Przekaźniki programowalne - wprowadzenie
| TechnikaWraz ze wzrostem złożoności systemu elektrycznego zwiększa się liczba funkcji realizowanych przez jego podsystem sterowania. W najprostszych przypadkach do realizacji tych funkcjonalności wystarczy obwód oparty na klasycznych przekaźnikach – technologia ta niezbyt dobrze sprawdza się jednak do implementacji zadań z zakresu automatyki. W przypadku konieczności realizacji niezbyt skomplikowanych funkcji tego typu dość atrakcyjnym rozwiązaniem są przekaźniki programowalne, czyli znacznie tańsze i mniejsze odpowiedniki sterowników PLC. W tekście przybliżone zostaną podstawowe zagadnienia związane z tą grupą urządzeń.
Przekaźniki programowalne to niewielkich rozmiarów urządzenia sterujące przeznaczone do wykonywania prostych zadań z zakresu automatyki. Do ich podstawowych zastosowań zaliczyć można systemy automatyki budynkowej (m.in. sterowanie oświetleniem, ogrzewaniem oraz klimatyzacją), kontroli dostępu oraz niewielkie instalacje przemysłowe. Świetnie sprawdzają się wszędzie tam, gdzie potrzebna jest realizacja nieskomplikowanych funkcji automatycznego sterowania – przede wszystkim w systemach z ograniczoną liczbą wejść/wyjść oraz brakiem konieczności obsługi wielu różnych protokołów komunikacyjnych.
Początki systemów automatyki przemysłowej
Przed upowszechnieniem przekaźników programowalnych i sterowników PLC podstawowym sposobem realizacji zadań z zakresu automatycznego sterowania były rozwiązania oparte na klasycznych przekaźnikach, przez co widok szaf sterujących pokaźnych rozmiarów nie stanowił rzadkości. Tego typu systemy charakteryzowały się bardzo niskim stopniem podatności na jakiekolwiek modyfikacje, ponieważ wymagało to fizycznej reorganizacji poszczególnych elementów – zmiany położenia przekaźników oraz wzajemnych połączeń między nimi. Zajmowało to sporo czasu, podczas którego system wyłączony był z użytku.
Rozwiązaniem tego problemu było pojawienie się na rynku współczesnych sterowników PLC. Tego typu urządzenia bardzo dobrze sprawdziły się w przypadku dużych i złożonych systemów, wciąż jednak bardzo często przegrywały rywalizację z klasycznymi przekaźnikami w mniej złożonych układach sterujących, głównie ze względów ekonomicznych. W odpowiedzi na ten problem w latach 90. XX wieku wprowadzono do użytku przekaźniki programowalne.
W porównaniu do sterowników PLC przekaźniki programowalne charakteryzują się mniejszą liczbą wejść/wyjść, brakiem obsługi protokołów komunikacyjnych (lub mocno ograniczoną liczbą obsługiwanych protokołów), lecz również znacząco niższą ceną.
Konstrukcja przekaźników programowalnych
Typowy przekaźnik programowalny składa się z kilku bloków funkcjonalnych:
- modułu wejściowego,
- jednostki centralnej,
- modułu wyjściowego,
- interfejsu użytkownika.
Moduł wejściowy to zbiór analogowych oraz cyfrowych portów wejściowych, do których można podłączyć sygnały z różnego rodzaju czujników oraz innych elementów systemu. Sygnały te stanowią dane wejściowe algorytmu sterowania.
Realizacja algorytmu sterowania to zadanie jednostki centralnej. Składa się ona zazwyczaj z mikrokontrolera, pamięci RAM oraz pamięci nieulotnej, w której przechowywany jest program użytkownika. Wiele modeli przekaźników pozwala na podłączenie zewnętrznych nośników pamięci, np. w postaci kart microSD.
Dane wyjściowe wygenerowane przez algorytm sterujący trafiają do modułu wyjściowego. Blok ten składa się z analogowych oraz cyfrowych portów wyjściowych, który stan kontrolowany jest przez program użytkownika.
Przekaźniki programowalne wyposażone są zazwyczaj w elementy interfejsu użytkownika, takie jak wyświetlacz oraz przyciski. Umożliwia to użytkownikowi podstawową komunikację z urządzeniem oraz odczyt jego stanu.
Przekaźnik wyposażony jest zazwyczaj również w dodatkowe zasoby sprzętowe oraz programowe, takie jak timery, liczniki, zegar czasu rzeczywistego, komparatory oraz potencjometr. Liczba oraz typ dostępnych zasobów zależą od modelu przekaźnika. Niektóre modele mają również możliwość rozbudowy poprzez montaż modułów rozszerzeń, wyposażonych w dodatkowe funkcjonalności.
Cykl pracy przekaźnika
Praca przekaźnika zorganizowana jest w tzw. cykl programu. Z reguły cykl ten składa się z następujących etapów:
- odczyt wejść,
- realizacja programu,
- aktualizacja stanu wyjść.
