02. fejezet – A PLC felépítése és csoportosítása

Az előző fejezetben megtudtad, hogy a PLC tárolt programú, ipari kivitelű digitális eszköz. Most nézzük meg belülről: milyen részekből áll, és hogyan dolgozik. A fejezet két kulcsfogalmat vezet be, amelyek a könyv további részét végigkísérik: a galvanikus leválasztást és a ciklikus programvégrehajtást a folyamatkép fogalmával.

Ez a fejezet az írásbeli vizsga „PLC felépítése, csoportosítása” témakörét (10%) fedi le, és alapot ad a „PLC hardware ismerete” témakörhöz (20%) is, amelyet a 7. fejezet folytat a WAGO CC100 konkrét adataival.

2.1 A PLC fő egységei

Bármilyen gyártótól származik is a vezérlő, ugyanazok a funkcionális egységek találhatók meg benne. A szakirodalom egybehangzóan a következőket sorolja fel:^{1 2 3}

A memória mérete a régebbi szakirodalomban szó (word) egységben szerepel: „1 kiloszó = 1024 × 16 bit”.³ Ma inkább kilobájtban vagy megabájtban adják meg — a 7. fejezetben látni fogod, hogy a WAGO CC100 memóriája már gigabájtos nagyságrendű.

2.2 Galvanikus leválasztás

A PLC olyan környezetben dolgozik, ahol mágneskapcsolók, motorok és frekvenciaváltók kapcsolnak nagy áramokat. Ha a külvilág vezetékei közvetlenül a processzor elektronikájához csatlakoznának, egyetlen tranziens feszültséglöket tönkretenné a vezérlőt.

A megoldás a galvanikus leválasztás: a jel nem vezetéken, hanem fényen keresztül jut át a bemeneti fokozatból a belső elektronikába. Ezt a feladatot az optocsatoló végzi, amely „továbbítja a belső elektronika felé (galvanikusan elválasztás)” a bemeneti jelet.³

Gyakorlati következmények, amelyeket a bekötésnél érezni fogsz (7. fejezet):

• a bemenetek és a kimenetek külön tápellátást kaphatnak, sőt jellemzően kapnak is;
• egy hibás bekötés a külső oldalon nem feltétlenül teszi tönkre a CPU-t;
• a leválasztás nem véd minden ellen: a tápfeszültség felcserélése vagy túlfeszültség továbbra is károsíthatja a modult.

2.3 A ciklikus programvégrehajtás

Ez a fejezet — sőt az egész könyv — legfontosabb működési elve. A PLC-program nem úgy fut, mint egy hagyományos számítógépes program, amely elindul, lefut és véget ér. A PLC-program körbe-körbe fut, végtelenítve, amíg a vezérlő RUN állapotban van.

Egy tipikus ciklus így épül fel:¹

„Egy tipikus PLC ciklus azzal kezdődik, hogy a CPU beolvassa a bemenetek státuszát. Ezután a PLC programja kerül végrehajtásra. A program végrehajtása után a PLC elvégzi a belső diagnosztikai és kommunikációs feladatokat. Végül a CPU frissíti a kimenetek státuszát.”

2.4 A folyamatkép (process image)

Az előző pontban kétszer is szerepelt a folyamatkép. Ez a fogalom annyira fontos, hogy külön pontot érdemel — a kezdők egyik legnagyobb „aha-élménye” szokott lenni.

A régebbi szakirodalom a végrehajtást három fázisban írja le, és megnevezi a két memóriaterületet:²

1. a bemeneti értékek beolvasása a Process Input Image (PII) területre;
2. a felhasználói program futtatása;
3. a Process Output Image (PIQ) kiíratása a kimeneti egységekre.

Ennek két, gyakorlatilag nagyon fontos következménye van.

Az első: a bemenet értéke egy cikluson belül nem változik meg. Ha a program elején megvizsgálod egy érzékelő állapotát, majd húsz sorral lejjebb újra, ugyanazt az értéket kapod — akkor is, ha közben a valóságban átbillent. Ez nem hiba, hanem tervezett viselkedés: így a program konzisztens pillanatképet lát a folyamatról, és nem fordulhat elő, hogy ugyanaz a feltétel a program két pontján ellentmondóan viselkedik.

A második: a kimenet nem azonnal kapcsol. Ha a program közepén igazra állítasz egy kimenetet, majd a végén hamisra, a fizikai kimenet soha nem fog bekapcsolni — mert a kapcsokra csak a ciklus végén, a PIQ tartalma alapján kerül ki az érték. A programon belüli „villogás” nem jut ki a valóságba.

2.5 Ugyanez a CODESYS-ben: a task

A ciklikus végrehajtást a CODESYS-ben a task fogalma írja le. A gyártói dokumentáció meghatározása szerint:⁴

„A task is the chronological flow unit for your IEC program. The task defines the call chain of your POUs (call hierarchy).”

Magyarul: a task az IEC-program időbeli végrehajtási egysége, amely meghatározza a programegységek (POU-k) hívási láncát. Egyszerűbben: a task az, ami hívja a programodat — és a task beállításai döntik el, milyen gyakran.

A CODESYS öt task-típust ismer:⁵

A taskoknak prioritásuk is van: a lehetséges értékek 0–31, ahol a 0 a legmagasabb prioritás.⁵ Ha több task fut ugyanazon a processzormagon, a nagyobb prioritású (kisebb számú) előbb jut szóhoz; azonos prioritásnál a rendszer körbeforgó időszeletelést (round-robin) alkalmaz.⁵

Mi történik, ha a program nem fér bele a beállított ciklusidőbe? Erre való a watchdog (figyelőkutya). Ha a watchdog aktív, és a program túllépi a beállított időt, akkor a task „is halted with an error status (exception)”, és „the application in whose task the error occurred and its child applications are also halted” — vagyis a task kivétellel leáll, és vele leáll az alkalmazás is.⁵

2.6 Csoportosítás építési mód szerint

A PLC-ket többféleképpen csoportosíthatjuk. A vizsgán a leggyakoribb az építési mód szerinti felosztás.

A szakirodalom külön kiemeli a mikro PLC kategóriát is: ezek „mágneskapcsolónyi méretűek, 5–10 bemenettel”.³

2.7 Csoportosítás méret és alkalmazás szerint

Egy másik gyakori felosztás a kezelhető be- és kimenetek száma szerinti:¹

Alkalmazás szerint a szakirodalom egyfeladatos, többfeladatos és vezérlés-menedzsment rendszereket különböztet meg.¹ A gyakorlatban ez inkább a felhasználás léptékét írja le, mint a készülék felépítését.

2.8 Összefüggés a könyv többi részével

Érdemes már most látni, hova vezetnek a most tanult fogalmak:

Különösen a folyamatkép és a ciklikus végrehajtás kap még szerepet: a 18. fejezetben ezekből vezetjük le, miért van szükség élfigyelésre — ha ugyanis egy nyomógomb sok cikluson át igaz, akkor „egyszeri” hatást (például számlálást) csak az él érzékelésével lehet elérni.

Gyakorlatok

Összefoglalás

A PLC ugyanazokból a funkcionális egységekből épül fel gyártótól függetlenül: CPU, memória, tápegység, be- és kimeneti egységek, kommunikációs interfész, belső busz és programozó eszköz. A külvilág felé a be- és kimenetek galvanikusan leválasztva csatlakoznak, jellemzően optocsatolóval — ez védi a vezérlő elektronikáját az ipari környezet zavaraitól.

A program ciklikusan fut: bemenetek beolvasása → programvégrehajtás → belső feladatok → kimenetek frissítése, majd újra elölről. A program nem a kapcsokat olvassa, hanem a folyamatképet (PII/PIQ), ezért egy cikluson belül a bemenet értéke állandó, és a kimenet csak a ciklus végén kapcsol. Ez a ciklusidő fogalmához vezet: a vezérlő reakciója legrosszabb esetben csaknem két ciklusnyit késik.

A CODESYS-ben mindezt a task írja le, amely meghatározza a POU-k hívási láncát. Öt task-típus létezik, a prioritás 0–31 között állítható, ahol a 0 a legmagasabb, és a watchdog kivétellel leállítja a taskot, ha a program túllépi a ciklusidőt.

A vezérlőket építési mód szerint kompakt és moduláris kategóriába soroljuk; a méret és az alkalmazás szerinti felosztás tájékoztató jellegű, gyártófüggő. A könyv eszköze, a WAGO CC100, kompakt vezérlő.

Ellenőrző kérdések

1. Sorold fel a PLC fő funkcionális egységeit, és mondd meg mindegyikről egy mondatban, mi a feladata!
2. Mi a galvanikus leválasztás, és milyen alkatrész valósítja meg a bemeneti oldalon?
3. Nevezd meg a ciklikus programvégrehajtás négy fázisát a helyes sorrendben!
4. Mi a folyamatkép, és mi a PII és a PIQ közötti különbség?
5. Miért nem változik meg egy bemenet értéke a program futása közben?
6. Egy program a ciklus elején bekapcsol, a végén kikapcsol egy kimenetet. Mit fogsz látni a kapcson? Miért?
7. Mi a task a CODESYS-ben, és mit határoz meg?
8. Milyen tartományban állítható a task prioritása, és melyik érték jelenti a legmagasabb prioritást?
9. Mit tesz a watchdog, ha a program túllépi a beállított ciklusidőt?
10. Mi a különbség a kompakt és a moduláris PLC között? Melyikbe tartozik a WAGO CC100?

Tudáspróba

Válaszd ki az egyetlen helyes választ!

1. Melyik NEM tartozik a PLC alapvető funkcionális egységei közé? a) nyomtatóillesztő b) tápegység c) központi egység (CPU) d) bemeneti egység

2. A galvanikus leválasztás célja: a) a jel erősítése; b) a belső elektronika védelme, mert nincs vezetőkapcsolat a két oldal között; c) a ciklusidő csökkentése; d) a memóriaigény csökkentése.

3. A ciklikus végrehajtás helyes sorrendje: a) programvégrehajtás → bemenetolvasás → kimenetfrissítés → belső feladatok; b) kimenetfrissítés → bemenetolvasás → programvégrehajtás → belső feladatok; c) bemenetolvasás → programvégrehajtás → belső feladatok → kimenetfrissítés; d) belső feladatok → kimenetfrissítés → bemenetolvasás → programvégrehajtás.

4. A folyamatkép azt jelenti, hogy: a) a program közvetlenül a bemeneti kapcsokat olvassa; b) a kimenetek azonnal követik a program változóit; c) a vezérlő fényképet készít a gépről; d) a program a bemenetek és kimenetek memóriabeli másolatával dolgozik.

5. Ha a program a ciklus elején igazra, a végén hamisra állít egy kimenetet, akkor a fizikai kimeneten: a) semmi nem történik, mert a PIQ csak a ciklus végén kerül ki; b) rövid impulzus jelenik meg; c) a kimenet tartósan bekapcsol; d) hibaüzenet keletkezik.

6. A CODESYS-ben a task: a) egy változótípus; b) az IEC-program időbeli végrehajtási egysége, amely a POU-k hívási láncát határozza meg; c) a bemenetek memóriaterülete; d) a hálózati kommunikáció beállítása.

7. A task-prioritás lehetséges értékei és a legmagasabb prioritás: a) 1–10, a 10 a legmagasabb; b) 0–31, a 31 a legmagasabb; c) 0–31, a 0 a legmagasabb; d) 0–255, a 128 a legmagasabb.

8. A watchdog kioldásakor: a) a task figyelmeztetést ír a naplóba, de tovább fut; b) a vezérlő átvált szabadonfutó módba; c) a ciklusidő automatikusan megnő; d) a task kivétellel leáll, és az alkalmazás is leáll.

9. A kompakt PLC jellemzője: a) egyetlen házban tartalmazza a legtöbb funkcionális egységet, és rendszerint csak I/O-val bővíthető; b) a tápegység, a CPU és az I/O külön modulokban van; c) kizárólag analóg jelekkel dolgozik; d) nem programozható.

10. A méret szerinti PLC-besorolás (nano, mikro, közepes, nagy): a) nemzetközi szabvány rögzíti pontos határértékekkel; b) tájékoztató jellegű, a határok forrásonként és gyártónként eltérnek; c) csak moduláris vezérlőkre alkalmazható; d) a memória mérete alapján történik.

A megoldókulcs a B függelékben található.

A fejezet forrásai