Działanie sterownika PLC

Działanie sterownika programowalnego polega na cyklicznym przywoływaniu i wykonywaniu ciągu instrukcji tworzących program użytkownika. Zadania te realizuje układ sterowania. Realizację programu opisuje rys. 4.2.8. Po załączeniu zasilania układ sterowania powoduje wyzerowanie liczników, elementów czasowych, pamięci wyników pośrednich i innych elementów oprócz elementów o pamięci trwałej. Odczytane na początku każdego cyklu pracy sygnały wejściowe zostają zapisane do pamięci wejść procesowych (ang. Process Image Input). Instrukcje programu użytkownika załadowane są w uporządkowany sposób do pamięci programu. Są tam ulokowane w kolejności wprowadzenia, w innych rozwiązaniach według numeracji linii programu.

Układ sterowania wybiera kolejne adresy z pamięci programu, przywołuje odpowiadające im rozkazy i dokonuje przetwarzania sygnałów pamiętanych w pamięci wejść procesowych. 

Rys. 4.2.8. Realizacja programu przez sterownik PLC

Uzyskane wyniki podawane są do pamięci wyjść procesowych (ang: Process Image Output). Po wykonaniu instrukcji programu użytkownika sterownik sprawdza stan portów i realizuje zadania komunikacji. Kolejnym etapem pracy są testy i diagnostyka układu. Cykl pracy kończy zapisanie wyjść sterownika. Ogólny cykl pracy sterownika podaje rys. 4.2.9. 

Rys. 4.2.9. Cykl programowy (ang. = scan cycle) sterownika

Po zakończeniu cyklu następuje rozpoczęcie następnego. Cykliczne wykonywanie programu jest charakterystyczną cechą sterownika uwzględnioną w konstrukcji urządzenia. Nie wymaga stosowania instrukcji powtarzania programu. Aktualny tryb pracy sterownika wskazują wskaźniki stanu umieszczone na płycie czołowej (rys. 4.2.10.).

Rys. 4.2.10. Wskaźniki stanu umieszczone na płycie czołowej sterownika

Sterownik może znajdować się w dwóch trybach pracy: START lub STOP, które mogą być wybierane przy użyciu trójpołożeniowego przełącznika STOP/TERM/START umieszczonego pod górną przykrywką sterownika (rys. 4.2.7.). Wyboru trybu pracy można też dokonać przy użyciu programatora, gdy przełącznik znajduje się w położeniu TERM, gdyż tylko wtedy występuje proces komunikacji między PLC, a programatorem. Ustawienie przełącznika w pozycję RUN(START) lub STOP powoduje to, iż po wyłączeniu i ponownym załączeniu zasilania sterownik nie zmienia trybu pracy. Ponadto tryb pracy STOP jest automatycznie wybierany po ponownym zasileniu sterownika, gdy przełącznik był w pozycji TERM.

W trybie pracy STOP można:
– ładować program sterujący do pamięci sterownika,
– przeglądać i zmieniać zawartość rejestrów wewnętrznych sterownika,
– zmieniać parametry konfiguracyjne sterownika.

W trybie pracy RUN, gdy wykonywany jest program sterujący, nie można dokonać próby ładowania programu do sterownika.

Komunikacja sterownika z rządzeniami sterującymi i sterowanymi odbywa się poprzez wejścia i wyjścia sterownika. Sygnały wejściowe są podawane do sterownika poprzez transoptory o wysokiej klasie izolacji. Zapewnia to galwaniczną separację wejść sterownika i zapobiega przedostaniu się do jego wnętrza impulsów zakłócających. Sterownik prawidłowo rozpoznaje sygnały logiczne 0 lub 1 pojawiające się na jego wejściach, jeżeli sygnały te mają odpowiedni poziom. Sygnał logiczny 1 może ulec zafałszowaniu, jeżeli szeregowo z czujnikiem jest włączona zbyt duża rezystancja. Sytuacja taka występuje wtedy, gdy przewód łączący czujnik z wejściem sterownika ma zbyt mały przekrój lub gdy tranzystor wyjściowy czujnika jest niedostatecznie wysterowany. W takich sytuacjach prąd płynący przez transoptor wejściowy sterownika jest zbyt mały i sygnał logiczny 1 wytwarzany przez czujnik nie jest prawidłowo rozpoznawany przez sterownik. Sygnał logiczny 0 ulega zafałszowaniu wtedy, gdy przy sygnale logicznym 0 na wejściu sterownika pojawia się napięcie różne od 0 V. Tak jest wówczas, gdy do wejścia sterownika jest podłączony łącznik lub przewód o uszkodzonej izolacji. Na wyjściu transoptora pojawia się napięcie, którego poziom nie odpowiada sygnałowi logicznemu 0.

Sygnał ten jest wówczas błędnie rozpoznawany przez sterownik. Wszystkie wejścia sterownika są wewnątrz dodatkowo zbocznikowane obwodami RC, zabezpieczającymi sterownik przed zakłóceniami impulsowymi (przepięcia w sieci lub urządzeniu). Filtry RC wprowadzają pewne opóźnienie sygnałów, co oznacza, że aby sygnał został rozpoznany przez sterownik, musi utrzymywać się na jego wejściu przez określony czas.

