В началото бе…. PLC

РЕТРОВисокотехнологична автоматизация - специално издание на сп. Инженеринг ревю

В началото бе…. PLCВ началото бе…. PLC

Hачинът, по който се осъществяват много от индустриалните процеси днес, е резултат от дългогодишна изследователска и развойна дейност, насочена към подобряване на функционалността, управлението и организацията им. Потребността ражда изобретението и иновацията - това е принципът, който определя ежедневната работа на инженери и техници, разработващи индустриални технологии и процеси през 50-те и 60-те години на миналия век.

Нуждата от единно и категорично решение на множество разнородни проблеми и свързаните с тях разходи в производството по онова време е в основата на разработването и на програмируемия логически контролер (на англ. PLC - programmable logic controllers).

Съвременни приложения
Съвременните програмируеми логически контролери са базирани на микропроцесори. Днес те се използват буквално във всеки сегмент и подсектор на индустрията, а приложенията им са неизброими. Сред тях са: управление на машини и процеси, управление на задвижвания, управление на дискретно-непрекъснати (batch) процеси, диагностика и др.

PLC устройства се произвеждат и продават по целия свят като самостоятелен продукт от множество глобални доставчици на контролно оборудване. Множество компании произвеждат контролери и за OEM приложения.

Ранна история
Ранната история на програмируемия логически контролер започва от 60-те години, когато системите за управление са релейни. По онова време в диспечерските зали има цели стени с шкафове, препълнени с релета, клемни блокове и неизброимо количество кабели.

Тези системи срещат редица проблеми, по-съществените от които са следните: липса на гъвкавост при необходимост от разширение или изменение на технологичния процес; затруднено отстраняване на повреди, свързани със замърсени контакти, разхлабени връзки, несъответствия между остарелите планове на схемите и реалното им положение и т.н. Така назрява моментът за революционно решение на купищата проблеми, с които инженери и техници се сблъскват всекидневно.

Идеята за "стандартен машинен контролер"
В далечната 1968 г. Бил Стоун от отдела за разработка и производство на автоматичните скоростни кутии на Дженерал Мотърс представя на конференция доклад за проблемите с надеждността на производствените системи в техния завод.

В доклада той посочва и критериите, на които трябва да отговаря един “стандартен машинен контролер”, а именно:
• да елиминира нуждата от скъпо излизащата подмяна на старата релейна логика при изменения в поточната линия, свързани с внедряването на нови модели, а също така и като цяло да замени ненадеждните електромеханични релета;
• да намали времето на принудителен престой на машините при възникване на някакъв проблем в системата за управление и да може лесно да бъде програмиран на място с вече възприетата тогава релейна ладер логика (relay ladder logic);
• да има възможност за разширяване на обхвата и функциите, което значи да бъде с модулна архитектура и да могат да се подменят/добавят компоненти;
• да може да работи в промишлени условия, т. е. в замърсена среда, при влага, електромагнитни смущения и вибрации.

Надпреварата
Спецификацията с горните критерии е предоставена на четири фирми, които да разработят прототип на този “стандартен машинен контролер” - Allen-Bradley, DEC, Century Detroit и Bedford Associates. DEC предлага “миникомпютър”, който бива отхвърлен поради редица причини, но едно от най-сериозните му ограничения е статичната памет.

Allen-Bradley по онова време е сред водещите производители на релета и управления за двигатели и включвайки се в този проект, попада в положението да се конкурира със себе си в една от най-силните си области - електромеханичните релета. Предлага два прототипа, но и двата, макар и в различна степен, са били твърде обемни, твърде сложни и трудни за програмиране.

Печелившото предложение идва от страна на Bedford Associates и по-точно от колектив в състав Ричард "Дик" Морли, Майк Грийнбърг, Джонас Ландау, Джордж Швенк и Том Бойсевайн. Екипът и дотогава работи по проект за такова устройство с модулна и достатъчно здрава, надеждна архитектура, работещо по зададен алгоритъм, а не само по външни прекъсвания, и използващо пряко изобразяване на адресите на основната памет в кеш-паметта на процесора.

Това устройство е наречено 084 - поредният номер на проекта в Bedford. След като си осигурява достатъчна финансова поддръжка, този колектив се отделя и създава фирмата Modicon (от анг. MOdular DIgital CONtroller). Именно под наименованието “Modicon 084” през 1969 г. на Дженерал Мотърс е представен прототипът на програмируемо логическо устройство, изпълнено с полупроводникови елементи.

Modicon 084
Modicon 084 има три обособени части – процесорна платка, памет и логическо устройство, което изпълнява основния алгоритъм, зададен по правилата на релейната ладер логика (ladder logic). Освен това е проектиран с изключително здрава и надеждна конструкция, без вентилатори за охлаждане, плътно затворен, дори без ключ за включване и изключване.

Ричард Морли обяснява: “Нямаше вентилатори, не се допускаше външен въздух да влиза в системата, защото се бояхме от замърсяване или корозия. Представяхме си, че програмируемият контролер ще се монтира под шасито на камион, през цялото време ще е на открито и ще пътува от Тексас до Аляска. Искахме да оцелее при тези условия.

От друга страна, стоеше изискването той да обслужва някакво устройство, което да не зависи от климата и въобще да не се нуждае от поддръжка.” Именно Modicon 084 се смята за първия програмируем логически контролер, макар и създателите му да са го наричали просто “програмируем контролер” (programmable controller - PC).

