, כך שניתן להפיץ מתלים הרחק מהמעבד, מה שמפחית את עלויות החיווט עבור מפעלים גדולים. זמינות גם אפשרויות להרכבת נקודות קלט/פלט ישירות למכונה ושימוש בכבלים לניתוק מהיר לחיישנים ושסתומים, תוך חיסכון בזמן בחיווט והחלפת רכיבים.

אותות דיגיטליים ואנלוגיים

אותות בדידים (דיגיטליים) יכולים לקבל רק ערך הפעלה או כיבוי (1 או 0, נכון או שקר). דוגמאות להתקנים המספקים אות בדיד כוללות מתגי גבול, חיישנים פוטו-אלקטריים ומקודדים.

אותות אנלוגיים יכולים להשתמש במתח או זרם שהם פרופורציונליים לגודל המשתנה המנוטר ויכולים לקחת כל ערך בסולם שלהם. לחץ, טמפרטורה, זרימה ומשקל מיוצגים לרוב על ידי אותות אנלוגיים. אלה מתפרשים בדרך כלל כערכים שלמים עם טווחי דיוק שונים בהתאם למכשיר ולמספר הביטים הזמינים לאחסון הנתונים. לדוגמה, כניסת לולאת זרם אנלוגית של 0 עד 10 V או 4-20 mA תומר לערך שלם של 0 עד 32,767. ה-PLC ייקח את הערך הזה ויעביר אותו ליחידות הרצויות של התהליך כך שהמפעיל או התוכנית יוכלו לקרוא אותו. אינטגרציה נכונה תכלול גם זמני סינון להפחתת רעש וכן מגבלות גבוהות ונמוכות לדיווח על תקלות. כניסות זרם רגישות פחות לרעש חשמלי (למשל מרתכים או התנעות של מנוע חשמלי) מאשר כניסות מתח. גם המרחק מהמכשיר ומהבקר מהווה דאגה שכן מרחק הנסיעה המרבי של אות 0-10 V באיכות טובה הוא קצר מאוד בהשוואה לאות 4-20 mA. האות של 4-20 mA יכול גם לדווח אם החוט מנותק לאורך הנתיב שכן אות <4 mA יצביע על שגיאה.

יתירות

כמה תהליכים מיוחדים צריכים לעבוד לצמיתות עם מינימום זמן השבתה לא רצוי. לכן, יש צורך לתכנן מערכת סובלנית לתקלות ומסוגלת להתמודד עם התהליך עם מודולים פגומים. במקרים כאלה כדי להגדיל את זמינות המערכת במקרה של כשל ברכיבי החומרה, ניתן להוסיף מודולי CPU או I/O מיותרים עם אותה פונקציונליות לתצורת החומרה למניעת כיבוי תהליך מוחלט או חלקי עקב כשל חומרה. תרחישי יתירות אחרים יכולים להיות קשורים לתהליכים קריטיים לבטיחות, למשל, מכבשים הידראוליים גדולים עשויים לדרוש משני ה-PLCs להפעיל פלט לפני שהמכבש יכול לרדת במקרה פלט אחד לא יכבה כראוי.

מה ללמוד כדי להפעיל PLC?

Controller Logic Programmable (PLC) הוא מחשב דיגיטלי תעשייתי המותאם לבקרת תהליכי ייצור. הפעלת PLC ביעילות דורשת ידע ספציפי נבדל מזה של RTU. להלן רשימה של נושאים שתצטרך לדעת וללמוד להפעיל PLC, למעט הנושאים שכבר כוסו עבור ה-RTU:

• שפות תכנות PLC:
  • Ladder Logic (LD): שפת התכנות הפופולרית ביותר של PLC, המזכירה דיאגרמות לוגיות ממסר חשמלי.
  • טקסט מובנה (ST): שפה בעלת מבנה בלוק ברמה גבוהה בדומה לפסקל.
  • תרשים בלוק פונקציות (FBD): ייצוג גרפי של פונקציות בין משתנים.
  • תרשימי פונקציות עוקבים (SFC): מספק תצוגה גרפית של זרימת הבקרה.
  • רשימת הוראות (IL): שפה דמויית הרכבה, ברמה נמוכה.
• ממשק אדם-מכונה (HMI): לימוד עיצוב והתממשק עם HMIs להדמיה ובקרה של תהליכי PLC.
• זיכרון PLC וסוגי נתונים: הבנת סוגים שונים של זיכרונות כמו זיכרון נתונים, זיכרון תמונה וזיכרון סיביות. היכרות עם סוגי נתונים כגון BOOL, BYTE, WORD, DWORD, INT, DINT, REAL וכו'.
• טיפול ב-I/O: הגדרת מודולי I/O דיגיטליים ואנלוגיים, הבנת כתובת I/O ועיבוד I/O בזמן אמת.
• טיימרים ומונים PLC: הבדל בין טיימרים שונים (TON, TOF, RTO וכו') לבין מונים (CTU, CTD וכו').
• PLC רשתות ותקשורת:
  • פרוטוקולי Ethernet תעשייתיים: Profinet, EtherCAT, Ethernet/IP.
  • ערוצים בשימוש: Profibus, DeviceNet, Modbus.
  • הגדרה, מענה ופתרון בעיות של רשתות תקשורת.
• תכנות פונקציונלי ומודולרי: יצירה ושימוש בלוקי פונקציות, בלוקי נתונים וספריות הניתנים לשימוש חוזר.
• מערכות בטיחות ובטיחות תקלות: הבנה כיצד ליישם PLCs בטיחותיים, פונקציות בטיחות משולבות ומודולים בטיחותיים.
• אבחון ופתרון בעיות מתקדמים: שימוש במאגרי אבחון, סיביות סטטוס ופונקציות מערכת כדי לאתר באגים ולפתור בעיות.
• אבטחת סייבר עבור PLCs: הגנה על PLCs מפני גישה לא מורשית, הבטחת תקשורת מאובטחת והבנת פגיעויות פוטנציאליות ואיומים ספציפיים ל-PLC.
• בקרת תנועה וכוננים: אם ה-PLC אמור להתממשק עם מערכות תנועה, תועיל הבנת סרוו, כוננים, מקודדים ואלגוריתמי בקרת תנועה קשורים.
• עדכוני קושחה וגיבויים: שמירה על עדכניות ה-PLC, הבנת תהליך העדכונים וגיבוי קבוע של תוכניות PLC.
• מדרגיות ו-PLCs מודולריים: הוספת מודולים נוספים, I/Os, או קישור של PLCs מרובים עבור מערכות בקרה גדולות או מורכבות יותר.

ניסיון מעשי מתמשך, בשילוב עם הכשרה פורמלית ומשאבים כמו מדריכים ליצרן, פורומים מקוונים ומדריכים, ישפרו באופן משמעותי את המיומנות של אדם שמטרתו להפעיל ולנהל PLCs ביעילות.