29 PLS-programmering

Hjernen bak fabrikken

Tenk på en moderne fabrikk: transportbånd som ruller, robotarmer som svinger, ventiler som åpner og lukker i nøyaktig riktig rekkefølge. Bak alt dette sitter det en liten, robust boks som styrer showet -- en PLS. Den tåler støv, vibrasjon og varme, den svikter nesten aldri, og den er hjernen i nesten all industriell automasjon.

I dette kapittelet skal vi bli kjent med denne hjernen og lære å programmere den. Vi starter med PLS-ens arkitektur -- hvilke deler den består av, og hvorfor den i sin tid erstattet skoger av reléer. Deretter ser vi på det helt sentrale: skanningssyklusen, den evige runddansen der PLS-en leser innganger, kjører programmet og setter utganger -- om og om igjen, tusenvis av ganger i sekundet. Så lærer vi oss Ladder Logic, det grafiske programmeringsspråket som ligner et reléskjema, med kraftfulle teknikker som selvhold. Til slutt møter vi timere og tellere som lar PLS-en holde styr på tid og antall. Når du er ferdig, kan du lese og skrive enkle styringsprogrammer.

Maskinen og dens runddans

La oss først forstå hva en PLS er. PLS -- Programmerbar Logisk Styring, på engelsk PLC -- er en industriell datamaskin laget for å kontrollere maskiner og prosesser. Den ble utviklet på 1960-tallet for å erstatte de store reléstyringene i bilindustrien, og fordelene var enorme: den var lettere å omprogrammere, mer pålitelig, mindre plasskrevende og enklere å feilsøke. I stedet for å koble om fysiske ledninger, kunne man nå endre et program.

En PLS består av noen kjernedeler. CPU-en er hjernen som kjører programmet syklisk, med en typisk syklustid på 1-10 ms. Inngangene kobles til sensorer og brytere -- digitale av/på-signaler på 24 V eller analoge signaler som 4-20 mA. Utgangene kobles til aktuatorer som motorer og ventiler. I tillegg har den en strømforsyning (typisk 24 V DC) og en programmeringsenhet, en PC med programvare som Siemens TIA Portal.

Hjertet i hvordan PLS-en jobber, er skanningssyklusen -- en evig runddans. Først kommer input scan, der alle inngangene leses og lagres i et minneområde kalt prosessbildet. Deretter program execution, der programmet kjøres fra topp til bunn basert på verdiene i prosessbildet. Så output scan, der resultatet skrives til utgangene. Til slutt litt housekeeping -- kommunikasjon og diagnostikk -- før alt gjentas. Hele syklusen tar typisk 1-20 ms. En watchdog-timer passer på at syklusen fullføres i tide; overskrides tiden, stopper PLS-en i en sikker tilstand. Slik sikrer den at en feil aldri etterlater maskinen i en farlig stilling.

Ladder Logic -- programmering som ligner et reléskjema

Hvordan programmerer man så en PLS? Det vanligste språket er Ladder Logic, og det er genialt enkelt: det er laget for å ligne tradisjonelle relédiagrammer, slik at elektrikere kjenner seg igjen. Det er grafisk, intuitivt og en industristandard. Programmet ser ut som en stige, der hvert «trinn» er en logisk regel.

De grunnleggende byggesteinene er kontakter (innganger) og spoler (utganger). En kontakt kan være Normally Open (NO), som leder når inngangen er aktiv, eller Normally Closed (NC), som leder når inngangen er inaktiv. Dette NC-skillet er viktigere enn det høres ut: en nødstopp bruker ofte NC, slik at et brudd i kabelen -- som gir signal 0 -- også stopper maskinen. En spole er utgangen som aktiveres, og finnes også som Set (låser på) og Reset (låser av).

Logikken bygges ved hvordan kontaktene kobles. To kontakter i serie gir en AND -- utgangen er på bare når begge er på. To kontakter i parallell gir en OR -- utgangen er på når minst én er på. Og en NC-kontakt gir en NOT.

Den kanskje viktigste teknikken er selvhold, også kalt seal-in. Tenk på en motor som startes med en knapp og skal fortsette å gå etter at du slipper. Trikset er å legge motorens egen utgangskontakt i parallell med startknappen: når startknappen aktiverer motoren, «holder» motorkontakten kretsen aktiv selv etter at du slipper start. En stoppknapp av NC-typen bryter kretsen. Dette mønsteret -- start, selvhold, stopp -- er selve arbeidshesten i industriell styring, og du finner det igjen i nesten alle PLS-programmer.

Timere og tellere -- å mestre tid og antall

Mange styringsoppgaver handler om tid og antall: vent fem sekunder før motoren starter, la viften kjøre litt etter at den slås av, eller stopp båndet når 50 produkter har passert. Til dette har Ladder Logic egne byggesteiner: timere og tellere.

La oss ta timerne først. En TON (Timer On-Delay) gir forsinkelse ved start: inngangen må være aktiv i hele forsinkelsestiden før utgangen aktiveres. Er X1 aktiv i 5 sekunder, slår utgangen Y1 på. Dette brukes for eksempel til å vente før en motor starter. En TOF (Timer Off-Delay) gir forsinkelse ved stopp: utgangen holdes aktiv en stund etter at inngangen slår av. Slår X1 av, forblir Y1 på i for eksempel 3 sekunder -- perfekt til vifteetterkjøring eller trappehuslys som lyser litt etter at du har gått. En TP (Timer Pulse) gir en puls av fast lengde uansett hvor lenge inngangen er aktiv.

Forskjellen på TON og TOF er verdt å feste seg ved: TON forsinker på, TOF forsinker av. Et fint eksempel som kombinerer dem er automatisk lys i en gang: bevegelse starter timeren, og lyset holdes på mens det er bevegelse pluss en stund etter.

Så har vi tellerne. En CTU (Count Up) teller oppover hver gang inngangen aktiveres, og når den når en forhåndsvalgt verdi, aktiveres utgangen. Skal en kasse stoppes som full ved 100 produkter, lar du en sensor mate en CTU med grenseverdi 100; når telleren når 100, settes «full kasse»-signalet, og telleren nullstilles for neste runde. Det finnes også CTD (Count Down) som teller nedover, og CTUD som kan begge deler. Med selvhold, timere og tellere i verktøykassa kan du bygge overraskende avanserte styringer -- som en hel vaskemaskinsyklus, der hvert steg utløser neste når timeren er ferdig.

Oppsummering

Vi har blitt kjent med industriens hjerne. En PLS er en robust industridatamaskin med CPU, innganger, utganger og strømforsyning, som på 1960-tallet erstattet store reléstyringer. Hjertet er skanningssyklusen -- les innganger, kjør program, skriv utganger, gjenta -- på 1-20 ms, voktet av en watchdog-timer.

Vi lærte Ladder Logic, det grafiske språket som ligner reléskjemaer, med NO- og NC-kontakter, serie for AND, parallell for OR, og ikke minst selvhold for start/stopp-styring der NC-stopp gir innebygd sikkerhet. Til slutt mestret vi tid og antall med timere -- TON (forsinker på), TOF (forsinker av) og TP -- og tellere som CTU og CTD. Med disse byggesteinene kan du lese og skrive enkle styringsprogrammer, fra en motorstart til en hel vaskemaskinsyklus. PLS-en er den usynlige hjernen som holder den automatiserte verden i gang.