Программируемые логические контроллеры

Программируемые логические контроллеры

Структура и устройство ПЛК

С чего начиналась промышленная автоматика? А начиналось все с контактно-релейных схем управления промышленными процессами. Кроме жуткого «шелестения», контактно релейные схемы имели фиксированную логику работы, и в случае изменения алгоритма, необходимо основательно переделать монтажную схему

Бурное развитие микропроцессорной техники, привели к созданию систем управления технологическими процессами на базе промышленных контроллеров. Но это не означает, что реле изжили себя, у них просто своя ниша для применения.

ПЛК – программируемый логический контроллер. представляют собой микропроцессорное устройство, предназначенное для сбора, преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления, имеющий конечное количество входов и выходов, подключенных к ним датчиков, ключей, исполнительных механизмов к объекту управления, и предназначенный для работы в режимах реального времени.

Программируемые логические контроллеры

Принцип работы ПЛК несколько отличается от «обычных» микропроцессорных устройств. Программное обеспечение универсальных контроллеров состоит из двух частей. Первая часть это системное программное обеспечение. Проводя аналогию с компьютером можно сказать, что это операционная система, т.е. управляет работой узлов контроллера, взаимосвязи составляющих частей, внутренней диагностикой. Системное программное обеспечение ПЛК расположено в постоянной памяти центрального процессора и всегда готово к работе. По включению питания, ПЛК готов взять на себя управление системой уже через несколько миллисекунд. ПЛК работают циклически по методу периодического опроса входных данных.
Рабочий цикл ПЛК включает 4 фазы:
1. Опрос входов
2. Выполнение пользовательской программы
3. Установку значений выходов
4. Некоторые вспомогательные операции (диагностика, подготовка данных для отладчика, визуализации и т. д.).

Выполнение 1 фазы обеспечивается системным программным обеспечением. После чего управление передается прикладной программе, той программе, которую вы сами записали в память, по этой программе контроллер делает то что вы пожелаете, а по ее завершению управление опять передается системному уровню. За счет этого обеспечивается максимальная простота построения прикладной программы – ее создатель не должен знать, как производится управление аппаратными ресурсами. Необходимо знать с какого входа приходит сигнал и как на него реагировать на выходах

Очевидно, что время реакции на событие будет зависеть от времени выполнения одного цикла прикладной программы. Определение времени реакции – времени от момента события до момента выдачи соответствующего управляющего сигнала – поясняется на рисунке:

Программируемые логические контроллеры

Обладая памятью, ПЛК в зависимости от предыстории событий, способен реагировать по-разному на текущие события. Возможности перепрограммирования, управления по времени, развитые вычислительные способности, включая цифровую обработку сигналов, поднимают ПЛК на более высокий уровень в отличие от простых комбинационных автоматов.

Рассмотрим входа и выхода ПЛК. Существует три вида входов дискретные, аналоговые и специальные
Один дискретный вход ПЛК способен принимать один бинарный электрический сигнал, описываемый двумя состояниями – включен или выключен. Все дискретные входы (общего исполнения) контроллеров обычно рассчитаны на прием стандартных сигналов с уровнем 24 В постоянного тока. Типовое значение тока одного дискретного входа (при входном напряжении 24 В) составляет около 10 мА.

Аналоговый электрический сигнал отражает уровень напряжения или тока, соответствующий некоторой физической величине, в каждый момент времени. Это может быть температура, давление, вес, положение, скорость, частота и т. д.

Поскольку ПЛК является цифровой вычислительной машиной, аналоговые входные сигналы обязательно подвергаются аналого-цифровому преобразованию (АЦП). В результате, образуется дискретная переменная определенной разрядности. Как правило, в ПЛК применяются 8 — 12 разрядные преобразователи, что в большинстве случаев, исходя из современных требований по точности управления технологическими процессами, является достаточным. Кроме этого АЦП более высокой разрядности не оправдывают себя, в первую очередь из-за высокого уровня индустриальных помех, характерных для условий работы контроллеров.

Практически все модули аналогового ввода являются многоканальными. Входной коммутатор подключает вход АЦП к необходимому входу модуля.

