Panele HMI i sterowniki PLC

Sterownik PLC i panel operatorski stanowią warstwę decyzyjną maszyny — jeden wykonuje algorytm, drugi udostępnia go obsłudze. W praktyce utrzymania ruchu problemy z tą warstwą pojawiają się rzadziej niż awarie mechaniki, lecz ich usunięcie zajmuje więcej czasu: brak dokumentacji programu, wycofany z produkcji panel, nieznane hasło do projektu albo protokół nieobsługiwany przez nowy system nadrzędny. Efektem jest maszyna sprawna mechanicznie, lecz niemożliwa do zmodyfikowania ani do podłączenia do pozostałych systemów zakładu.

Automation Dariusz Kulik prowadzi programowanie PLC, dobór panelu HMI oraz integrację sterowników z systemami zakładu. Zakres obejmuje zarówno budowę oprogramowania od podstaw dla nowego urządzenia, jak i prace na istniejącej maszynie: wymianę panelu bez ingerencji w sterownik, rozbudowę o komunikację sieciową, przebudowę ekranów operatora. Firma działa od 15 lat; siedziba mieści się w Białymstoku, obszarem podstawowej działalności pozostaje województwo podlaskie, a projekty realizowane są w całej Polsce.

Programowanie sterowników PLC

Punktem wyjścia jest opis procesu, a nie lista wejść i wyjść. Ustalenia wymaga sekwencja pracy, zachowanie maszyny po zaniku zasilania, sposób powrotu do stanu bazowego po zatrzymaniu awaryjnym oraz zakres parametrów, które obsługa ma prawo zmieniać samodzielnie. Dopiero na tej podstawie powstaje struktura programu — podział na bloki funkcyjne, obsługa trybu ręcznego i automatycznego, diagnostyka.

Odrębną kwestią pozostaje bezpieczeństwo. Funkcje bezpieczeństwa realizuje przekaźnik bezpieczeństwa albo dedykowany sterownik bezpieczeństwa — również w wersji sieciowej, z użyciem protokołów PROFIsafe, CIP Safety lub FSoE. Rozwiązanie wyłącznie sprzętowe nie jest zatem jedyną dopuszczalną drogą. Niezmienne pozostaje natomiast wymaganie normy PN-EN ISO 13850: element zatrzymania awaryjnego musi być uruchamiany ręcznie oraz posiadać blokadę i wymuszone rozwarcie styków. Przycisk odwzorowany na ekranie dotykowym nie spełni tego warunku w żadnej konfiguracji, niezależnie od jakości panelu. Zestawienie rodzajów sterowników i kryteriów ich doboru opisano szerzej we wpisie Sterowniki PLC — rodzaje, programowanie, dobór.

Dobór panelu HMI i projekt ekranów operatora

Dobór panelu HMI rozpoczyna się od warunków pracy, nie od przekątnej ekranu. Weryfikacji wymaga temperatura otoczenia, obecność mgły olejowej lub środków myjących, sposób obsługi (rękawice, częstotliwość interakcji), wymagana odporność frontu oraz dostępne protokoły komunikacyjne po stronie sterownika. Osobnego rozstrzygnięcia wymaga strefa zagrożona wybuchem: standardowy panel operatorski jest tam niedopuszczalny niezależnie od deklarowanego stopnia ochrony IP — wymagane jest urządzenie w wykonaniu przeciwwybuchowym z odpowiednim certyfikatem.

Wśród stosowanych rozwiązań znajdują się panele Xinje serii TS: TS5-700-E (7 cali, rozdzielczość 800×480) oraz TS5-1000-E (10,1 cala, 1024×600). Oba pracują na procesorze Cortex-A7 1 GHz ze 128 MB pamięci, wyposażono je w dotyk rezystancyjny, stopień ochrony IP65 od frontu i zasilanie 24 V DC. Dostępne interfejsy to COM1 (RS232/485), COM2 (RS232/485/422) oraz RJ45 Ethernet 10/100 z obsługą Modbus TCP; projekt powstaje w oprogramowaniu TouchWin Pro. Kryteria wyboru przekątnej i rozdzielczości omówiono we wpisie Panel HMI — jak dobrać panel operatorski.

Projekt ekranów podlega odrębnym zasadom. Ekran główny powinien odpowiadać na jedno pytanie: czy maszyna pracuje poprawnie, a jeżeli nie — co spowodowało jej zatrzymanie. Komunikaty alarmowe formułuje się językiem obsługi, ze wskazaniem miejsca i przyczyny, nie kodem błędu wymagającym instrukcji. Parametry receptur i nastawy technologiczne rozdziela się od funkcji serwisowych za pomocą poziomów dostępu.

