Industriell Automasjon: En Omfattende Guide til PLS-programmering

Industriell automasjon revolusjonerer produksjon, energi, transport og utallige andre sektorer globalt. I hjertet av denne revolusjonen ligger den programmerbare logiske styringen (PLS), en spesialisert datamaskin som styrer og automatiserer industrielle prosesser. Denne guiden gir en omfattende oversikt over PLS-programmering, og dekker grunnleggende prinsipper, bruksområder, beste praksis og fremtidige trender.

Hva er en PLS?

En programmerbar logisk styring (PLS) er en digital datamaskin som brukes til automatisering av elektromekaniske prosesser, slik som styring av maskineri på fabrikksamlebånd, fornøyelsesparkattraksjoner eller lysarmaturer. PLS-er er designet for flere arrangementer av digitale og analoge innganger og utganger, utvidede temperaturområder, immunitet mot elektrisk støy, og motstand mot vibrasjon og støt. Programmer for å styre maskindrift lagres vanligvis i batterisikret eller ikke-flyktig minne.

I motsetning til generelle datamaskiner, er PLS-er spesifikt designet for industrielle miljøer. De er robuste, pålitelige og tåler tøffe forhold som ekstreme temperaturer, fuktighet og vibrasjon. Deres modulære design muliggjør enkel utvidelse og tilpasning for å møte spesifikke applikasjonskrav.

Hvorfor bruke PLS for industriell automasjon?

PLS-er tilbyr en rekke fordeler over tradisjonelle relébaserte styringssystemer, noe som gjør dem til det foretrukne valget for industriell automasjon:

Fleksibilitet: PLS-er kan enkelt omprogrammeres for å tilpasse seg endrede prosesskrav. Dette eliminerer behovet for omkobling, som ofte kreves med relébaserte systemer.
Pålitelighet: PLS-er er designet for tøffe industrielle miljøer og tilbyr høy pålitelighet og oppetid.
Kostnadseffektivitet: Mens den initiale kostnaden for en PLS kan være høyere enn for et relébasert system, veier de langsiktige kostnadsbesparelsene fra redusert nedetid, vedlikehold og energiforbruk ofte opp for den opprinnelige investeringen.
Diagnostikk: PLS-er gir avanserte diagnostiske muligheter som lar operatører raskt identifisere og feilsøke problemer.
Integrasjon: PLS-er kan enkelt integreres med andre industrielle automasjonssystemer, som Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA)-systemer og Menneske-maskin-grensesnitt (HMI).

Grunnleggende om PLS-programmering

PLS-programmering innebærer å lage et sett med instruksjoner som PLS-en utfører for å styre den automatiserte prosessen. Flere programmeringsspråk brukes ofte for PLS-programmering, inkludert:

Stige-logikk (LD): Stige-logikk er det mest brukte programmeringsspråket for PLS. Det er et grafisk språk som bruker symboler som ligner på elektriske relékretser. Det er lett å lære og forstå, spesielt for elektrikere og teknikere som er kjent med relébaserte systemer.
Funksjonsblokkdiagram (FBD): FBD er et grafisk språk som bruker funksjonsblokker til å representere forskjellige funksjoner, som OG, ELLER, timere og tellere. Det egner seg godt for komplekse kontrollapplikasjoner.
Strukturert tekst (ST): ST er et høynivå tekstbasert språk som ligner på Pascal eller C. Det er egnet for komplekse algoritmer og matematiske beregninger.
Instruksjonsliste (IL): IL er et lavnivå assemblerspråk. Det gir direkte tilgang til PLS-ens interne registre og minne.
Sekvensielt funksjonskart (SFC): SFC er et grafisk språk som representerer sekvensen av operasjoner i en kontrollprosess. Det er nyttig for å designe og implementere komplekse sekvensielle styringssystemer.