Стандартные дискретные и аналоговые входы ПЛК способны удовлетворить большинство потребностей систем промышленной автоматики. Необходимость применения специализированных входов возникает в случаях, когда непосредственная обработка некоторого сигнала программно затруднена, например, требует много времени.

Наиболее часто ПЛК оснащаются специализированными счетными входами для измерения длительности, фиксации фронтов и подсчета импульсов.

Например, при измерении положения и скорости вращения вала очень распространены устройства, формирующие определенное количество импульсов за один оборот – поворотные шифраторы. Частота следования импульсов может достигать нескольких мегагерц. Даже если процессор ПЛК обладает достаточным быстродействием, непосредственный подсчет импульсов в пользовательской программе будет весьма расточительным по времени. Здесь желательно иметь специализированный аппаратный входной блок, способный провести первичную обработку и сформировать, необходимые для прикладной задачи величины.
Вторым распространенным типом специализированных входов являются входы способные очень быстро запускать заданные пользовательские задачи с прерыванием выполнения основной программы – входы прерываний.

Дискретный выход также имеет два состояния – включен и выключен. Они нужны для управления: электромагнитных клапанов, катушек, пускателей, световые сигнализаторы и т.д. В общем сфера их применения огромна, и охватывает почти всю промышленную автоматику.

Конструктивно ПЛК подразделяются на моноблочные, модульные и распределенные. Моноблочные имеют фиксированный набор входов выходов

Программируемые логические контроллеры

В модульных контроллерах модули входов – выходов устанавливаются в разном составе и количестве в зависимости от предстоящей задачи

Программируемые логические контроллеры

В распределенных системах модули или даже отдельные входа-выхода, образующие единую систему управления, могут быть разнесены на значительные расстояния

Языки программирования ПЛК

При создании системы управления технологического процесса, всегда существует проблема по взаимопониманию программиста и технологов. Технолог скажет «нам надо немного подсыпать, чуть подмешать, еще подсыпать и чуть нагреть». И мало когда следует ждать от технолога формализованного описания алгоритма. И получалось так, что программисту нужно долго вникать в тех. Процесс, потом писать программу. Зачастую при таком подходе программист остается единственным человеком, способным разобраться в своем творении, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Такая ситуация породила стремлении создание технологических языков программирования, доступные инженерам и технологам и максимально упрощающим процесс программирования

За последнее десятилетие появилось несколько технологических языков. Более того, Международной Электротехнической Комиссией разработан стандарт МЭК-61131-3, концентрирующий все передовое в области языков программирования для систем автоматизации технологических процессов. Этот стандарт требует от различных изготовителей ПЛК предлагать команды, являющиеся одинаковыми и по внешнему виду, и по действию.

Стандарт специфицирует 5 языков программирования:

  • Sequential Function Chart (SFC) – язык последовательных функциональных блоков;
  • Function Block Diagram (FBD) – язык функциональных блоковых диаграмм;
  • Ladder Diagrams (LАD) – язык релейных диаграмм;
  • Statement List (STL) – язык структурированного текста, язык высокого уровня. Напоминает собой Паскаль
  • Instruction List (IL) – язык инструкций. это типичный ассемблер с аккумулятором и переходам по метке.

Язык LAD или KOP (с немецкого Kontaktplan) похожи на электрические схемы релейной логики. Поэтому инженерам не знающим мудреных языков программирования, не составит труда написать программу. Язык FBD напоминает создание схем на логических элементах. В каждом из этих языков есть свои минусы и плюсы. Поэтому при выборе специалисты основываются в основном на личном опыте. Хотя большинство программных комплексов дают возможность переконвертировать уже написанную программу из одного языку в другой. Так как некоторые задачи изящно и просто решаются на одном языке, а на другом придется столкнуться с некоторыми трудностями

Наибольшее распространение в настоящее время получили языки LAD, STL и FBD.

Большинство фирм изготовители ПЛК традиционно имеют собственные фирменные наработки в области инструментального программного обеспечения. Например такие как «Concept» Schneider Electric, «Step 7» Siemens.

Программный комплекс CoDeSys

Открытость МЭК стандартов привели к созданию фирм занимающихся исключительно инструментами программирования ПЛК.

Наибольшей популярностью в мире пользуются комплекс CoDeSys. CoDeSys разработан фирмой 3S. Это универсальный инструмент программирования контроллеров на языках МЭК, не привязанной к какой-либо аппаратной платформе и удовлетворяющим всем современным требованиям.

Основные особенности:
— полноценная реализация МЭК языков
— встроенный эмулятор контроллера позволяет проводить отладку проекта без аппаратных средств. Причем эмулируется не некий абстрактный контроллер, а конкретный ПЛК с учетом аппаратной платформы
— встроенные элементы визуализации дают возможность создать модель объекта управления и проводить отладку, т.е. дает возможность создавать человеко-машинного интерфейса (HMI)
— очень широкий набор сервисных функции, ускоряющий работу программиста
— существует русская версия программы, и русская документация

Литература:
Современные технологии промышленной автоматизации: учебник / О. В. Шишов. Саранск. Изд-во Мордов. ун-та, 2007. – 273 с. ISBN 5-7103-1123-5

Программируемые логические контроллерыsulika Программируемые логические контроллеры Опубликована: 2012 г. Программируемые логические контроллеры 0 Программируемые логические контроллеры 0

*****

Принцип работы и основы программирования ПЛК

Программируемые логические контроллеры (ПЛК)

Программируемые логические контроллерыДо появления твердотельных логических схем разработка систем логического управления основывались на электромеханических реле. По сей день реле не устарели в своем предназначении, но все же в некоторых своих прежних функциях они заменены контроллером.

В современной промышленности существует большое количество различных систем и процессов, требующих автоматизации, но теперь такие системы редко проектируются из реле. Современные производственные процессы нуждаются в устройстве, которое запрограммировано на выполнение различных логических функций. В конце 1960-х годов американская компания «Bedford Associates» разработала компьютерное устройство, названное MODICON (Modular Digital Controller). Позже название устройства стало названием подразделения компании, спроектировавшей, сделавшей и продавшей его.

Другие компании разработали собственные версии этого устройства, и, в конце концов, оно стало известно как ПЛК, или программируемый логический контроллер. Целью программируемого контроллера, способного имитировать работу большого количества реле, была замена электромеханических реле на логические элементы .

Посмотреть видеоуроки по программированию ПЛК в среде CoDeSys можно здесь: Уроки по программированию ПЛК

ПЛК имеет набор входных клемм, с помощью которых можно контролировать состояние датчиков и выключателей. Также имеются выходные клеммы, которые сообщают «высокий» или «низкий» сигнал индикаторам питания, электромагнитным клапанам, контакторам, небольшим двигателям и другим самоконтролируемым устройствам.

ПЛК легки в программировании, так как их программный язык напоминает логику работы реле. Так обычный промышленный электрик или инженер-электрик, привыкший читать схемы релейной логики, будет чувствовать себя комфортно и при программировании ПЛК на выполнение тех же функций.

Подключение сигналов и стандартное программирование несколько отличаются у разных моделей ПЛК, но они достаточно схожи, что позволяет разместить здесь «общее» введение в программирование этого устройства.

Следующая иллюстрация показывает простой ПЛК, а точнее то, как он может выглядеть спереди. Две винтовые клеммы, обеспечивающие подключение для внутренних цепей ПЛК напряженим до 120 В переменного тока, помечены L1 и L2.

Шесть винтовых клемм, расположенных с левой стороны, обеспечивают подключение для входных устройств. Каждая клемма представляет свой входной канал (Х). Винтовая клемма («общее» подключение ) расположенная в левом нижнем углу обычно подключается к L2 (нейтральная) источника тока напряжением 120 В переменного тока.