Едно решение с много имена
Наименованието “програмируем логически контролер” (PLC) се въвежда малко по-късно от Одо Щругер от Allen-Bradley, където работата по това направление продължава, въпреки първите не особено успешни и неприети от Дженерал Мотърс прототипи. През 1971 г. Одо Щругер и Ернст Дамермът създават първия контролер на Allen-Bradley под наименованието Bulletin 1774 PLC.

Най-точен превод на български би трябвало да бъде “контролер с програмируема логика”, но отдавна в България е възприето понятието “програмируем логически контролер”. Има държави, които използват собствено название поради ред причини, включително и вследствие на оригинални собствени разработки.

В немскоезичното пространство могат да се срещнат със съкращението SPS (нем. speicherprogrammierbare Steuerung – управление чрез програмируема памет). Във Франция ги наричат “програмируем индустриален автомат” (съкр. API, от фр. automate programmable industriel). Но във всички случаи същността на устройството е една и съща.

Опитът на Modicon
Modicon набира опит и през 1973 г. пуска следващия много успешен модел PLC, Modicon 184. В първите години PLC се приемат много трудно. Дик Морли си спомня: “В началото имахме големи проблеми да убеждаваме хората, че една кутия със софтуер, макар и изработена от здрава стомана, би могла да свърши същата работа като 15 метра шкафове, натъпкани с релета и кабели”.

Той припомня и как през 1969 г. “всички компютри изискваха чиста, климатизирана среда, и въпреки това често се повреждаха”. “При това положение, макар че PLC бяха и са специализирани компютри с конкретни функции, полагахме специални усилия те да не бъдат отъждествявани с компютрите поради тяхната слаба надеждност и факта, че не са направени за работа в производствени условия”, добавя Морли. За разлика от компютрите по онова време, програмируемите логически контролери са проектирани така, че да бъдат надеждни.

След поредица от фирмени прехвърляния днес Modicon е собственост на Schneider Electric, като нейните контролери, наследници на разработките от 70-те, продължават да се предлагат под търговската марка Modicon.

Предизвикателства
Сериозен проблем при използването на ранните модели PLC е фактът, че за тяхното програмиране са необходими специализирани терминали. Тези терминали представляват голямо предизвикателство за хората, програмиращи PLC.

В това направление Скот Зиферер, съосновател на софтуерната фирма ICOM, и Нийл Тейлър, начело на собствена фирма за промишлен софтуер, започват да развиват програмирането за PLC и съответното документиране, като по този начин оказват огромно влияние върху промишлената автоматизация, каквато я познаваме днес.

Скот Зиферер съсредоточава усилията си единствено към продуктите на Allen-Bradley. “Исках да използвам компютър за програмирането на PLC и за съставяне на съответната документация, вместо специализирания терминал, който в Allen-Bradley наричаха Терминал Т-3. Те самите разработваха подобен проект, но го правеха твърде бавно”, споделя той.

Постепенно потребителите на Т-3 започват да работят много по-удобно с усъвършенствания потребителски интерфейс, разработен от ICOM. Този подход допринася за по-доброто възприемане на PLC на Allen-Bradley от страна на инженерите по КИП и А и техниците по поддръжката и така разширява полето на приложение на контролерите.

Фирмата на Зиферер е погълната от Rockwell Automation през 1993 г. Това става и с Allen-Bradley още през 1985 г., но произвежданите от Rockwell Automation програмируеми контролери продължават да се предлагат под същата търговска марка Allen-Bradley и до ден-днешен.

Нийл Тейлър се насочва към контролерите Modicon и по-точно към проблемите, свързани с тяхното програмиране. "Давах консултации по тази тема и виждах нуждата да се осъвремени създаването на диаграмите с ладер логика на чертожната дъска, което беше трудно и времеемко", разказва Тейлър.

Първоначално той се захваща с документирането и създава множество възможности за генериране на доклади и формати, които, макар и офлайн, спомагат за отстраняване на проблеми при работата на PLC. По-късно Тейлър създава и средства за онлайн наблюдение на изпълнението на програмния код от контролера.

Програмиране на PLC
Основна роля за унифициране на езиците за програмиране на PLC изиграва споменатият вече Одо Щругер от Allen-Bradley. По-късно той става и вицепрезидент по технологиите в Rockwell Automation. Негова е водещата роля при разработката на стандарта IEC61131-3, на който езиците за програмиране на PLC отговарят днес.

Съгласно този стандарт, те са четири:
• Списък с инструкции (Instruction List) - изглежда по същия начин като асемблера на микропроцесорите. Много рядко се използва днес от разработчиците.
• Структуриран текст (Structured Text) - по синтаксис прилича много на Pascal. Използва, например, функции за условен преход от вида if... then... else... И той се използва много рядко.
• Ладер диаграма (Ladder Diagram) - графичен език за програмиране на PLC, пряк наследник на релейно-контактните диаграми. Използва символи като реле, контакт, функционален блок и се оформя във вид на мрежа. Това е най-широко използваното от инженерите по КИП и А средство за програмиране. До неотдавна в България беше много разпространен софтуерът Modsoft за програмиране на контролерите Modicon. Всички програми за PLC в средата на Modsoft са написани именно чрез ладер диаграми.
• Функционални блокове (Function Bloc Diagram) - графичен език, в който функциите са представени във вид на правоъгълници - отляво са входовете им, а отдясно - изходите. Има набор от библиотеки с предварително готови програмирани блокове, но потребителят може да създава и програмира свои собствени блокове.

ЕКСКЛУЗИВНО
Top