Stige-logikk programmering

Stige-logikk er basert på konseptet med "trinn" som representerer elektriske kretser. Hvert trinn består av inngangsbetingelser (kontakter) og utgangshandlinger (spoler). PLS-en skanner stige-logikkprogrammet fra topp til bunn og evaluerer hvert trinn. Hvis inngangsbetingelsene på et trinn er sanne, blir utgangsspolen aktivert. Her er et enkelt eksempel:

  --]( )--------------------( )--
  | Inngang 1              Utgang 1 |
  --]( )--------------------( )--

I dette eksempelet, hvis Inngang 1 er sann (f.eks. en sensor er aktivert), vil Utgang 1 bli aktivert (f.eks. en motor starter).

Funksjonsblokkdiagram-programmering

Funksjonsblokkdiagrammer (FBD) bruker blokker til å representere funksjoner som OG, ELLER, timere, tellere og PID-regulatorer. Innganger og utganger til disse blokkene kobles sammen for å skape en kontrollalgoritme. For eksempel:

     +-------+
Inngang1-->| OG    |--> Utgang
Inngang2-->|       |
     +-------+

Dette FBD-et viser en OG-port. Utgangen er bare sann hvis både Inngang1 og Inngang2 er sanne.

Strukturert tekst-programmering

Strukturert tekst (ST) tillater mer komplekse matematiske operasjoner og logiske uttrykk. Det ligner på et høynivå programmeringsspråk, noe som gjør det egnet for intrikate algoritmer.

IF Inngang1 AND (Inngang2 OR Inngang3) THEN
  Utgang := TRUE;
ELSE
  Utgang := FALSE;
END_IF;

Dette ST-kodeutdraget utfører en betinget operasjon. Hvis Inngang1 er sann og enten Inngang2 eller Inngang3 er sann, settes Utgang til TRUE; ellers settes den til FALSE.

Arbeidsflyt for PLS-programmering

Den typiske arbeidsflyten for PLS-programmering innebærer følgende trinn:

Definere applikasjonen: Definer tydelig prosessen som skal automatiseres, inkludert innganger, utganger og styringslogikk.
Velge PLS: Velg en PLS som oppfyller applikasjonens krav med hensyn til I/O-kapasitet, minne, prosessorkraft og kommunikasjonsevner.
Designe styringslogikken: Utvikle PLS-programmet ved hjelp av et passende programmeringsspråk (f.eks. stige-logikk, FBD, ST).
Simulere og teste: Bruk simuleringsprogramvare for å teste PLS-programmet og verifisere funksjonaliteten.
Laste ned og idriftsette: Last ned PLS-programmet til PLS-en og idriftsett systemet ved å teste det med den faktiske maskinvaren.
Vedlikeholde og feilsøke: Vedlikehold PLS-systemet regelmessig og feilsøk eventuelle problemer som oppstår.

Nøkkelkomponenter i et PLS-system

Et PLS-system består vanligvis av følgende nøkkelkomponenter:

CPU (Sentral prosessorenhet): "Hjernen" i PLS-en, ansvarlig for å utføre programmet og styre I/O-modulene.
Strømforsyning: Gir den nødvendige strømmen for å drive PLS-en.
Inngangsmoduler: Mottar signaler fra sensorer og andre inngangsenheter i felt. Eksempler inkluderer nærhetssensorer, trykksensorer og temperatursensorer.
Utgangsmoduler: Sender signaler til aktuatorer og andre utgangsenheter i felt. Eksempler inkluderer motorer, ventiler og lys.
Programmeringsenhet: Brukes til å lage, redigere og laste ned PLS-programmet. Dette er vanligvis en datamaskin som kjører PLS-programmeringsprogramvare.
Kommunikasjonsgrensesnitt: Lar PLS-en kommunisere med andre enheter, som HMI-er, SCADA-systemer og andre PLS-er. Vanlige grensesnitt inkluderer Ethernet, seriell og feltbuss.

PLS-applikasjoner i ulike bransjer

PLS-er brukes i et bredt spekter av bransjer og applikasjoner, inkludert:

Produksjon: Samlebånd, robotsveising, pakking, materialhåndtering og prosesskontroll. For eksempel, i bilproduksjon, styrer PLS-er roboter som utfører sveising, lakkering og monteringsoperasjoner.
Energi: Kraftproduksjon, distribusjon og overføring; olje- og gassproduksjon og raffinering; fornybare energisystemer. PLS-er overvåker og kontrollerer driften av kraftverk, og sikrer effektiv og pålitelig energiproduksjon.
Transport: Trafikkontrollsystemer, jernbanesignalering, bagasjehåndtering på flyplasser og automatiserte kjøretøy (AGV-er). PLS-er styrer bevegelsen av tog, og sikrer trygg og effektiv jernbanedrift.
Vann- og avløpsbehandling: Pumpestyring, ventilstyring og overvåking av vannkvalitetsparametere. PLS-er automatiserer behandlingsprosessen og sikrer rent og trygt vann for forbruk.
Bygningsautomasjon: VVS-styring, lysstyring, sikkerhetssystemer og heiskontroll. PLS-er optimaliserer energiforbruket og forbedrer komforten i bygningen.
Mat og drikke: Porsjonering, blanding, fylling og pakking. PLS-er sikrer jevn produktkvalitet og effektive produksjonsprosesser.

Beste praksis for PLS-programmering

For å sikre pålitelig og effektiv PLS-drift er det viktig å følge beste praksis for PLS-programmering:

Bruk en modulær design: Del opp PLS-programmet i mindre, gjenbrukbare moduler. Dette gjør programmet lettere å forstå, vedlikeholde og feilsøke.
Dokumenter koden din: Legg til kommentarer i PLS-programmet for å forklare funksjonaliteten til hver del av koden. Dette er avgjørende for vedlikehold og feilsøking.
Bruk meningsfulle variabelnavn: Bruk beskrivende variabelnavn som tydelig indikerer formålet med hver variabel.
Implementer feilhåndtering: Inkluder feilhåndteringsrutiner i PLS-programmet for å oppdage og reagere på feil.
Test grundig: Test PLS-programmet grundig før du distribuerer det i felt. Bruk simuleringsprogramvare for å teste programmet i et trygt og kontrollert miljø.
Følg bransjestandarder: Følg bransjestandarder og beste praksis for PLS-programmering, som IEC 61131-3.
Sikre din PLS: Implementer sikkerhetstiltak for å beskytte PLS-en mot uautorisert tilgang og cyberangrep.

SCADA- og HMI-integrasjon

PLS-er integreres ofte med Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA)-systemer og Menneske-maskin-grensesnitt (HMI) for å gi operatører en helhetlig oversikt over den automatiserte prosessen. SCADA-systemer samler inn data fra PLS-er og andre enheter, slik at operatører kan overvåke og kontrollere hele prosessen fra en sentral lokasjon. HMI-er gir et grafisk grensesnitt for operatører å samhandle med PLS-en og se prosessdata. De gjør det mulig for menneskelige operatører å overvåke og kontrollere industrielle prosesser effektivt.

For eksempel kan et SCADA-system i et vannbehandlingsanlegg vise sanntidsdata fra PLS-er som styrer pumper, ventiler og sensorer. Operatører kan bruke SCADA-systemet til å justere settpunkter, starte eller stoppe utstyr og overvåke alarmtilstander. HMI-et vil gi en visuell representasjon av anleggets layout, som viser statusen til hver komponent.

Fremtidige trender innen PLS-programmering

PLS-teknologien utvikler seg stadig for å møte kravene fra moderne industriell automasjon. Noen av de viktigste trendene innen PLS-programmering inkluderer:

Økt bruk av åpen kildekode-programvare: Åpen kildekode-programvare blir stadig mer populær i industriell automasjon, og tilbyr større fleksibilitet og tilpasning.
Skyintegrasjon: PLS-er kobles i økende grad til skyen, noe som muliggjør fjernovervåking, kontroll og dataanalyse. Dette muliggjør prediktivt vedlikehold og forbedret driftseffektivitet.
Forbedringer innen cybersikkerhet: Etter hvert som PLS-er blir mer tilkoblet, blir cybersikkerhet stadig viktigere. Produsenter implementerer sikkerhetstiltak for å beskytte PLS-er mot cyberangrep.
Edge Computing: Edge computing innebærer å behandle data nærmere kilden, noe som reduserer latens og forbedrer responstiden. Dette er spesielt viktig for applikasjoner som krever sanntidskontroll.
Kunstig intelligens (AI) og maskinlæring (ML): AI og ML brukes for å forbedre PLS-ytelsen og optimalisere industrielle prosesser. For eksempel kan AI-algoritmer brukes til å forutsi utstyrsfeil og optimalisere energiforbruket.

Opplæring og ressurser for PLS-programmering

For å bli en dyktig PLS-programmerer, er det viktig å få riktig opplæring og erfaring. Flere opplæringsalternativer er tilgjengelige, inkludert:

Nettkurs: Tallrike nettkurs tilbyr opplæring i PLS-programmering, og dekker ulike programmeringsspråk og PLS-plattformer.
Tekniske skoler: Fagskoler og yrkesskoler tilbyr kurs i PLS-programmering som en del av sine automasjons- og kontrollprogrammer.
PLS-produsentenes opplæring: PLS-produsenter tilbyr opplæringskurs på sine spesifikke PLS-plattformer.
Opplæring på arbeidsplassen: Opplæring på arbeidsplassen gir praktisk erfaring med PLS-programmering og feilsøking.

I tillegg til opplæring er flere ressurser tilgjengelige for å hjelpe PLS-programmerere:

PLS-produsentenes nettsteder: PLS-produsentenes nettsteder gir dokumentasjon, programvarenedlastinger og teknisk støtte.
Nettfora: Nettfora gir en plattform for PLS-programmerere til å stille spørsmål, dele kunnskap og samarbeide om prosjekter.
Bøker om PLS-programmering: Flere bøker gir omfattende dekning av konsepter og teknikker innen PLS-programmering.

Globale standarder og forskrifter

PLS-programmering og industriell automasjon er underlagt ulike internasjonale standarder og forskrifter. Noen viktige standarder inkluderer:

IEC 61131-3: Denne internasjonale standarden definerer programmeringsspråkene for programmerbare logiske styringer (PLS).
ISO 13849: Denne standarden spesifiserer sikkerhetskrav for sikkerhetsrelaterte deler av styringssystemer.
UL 508: Denne standarden dekker industrielt kontrollutstyr.
CE-merking: Denne merkingen indikerer at et produkt er i samsvar med EUs helse-, sikkerhets- og miljøvernstandarder.

Overholdelse av disse standardene og forskriftene er avgjørende for å sikre sikkerheten og påliteligheten til industrielle automasjonssystemer.

Konklusjon

PLS-programmering er en kritisk ferdighet for fagfolk innen industriell automasjon. PLS-er spiller en avgjørende rolle i å automatisere industrielle prosesser, forbedre effektiviteten og redusere kostnadene. Ved å forstå det grunnleggende i PLS-programmering, følge beste praksis og holde seg oppdatert på de nyeste trendene, kan ingeniører og teknikere effektivt designe, implementere og vedlikeholde PLS-baserte automasjonssystemer.

Fra samlebånd i bilindustrien til vannbehandlingsanlegg, transformerer PLS-er bransjer over hele verden. Etter hvert som teknologien fortsetter å utvikle seg, vil rollen til PLS-programmerere bli enda viktigere i å forme fremtiden for industriell automasjon.