Programovatelné logické automaty a jejich využití v topenářské praxi
V současné době se uplatnění chytrých elektronických zařízení šíří do všech oborů lidské činnosti a nevyhýbá se ani oblasti otopných soustav. Autor popisuje na příkladu, jak lze vhodně využívat programovatelné regulátory podle potřeb uživatelů. Bez zpětného uplatnění značného počtu měřených veličin v regulačním procesu nelze dosahovat vysoké účinnosti řízeného procesu a jeho možného maxima kvality. Hlavním smyslem použití regulátoru proto není forma „hračky ke koukání na barvy a čísla“, ale jako vstupní brána k zadání potřebných dat pro řízení a automatické udržování správných parametrů v procesu.
Recenzent: Vladimír Galád
Úvod
Programovatelné logické automaty (PLC = Programmable Logic Controller) jsou malé průmyslové počítače, používané při automatizaci technologických procesů. Od běžných počítačů se liší především odolnější konstrukcí, uzpůsobenou nasazení v prostředí náročném na teplotu, vlhkost či prašnost. Další odlišností je i zpracování programu, který běží v nekonečné smyčce.
Uplatnění nacházejí zejména jako řídicí jednotky malých technologických celků, jakými jsou např. hořáky, kotle, čerpadla, expanzní jednotky aj. Dalším významným použitím PLC je oblast regulace a sběru dat, často ve spojení s externím PC, se kterým jsou schopny obousměrné komunikace prostřednictvím různých propojení i protokolů.
PLC můžeme, podle konstrukce, rozdělit na kompaktní a modulární. Srdcem modulárního PLC je procesorová jednotka, která je prostřednictvím modulů rozšiřitelná o vstupy, výstupy, zdroje, komunikační prostředky, externí paměťová média popř. obrazovku. Kompaktní konstrukce může obsahovat všechny výše uvedené prvky v jednom celku.
Vstupy a výstupy
Pro připojení k externím čidlům a silovým prvkům disponují PLC vstupními a výstupními obvody. Ty můžeme, podle úrovně zpracovávaného signálu, rozdělit na digitální a analogové.
Digitální vstupy a výstupy
Jedná se o dvoustavové obvody pracující na principu zapnuto / vypnuto. Jsou však schopny pracovat s takovou rychlostí, že je možné jejich využití i pro měření kmitočtu či času na vstupu a pro pulzní šířkovou modulaci (PWM) na výstupu. To umožňuje např. energeticky efektivní regulaci otáček elektromotorů.
Výstupní obvody jsou dimenzovány pro tranzistorové spínání externích relé, často jsou však reléové kontakty integrovány přímo uvnitř PLC.
Napěťové úrovně logických vstupů a výstupů jsou odvozeny od napájecího napětí, které je většinou 24 V. To zaručuje jejich vysokou odolnost vůči vnějším rušivým vlivům. Je to také dalším rozdílem oproti použití PC s externím vstupně-výstupním modulem, kde dochází, ve snaze o snížení spotřeby, ke snižování napájecího napětí jednotlivých prvků, tedy i ke snižování rozhodovací úrovně logických obvodů.
Analogové vstupy a výstupy
Slouží k připojení vstupních čidel nebo pro generování řídicího napětí pro napěťově řízené výstupní silové prvky. Tyto obvody bývají programově nastavitelné buď jako napěťové, většinou v rozsahu 0–10 V, nebo proudové v rozsazích 0–20 mA, nebo 4–20 mA. To odpovídá úrovním používaným většinou průmyslových čidel a silových prvků.
Napájení
Jak již bylo uvedeno, napájení většiny PLC je 24 V. Zdroj může být součástí samotného PLC, většinou se však používá externí, jehož výkon se volí podle počtu a spotřeby externích prvků (čidel, relé, aj.).
Obrazovky
V řadě moderních PLC jsou používány dotykové obrazovky v průmyslovém provedení. Jsou tedy nejen odolnější ve srovnání s dotykovými obrazovkami běžných počítačů, ale jsou citlivé na libovolný hrot.
