6.4 PLS-systemer og programmering

Hjernen som aldri sover

Tenk deg en moderne fabrikk. Roboter sveiser bildeler, transportbånd ruller, og lamper blinker når noe går galt. Hvem styrer alt dette? Ikke et menneske som sitter med hundre brytere. Bak kulissene finnes et styringssystem -- en slags hjerne som hele tiden mottar informasjon fra sensorer, behandler den, og sender kommandoer ut til motorer, ventiler og lys.

Du møter denne hjernen overalt. Vaskemaskinen hjemme hos deg følger en fast oppskrift: fyll vann, varm opp, vask, skyll, sentrifuger. Det kaller vi sekvensstyring -- en fast rekkefølge av handlinger. Termostaten på badet gjør noe annet: den måler temperaturen og justerer hele tiden for å holde den konstant. Det er reguleringsstyring. Andre systemer tar valg ut fra betingelser (betingelsesstyring), eller slår seg på til bestemte klokkeslett (tidsstyring).

I dette kapittelet skal vi bli kjent med to familier av slike hjerner: den robuste industri-PLS-en som tåler støv og fukt, og de små mikrokontrollerne som Arduino og Raspberry Pi, som du kan eksperimentere med på skolen. Vi skal også lære språket de snakker -- både stigediagrammer og ekte programkode.

PLS-en: industriens arbeidshest

Når du går inn i et industrianlegg og finner et grått skap fullt av ledninger, er sjansen stor for at en PLS sitter inni. PLS står for Programmerbar Logisk Styring (på engelsk PLC, Programmable Logic Controller). Det er rett og slett en datamaskin bygget for å styre maskiner, men den er konstruert for å overleve et tøft miljø. Den tåler støv, fukt og temperatursvingninger som ville knekt en vanlig PC.

En PLS er bygget opp av noen faste deler. CPU-en kjører programmet og er hjernen i hjernen. Input-moduler kobles til sensorer og brytere som forteller hva som skjer ute i verden. Output-moduler styrer aktuatorer, motorer og lys. En strømforsyning leverer spenning, og en programmeringsenhet -- en PC eller et panel -- brukes til å legge inn og endre programmet. Fordelen er at du kan omprogrammere oppførselen uten å bygge om en eneste ledning.

For å programmere PLS-en finnes flere standardiserte språk: Ladder Logic (stigediagram), Function Block Diagram (blokkdiagram), Structured Text (tekstbasert kode) og Sequential Function Chart (flytdiagram). I Norge er det stigediagrammet -- Ladder Logic -- som er aller mest brukt, og det er ikke tilfeldig. Det ligner på de gamle relédiagrammene som elektrikere har tegnet i generasjoner, så det føles kjent for fagfolk.

Å tegne logikk som en stige

La oss prøve å tenke som en PLS. Ladder Logic ser ut som en stige der hvert trinn er en liten krets. På venstre side strømmer kraften inn, og hvis veien er åpen, når den fram til en utgang på høyre side.

De viktigste byggeklossene er kontakter og spoler. En Normally Open-kontakt (NO), tegnet som —| |—, leder bare når den er aktivert -- akkurat som en vanlig trykknapp. En Normally Closed-kontakt (NC), tegnet —|/|—, leder så lenge den ikke er aktivert. På høyre side har vi spoler: en vanlig output —( )— aktiverer en utgang, mens —(S)— setter den fast på og —(R)— nullstiller den. I tillegg finnes timere som TON (forsinkelse før på) og TOF (forsinkelse før av), og tellere som CTU og CTD.

La oss se det i praksis. Vil du tenne lyset L1 når du trykker bryter S1, blir trinnet |—| S1 |———( L1 )|. Når S1 trykkes, går strømmen gjennom og L1 lyser. Slipper du, slukker det.

Kobler du to brytere i serie, |—| S1 |—| S2 |—( L1 )|, får du en OG-operasjon: lyset tennes bare når både S1 og S2 er trykket samtidig. Det aller mest brukte mønsteret i industrien er likevel selvholding. Tenk på en motor med start- og stoppknapp: |—| Start |—|/| Stopp |—( Motor )| med en parallell |—| Motor |—| under. Startknappen tenner motoren, og motorens egen kontakt holder kretsen i live etter at du slipper. Stoppknappen, som er en NC-kontakt, bryter kretsen når den trykkes. Slik klarer maskinen å huske at den skal kjøre videre.

De små hjernene: Arduino og Raspberry Pi

Ikke alle styringssystemer trenger å være store, dyre PLS-er. Mikrokontrollere er bittesmå datamaskiner på én enkelt brikke, og de er hjernen i alt fra vaskemaskiner til biler og smarthus.

Den mest populære plattformen for læring er Arduino. Den er billig, lett å bruke, har et hav av sensorer og moduler, og programmeres i C/C++. Vil du blinke en lysdiode på pin 13 hvert sekund, skriver du to deler: en setup() som kjører én gang ved oppstart, og en loop() som gjentas i det uendelige. I setup() skriver du pinMode(13, OUTPUT); for å gjøre pinnen til en utgang. I loop() veksler du: digitalWrite(13, HIGH); slår på, delay(1000); venter ett sekund (1000 millisekunder), digitalWrite(13, LOW); slår av, og en ny delay(1000); venter igjen. Resultatet er en lysdiode som blinker jevnt.

Vil du i stedet lese en bryter, bruker du digitalRead(). Et lite program kan sette pin 2 som input og pin 13 som output, og så i loopen sjekke: if (digitalRead(2) == HIGH) -- da slår vi på LED-en, ellers slår vi den av. Slik blir bryteren koblet direkte til lyset gjennom kode.

Raspberry Pi er en kraftigere slektning. Den kjører et helt Linux-operativsystem, kan programmeres i Python eller C++, har nettverk og HDMI-utgang, og egner seg til mer komplekse prosjekter. Forskjellen er enkel å huske: Arduino er best til sanntidsstyring med lavt strømforbruk og enkle oppgaver, mens Raspberry Pi vinner når du trenger datakraft, multimedia og nettverkstunge oppgaver.

Oppsummering

Vi har møtt hjernen bak automatiseringen. Et styringssystem mottar sensordata, behandler det og sender kommandoer videre -- enten som sekvensstyring med fast rekkefølge, reguleringsstyring som holder en verdi konstant, betingelsesstyring eller tidsstyring.

I industrien er PLS-en arbeidshesten: robust, pålitelig og lett å omprogrammere, bygget opp av CPU, input- og output-moduler. Vi programmerer den oftest med Ladder Logic, der serie-kobling gir OG-logikk og selvholding lar en motor huske at den skal kjøre videre etter at startknappen slippes.

De små hjernene -- Arduino og Raspberry Pi -- bringer styring ned på pultnivå. Arduino, med sin setup() og loop(), egner seg til rask, enkel sanntidsstyring, mens Raspberry Pi tar over når oppgaven krever datakraft og nettverk. Til sammen dekker disse verktøyene alt fra en blinkende lysdiode til en hel fabrikk.