PLC valik, ohutus ja kasutuselevõtt

PLC valimine

Rakenduse juhtimiseks valitakse PLC vajalike I/O arvu ja funktsionaalsuse alusel. Esimene oluline valik on tüübi valik: kompaktne, moodul-, kassett-, OPLC, tööstusarvuti, kaart- ja tarkvaraline PLC. Tüübivaliku otsus sõltub järgmistest kriteeriumidest [24]:

digitaal- ja analoogsisendite ja -väljundite arvust;
funktsiooni- ja spetsiaalsete moodulite arvust - ebatavalise rakenduse jaoks, võib vajalik olla suur arv spetsiaalseid lisamooduleid (nt servo- või sammmootori juhtimine);
nõutud mälumaht sõltub kirjutatud programmi pikusest. Enamus PLC programmeerimise keskkondadest on võimelised välja arvutama kasutaja programmi poolt tarbitavat mälumahtu;
programmi tsükliaeg – suured programmid või kiired protsessid vajavad lühemaid tsükliaegu (kiiremaid PLCsid). PLC programmeerimiskeskkond on võimeline välja arvutama tsükliaega. Tegelik tsükliaeg võib olla lühem, st et programmi reaalsel töötamisel jäetakse osa programmilõike vahele, kuna neid ei aktiveerita või ei täideta;
andmeside – jada- ja võrguühendused lubavad PLCd programmeerida, ühendada teiste PLCdega (andmete vahetamiseks) ning automatiseerimisseadmetega (nt sujuvkäiviti, sagedusmuundur, SQL server, operaatorpaneel, HMI puutepaneel jne). Andmesidevajadused määratakse rakenduse (automatiseeritava protsessi või masina) nõuetega;
tarkvara – programmeerimise ja teiste tarkvaratööriistade saadavus turul ja nende funktsioonid määravad programmeerimise ja veaotsingu lihtsuse;
konkreetses protsessis vajamineva PLC riist- ja tarkvara maksumus. Peale PLC ja selle moodulite maksumuse võib see sisaldada tarkvara, programmeerimis- seadme, kasutusjuhendite ja mõnikord ka koolituse hinda (maksumust).

PLC mudeli valikul saab lähtuda eespool loetletud üldnõuetest, kuid tihti tuleb arvestada ka teisi tegureid. Probleemid võivad tekkida, kui samas tehases kasutatakse eri protsesside juhtimiseks erinevate tootjate PLCsid. Erinevate PLCde kasutamine esitab operaatoritele ja teenindavale personalile suuri nõudmisi. Personal peab olema pädev kasutama erinevaid PLCd ja nende programmeerimistarkvarasid, lisaks sellele tuleb suurendada tehase laos hoitavate varuosade arvu. Iga PLC ei pruugi sobida ettevõtte protsesside juhtimiseks. Tavaliselt lähtuvad ettevõtted PLC mudeli valikul protsessispetsiifilistest nõuetest, kuid PLC perekonna valik tehakse kõrgemal tasemel. Tarnija valimisel tuleb peale PLC funktsionaalsuse lähtuda ka teistest kriteeriumidest. Nendeks võivad olla toodete kättesaadavus ja tarneajad, tehniline tugi ja koolitus, hinnatase ja kogemused töös vastava tarnijaga.

PLC ohutus

Tänapäeva automatiseeritud süsteemid (protsessid ja masinad) peavad olema ohutud kasutajale ja toodangule. Igas tehnilises süsteemis võib esineda mingi rike või viga. Rikete võimalust tuleks vähendada juba automatiseeritud süsteemi projekteerimise, ehitamise ja kasutuselevõtu etappides, hiljem on raskem ja ka kulukam ilmnevaid rikkeid kõrvaldada. Automatiseeritud süsteemid ei saa kunagi täielikult rikkevabaks ja seetõttu on ohutusnõuetega vaja arvestada juba projekteerimise etapil. [5].

PLCga juhitavate süsteemide rikked tulenevad andurite sisemistest riketest, ummistunud solenoidventiilidest, juhtmete purunemisest, lühistest või maalühistest põhjustatud vigastatud kaablitest. Väike osa riketest tuleneb PLC signaalimoodulite ja CPU elektroonika riketest [5], seega tuleb PLC programm kirjutada nii, et juhtimissüsteemis ilmnevad rikked ei viiks kogu süsteemi ohtlikku olukorda. See kehtib kogu juhtimissüsteemi (mis võib sisaldada teisi juhtimistehnoloogiaid nagu hüdraulilist, pneumaatilist või mehaanilist juhtimist) korral.

Algeline ohutus on võimalik saavutada kasutades ohutusseadmeid, näiteks hädaväljalülitusseadmeid (lülitid), kaitsevõret ja/või ohutuspiirilüliteid. Keerulisematel juhtudel tuleb kasutada spetsiaalseid (dubleeritud) juhtimisseadmeid ja andmesidesüsteeme (nt PROFIsafe). Selleks pakub Siemens spetsiaalseid tõrkekindlaid PLCsid, mida tähistatakse tähega F. Sellise PLC CPUd omavad kaht osa, mis töötlevad täiesti sõltumatult programmi erinevaid osi. Üks töötleb tavalist juhtimisprogrammi ja teine ohutusega seotud programmi. Ohutusega seotud programm kirjutatakse F LAD ja F FBD keeltes, mis võrreldes tava programmeerimiskeeltega omavad vähem andmetüüpe ja piiratud arvu käske. Need keelemoodulid tuleb eraldi osta.

Automatiseeritud süsteemi projekteerimisel ja ehitamisel tuleb arvestada erinevate määrustega. Masinatootjate jaoks on tähtsateks määrusteks masinadirektiiv 2006/42/EC, elektromagnetilise ühilduvuse (EMC) direktiiv 2004/108/EC ja madalpingedirektiiv 2006/95/EC. Protsessi automatiseerimisel tuleb arvestada ka muid Euroopa ja rahvusvahelisi standardeid.

Automatiseeritud süsteemi ohutuse jaoks on olulised järgmised sätted:

tuleb vältida ohtlikke olukordi, mis võivad vigastada inimest või masinat;
rikked juhtimissüsteemi sisendahelates (juhtmete purunemine, lühised või maa- lühised) ei tohi põhjustada süsteemi taaskäivitumist ning takistada selle peatamist;
pärast voolukatkestust ei tohi süsteem tahtmatult taaskäivituda;
rikete puhul peavad hädaväljalülitusseadmed ja ohutusepiirlülitid tööle jääma. Hädaväljalülituse aktiveerumisel tuleb automatiseeritud süsteemis saavutada võimalikult kiiresti kahjutu/ohutu seisund. Hädaväljalülitusseadme lähteoleku taastumisel ei tohi süsteem automaatselt taaskäivituda (käivitamieks tuleb kasutada eraldi nuppu). Juhtimissüsteemi hädaväljalülitusahel tuleb luua PLC juhtimissüteemist eraldi, kasutades selleks nt releesid (kontaktoreid);
kasutada tõrkekindlaid seoseid nt "Stopp" funktsiooni ja hädaväljalülituse juures. See tähendab, et täituri, anduri, lüliti jne signaal on alati 1, kui see ei ole aktiivne. Andurite ja/või nuppude aktiveerumisel, juhtme purunemisel või täituri lahtiühendamisel muutub täituri signaal 0 ja peatab süsteemi töö või tõkestab selle käivitamise;
kasutada blokeeringuid, et vältida soovimatuid süsteemi lülitustingimusi ja tõkestada seadme liikumist üle piiride. Vastastikku toimuvad liikumised (nt vasakule ja paremale) tuleks blokeeritakse elektriskeemis ja samuti PLC programmis. Liikumisteljele tuleks lisada piirlüliteid, mis mõjutavad otse mootori toiteahelat (katkestavad voolu);
kasutada liiasusega süsteeme. Automatiseeritava süsteemi ohtlikes kohtades tuleks kasutada rohkem kui ühte seadet (lüliti, andur, nupp jne). Nt võiks kasutada kahte ohutuspiirlülitit normaalselt avatud ja suletud kontaktidega telje ühes otsas, et jälgida selliseid rikkeid nagu juhtmete purunemist, vigast kontakti (normaalselt avatud kontakt ei sulgu või normaalselt suletud kontakt ei avane), lühist kahe juhtme vahel ning ühe lüliti riket (üks enam ei tööta);
kasutada varjestatud kaableid, et vältida soovimatuid signaaliväärtuse muutusi (digitaalsed I/O) ja eksitava väärtusega mõõtesignaale (analoog I/O);
kasutada häirefiltrit ja kondensaatorit võrgutoiteallika pingehäirete vältimiseks. Võrguhäire filter kaitseb ülepingete ja toitevõrgust tulevate häiresignaalide eest. Kondensaator salvestab enesesse elektrienergiat, mis tagab kontrolleri toite ka lühiajalise voolukatkestuse korral;
vastastikuse induktsiooni pinge tuleb kõrvaldada otse lähtepunktis, st mähise juures. Kasutada selleks summutusdioodi (ainult DC puhul), kondensaatorit (AC puhul) või varistori (pinge väärtusest sõltuv takisti);
"Start" funktsiooni võib teostada ainult siis, kui kaitsesignaalid näitavad süsteemi ohutut olekut;
süsteemi "Stopp" funktsioon omab eesõigust süsteemi "Start" funktsiooni ees.

Automatiseeritud süsteemi kasutuselevõtmisel tuleb jälgida ka ohutusnõudeid. Kasutaja programmi muutmine süsteemi töötamise ajal on sama mis juhtme vahetamine pinge all. See võib põhjustada süsteemis ootamatu reaktsiooni, mis võib vigastada inimesi ja/või hävitada seadmeid.

Kasutuselevõtmine

PLC programmid ei ole kunagi lõplikud; neis on alati võimalik teha parandusi ja kohandada uue süsteemi joaks või vastavalt kliendi muutunud nõudmistele.

Sageli on vaja programmi muuta isegi kasutuselevõtu ajal. Siiski tuleks programm valmis saada enne tehasekatsetuste algust. Kasutuselevõtu võib jagada neljaks sammuks:

riistvara kontroll;
tarkvara (juhtimisprogrammi) ülekandmine kontrollerisse ja testimine;
tarkvara optimeerimine;
kogu süsteemi kasutuselevõtmine.

Riistvara kontroll

Iga sensor, lüliti ja nupp on ühendatud spetsiifilise sisendiga ja iga täitur vastava väljundiga. Süsteemi projekteerimise ja ehitamise ajal ei tohi juhtmeid ja aadresse segamini ajada [8]. Tuleks kontrollida ka andurite ja täiturite asukohti süsteemis, et nad oleksid kindlasti õiges kohas.

Riistvare kontrollimise käigus aktiveeritakse väljundid katserežiimis. Seejuures peavad täiturid teostama neile määratud funktsioone.

Kui süsteemis tehakse muudatusi, tuleb ka dokumentatsioon uuendada (uuendada detailide/seadmete paigutuse jooniseid, nimekirju jne).

Tarkvara ülekandmine ja testimine

Enne süsteemi kasutuselevõttu tuleb programmis olevate vigade otsimiseks kasutada kõiki PLC programmi (virtuaalseid) testimistööriistu. Selliseks tööriistaks on STEP 7-s alamtarkvara S7-PLCSIM, mis simuleerib PLC tööd (virtuaalne PLC) ja võimaldab kasutaja poolt kirjutatud programmi katsetada. Selle meetodi kohaselt laetakse programm virtuaalse PLC virtuaalsesse CPUsse. Programmi täidetakse ilma reaalse PLCta. Kasutaja peab simuleerima sisendsignaalide muutusi ja jälgima, kuidas väljundid sellele reageerivad.

Mõnede firmade PLCd võimaldavad testida programmi reaalse PLC peal. Seadme juhtimisprogramm täidetakse ilma reaalsete sisendite ja väljundite külgeühendamiseta. PLC väljundite töötlemine leiab aset ainult PLC-väljundite protsessikuvas, kusjuures see ei ole seotud PLC füüsiliste väljunditega. PLC füüsilisi I/Osid ei uuendata PLC I/Ode protsessikuva abil (vastupidi ka ei tehta), seega väljastab see võimalust kahjustada masinaid või süsteemi osasid.

Pärast seda testitakse üksikuid programmi osasid ja süsteemi funktsioneerimist: käsitsi töötamine, seadistamine, individuaalsed jälgimisprogrammid jne ning lõpuks programmi osade vastastikust koostööd põhiprogrammi (OB 1) abil.

Süsteemi saab ja tuleks kasutusele võtta samm-sammult. Kasutuselevõtu ja vigade tuvastamise oluliseks aspektiks on programmeerimissüsteemi testfunktsioonide võimalused nagu näiteks ühesammurežiim või peatuspunktide seadistamine. Eriti tähtis on ühesammurežiim, kus PLC mälus olevat programmi täidetakse rida-realt või samm- sammult, niiviisi saab tuvastada kohe programmis esinevad vead.

Tarkvara optimeerimine

Kasutaja programme saab peaaegu alati pärast esimest katsekäivitamist täiustada. Oluline on, et mistahes parandused või muudatused tehakse mitte üksnes PLC programmis, vaid võetakse arvesse ka dokumentatsioonis [8].

Kogu süsteemi kasutuselevõtmine

See toimub osaliselt juba testimise ja optimeerimise etapil. Kui PLC-programmi ja dokumentatsiooni lõplik versioon on valmis, tuleb kontrolleri kõiki funktsioone (vastavalt automatiseerimise ülesandele) uuesti sammhaaval täita. Kui kogu süsteemi kasutuselvõtmisel ei ilmnenud ühtegi riket/viga, siis on süsteem valmis kliendile üleandmiseks.