Programové vybavení
Vývojové prostředí pro tvorbu programů většinou dodává výrobce PLC a může být zahrnuto v jeho ceně. U složitějších systémů jde však o samostatnou položku ceníku. Samotné programování respektuje princip nekonečné smyčky. Na začátku každého programového cyklu se přečte stav vstupů a na konci se nastaví příslušné hodnoty výstupů.
Samostatnou kapitolou programování jsou obrazovky, ať už pouze výstupní, sloužící k poskytování informací o průběhu programu a stavu prvků soustavy, tak dotykové, které slouží k interaktivnímu ovládání a nastavování řízeného procesu. Zde hraje nemalou roli i grafický návrh vzhledu obrazovky. Na rozmístění, velikosti, tvaru a barevném provedení jednotlivých prvků závisí přehlednost poskytovaných údajů a uživatelská přívětivost zadávání hodnot.
Příklad
Jako praktická ukázka použití PLC v topenářském oboru byla zvolena řídicí jednotka expanzního automatu. Jde o zařízení zapojené v kotelně otopné soustavy a jeho funkcí je udržování konstantního tlaku v soustavě, odplyňování teplonosné látky a zároveň její automatické doplňování v případě úniku, např. v důsledku opravy některé z částí otopné soustavy.
Tyto základní funkce expanzního automatu byly řídicí jednotkou rozšířeny ještě o možnost ručního testování jednotlivých prvků automatu, diagnostiku jejich činnosti a diagnostiku činnosti celé otopné soustavy, včetně časového záznamu poruch. Dalším požadavkem bylo ovládání a nastavování prostřednictvím dotykové obrazovky.
Pro dané účely byl zvolen programovatelný logický automat IDEC SmartAxis Touch. Ten svými vlastnostmi i cenou plně vyhovoval zadání. Jediným omezením je relativně malé rozlišení dotykové obrazovky (100 x 240 pixelů), které se projeví pouze v servisním režimu, kdy se při nastavování hodnot nezobrazují odpovídající jednotky. Pro servisního technika je to však otázka prvního použití, příp. nahlédnutí do příručky.
Základem byl návrh uživatelského rozhraní, jehož forma je uvedena na obr. 1. V levé části je zjednodušené schéma expanzního automatu s informací o stavu jednotlivých prvků.
Popis uživatelského rozhraní:
- 01 Aktuální datum a čas
- 02 Nastavený tlak
- 03 Oblast vstupu do sevisního režimu
- 04 Akumulační nádrž exp. automatu
- 05 Horní (dolní) plovákový spínač
- 06 Indikátor výšky hladiny v nádrži
- 07 Snímač výšky hladiny v nádrži
- 08 Impulzní průtokoměr
- 09 Ventil doplňování vody
- 10 Čítač objemu doplňované vody
- 11 Indikátor plánované servisní kontroly
- 12 Aktuální tlak
- 13 Datum a čas následujícího odplynění
- 14 Snímač tlaku v soustavě
- 15 Ejektor a tlačítko nuceného odplynění
- 16 Ventil odpouštění tlaku
- 17 Doplňkový ventil odpouštění tlaku
- 18 Tlakový spínač
- 19 Tlačítko odblokování hlášení poruch
- 20 Čítač odplyňovacích cyklů
- 21 Čerpadlo
- 22 Tlačítko úsporného provozu
- 23 Oznamovací oblast
Z uvedeného příkladu je vidět, že ani nízké rozlišení obrazovky nemusí být viditelným omezením.
V provozním režimu umožňuje řídicí jednotka uživateli pouze spuštění nuceného odplynění soustavy mimo nastavený odplyňovací cyklus. Toho se využívá, po uvedení do provozu, nebo po delší odstávce, či opravě otopné soustavy. Dále může uživatel přepnout automat do úsporného režimu v období mimo topnou sezonu. Tento režim se od běžného provozu liší prodlouženým intervalem mezi odplyňováním.
Další funkce řídicí jednotky jsou dostupné pouze po vstupu do servisního režimu zadáním jména a hesla servisního technika (obr. 2). Po vstupu do servisního režimu zvolí technik jednu ze tří možností:
MAN – ruční ovládání
SET – nastavení
DIA – diagnostika
Ruční ovládání
Ruční ovládání (obr. 3) slouží ke kontrole funkčnosti jednotlivých prvků expanzního automatu, jejichž stav můžeme měnit dotykem na příslušný symbol. Můžeme tedy pouhým dotykem otevírat či zavírat jednotlivé ventily, nebo zapínat a vypínat čerpadlo. Stejným způsobem můžeme spustit nucené odplynění. Pro uvedení expanzního automatu do provozu, nebo pro napuštění soustavy můžeme dotykem na šipky ovlivnit hodnotu nastaveného tlaku v soustavě.
Při ručním provozu jsou hlídány všechny nastavené parametry stejně, jako při provozu a dochází tedy ke hlášení odpovídajících poruch, pokud je způsobíme ručně. Oproti normálnímu provozu však nedochází při poruše k zastavení činnosti automatu.
Nastavení
Nastavení parametrů (obr. 4) slouží servisnímu technikovi k zadání číselných hodnot provozních parametrů otopné soustavy, zejména tlaku, způsobu kontroly doplňování, intenzity odplyňování a poruchových časů. Zároveň slouží ke konfiguraci expanzního automatu, např. přiřazení doplňkového bezpečnostního ventilu odpouštění tlaku, doplňkového tlakového spínače, způsobu měření hladiny v zásobníku (plovákovými spínači, tlakovým senzorem či oběma) aj. Při zadávání číselných hodnot se pro každý zadávaný parametr otevře číselná klávesnice, na jejímž displeji se zobrazuje zadávaná hodnota (obr. 5). Po potvrzení se přenese do odpovídajícího pole.
Diagnostika
Je důležitým pomocníkem servisního technika. Zobrazuje počet činností jednotlivých prvků expanzního automatu včetně celkového času jejich funkce (obr. 6). To umožní technikovi sledovat stupeň zatížení, tedy i opotřebení odpovídajících spínacích relé, počet i dobu sepnutí ventilů, nebo chodu čerpadla.
Použitý PLC disponuje značnou velikostí paměti pro obsluhu jednotlivých obrazovek, která v uvedené aplikaci byla čerpána pouze z malé části. Proto může být volná paměť využita pro ukládání dat. Toho je využito pro záznam všech činností expanzního automatu i otopné soustavy. Zaznamenávají se běžné provozní činnosti, jako dočerpávání či odpouštění tlaku, nebo spuštění odplynění. Pro servisního technika je však důležitější záznam všech poruchových stavů. Je zaznamenáno posledních 1000 událostí, zkušenému technikovi ale pro diagnostiku příčiny poruch stačí většinou záznam posledních pěti událostí. To v praxi znamená značné urychlení servisních zásahů.
Všechna hlášení řídicí jednotky lze paralelně ukládat na vloženou USB flash paměť a následně je vyhodnocovat na počítači. Toho lze využít pro statistické vyhodnocení dlouhodobého provozu.
Vzdálené hlášení
Pro hlášení stavu expanzního automatu a otopné soustavy je možno využít nejen relé spínajícího beznapěťový kontakt při poruše, ale kteroukoli z možností komunikace PLC. V uvedeném příkladu bylo použito ethernetového propojení po místní síti a pro sledování stavu byl vytvořen program do PC, který zobrazuje totéž, co dotyková obrazovka PLC. Z bezpečnostních důvodů nebylo využito možnosti nastavování řídicí jednotky stejnou cestou.
Závěr
Uvedený příklad názorně přibližuje možnosti PLC jako moderních a prakticky jednoduchých prvků průmyslové automatizace.
Programmable logic controllers and their use in heating practice
Nowadays the use of smart electronic devices spreads to all fields of human activity, including the sphere of heating systems. Author describes the example how to use programmable controllers according to users’ needs properly. High efficiency of process control and its possible maximum quality can´t be achieved without the retroactive assertion of an extensive number of measured elements in regulating process.
Therefore, the main purpose of a controller use is not just as a „colorful-digit gadget“, but as a data entry gateway necessary for correct parameters control and their automatic maintenance in the process.