Sofistikované PLC systémy

Dříve se PLC automaty, jak tomu napovídá název (programmable logic controller), používaly zejména pro logické operace. Vzhledem k tomu, že u výrobních strojů byl kladen důraz na rychlost smyčky, nebylo možné z důvodu nízkého výkonu PLC automatů jejich využití k jiným účelům. Dnešní PLC, ať už hardwarové nebo softwarově emulované na PC dovolují již svým výkonem i funkcemi mnohem širší využití. Proto se velmi často setkáváme s jejich netradičním uplatněním, například pro jednodušší výpočty, řízení jakosti, řízení jednoúčelových strojů apod.

Možnosti využití PLC zvyšuje také velké množství rozšiřujících modulů, např. pro PWM řízení motorů (pulzně-šířková modulace), analogové vstupy a výstupy využitelné např. pro měření teplot a proporcionální řízení, moduly pro komunikaci (ethernet, RS 232, GSM, …), paměťové moduly, zobrazovací moduly aj.

V oblasti obráběcích strojů tvoří PLC systémy velice důležitou součást řízení. Mezi základní úkoly PLC automatů u číslicově řízených výrobních strojů (CNC) patří zejména zajištění bezpečnostních opatření, obsluha některých periferií a podpora obsluhy stroje. PLC v takovém případě velice úzce spolupracuje s řídicím systémem stroje, který odbavuje NC program a řídí pohybové osy, v některých případech je dokonce PLC implementováno přímo do řídicího systému stroje. V případě výrobních strojů či automatizovaných výrobních linek přímo řízených PLC automatem je situace podobná, ale navíc je zde do PLC pochopitelně začleněna ještě obsluha a řízení výrobního procesu.

PLC systémy však umožňují i více než běžnou obsluhu periferií či řízení jednoúčelových strojů. PLC systémy mohou při jejich vhodném naprogramování a vhodné volbě komponent sloužit také např. k identifikaci fyzikálního systému nebo vytvoření náhradního matematického modelu procesu či stroje. Tyto modely je možné v PLC systému odbavovat za běhu stroje a vypočtená virtuální data využít přímo k řízení reálného procesu jako doplněk k běžně používaným informacím. Návrhu takovýchto sofistikovaných PLC systémů je věnována ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (VCSVTT), Fakultě strojní, ČVUT v Praze, poměrně velká pozornost. Díky této technologii je totiž možné do běžného obráběcího stroje implementovat řadu pokročilých funkcí.
Záznam dat o provozu periferií v PLC

Vyšší hardwarové parametry umožňují PLC automatům nejen výpočet složitějších algoritmů, ale i ukládání většího množství dat. Proto jsou vhodné k dlouhodobějším záznamům i objemných datových struktur. Těchto možností bylo využito u CNC stroje k záznamu o spotřebě jednotlivých periferií, pohonů a spotřebičů spínaných PLC automatem. V tomto případě je využívána spolupráce integrovaného PLC s NC systémem obráběcího stroje. PLC zde zajišťuje mimo obvyklých úkonů také ověřování změn stavů spotřebičů a režimů stroje, zjišťování rychlosti vřetena a spotřeby jednotlivých pohonů os apod. Možností se nabízí velké množství. Tato informace se společně s časovým údajem ukládá do paměti PLC nebo na jiné záznamové médium, např. pevný disk, USB paměťové médium nebo jiné, pokud stroj tyto možnosti nabízí. V praxi je možné uložená data využít k analýze provozu, zatížení a spotřeby stroje a jeho částí, jak lze vidět například na obr. 1 a obr. 2. Na základě dat z analýzy lze následně provést optimalizaci řízení spotřebičů nebo jejich typu.

Tento program může na stroji fungovat, aniž by jakkoli omezil jeho funkce, a bez jakéhokoliv přidaného hardwaru (testováno na systému Siemens Sinumerik 840D SL). Pro jednodušší implementaci do již fungujících strojů je možné jako záznamové médium použít jiné PLC, které bude zasílaný data pouze ukládat. V tomto případě nejde o zásadní zásah do PLC i NC systému, a není tedy nutná delší odstávka stroje pro ladění PLC programu vzhledem ke specifickým podmínkám různých typů strojů.

Změny geometrie výrobních strojů v závislosti na teplotě lze s vysokou mírou přesnosti určit pomocí složitých MKP modelů. Tyto výpočty jsou však náročné i pro dnešní výkonné výpočetní stanice, a jejich „realtimové“ využití tak není v běžném průmyslu možné. Pro zrychlení výpočtu změny geometrie stroje způsobené teplotním chováním lze však s výhodou využít přenosových teplotních funkcí. Ty představují značné urychlení výpočtu a snížení náročnosti na množství použitých snímačů teploty (v některých případech lze teplotní snímače vynechat úplně a použít jen informaci o spotřebě jednotlivých zdrojů tepla). Značné urychlení výpočtu však neznamená, že jde o triviální funkce. U přesné výrobní techniky se musejí korekce polohy způsobené teplotním zatížením, a tudíž i příslušné výpočty, provádět v řádu sekund. Unikátnost tohoto řešení spočívá ve zjednodušení algoritmu modelu natolik, aby jej byl schopen PLC automat v CNC systému vykonat jednou za sekundu bez citelného prodloužení PLC smyčky. U tohoto řešení je tak bez nutnosti přidaného hardwaru zavedena do korekcí jednotlivých os hodnota předpokládané teplotní deformace vypočtená na základě modelu spuštěného v PLC.

Tímto postupem se na reálných strojích při testovacím provozu podařilo znatelně zvýšit přesnost obrábění i při měnících se řezných podmínkách a obrobcích.

Programovatelné automaty lze vybavit kromě klasických průmyslových periferií také multimediálními periferiemi. Ty mají za úkol pokud možno vytvořit uživatelsky přívětivé rozhraní mezi obsluhou a procesem, podobné těm, které jsou známé např. z tabletů a smartphonů. V takovýchto případech PLC obstarává nejen obsluhu řízeného procesu, ale také komunikaci se zobrazovacím médiem. PLC nejsou primárně uzpůsobeny k obsluhování grafických obrazovek, a proto využívají webových rozhraní nebo samostatných grafických periferií. Webové rozhraní PLC automatů je velmi podobné HTML webovým stránkám a běžnými webovými prohlížeči může být otevřeno a ovládáno. Ovládání a sledování procesu probíhá pomocí grafických interpretací displejů, kontrolek, zadávacích polí, přepínačů, spínačů, ale také ovládáním reproduktoru apod. V případě, že připojíme jak PLC, tak i zobrazovací jednotku do firemní nebo jiné sítě, lze grafické rozhraní sledovat i ovládat i z ostatních míst v síti (tzn. PC, tablet, smartphone, …). Díky tomu je možné sledovat a řídit procesy řízené PLC automatem z každého místa, kde se lze připojit na internet nebo intranet. Bezpečnost je zde zajištěna nutností přístupového hesla a uživatelského jména podobně jako u přístupu ke klasické e-mailové schránce. Navíc lze každému uživateli nastavit úroveň oprávnění. V praxi to znamená, že někteří uživatelé mají povoleno pouze sledovat průběh procesu, uživatelé s vyšší úrovní mohou do procesu zasahovat a s rostoucí úrovní oprávnění stoupají i možnosti ovlivňování procesu. Podobně lze pro dané úrovně omezit přístup do jednotlivých stránek v grafickém menu.

Vzhledem k tomu, že PLC nevytváří grafickou reprezentaci hodnot, ale pouze tyto hodnoty poskytuje spolu s návodem, jak je zobrazit (kód webového rozhraní), musí se pro zobrazování využít zobrazovací jednotka s vlastním výpočetním aparátem a komunikačním rozhraním. Pro tyto účely je k dispozici řada průmyslových displejů, ale plně postačí také běžné tablety, notebooky apod.

PLC je také vhodné pro řízení testovacích zařízení. Prioritou při provozování testovacích a experimentálních zařízení je vedle samotného řízení procesu také co nejdůkladnější diagnostika procesu. Tato zařízení bývají často vybavena řadou měřicích přístrojů, které jsou používány pro řízení procesu (měření výšky hladiny, teploty, otáček apod.) nebo jen informují o průběhu testů. Měřicí přístroje, jejichž hodnoty jsou využívány k řízení procesu, lze snadno zaznamenávat, protože s nimi PLC pracuje. Pro ostatní měřicí přístroje (informativní a přehledové) lze ve většině případů nalézt odpovídající ekvivalenty vhodné k připojení k PLC. Pokud budeme zapisovat všechny vstupní veličiny, spolu s akčními a výstupními, vznikne komplexní soubor o chování systému vhodný nejen k rozborům, ale také k ověřování simulací a výpočtů stejných nebo podobných procesů.

Ke snížení možnosti vzniku škod při experimentálních a testovacích provozech lze využít také hlášení havarijních nebo jim blízkých stavů e-mailem, SMS zprávou, zvukovým signálem apod. Zásahy obsluhy zde pak mohou být vykonávány buď na místě výkonu experimentu, nebo pomocí vzdáleného přístupu přes grafická rozhraní z ostatních míst ve firemní nebo jiné síti.

Pokud rychlost smyčky není dostačující pro zabezpečení všech funkcí, např. při nutnosti uzavírat smyčky pohonů při řízení procesu, je možné vytvářet aplikace s více PLC jednotkami, z nichž jedna je použita výhradně pro zabezpečení rychlých procesů a druhá pro řízení celku. V praxi to znamená, že první PLC automat má na starosti výpočet a zadávání parametrů pro polohování (cílová pozice, rychlost, zrychlení, dráha) spolu s bezpečnostními a dalšími opatřeními a druhé PLC obstarává pouze načítání cílových pozic a podle nich uzavírá zpětné vazby servopohonu. Komunikace mezi jednotlivými PLC automaty může probíhat na rozhraních RS, Ethernet apod.

PLC automaty v dnešní době dokážou mnohem více než v době svého vzniku. S větším výkonem a pamětí stoupá jejich výpočetní síla a s množstvím periferií se rozšiřuje okruh jejich využití. Bez nutnosti dalších finančních nákladů na nákup hardwaru tak lze na výrobním stroji nebo lince vytvořit nové funkce, které mohou zlevnit, zrychlit, zefektivnit anebo alespoň zpříjemnit výrobu.

Ing. Jiří Jančík, Ing. Jiří Švéda, Ph.D.

Ústav výrobních strojů a zařízení, VCSVTT, FS ČVUT v Praze
J.Jancik @rcmt.cvut.cz