Программируемые логические контроллеры

Внутри корпуса ПЛК, связывающего каждую входную клемму с общей клеммой, находится оптоизолятор устройства (светодиод), который обеспечивает электрически изолированный «высокий» сигнал для схемы компьютера ( фототранзистор интерпретирует свет светодиода), когда 120-тивольтный переменный ток устанавливается между соответствующей входной клеммой и общей клеммой. Светодиод на передней панели ПЛК дает возможность понять, какой вход находится под напряжением:

Программируемые логические контроллеры

Выходные сигналы генерируются компьютерной схемотехникой ПЛК, активируя переключающее устройство (транзистор, тиристор или даже электромеханическое реле) и связывая клемму «Источник» (правый нижний угол) с любым помеченным буквой Y выходом. Клемма «Источник» обычно связывается с L1. Так же, как и каждый вход, каждый выход, находящий под напряжением, отмечается с помощью светодиода:

Программируемые логические контроллеры

Таким образом, ПЛК может подключаться к любым устройствам, таким как переключатели и электромагниты.

Основы программирования ПЛК

Современная логика системы управления установлена в ПЛК посредством компьютерной программы. Эта программа определяет, какие выходы находятся под напряжением и при каких входных условиях. Хотя сама программа напоминают схему логики реле, в ней не существует никаких контактов переключателя или катушек реле, действующих внутри ПЛК для создания связей между входом и выходом. Эти контакты и катушки мнимые. Программа пишется и просматривается с помощью персонального компьютера, подключенного к порту программирования ПЛК.

Рассмотрим следующую схему и программу ПЛК:

Программируемые логические контроллеры

Когда кнопочный переключатель не задействован (находится в не нажатом состоянии), сигнал не посылается на вход Х1. В соответствие с программой, которая показывает «открытый» вход Х1, сигнал не будет посылаться и на выход Y1. Таким образом, выход Y1 останется обесточенным, а индикатор, подключенный к нему, погасшим.

Если кнопочный переключатель нажат, сигнал будет отправлен к входу Х1. Все контакты Х1 в программе примут активированное состояние, как будто они являются контактами реле, активированными посредством подачи напряжения катушке реле, названной Х1. В этом случае открытый контакт Х1 будет «закрыт» и отправит сигнал к катушке Y1. Когда катушка Y1 будет находиться под напряжением, выход Y1 осветится лампочкой, подключенной к нему.

Программируемые логические контроллеры

Следует понимать, что контакт Х1 и катушка Y1 соединены с помощью проводов, а «сигнал», появляющийся на мониторе компьютера, виртуальный. Они не существуют как реальные электрические компоненты. Они присутствуют только в компьютерной программе — часть программного обеспечения — и всего лишь напоминают то, что происходит в схеме реле.

Не менее важно понять, что компьютер, используемый для написания и редактирования программы, не нужен для дальнейшего использования ПЛК. После того, как программа была загружена в программируемый контроллер, компьютер можно отключить, и ПЛК самостоятельно будет выполнять программные команды. Мы включаем монитор персонального компьютера в иллюстрации для того, чтобы вы поняли связь между реальными условиями (замыкание переключателя и статусы лампы) и статусы программы (сигналы через виртуальные контакты и виртуальные катушки).

Истинная мощь и универсальность ПЛК раскрывается, когда мы хотим изменить поведение системы управления. Поскольку ПЛК является программируемым устройством, мы можем изменить, команды, которые мы задали, без перенастройки компонентов, подключенных к нему. Предположим, что мы решили функцию «переключатель – лампочка» перепрограммировать наоборот: нажать кнопку, чтобы выключить лампочку, и отпустить ее, чтобы включить.

Решение такой задачи в реальных условиях заключается в том, что выключатель, «открытый» при нормальных условиях, заменяется на «закрытый». Программное ее решение – это изменение программы так, чтобы контакт Х1 при нормальных условиях был «закрыт», а не «открыт».

На следующем изображении вы увидите уже измененную программу, при не активизированном переключателе:

Программируемые логические контроллеры

А здесь переключатель активизирован:

Программируемые логические контроллеры

Одним из преимуществ реализации логического контроля в программном обеспечении, в отличие от контроля с помощью оборудования, является то, что входные сигналы могут быть использованы такое количество раз, какое потребуется. