Od relétek k mikropočítači aneb historie PLC
Průmyslová automatizace prošla za posledních několik desetiletí obrovským vývojem. Od mechanických reléových obvodů přes první programovatelné logické automaty až po dnešní virtualizované a síťově propojené systémy vznikl svět, bez kterého si moderní výrobu prakticky nelze představit.
PLC (Programmable Logic Controller — programovatelný logický automat) dnes řídí výrobní linky, roboty, dopravníky, chemické procesy, energetiku, čistírny odpadních vod, sklady, potravinářství i infrastrukturu budov.
Problémy reléové logiky
Před vznikem PLC byly výrobní technologie řízeny převážně pomocí pevně zapojených reléových logických obvodů. Každá změna výrobního procesu znamenala fyzický zásah do elektroinstalace:
- přepojování vodičů
- úpravy reléových polí
- změny dokumentace
- časově náročné hledání chyb
Reléové systémy měly řadu omezení:
- velké rozměry rozvaděčů
- omezenou flexibilitu
- opotřebení kontaktů
- citlivost na vibrace a znečištění
- složitou diagnostiku
- náročné změny výrobních sekvencí
Ve stále rychleji se měnící průmyslové výrobě začal být tento přístup neudržitelný.
Vznik PLC
Koncem 60. let hledala společnost General Motors nové řešení pro flexibilnější řízení výrobních linek v automobilovém průmyslu.
Skupina inženýrů definovala požadavky na nový typ zařízení:
- snadná změna logiky bez přepojování vodičů
- vyšší spolehlivost
- odolnost vůči průmyslovému prostředí
- jednodušší údržba
- modularita
Na základě této poptávky vznikl první komerčně úspěšný PLC systém společnosti Bedford Associates, známý jako Modicon 084, uvedený roku 1969.
Za jednoho z hlavních otců PLC bývá označován Richard Morley, který se významně podílel na návrhu celé architektury i principů programování.
Velkou roli ve vývoji PLC sehrála také společnost Allen-Bradley a inženýr Odo Josef Struger, který pomohl prosadit samotný termín „Programmable Logic Controller“.
Žebříčková logika (Ladder Diagram)
Jedním z důvodů úspěchu PLC byla volba programovacího jazyka Ladder Diagram (LD), známého také jako žebříčková logika.
Tento způsob programování vycházel z reléových schémat, která už technici a elektrikáři dobře znali.
Díky tomu bylo možné:
- snadněji přejít z reléových systémů na PLC
- rychleji diagnostikovat chyby
- lépe porozumět programu přímo na výrobní lince
- zjednodušit servis a údržbu
I dnes je Ladder Diagram jedním z nejpoužívanějších jazyků průmyslové automatizace.
Vývoj PLC v průběhu let
70. léta
- náhrada reléových systémů
- jednoduchá logika
- digitální vstupy a výstupy
- omezená paměť
80. léta
- analogové vstupy a výstupy
- PID regulace
- rozvoj komunikace
- větší modularita
90. léta
- Ethernet
- SCADA systémy
- distribuované I/O
- výkonnější CPU
2000+
- Industry 4.0
- Profinet, EtherCAT, OPC UA
- bezpečnostní PLC
- motion control
- integrace robotiky
Definice PLC
PLC je specializovaný průmyslový počítačový řídicí systém navržený pro nepřetržitý provoz v náročném prostředí.
Průběžně:
- čte stav vstupů
- vyhodnocuje uživatelský program
- řídí výstupy
- komunikuje s dalšími zařízeními
Moderní PLC dnes zvládají:
- digitální i analogové signály
- řízení pohonů
- bezpečnostní funkce
- kamerové systémy
- robotiku
- datovou komunikaci
- diagnostiku
- sběr dat pro MES a ERP systémy
Konstrukční typy PLC
Integrální PLC
Kompaktní zařízení obsahující CPU, napájecí zdroj a I/O v jednom celku.
