PLC: opinie, oczekiwania, prognozy

Na początku tego roku redakcja Control Engineering Polska przeprowadziła wśród użytkowników – inżynierów automatyków z największych zakładów przemysłowych w Polsce badanie, którego celem było zdiagnozowanie tendencji pojawiających się na polskim rynku sterowników PLC

WYK. 1. Jak widać z powyższego wykresu, odpowiedzi na ankiety uzyskane zostały od najbardziej kompetentnych respondentów, jeżeli chodzi o wybór, zakup i wreszcie wykorzystanie sterowników w

praktyce

Przedstawione w niniejszym opracowaniu wyniki oparte są na blisko 150 wypełnionych przez czytelników CE – użytkowników sterowników PLC – ankiet. Pośród zawodów i stanowisk, obejmowanych przez respondentów znaleźć można: inżynierów automatyków / elektryków / energetyków, zajmujących się: projektowaniem, programowaniem, a następnie wdrażaniem i utrzymaniem ruchu już działających maszyn i linii produkcyjnych. Wśród respondentów byli również kierownicy działów, dyrektorzy, właściciele firm związanych z branżą automatyki przemysłowej. Odpowiedzi udzielali również pracownicy działów handlowych oraz inżynierowie działów badań i rozwoju. Na wybór / rekomendację modeli sterowników oraz ich późniejszy zakup wpływ (mniej lub bardziej decydujący) miało 81,2% ankietowanych (wyk. 1.). Na wybór modelu sterownika ma wpływ 43,9%, a 19,5% ankietowanych projektuje aplikacje opierając się na dostępnych na rynku sterownikach.

Ponad 13% jedynie obsługuje sterowniki w swoich firmach (podobnie jak w przypadku osób zaangażowanych w zakup sterowników, część obsługi może mieć, ale nie musi, wpływ na decyzję o wyborze konkretnego modelu sprzętu).

Języki programowania sterowników PLC

Język drabinkowy LAD (wyk. 2.) pozostaje niekwestionowanym liderem. Podstawowy język programowania, który porównać można do „abecadła” każdego automatyka, jest ciągle ważny i popularny – nikt spośród zapytanych nie przewidywał, by język ten zniknął w ciągu najbliższych lat z praktyki inżynierskiej. 

WYK. 2. Najczęściej używanym językiem programowania jest LAD

Inne języki zaczynają być coraz częściej używane przez programistów. Na polskim rynku 89,11% (USA – 96%) respondentów deklaruje znajomość języka schematów drabinkowych. Język bloków funkcyjnych znany jest przez 61,38% (USA – 42%) ankietowanych; język listy instrukcji przez 35,64% (USA – 17%). Język tekstu strukturalnego nie jest obcy 29,7% użytkowników na rynku polskim, podczas gdy w raporcie CE USA liczba ta sięga 20%. Nieco więcej użytkowników z Polski (18,81%) stosuje również do programowania sterowników język C (USA – 18%). W przypadku języków SFC (Polska – 16,83%, USA – 20%), CFC (Polska – 4,95%, USA – 25%) oraz języków opracowanych przez producentów dla swoich rozwiązań polscy inżynierowie nie wykazują już takiej aktywności.

Charakterystyka stosowanych obecnie sterowników PLC

Istotnym aspektem wyboru danego modelu sterownika jest liczba obsługiwanych przez niego punktów wejść / wyjść zmiennych procesowych. Wykres 4. pokazuje, że ponad jedna trzecia stosowanych obecnie na polskim rynku (również na amerykańskim) sterowników PLC to rozwiązania określane sterownikami mikro (od 15 do 128 punktów wejść / wyjść zmiennych procesowych). Najprostsze, a tym samym zwykle najtańsze sterowniki nano zajmują drugie z kolei miejsce. To, co rynek polski odróżnia od amerykańskiego, to liczba stosowanych sterowników „dużych”, obsługujących ponad 512 punktów wejść / wyjść (dane na temat sterowników dużych potraktować można jako ciekawostkę i nie należy nimi sugerować się zbytnio, obecnie bowiem coraz powszechniejsze staje się stosowanie rozproszonych systemów sterowania – przyp. autora). 

WYK. 4. Rozmiary stosowanych sterowników mierzone liczbą wejść / wyjść procesowych

Kolejną cechą sterownika programowalnego jest jego charakter. Wyróżniliśmy tutaj cztery rodzaje sterowników:

• proste, sterowniki klasyczne PLC (mające funkcje sterowania logicznego, co najwyżej PID) – 72,88% pośród ankietowanych;
• sterowniki dedykowane, w tym regulatory mikroprocesorowe – 13,9%;
• sterowniki bardzo zaawansowane, oparte na technologii PC – 9,94% (podczas gdy w USA stosuje je około 34% respondentów);
• zagnieżdżone systemy sterowania (embedded technology) – 3,28% (na rynku amerykańskim jest to około 39% zastosowań).

Każdy sterownik wymienia w jakiś sposób informacje ze sterowanym przez niego procesem. Służą do tego celu: moduły wejść / wyjść analogowych / cyfrowych, moduły komunikacyjne, moduły służące do realizacji w czasie rzeczywistym algorytmów regulacji ciągłej, moduły dedykowane do sterowania ruchem.

O tym, jakiego typu moduły wykorzystywane są przez respondentów w aplikacjach realizowanych z użyciem sterowników PLC, można przekonać się, analizując wyniki zamieszczone na wykresie 5. 

WYK. 5. Moduły stosowane w aplikacjach z PLC

Wykres 5. pokazuje, że pod tym względem polski rynek jest równie typowy, jak rynek amerykański – charakterystyczne jest jednak, iż na polskim rynku niewielu znajduje się jeszcze użytkowników, dla których sterowanie ruchem nie jest osobnym zadaniem automatyzacji, a kolejnym zadaniem – realizowanym przez sterowniki programowalne (27% ankietowanych potwierdziło fakt stosowania modułów sterowania ruchem dla PLC; USA – 54%).

Kolejnym, najczęściej wymienianym rodzajem modułów dla sterownika PLC są moduły komunikacyjne. Jakich protokołów komunikacji używamy najczęściej, jakie protokoły zaczną już niebawem odchodzić w zapomnienie – przedstawia porównanie sytuacji na polskim i amerykańskim rynku (wykres 6.). 

WYK. 6. Protokoły komunikacyjne w sterownikach PLC – aktualnie używane i plany na przyszły rok

Zastosowanie

Obecnie sterowniki PLC mają zastosowanie niemalże w każdej aplikacji sterowania w przemyśle. Typowym zastosowaniem sterowników programowalnych jest obudowa maszyn (zarówno w Polsce, jak i w ankiecie Control Engineering USA to właśnie zastosowanie wskazało 83% respondentów). Drugim, wskazywanym przez czytelników CE zastosowaniem jest sterowanie procesami ciągłymi (Polska – 68%, USA – 74%); ankietowani wykorzystują sterowniki również w budowie systemów monitoringu (53%). Wynik, analogiczny do tego zaprezentowanego na wykresie 5. (procentowe użycie modułów sterowania ruchem na rynkach polskim i amerykańskim), wynika z wypowiedzi ankietowanych na pytanie o aplikacje sterowników PLC – w Polsce 32% respondentów stosuje PLC do sterowania ruchem, podczas gdy w USA – 52%. Czytelnicy CE wskazali jeszcze na aplikacje sterowania produkcją wsadową (Polska – 27%, USA – 28%) oraz na sterowanie w instalacjach automatyki budynków – około 17%.

Z porównania z rynkiem amerykańskim wynikają dwa wnioski: na naszym rynku ciągle nie są jeszcze obecne protokoły komunikacji bezprzewodowej albo wdrażane są z opóźnieniem do rynków światowych; sterowanie ruchem z użyciem sterowników PLC też nie jest jeszcze głównym nurtem ich wykorzystania, choć użytkownicy wskazują budowę systemów sterowania maszynami jako główne zastosowanie PLC.

Wybór sterownika programowalnego PLC – dziś i jutro

W raporcie zeszłorocznym nasi czytelnicy zwrócili uwagę na szereg czynników, wpływających na wybór danego modelu sterownika programowalnego. Pośród czynników technicznych ankietowani wymieniali między innymi: funkcjonalność sterownika, jego konstrukcję mechaniczną, liczbę stosowanych modułów komunikacji, liczbę obsługiwanych wejść / wyjść procesowych.