Na początku każdego cyklu przekaźnik dokonuje odczytu stanu wejść oraz zapisania ich wartości do dedykowanych obszarów pamięci. Dzięki temu w dalszej części cyklu program nie odwołuje się bezpośrednio do stanów wejść, lecz dokonuje odczytu kopii tych wartości zapisanych w pamięci systemu. Podobnie wygląda sytuacja z zapisem stanów wyjściowych. Podczas realizacji programu sterownik zapisuje stan wyjść w określonych obszarach pamięci, zaś pod koniec cyklu, po zakończeniu przetwarzania ostatniej instrukcji, przekaźnik dokonuje aktualizacji wyjść zgodnie z wartościami zapisanymi uprzednio w pamięci.
Języki programowania
Programowanie przekaźników pod względem formalnym zbliżone jest do programowania sterowników PLC, przy czym przekaźniki, z racji swojej uproszczonej konstrukcji, charakteryzują się zwykle mniejszą liczbą dostępnych opcji i możliwości. Skutkiem tego programy dla przekaźników również są z reguły znacznie prostsze niż ich odpowiedniki dla sterowników PLC.
Lista dostępnych instrukcji, składnia języka oraz ilość dostępnych sposobów programowania zależą od modelu przekaźnika. Co do zasady, wyróżnia się jednak dwa rodzaje języków programowania przeznaczonych do przekaźników programowalnych – języki tekstowe oraz graficzne. Znaczna część modeli wspiera wykorzystanie obu z nich.
Języki tekstowe
Języki tekstowe, jak na przykład STL (Statement List), to zbiory instrukcji obejmujących operacje logiczne, relacje oraz różnego typu funkcje przekaźnika (timery, liczniki, komparatory, itd.). Używanie języków tekstowych jest zazwyczaj bardziej efektywne, zaś struktura programu jest bardziej zbliżona do kodu wynikowego wykonywanego przez przekaźnik.
Struktura programu napisanego w języku STL to ciąg kolejno po sobie wykonywanych instrukcji. Każda instrukcja składa się zaś z symbolu instrukcji (np. AND, XOR, OR) oraz jej argumentu. Możliwe jest również definiowane nazw symbolicznych (np. dla poszczególnych portów wejścia/wyjścia), co poprawia czytelność programu.
Języki graficzne
W przypadku języków graficznych program składa się z poszczególnych bloków/elementów graficznych umieszczonych na schemacie. Najbardziej popularnym rodzajem języka graficznego dla przekaźników programowalnych oraz sterowników PLC jest LAD (Ladder Diagram). W języku tym struktura programu przedstawiana jest za pomocą tzw. schematów drabinkowych.
Poszczególne symbole (reprezentujące pojedyncze wejścia/wyjścia) umieszczane są w obwodach, te zaś rozmieszczone są w sposób podobny do szczebli w drabince – stąd nazwa języka. Kolejne szczeble drabiny, czyli obwody, odczytywane są podczas wykonania programu w kolejności od góry do dołu. Po zakończeniu odczytu najniższego szczebla, program ponownie startuje od górnego obwodu. Przykładowy schemat drabinkowy przedstawiono na rysunku 1.
Podsumowanie
Przełączniki programowalne charakteryzują się dobrym stosunkiem ceny do oferowanych możliwości. Pozwalają na realizację prostych funkcji z zakresu automatyki, dzięki czemu w wielu zastosowaniach stanowią atrakcyjną i ekonomicznie uzasadnioną alternatywę dla sterowników PLC. W dość dużym uproszczeniu przełączniki programowalne to w zasadzie sterowniki PLC ze stosunkowo małą liczbą wejść/wyjść oraz istotnie ograniczonym zakresem dodatkowych funkcjonalności i zasobów, jak np. wsparcie różnego typu protokołów komunikacyjnych. Pod względem obsługowym te dwa typy urządzeń również są do siebie mocno zbliżone – możne je programować za pomocą takich samych lub bardzo zbliżonych języków programowania, opartych na strukturze graficznej lub tekstowej.
Ograniczona funkcjonalność przełączników programowalnych z jednej strony jest ich zaletą – pozwala zredukować koszt tych urządzeń, z drugiej zaś stanowi pewną wadę – systemy oparte na tego typu urządzeniach nie są zbyt otwarte na możliwości dalszej potencjalnej rozbudowy. Niektóre modele przekaźników posiadają wprawdzie opcję dołączania modułów rozszerzeń, oferta dodatkowych funkcjonalności jest jednak wciąż znacząco mniejsza niż w przypadku sterowników PLC.
Warto zwrócić uwagę na fakt, że w ostatnich latach na rynku pojawiła się grupa produktów stanowiąca interesującą alternatywę dla przekaźników programowalnych – tzw. mikro PLC, czyli odchudzona wersja klasycznych sterowników przemysłowych. Po części wypełniają one lukę pomiędzy przekaźnikami programowalnymi a standardowymi sterownikami PLC – te pierwsze wciąż jednak znajdują zastosowanie w aplikacjach charakteryzujących się niskim stopniem złożoności.
Damian Tomaszewski