Výhody:
- nižší cena
- kompaktní rozměry
- jednoduchost
Modulární PLC
Systém skládající se z jednotlivých modulů.
Výhody:
- vysoká rozšiřitelnost
- flexibilita konfigurace
- možnost redundance
- specializované moduly
Stohované PLC
Kombinace vlastností kompaktních a modulárních systémů.
PLC v moderní automatizaci
PLC dnes řídí:
- robotické buňky
- automobilové linky
- chemické procesy
- potravinářské provozy
- energetiku
- čistírny odpadních vod
- sklady a logistiku
- dopravní infrastrukturu
Významnou roli hraje také propojení s:
- HMI
- SCADA systémy
- MES systémy
- ERP systémy
- datovými analytikami
- cloudovými službami
IT a OT — dva světy, které se stále více propojují
S rozvojem průmyslové digitalizace vzniklo rozdělení mezi:
- IT (Information Technology)
- OT (Operational Technology)
Klasické IT se stará především o:
- firemní sítě
- servery
- e-mail
- kancelářské systémy
- bezpečnost dat
- virtualizaci
OT naopak řeší technologie přímo ve výrobě:
- PLC
- HMI
- SCADA
- průmyslové sítě
- robotiku
- výrobní linky
- provozní bezpečnost
V praxi se však oba světy stále více prolínají. Moderní výrobní systémy jsou síťově propojené a vyžadují spolupráci:
- IT administrátorů
- OT specialistů
- PLC programátorů
- údržby
- elektrotechniků
- výrobních inženýrů
V mnoha firmách právě údržba nebo PLC technici často řeší:
- základní síťovou diagnostiku
- komunikaci zařízení
- výměny komponent
- obnovu provozu po poruše
- diagnostiku linek
- spolupráci s IT při výpadcích infrastruktury
Právě rychlé obnovení provozu bývá v průmyslu kritické — odstávky mohou znamenat velmi vysoké finanční ztráty.
Budoucnost PLC — virtualizace a softwarové PLC
Dlouhou dobu byla PLC spojena téměř výhradně se specializovaným hardwarem. To se však začíná měnit.
Moderní trendy Industry 4.0 přinášejí:
- virtualizovaná PLC
- softwarová PLC
- edge computing
- cloudové řízení
- centralizovanou správu systémů
Virtuální PLC mohou běžet:
- na průmyslových serverech
- ve virtuálních strojích
- na edge serverech poblíž výroby
- v datových centrech
- částečně i v cloudu
Výhodou je:
- jednodušší škálování
- rychlejší zálohování
- vyšší flexibilita
- centralizovaná správa
- lepší integrace datových služeb
Současně ale přibývají nové výzvy:
- kybernetická bezpečnost
- latence komunikace
- spolehlivost sítí
- oddělení kritických systémů
- bezpečnost provozu
Velcí výrobci jako Siemens, Beckhoff, Phoenix Contact, Schneider Electric nebo Rockwell Automation už dnes nabízejí různé formy virtualizovaných nebo softwarových PLC řešení.
Přesto klasická hardwarová PLC pravděpodobně ještě dlouho nezmizí — zejména v aplikacích vyžadujících extrémní spolehlivost, deterministické řízení a jednoduchý servis přímo na výrobní lince.
Zajímavosti
- První PLC Modicon 084 vzniklo primárně pro automobilový průmysl.
- Název „084“ údajně odkazoval na interní číslo projektu.
- PLC často běží nepřetržitě desítky let.
- V mnoha továrnách stále existují funkční PLC z 80. a 90. let.
- Moderní PLC CPU mají výkon, který mnohonásobně překonává první průmyslové počítače.
- Bezpečnostní PLC dnes řídí například nouzové zastavení linek, ochranné dveře nebo bezpečnost robotických buněk.
- Rostoucím trendem je digitální dvojče (Digital Twin), tedy virtuální simulace výrobních zařízení.
Doporučené zdroje a literatura