In vrijwel elke procesinstallatie zijn elektrische en mechanische systemen geautomatiseerd. Voorbeelden hiervan zijn de automatische aansturing van componenten op basis van schakelstanden of na het verstrijken van een bepaalde tijd. Soms volstaan eenvoudige binaire koppelingen, maar vaak zijn complexe volgorderegelingen vereist. Voor de automatisering worden doorgaans programmeerbare logische besturingen (PLC's) ingezet.
Een programmeerbare logische besturing (PLC) kan worden beschouwd als een kleine computer die uitgangssignalen aanstuurt op basis van ingangssignalen en bewerkingen. Een PLC bestaat ten minste uit een centrale verwerkingseenheid (CPU) en in-/uitgangsmodules (I/O-modules). De I/O-modules zijn doorgaans via een systeembus verbonden met de centrale verwerkingseenheid; deze bus voorziet ze ook van voedingsspanning.
PLC's zijn verkrijgbaar in diverse uitvoeringen, die verschillen qua functionaliteit en toepassing:
Deze besturingen zijn in één enkele behuizing geïntegreerd. Ze bevatten alle noodzakelijke componenten, zoals de CPU, in- en uitgangen en communicatie-interfaces. Ze zijn ideaal voor kleinere toepassingen waarbij de beschikbare ruimte beperkt is.
Deze systemen bestaan uit een centrale CPU en afzonderlijke in-/uitgangsmodules die naar behoefte kunnen worden toegevoegd of verwijderd. Ze bieden flexibiliteit en uitbreidingsmogelijkheden voor complexere toepassingen. Hiertoe behoren ook de automatiseringssystemen uit de JUMO variTRON-familie, ook al beschikken deze over een veel breder functiebereik dan standaard PLC's.
Deze besturingen zijn speciaal ontwikkeld voor veiligheidskritische toepassingen en voldoen aan strenge veiligheidsnormen. Ze worden ingezet in omgevingen waar de bescherming van personen en installaties de hoogste prioriteit heeft.
Signalen van schakelaars, sensoren enz. worden via ingangsmodules doorgegeven aan de centrale verwerkingseenheid, zodat ze binnen de PLC beschikbaar zijn. Voorbeelden van signalen uit de installatie zijn de status van eindschakelaars, thermostaten, debietbewakers en niveauschakelaars, evenals meetwaarden van temperatuur-, druk- of vochtigheidssensoren. De PLC verwerkt deze signalen en genereert een resultaat dat naar de uitgangsmodules wordt gestuurd. Zo worden er bijvoorbeeld relais gebruikt om magneetventielen en motoren aan te sturen. De functionaliteit van een PLC wordt dus gerealiseerd in de centrale verwerkingseenheid, die als het ware fungeert als het besturingscentrum.
Vóór de introductie van PLC's werden besturingssystemen gerealiseerd door relais en tijdrelais met elkaar te verbinden. Dergelijke besturingen vereisten veel materiaal en de functionaliteit kon alleen worden gewijzigd door de bedrading aan te passen. Bovendien waren de systemen storingsgevoelig en was het opsporen van storingen tijdrovend. De taak van de eerste PLC's was het vervangen van deze relaisnetwerken.
Alle ingangssignalen worden cyclisch door een PLC-programma verwerkt en binnen het programma aan elkaar gekoppeld. Voor het programmeren van PLC's zijn ontwikkelomgevingen zoals CODESYS beschikbaar; dit houdt in dat programma's in CODESYS worden ontwikkeld en vervolgens naar de PLC worden overgebracht.
Een PLC kan worden geprogrammeerd in diverse programmeertalen die zijn vastgelegd in de norm IEC 61131-3. De programmeur kan daardoor de programmeertaal kiezen die het beste aansluit bij de specifieke vereisten.
De programmeertaal ladderlogica, die al sinds de jaren 60 in gebruik is, is geschikt voor het vervangen van relaisschakelingen. Het is de oudst bekende programmeertaal. De weergave van het programma vertoont gelijkenissen met die van elektrische schakelingen.
Stel u een zeer eenvoudige toepassing voor waarbij een ingangsmodule de status van een grenswaardeschakelaar in een tank en die van twee drukknoppen registreert. De betreffende statussen zijn in het PLC-programma beschikbaar via variabelen met de namen "LevelBelowTheLimit", "PushbuttonLeft" en "PushbuttonRight". Een pomp wordt aangestuurd via het relais van een uitgangsmodule. In het programma wordt deze aangesproken met de naam "PumpActivated". De pomp mag alleen worden geactiveerd wanneer beide drukknoppen (beide – om veiligheidsredenen) worden ingedrukt en het niveau onder de grenswaarde is gezakt. Het eenvoudige programma in de programmeertaal ladderlogica ziet er in CODESYS als volgt uit:
De structuur lijkt op die van een schakelschema en bestaat uit schakelaars/drukknoppen en relais. Zodra het programma is gemaakt, wordt het naar de PLC overgebracht en gecontroleerd. Daarna is de ontwikkelomgeving CODESYS niet meer nodig.