Wśród czynników pozatechnicznych najważniejsze według czytelników były: wiarygodność dostawcy, całkowity koszt posiadania danego modelu sterownika, koszty eksploatacji aplikacji czy wreszcie poziom wsparcia technicznego dostawcy / producenta sprzętu. Według użytkowników dość istotne były również cena oprogramowania oraz koszty, jakie należy ponieść na programistę piszącego aplikację na dany model sterownika.

Podczas badań na potrzeby niniejszego raportu redakcja CE zapytała czytelników o poziom ważności wybranych czynników, wpływających na ich obecne wybory modeli sterowników.

Okazuje się, że najważniejszymi czynnikami – decydującymi o wyborze modelu sterownika PLC – są (ułożone według istotności czynnika):

• podtrzymywanie bateryjne programu sterownika (60%);
• wbudowane funkcje obsługi interfejsów komunikacyjnych (dla 47% jest to czynnik decydujący, 6% powiedziało, że czynnik ten jest nieistotny podczas wyboru PLC);
• całkowita pamięć sterownika (41%);
• funkcje regulacyjne, np. PID (40% ankietowanych twierdzi, że ich występowanie jest bardzo ważne);
• cena (dla 38% czytelników Control Engineering Polska jest bardzo ważna);
• czas skanu (szybkość obliczeń; 36% naszych czytelników podkreśla istotność tego czynnika);
• wbudowany zegar czasu rzeczywistego (27%);
• zabezpieczenie dostępu do programu sterującego – hasło (25%);
• wielozadaniowość (21%);
• wymienne kasety z pamięcią programu sterownika (10%);
• rozmiar / wymiary fizyczne (7%);
• obsługa funkcji związanych ze sterowaniem ruchem, interpolacja liniowa, kołowa etc. (7%);
• moduły do obliczeń równoległych (4%);
• pobór mocy (4%);
• możliwości pracy bezprzewodowej (3%).

Jakie czynniki będą – zdaniem respondentów – decydować o wyborze sterowników PLC w niedalekiej przyszłości? Ankietowani wymieniali bardzo wiele aspektów działania, które skłonią ich do podjęcia konkretnej decyzji, m.in.:

• dostępność środowiska symulacyjnego i możliwość podglądu sterownika w trybie RUN,
• zaufanie do znanego dystrybutora / producenta wynikające z wcześniejszych doświadczeń, kontaktów,
• uniwersalne oprogramowanie narzędziowe dla wszystkich systemów danego producenta (sterowanie / wizualizacja / sterowanie ruchem),
• wsparcie techniczne i szkolenia dystrybutora / producenta; dostępność wersji demonstracyjnej oprogramowania narzędziowego,
• elastyczne oprogramowanie, umożliwiające tworzenie własnych bibliotek, mające możliwości powielania kodu, przeadresowywania obszarów pamięci,
• diagnostyka wejść / wyjść,
• sterowniki obsługujące większą liczbę modułów zdalnych wejść / wyjść,
• łatwość instalacji sterownika,
• obecność szybkich wyjść różnicowych do sterowania serwonapędem lub silnikiem krokowym,
• dostępność ręcznych / przenośnych narzędzi programujących sterowniki,
• funkcje zaawansowane: obsługa liczb zmiennoprzecinkowych, funkcji trygonometrycznych, fuzzy etc.,
• ten sam dostawca, co dla innych stosowanych urządzeń automatyki,
• redundantne jednostki centralne sterowników, magistrali systemowych oraz nadmiarowe wejścia / wyjścia,
• sterowniki z zintegrowanymi wejściami / wyjściami (tzw. kompaktowe),
• sterowniki PLC mające funkcje webowe (obsługa e-mail, powiadamianie na telefon komórkowy, alarmowanie z użyciem SMS),
• poziom integracji HMI (czy sterownik ma wbudowany wyświetlacz lub/oraz klawiaturę / panel dotykowy),
• sterowniki mikro (15-128 punktów wejść / wyjść),
• wejścia / wyjścia PLC połączone w sieci z komputerami PC,
• dostępne poziomy zasilania,
• sterowniki oparte na technologii SoftPLC (sterowniki logiczne jako funkcje komputerów PC),
• sterowniki nano (mniej niż 15 punktów wejść / wyjść),
• sterowniki PLC z procesorami komputerów PC (rozwiązania hybrydowe).