Ze względu na cykliczne opracowywanie programu przez sterownik, czas ten powinien być również dłuższy niż czas trwania jednego cyklu programowego. Jeżeli sygnał wejściowy trwa krócej niż cykl programowy, to nie jest wpisywany do rejestru pośredniego i jest ignorowany
przez sterownik. Krótkotrwałe impulsy zakłóceniowe są zatem również ignorowane przez sterownik, o ile chwila ich wystąpienia nie zbiegnie się z odczytem danych z rejestru pośredniego. Wejścia sterownika są zasilane z własnego źródła napięciowego. Ze względu na to, że zwykle wszystkie transoptory wejściowe mają wspólny biegun ujemny (połączenie wewnątrz sterownika), na zewnątrz sterownika wyprowadza się tylko biegun dodatni źródła, który łączy się poprzez czujniki z wejściami sterownika. Na rys. 4.2.11 pokazano obwód wejściowy sterownika.

Rys. 4.2.11. Obwód wejściowy sterownika

Stopnie wyjściowe sterowników są różnych rodzajów, a mianowicie:

– wyjścia przekaźnikowe

Wyjścia przekaźnikowe zapewniają pełną separację galwaniczną wewnętrznych układów elektronicznych sterownika i obwodów wyjściowych. Przekaźniki są mechanicznymi urządzeniami łączeniowymi o ograniczonej żywotności. Żywotność przekaźników zależy od obciążenia zestyków
i wynosi od 500 000 do 3 000 000 cykli łączeniowych. Sterownik o wyjściach przekaźnikowych może sterować odbiornikami o stałym lub przemiennym napięciu znamionowym. Napięcie to nie przekracza zwykle wartości 230 V. W celu ograniczenia niebezpieczeństwa powstawania łuku elektrycznego na zestykach przekaźników, bocznikuje się je wewnątrz sterownika obwodami RC lub warystorami. W przypadku napięcia przemiennego, przy otwartych zestykach przekaźnika przez obwód RC płynie prąd, co może utrudnić sterowanie odbiorników. Dotyczy to głównie odbiorników „wysokoomowych" o niewielkiej mocy znamionowej. Stosując sterowniki z wyjściami przekaźnikowymi w obwodach prądu stałego, należy liczyć się z niebezpieczeństwem uszkodzenia zestyków przez łuki łączeniowe powstając przy wyłączaniu cewek (styczniki, silniki, elektrozawory). W celu ograniczenia tego niebezpieczeństwa równolegle do danej cewki należy włączyć diodę. Na rys. 4.2.12 pokazano sterownik z wyjściami przekaźnikowymi.

Rys. 4.2.12. Obwód wyjściowy sterownika z przekaźnikiem

– wyjścia tranzystorowe

Wyjścia tranzystorowe są stosowane tylko w przypadku zasilania odbiorników napięcia stałego. Zwykle napięcie to jest równe napięciu zasilania wewnętrznych obwodów sterownika (np. 24 V). Dopuszczalny prąd tranzystorów jest wystarczająco duży, by wysterować silniki małej mocy,
cewki zaworów elektromagnetycznych lub lampy. Do ochrony tranzystorów przed przepięciami powstającymi przy wyłączaniu cewek stosuje się diody. Podczas montażu sterownika należy zwrócić uwagę na biegunowość napięcia stałego podłączanego do jego wyjść. Sterownik z wyjściami tranzystorowymi pokazano na rys. 4.2.13.

Rys. 4.2.13. Sterownik z wyjściami tranzystorowymi

– wyjścia z triakami

Wyjścia z triakami stosuje się tylko w przypadku zasilania odbiorników prądu przemiennego, napięcie zasilania ma wówczas zwykle wartość 230V AC. Umieszczenie triaków wewnątrz sterownika pogarsza warunki chłodzenia, a to ogranicza dopuszczalny prąd triaka. Prąd ten jest wystarczająco duży, by wysterować cewki styczników i zaworów elektromagnetycznych. 

Triaki zabezpiecza się przed przepięciami obwodami RC lub warystorami. Transoptorowe sterowanie triaków gwarantuje galwaniczną separację wewnętrznych układów elektronicznych sterownika od obwodów wyjściowych. Sterownik z triakami na wyjściu pokazano na rys. 4.2.14.

Rys. 4.2.14. Sterownik z triakami na wyjściu

Żeby wybrać sterownik, który zostanie wykorzystany w konkretnej aplikacji należy zapoznać się z podstawowymi danymi technicznymi sterowników. Dane te podaje producent i zawarte są one w kartach katalogowych produkowanych przez niego urządzeń. Przykładową kartę katalogową pokazuje tabela 4.2.1.

Tabela 4.2.1. Dane techniczne sterowników

Opracowano na podstawie materiałów KOWEZiU.