Integracja sterowników z systemami zakładu

Integracja sterowników obejmuje wymianę danych między maszyną a jej otoczeniem: falownikami, wagami, czytnikami kodów, systemem nadrzędnym. Najczęściej wykorzystywane protokoły to Modbus RTU i Modbus TCP, PROFINET oraz EtherNet/IP. Wybór nie jest dowolny — zależy od możliwości istniejącego sprzętu oraz od wymaganego czasu cyklu wymiany danych.

Typową przeszkodą po stronie sterowników Siemens S7-1200 i S7-1500 jest domyślna konfiguracja zabezpieczeń. Odczyt danych przez urządzenie zewnętrzne wymaga odblokowania komunikacji PUT/GET oraz zastosowania nieoptymalizowanych bloków danych. Oznacza to konieczność wejścia w projekt PLC i wprowadzenia zmian w konfiguracji; obejście tego wymagania po stronie panelu lub systemu nadrzędnego nie jest możliwe. Ustalenia wymaga zatem na wstępie, czy klient dysponuje źródłem programu i licencją na środowisko inżynierskie. Zakres danych, których wyprowadzenie z maszyny do warstwy raportowej jest uzasadnione, opisano we wpisie o systemach SCADA i MES.

Wymiana panelu bez wymiany sterownika

Uszkodzenie panelu operatorskiego w maszynie sprawnej pod każdym innym względem jest sytuacją częstą, zwłaszcza gdy producent wycofał model z produkcji. Rozwiązaniem pozostaje wymiana samego panelu przy zachowaniu istniejącego sterownika i jego programu. Warunkiem jest zgodność protokołu komunikacyjnego oraz dostęp do listy adresów zmiennych — w razie braku dokumentacji odtwarza się ją na podstawie analizy programu sterownika i obserwacji pracy maszyny.

Zakres takiej pracy obejmuje również dopasowanie mechaniczne wycięcia w szafie oraz odtworzenie układu ekranów w formie znanej obsłudze, co pozwala pominąć etap szkoleń. Porównanie opłacalności modernizacji i zakupu nowego urządzenia przedstawiono we wpisie Modernizacja maszyny czy zakup nowej.

Dobór i sprzedaż komponentów

Poza usługami inżynierskimi prowadzimy dobór i dostawę komponentów automatyki: sterowników PLC, paneli operatorskich, serwonapędów i falowników — w tym urządzeń Xinje, na których oparta jest większość opisanych wdrożeń. Dobór wynika z wymagań procesu i protokołów komunikacyjnych istniejących urządzeń, nie z katalogu.

Dostawę można połączyć z uruchomieniem: komponent trafia do zakładu skonfigurowany, z przygotowanym programem lub projektem ekranów. Takie podejście skraca przestój przy wymianie pojedynczego urządzenia — zamawiający otrzymuje element gotowy do zabudowy.

Zakres prac

Analiza procesu i opracowanie założeń sterowania wraz z listą sygnałów.
Dobór sterownika PLC, panelu operatorskiego i modułów rozszerzeń do warunków pracy maszyny.
Programowanie PLC: sekwencje automatyczne, tryb ręczny, diagnostyka, obsługa receptur.
Projekt i wykonanie wizualizacji HMI z poziomami dostępu i czytelną obsługą alarmów.
Integracja sterowników po Modbus RTU/TCP, PROFINET i EtherNet/IP z urządzeniami peryferyjnymi oraz systemami nadrzędnymi.
Wymiana uszkodzonego lub wycofanego panelu z zachowaniem istniejącego sterownika i programu.
Odtworzenie dokumentacji i mapy zmiennych dla maszyn bez materiałów źródłowych.
Uruchomienie na obiekcie, przekazanie dokumentacji i instruktaż stanowiskowy obsługi.

Orientacyjny budżet i czas realizacji

Podane przedziały dotyczą pełnych zadań, w których prace na sterowniku i panelu stanowią część większego zakresu. Samodzielna wymiana panelu z odtworzeniem wizualizacji plasuje się poniżej dolnej granicy modernizacji maszyny.

Modernizacja pojedynczej maszyny: 30–50 tys. zł.
Półautomat: 50–150 tys. zł.
Stanowisko zrobotyzowane: 150–500 tys. zł.
Retrofit linii produkcyjnej: 80–400 tys. zł.
Czas od umowy do odbioru: 1–3, 2–4 lub 3–6 miesięcy zależnie od skali zadania.
Zwrot z inwestycji: 12–36 miesięcy, przy dobrze dobranym pierwszym projekcie 12–24 miesiące.

Metodykę szacowania kosztów i liczenia zwrotu omówiono we wpisie Ile kosztuje automatyzacja linii produkcyjnej. Kolejność działań poprzedzających wybór rozwiązania przedstawiono w opracowaniu Automatyzacja produkcji — od czego zacząć.

Wybrane realizacje

W mleczarni doszło do uszkodzenia panelu operatorskiego Siemens w stacji CIP. Sterownik S7 pozostał sprawny, w związku z czym zakres ograniczono do warstwy operatorskiej: zastosowano panel Xinje serii TG, utrzymano komunikację po PROFINET i odtworzono identyczną wizualizację, dzięki czemu szkolenia operatorów okazały się zbędne. Koszt rozwiązania był niższy o około 70% wobec ceny oryginalnego panelu, a całość zamknęła się w niecały tydzień. Szczegóły opisano w opracowaniu Modernizacja stacji CIP w mleczarni — panel Xinje TG.

Drugim przykładem jest półautomat do montażu głowicy golarki zbudowany na panelu HMI Xinje serii TG i serwonapędzie Xinje DS2 o dokładności do dziesiętnych części milimetra. Zmiana ustawień odbywa się z poziomu panelu, bez udziału programisty. Stanowisko przyniosło trzykrotny wzrost wydajności przy zerowej liczbie braków.

Pytania i odpowiedzi

Czy da się wymienić panel bez ingerencji w program sterownika?

W większości przypadków tak, pod warunkiem zgodności protokołu i dostępu do mapy zmiennych. Wyjątkiem są sterowniki Siemens S7-1200 i S7-1500, w których konieczne bywa odblokowanie komunikacji PUT/GET oraz zastosowanie nieoptymalizowanych bloków danych — wymaga to otwarcia projektu PLC. W stacji CIP w mleczarni program sterownika pozostał nienaruszony.

Czy przycisk zatrzymania awaryjnego można umieścić na ekranie dotykowym?

Nie. Norma PN-EN ISO 13850 wymaga elementu uruchamianego ręcznie, z blokadą i wymuszonym rozwarciem styków, czego ekran dotykowy nie spełnia w żadnym wykonaniu. Samą funkcję bezpieczeństwa realizuje przekaźnik lub sterownik bezpieczeństwa, także po sieci z użyciem PROFIsafe, CIP Safety albo FSoE.

Czy modernizacja sterowania oznacza konieczność ponownej oceny zgodności?

Rozstrzyga kryterium ryzyka, a nie sam fakt zmiany wydajności czy prędkości. Jeżeli modyfikacja wprowadza nowe zagrożenie albo zwiększa istniejące ryzyko, występuje istotna modyfikacja. Rozporządzenie maszynowe (UE) 2023/1230 stosuje się od 20 stycznia 2027 i zastępuje dyrektywę 2006/42/WE. Jednostka notyfikowana wymagana jest wyłącznie dla kategorii wysokiego ryzyka — dla większości maszyn produkcyjnych właściwa pozostaje samodzielna ocena zgodności.

Co zrobić, gdy brakuje dokumentacji i źródła programu?

Prace rozpoczyna inwentaryzacja: identyfikacja sterownika, odczyt konfiguracji sprzętowej, ustalenie protokołu i adresów zmiennych na podstawie analizy programu oraz obserwacji pracy maszyny. Jeżeli program jest zabezpieczony hasłem lub nieodczytywalny, rozważenia wymaga wymiana sterownika i opracowanie oprogramowania od podstaw. Zakres i koszt ustala się po oględzinach na miejscu.

Wycena

Opisz swoją maszynę — model sterownika, typ panelu, dostępną dokumentację i to, co ma działać inaczej. Umówimy oględziny na obiekcie i w ciągu 48 godzin od wizyty otrzymasz wycenę z zakresem prac i terminem. Zadzwoń pod numer 796 019 414 lub napisz na biuro@automation.net.pl. Pracujemy z Białegostoku, dojeżdżamy w całej Polsce. Możesz też wysłać zapytanie przez formularz kontaktowy.