Przyszłość sterowania

Coraz częściej spotyka się programowalne sterowniki automatyki (PAC – Programmable Automation Controllers), jak również systemy sterowania oparte na technologii PC (PC – based control) – wykorzystujące sterowniki funkcjonujące jako jedno z zadań komputera PC – softPLC, softCNC oraz inne.

Redakcja CE zapytała respondentów, co sądzą o tych nowoczesnych rozwiązaniach; zdaniem wielu ekspertów stanowiących kolejny krok w ewolucji sterowników programowalnych (ich elastyczność pozwala na realizację systemu sterowania o funkcjonalności, do tej pory zarezerwowanej jedynie dla symulacyjnych programów komputerowych).

W przypadku programowalnych sterowników automatyki świadomość czytelników jest dość wysoka (wyk. 8.): jedynie 22% pytanych o sterowniki PAC nie wiedziało, co ten skrót oznacza i tym samym nie mogło odpowiedzieć na postawione pytanie (USA – 18%). 27% naszych czytelników, którzy brali udział w ankiecie, nie widzi na razie potrzeby sięgania po tego typu rozwiązania (USA – 38%); ale już 26% respondentów zadeklarowało, że w niedługim czasie ma zamiar sięgnąć po jeden z dostępnych na rynku programowalnych sterowników automatyki – w celu budowy systemu sterowania (w przypadku czytelników z USA taką deklarację podjęło 22%). Zdaniem odpowiednio 25% z Polski i 22% czytelników CE USA zauważa, że obecnie coraz częściej programowalne sterowniki automatyki PAC wypierają z rynku klasyczne sterowniki PLC lub że uzupełniają ich wykorzystanie w aplikacjach sterowania.

WYK. 8. 59% respondentów potwierdziło zwiększenie poziomu zakupów

Innym pojęciem – nieodłącznym współcześnie przy okazji poruszania problematyki związanej z systemami sterowania – jest technologia PC i oparte na niej sterowniki, które należą do grupy określanej mianem PC-based.

W przypadku wykorzystania sterowników opartych na technologii PC respondenci, którzy w blisko połowie (49%) zadeklarowali w niedługim czasie sięgnięcie po tego typu rozwiązania (11% ankietowanych nie wie, co dane określenie oznacza), zwrócili uwagę na kilka bardzo istotnych problemów: wysoka cena (19%), która wskutek rosnącej oferty obecnych na polskim rynku firm z całą pewnością ulegnie obniżeniu, doprowadzając tym samym do wzrostu konkurencyjności w stosunku do klasycznych sterowników PLC (17%); brak na polskim rynku pracy specjalistów, posiadających wiedzę i wyczucie w implementacji tego typu rozwiązań w aplikacjach przemysłowych (4%).

Ten ostatni argument również niebawem ulegnie najprawdopodobniej przedawnieniu – dostawcy sterowników PLC oraz bardziej zaawansowanych technologicznie systemów coraz częściej współpracują z polskimi uczelniami w aspekcie kształcenia nowej kadry inżynierskiej, dla której nowoczesne technologie w dziedzinie sterowania na potrzeby przemysłu powoli wypierające z rynku klasyczne sterowniki PLC, nie są już coraz częściej niczym nadzwyczajnym.

Rynek PLC – według dostawców

W przypadku sterowników można zaproponować podział na 3 grupy:

1. Proste sterowniki programowalne, przeznaczone do pracy jako system rozproszonych wejść / wyjść; zaprezentowane wyniki (wykres 4.) badań przeprowadzonych na rynku polskim pokazują, że te właśnie rozwiązania z uwagi na swoją niewygórowaną cenę i możliwości są bardzo popularne.

2. Sterowniki PLC z zintegrowanymi panelami wizualizacyjnymi, które pozwalają na zaprojektowanie i realizację interfejsu HMI, czy nawet całego oprogramowania SCADA.

3. Programowalne urządzenia automatyki – PAD (Programmable Automation Devices) – szersza aniżeli sterowniki PAC klasa rozwiązań systemów sterowania, dzięki którym możliwa jest realizacja wielu zadań automatyzacji, w porównaniu do sterowników PAC wymagająca np. wykorzystania dodatkowych modułów, wzbogacających listę instrukcji CPU sterownika. Przez ten rodzaj sterowników rozumiemy sterowniki: pozwalające na sterowanie logiczne, regulację ciągłą (np. PID), sterowanie ruchem, implementację dowolnych algorytmów sterowania poprzez tworzenie własnych bloków funkcyjnych. PAD jest to sterownik programowany za pomocą kilku języków normy IEC 61131-3, pośród których występuje język tekstu strukturalnego ST; sterownik, dla którego programowanie aplikacji sterowania logicznego, sterowania ruchem, projektowania interfejsu użytkownika HMI (gdy sterownik ma panel) odbywa się za pomocą JEDNEGO wspólnego oprogramowania narzędziowego. PAD to sterownik, którego modułowa budowa odzwierciedla strukturą aplikację przemysłową od poziomu maszyn do jednostek zarządzania produkcją fabryki. PAD jest to sterownik, mający co najmniej dwa interfejsy komunikacji (np. port szeregowy oraz interfejs CAN), obsługiwane domyślnie przez jednostkę centralną – inne interfejsy mogą występować opcjonalnie.

Dynamiczny rozwój technologii sterowników PLC sprawia, że na rynku mamy obecnie trzy grupy rozwiązań (nie licząc rozwiązań opartych na technologii PC): proste sterowniki PLC, bardzo zaawansowane technologicznie sterowniki PAC oraz całą gamę rozwiązań, których funkcjonalność jest daleko większa od prostych sterowników PLC – właśnie sterowniki PAD.

Dostawców sterowników zapytano o zakres aplikacji, do jakich dane modele sterowników są najczęściej stosowane – czy są to:

• małe maszyny (typowe potrzeby to kilkadziesiąt dyskretnych I/O, szybki licznik jeden lub kilka, możliwość podłączenia urządzeń po ASCII, wbudowana komunikacja z falownikami…
• maszyny z kilkoma osiami, 2-4 osie, prosta implementacja funkcji motion, ilość dyskretnych I/O <100, możliwość podłączenia po sieci I/O oraz innych urządzeń typu wyspy zaworowe, falowniki, czujniki;
• proste sterowanie procesem, np.: oczyszczalnia ścieków, stacje uzdatniania wody itp., sterowniki z ilością pamięci ok. 100 dyskretnych I/O, kilkanaście analogowych I/O, łatwość komunikacji pomiędzy sterownikami i HMI, możliwość zmiany programu online;
• „duże procesy”, w tym sterowanie wsadowe (komunikacja z aparaturą pomiarową, możliwość obsługi wielu pętli PID i wielu sygnałów analogowych, łatwość tworzenia programu zgodnego z S88, S95, redundancja sprzętowa, redundancja magistral systemowych), możliwość zmiany programu online, możliwość rozbudowy systemu online, w tym np. dodawanie nowych modułów I/O lub modułów komunikacyjnych;
• systemy bezpieczeństwa oparte na standardowych komponentach od SIL1 do SIL3; również z redundancją We/Wy i diagnostyką We/Wy
• oraz o dodatkowe, unikalne funkcje tychże sterowników, wyróżniające proponowane przez nich modele rozwiązań od innych, dostępnych również na rynku.

Odpowiedzi na te pytania oraz zestawienie proponowanych w dwóch ostatnich kategoriach sterowników znajdziecie Państwo w tabelach na stronach 36–39, a także na stronie internetowej:

www.controlengoplska.com

Krzysztof Pietrusewicz

jest drem inż. Politechniki Szczecińskiej

w Instytucie Automatyki Przemysłowej

Opracowanie: Maciej Stanisławski

Autor: TEKST: KRZYSZTOF PIETRUSIEWICZ CONTROL ENGINEERING POLSKA