תכנות PLC: סיכום טכני עם דוגמאות של Siemens‏

בקרי לוגיקה ניתנים-לתכנות (PLC) הם אלקטרוניקה מחוזקת-לעמידות מבוססת מיקרו-מעבדים החיונית לכל אוטומציה מודרנית, כולל:

• תעשיות עתירות-תהליכים של נפט וגז, גרעין, ייצור פלדה וטיפול בשפכים
• תעשיות עם דגש על בקרה של משימות בדידות - כולל אוטומציה כללית במפעלים, אחסון אוטומטי, אריזה, מזון ומשקאות, וייצור התקנים רפואיים

ביישומים אלה בקרי PLC‏ מותקנים מסורתית על מסילות DIN או בארונות בקרה עם חריצים להרכבת מודולים (שיש להם מעבדים להרצת פקודות לוגיקה והפעלה) עם מודולי הספקת-כוח משלימים, מודולי פונקציות ספציפיות-ליישום, ומודולי I/O‏ דיגיטליים כמו גם אנלוגיים.

בקרי PLC‏ הם כמובן לא האפשרות היחידה עבור בקרת אוטומציה. מערכות מבוססות ממסרים שומרות על ההכרחיות שלהן במגוון עצום של יישומים, ובקרי אוטומציה ניתנים-לתכנות (PAC) או מחשבים אישיים תעשייתיים (IPC), כמו גם מחשבים אישיים בפאנל (HMI עם אלקטרוניקת בקרה), הם חלופות אחרות עבור תכני מכונות ומערכות רבות הזקוקות לדרגות שונות של בקרה מבוזרת. בקרי PAC‏ ומחשבי IPC‏ הפועלים על מערכות ההפעלה Microsoft Windows מציעים גמישות תכנון עליונה.

כל אחת ממערכות הבקרה הללו מוגדרת ומתוכנתת עם תוכנה עם רמות תחכום מגוונות כדי להפוך את כל סוגי הבקרה למתקדמים וידידותיים-למשתמש יותר מתמיד. זה בתורו מאפשר לבוני מכונות OEM ומהנדסי מפעלים לבצע במהירות בניית מערכות ושדרוגים עם יעילות, פרודוקטיביות וחיבוריות IIoT מקסימליות.

הכלים לתכנת פקדים - כולל בקרי PLC‏

איור 1: בקרי PLC‏ מציעים את כל החוזקות של חומרה בנויה-במיוחד - כולל אמינות. לעומת זאת, בקרי PAC‏ מציעים גמישות גבוהה ביותר. כמה ספקים מאפשרים למהנדסים לתכנת את שני סוגי הבקרים באותה סביבת תוכנה מאוחדת. סביבות כאלה יכולות גם להקנות גישה בלתי-מוגבלת לכלי אוטומציה, הנדסה וניטור תפעולי דיגיטליים. (מקור התמונה: Siemens‏)

כמעט כל בקרי PLC‏ כיום מוגדרים ומתוכנתים באמצעות תוכנה מבוססת-PC. יצרנים גדולים עם היצע רחב של בקרת תנועה, חישה, הפעלה וממשקי מכונה ניתנים-לתכנות (בנוסף לאוטומציה כללית ומוצרי PLC) מאפשרים בדרך כלל תכנות של כל הרכיבים הללו בסביבות תכנות מאוחדות קנייניות משלהם - תוכנה תואמת-Windows מבוססת PC עם מודולי תכנון, הגדרת-תצורה, תכנות ואפילו הפעלה וניהול. זה נכון במיוחד כאשר מערך היצרן כולל היצע משולב-מראש - כמו מנועים חכמים או HMIs עם פונקציונליות PLC, לדוגמה.

בעוד שסביבות תכנות מאוחדות עשויות להרתיע מללמוד, הן מאיצות באופן דרמטי את תכנון המכונה.

אחד היתרונות של סביבות תוכנה כאלה הוא האופן שבו הן מספקות מסדי נתונים נטולי שגיאות וניתנים-לעריכה עם אפשרויות יישום אוניברסליות של שמות סימבולים, משתנים או תגים. אלו הם שמות אלפאנומריים הניתנים לקריאה אנושית המוקצים לכתובות של רכיבים (כולל בקרי PLC‏) ומשפרים את השימוש הישיר בכתובות רגיסטר מסובכות - מה שהייתה פעם פרקטיקה סטנדרטית. משלימים את תגי ההתקן הניתנים למיון ולחיפוש אלה הם תגי מכונה ועבודה אינפורמטיביים כמו גם תגים עבור פונקציות מכונה נפוצות כגון אוטומטי, ידני, מנוע פועל, תקלה או איפוס.

בדקו את תוכנת Siemens STEP 7 Totally Integrated Automation (TIA Portal), הכוללת מגוון חבילות ספציפיות-לשימוש ונגישה דרך סביבת ניהול התוכנה Siemens SIMATIC‏ (Siemens Automatic‏). תוכנת STEP 7 היא נוחה להמחשת הגישות הנפוצות ביותר לתכנות PLC, מכיוון שהיא התוכנה הנפוצה ביותר בעולם לאוטומציה תעשייתית - עם אימות נרחב של פונקציונליות ואמינות. לפי רוב ההערכות, בקרי PLC‏ של Siemens‏ הם בשימוש בכמעט שליש מכל התקנות PLC ברחבי העולם.

בעזרת תוכנה זו המהנדסים יכולים ליצור בקרת תהליכים, אוטומציה בדידה, ניהול אנרגיה, ראיית HMI, או סימולציה ותכנות דיגיטלי הקשורים לפונקציות של PLC ובקרים תעשייתיים אחרים. עבור בקרי PLC, תוכנת ההנדסה (STEP 7 (TIA Portal של Siemens‏ התפתחה מתוכנת SIMATIC STEP 7 של הדור הקודם כדי לתמוך בתכנות של בקרי S7-1200, S7-1500 ו-S7-1500 - כמו גם מעבדי I/O‏ ET 200SP ומעבדי דור קודם S7-300 (מרכיב נפוץ ביותר בתעשייה) יחד עם בקרי S7-400 ו- SIMATIC WinAC. מהדורות ברמה מקצועית וברישיון מיוחד של STEP 7 כוללות פונקציות נוספות, עורכי לוגיקה ושילוב של תוכנות הנדסיות מסורתיות.

אמנם זה מעבר לנושאי מאמר זה, אך ראוי לציין שחלופות בקרה תעשייתיות לבקרי PLC‏ רבי-פונקציות ניתנות להגדרה ולתכנות באמצעות תוכנה משלימה. האקוסיסטם הנרחב של פקדי Siemens‏ מספק דוגמאות רבות.

1. . מודולי הלוגיקה !LOGO‏ מספקים יישומי אוטומציה קטנים וצנועים כדי לגשר על הפער בין ממסרים ובקרים תעשייתיים מבוססי מיקרו-מעבד. הם מתוכנתים באמצעות תוכנת !LOGO‏ Siemens‏ עם תוכנת ההנדסה Soft Comfort‏, כלי הגישה !LOGO‏ ועורך האינטרנט !LOGO‏ עבור פעולת תכנון תצורה פשוטה.
2. מערכות בקרת תהליכים משתמשות במוצרי בקר Siemens SIMATIC PCS 7 הניתנים-לתכנות באמצעות תוכנת המערכת SIMATIC PCS 7.
3. מוצרי כוננים (מסילות), פאנלים ותיבות מחשבים אישיים תעשייתיים (IPC) עבור בקרות ומכונות מבוזרות הזקוקות לחיבוריות IIoT מסתמכים על מודולי התוכנה Siemens SIMATIC IPC, כולל IPC Image‏, Partition Creator‏; IPC DiagMonitor‏; IPC Remote Manager‏; IPC FirmwareManager‏; ו-SIMATIC Industrial OS‏.
4. ממשקי אדם-מכונה (HMI‏) המשמשים כמחשבים אישיים בפאנל עבור פקדים על-המכונה משתמשים בתוכנת (SIMATIC WinCC Unified (TIA Portal‏ כמו גם (SIMATIC WinCC (TIA Portal‏, WinCC Flexible‏, WinCC V7‏, WinCC OA‏, תוכנת דיאגנוסטיקת תהליכים ProAgent‏, תוכנת הודעות עבור התקנים ניידים, ועוד.

הבחירה בין בקרי PLC‏ SIMATIC‏ ובקרות מכונות אחרות מפושטת עם עוד יותר תוכנה - בצורה של כלי בחירה מקוון מבוסס ענן (או הגרסה הלא-מקוונת) השואלת מהנדסים לגבי הסידור הפיזי של תכן נתון (אם מצריך ארון בקרה או בקרה מבוזרת) ו:

• מספר ה-O‏/I‏ הצפויות כולל חיישנים, מתגים ומפעילים.
• שפת התכנות שבה יש להשתמש, בין אם דיאגרמת סולם (LD), שפת בקרה מובנית (SCL), או דיאגרמת בלוקי פונקציות (FBD‏); טקסט מובנה (ST) מתקדם יותר, תרשים פונקציות עוקבות (SFC‏) מבוסס-גרף, ותרשים פונקציות רציפות (CFC‏); או שפות מתקדמות יותר.
• רמת בקרת התנועה הנדרשת (כאשר ישים) - החל מבקרת מהירות ומיקום פשוטים ועד פיקה (Cam‏) אלקטרונית ובקרות קינמטיות מתקדמות.
• העדפת החומרה והאם תוכנת PLC הפועלת ב-IPC עשויה להיות המתאימה ביותר.

פרויקטים של תכנות PLC

תכנות PLC שנכתב בתוכנת ספק ה-PLC נכללת לעתים קרובות בפרויקטים. היא שייכת לפעולות ממוקדות ספציפיות-ליישום כגון:

• חימום, ערבוב, מילוי, מדידה והשקיה
• הזזה, היגוי, מחזוריות, מיקום ובלימה
• אחיזה, חיתוך, ניקוב ופריסה לפרוסות
• ריתוך, הדבקה, סימון וניפוק
• חישה, עקיבה, תזמון וחיווי

האפשרויות המתקדמות ביותר תומכות בתכנון דיגיטלי ובהנדסה משולבת, כמו גם בפעולה שקופה הנגישה בקלות דרך ממשקי HMI עם מסכים ספציפיים-למשתמש בפעולה. במילים אחרות, תוכנת PLC כזו יכולה לאפשר הצגת מידע PLC רלוונטי על צגים שונים כדי לשרת את צורכי המידע המגוונים של מפעילי מכונות, טכנאים, מנהלי מפעלים או אפילו מנהלי עסקים.

כלי סימולציה בתוך סביבות התוכנה של ספקי PLC יכולים גם להאיץ את זמן היציאה לשוק עבור מוצר נתון - ולהגביר את התפוקה של מוצרים מוגמרים. פונקציות ניהול הספקת-כוח ודיאגנוסטיקה משלימות את חבילת השיפורים מבוססי-תוכנה.

אימות וטעינת PLC עם תוכניות שנכתבו בתוכנה

איור 2‏: מערכות אוטומציה ו-SIMATIC PLC של Siemens‏ הוצגו לראשונה בשנות ה-50. כיום, מוצרי SIMATIC S7‏ (כולל רכיבי SIMATIC S7-1500 PLC‏ המוצגים כאן) התפתחו כדי לתמוך ביישומי אוטומציה תעשייתית שונים. (מקור התמונה: Siemens‏)

ליבת פונקציונליות ה-PLC האופטימלית היא איכות התכנות שלו. כל הקוד צריך לעמוד בסטנדרטים של תעשיית פיתוח-התוכנה והפרקטיקות הטובות ביותר. מעבר לכך, תהליכי אימות (הן ידניים והן אוטומטיים) יכולים לחשוף הכול, החל משגיאות קריטיות ועד לאי-יעילות בקוד. ראוי לשקול את התכנות של מוצרי SIMATIC S7. בתוך האקוסיסטם של Siemens‏, יישום Project Check‏ של TIA Portal‏ יכול להשוות אוטומטית קוד מסוים מול כללים שהוגדרו על ידי מדריך סגנון תכנות עבור בקרי PLC‏ ספציפיים אלה. לאחר מכן המהנדסים יכולים לייצא את תוצאות ההשוואה לקובץ XML או Excel. ניתן להוסיף מערכי כללים מוגדרי-משתמש (אפילו סוגים מורכבים) באמצעות ערכת פיתוח תוכנה Project Check (או SDK) ב-#‏C‏ או ב-(Visual Basic (.NET‏. SDK זה מוכיח בעיקר את סגנון התכנות.

טבלה 1: אימות של תכנות PLC יכול למנף גישות ידניות ואוטומטיות - כאשר האחרונה שימושית במיוחד עבור אימות הסגנון והטכניקה. (מקור הטבלה: Siemens‏)

לאחר שפרויקט המיועד עבור PLC נכתב ומאומת במלואו, יש לטעון אותו על אותו PLC. במקרים רבים, מחשב אישי (לרוב לאפטופ) מחובר באופן זמני ל-PLC באמצעות כבל Ethernet או מתאם מיוחד של PC USB ל-PLC COMM - כדי לטעון את התוכנה למיקרו-אלקטרוניקה של ה-PLC. לאחר מכן ה-PLC מתחבר לרכיבים המבוקרים באמצעות מודולי I/O. לאחר אימות נוסף בעת האתחול, ה-PLC מבצע את התוכניות שלו על ידי פקודה למפעילים (Actuators‏) המחוברים על הרשת (באמצעות סוגי אותות שונים) וביצוע התאמות בזמן-אמת בתגובה למשוב שהוחזר מהתקני השטח.

מדי פעם מכונה או תא עבודה אוטומטי ידרשו התאמה, איתור תקלה או תיקון - ו(באמצעות סוג כלשהו של חיבור מחשב אישי לתכנות ל-PLC) כדי לעקוף את תגובות ברירת המחדל של ה-PLC למשוב עם אילוץ. זה "מרמה" את ה-PLC לפעול כאילו משוב מסוים הוא בעל ערך כלשהו כשהוא לא - טקטיקה המופעלת כאשר יש לנקות את התחנות שבמורד הזרם של מפעיל לא-תקין, לדוגמה. פעמים אחרות, מכונה או תא עבודה עשויים לדרוש התאמה בשטח של הפרמטרים של ה-PLC המותקן באמצעות שינוי. התאמות כאלה חייבות להיות מיוחסות לטריגרים מתאימים, ערכי משתנים או טבלאות, מונים וטיימרים.

סיכום

עבודה עם המגוון העצום של היצע האוטומציה והבקרות התעשייתיות של Siemens‏ יכולה לספק למהנדסי התכנון הבנה מעמיקה יותר של אפשרויות הבקרה של ימינו - כולל PLC וסוגי חומרה אחרים. זה נכון ללא קשר למותג או תת-סוג החומרה שנבחר בסופו של דבר להתקנה עם אוטומטציה.