Al in een vroeg stadium waren er in de programmeertaal Ladder Logic tijdselementen beschikbaar waarmee vertraagd kan worden in- of uitgeschakeld, of waarmee de uitgang gedurende een bepaalde tijd kan worden geactiveerd na een trigger. Zo is er bijvoorbeeld een functieblok met de aanduiding TON beschikbaar. Dit blok activeert het uitgangssignaal pas wanneer de ingang gedurende een minimale tijdsduur geactiveerd is. Als de pomp bijvoorbeeld moet worden ingeschakeld wanneer de drukknoppen minstens 5 seconden worden ingedrukt, moet het programmaatje als volgt worden aangepast:
Een andere, zeer vergelijkbare taal is het netwerkgeoriënteerde functieblokdiagram. In deze taal is het kleine programma als volgt gestructureerd:
CFC (Continuous Function Chart) is een doorontwikkeling van het functieblokdiagram, waarbij elementen vrij kunnen worden geplaatst. Verder lijkt CFC er qua uiterlijk sterk op. De programmeertaal wordt veel gebruikt. Het programma ziet er daarin als volgt uit:
Een taal die tegenwoordig nog maar zelden wordt gebruikt, is instructielijst (IL); deze vertoont grote gelijkenis met de programmeertaal assembler. Elke instructie in IL is hoofdzakelijk gebaseerd op het laden van waarden in een accumulator, wat gebeurt via de LD-instructie. De betreffende bewerking wordt vervolgens uitgevoerd met de eerste parameter uit de accumulator. Het resultaat van deze bewerking wordt teruggeplaatst in de accumulator. Het kleine programma is in instructielijst als volgt opgebouwd:
Een andere programmeertaal is ST-code (gestructureerde tekst). ST-code is een tekstgebaseerde programmeertaal waarmee complexe besturingstaken kunnen worden uitgevoerd. De syntaxis is vergelijkbaar met die van de programmeertaal Pascal. De taal maakt gebruik van variabelen, functies, lussen en voorwaardelijke instructies mogelijk. ST-code is bijzonder geschikt voor het programmeren van complexe procesreeksen en wiskundige berekeningen. Het maakt gestructureerd en overzichtelijk programmeren mogelijk, wat het onderhoud en de verdere ontwikkeling van besturingsprogramma's vereenvoudigt. Voor het voorbeeldprogramma in ST-code zijn slechts twee regels nodig:
De programmeertaal 'Sequential Function Chart' (SFC) is bij uitstek geschikt voor het implementeren van volgordebesturingen. Stel u een thermische behandelingsinstallatie voor waarin het te behandelen materiaal via een transportband de installatie in wordt gevoerd. De eerste drie stappen verlopen als volgt:
In programma's die in SFC zijn geschreven, worden bepaalde stappen (bijv. verwarmen en laden) met elkaar verbonden door schakelvoorwaarden of transities. De eerste drie stappen (plus de uitgangspositie) van het programma voor deze voorbeeldtoepassing zien er in de SFC-taal als volgt uit:
Voor elke stap kunnen programma's worden gedefinieerd, maar deze worden pas uitgevoerd wanneer de betreffende stap actief is. De verwerking begint bij de stap "BasicPosition". Voor deze stap is geen programma opgeslagen, dus vindt er geen activiteit plaats.
Voor alle volgende stappen worden afzonderlijke programma's (bijv. in ladderdiagramvorm) gedefinieerd. Wanneer vanuit de "BasicPosition" op de startknop wordt gedrukt, wordt de stap "Heater" geactiveerd, waardoor de warmtebron via het opgeslagen programma wordt ingeschakeld. De stap blijft actief totdat de temperatuur van de verwarming 200 °C bereikt en de stap "Retract" actief wordt. Het programma in de stap "Retract" activeert de bijbehorende aansturing voor de deur- en bandmotor.
Op vergelijkbare wijze worden verdere stappen met transities toegevoegd. De laatste transitie activeert opnieuw de stap "BasicPosition".
Een van de kernfuncties van een PLC is het automatiseren van processen, waarvoor programmering in een van de eerder genoemde programmeertalen vereist is. Moderne PLC's zijn echter echte allrounders op het gebied van automatisering en bieden nog veel meer: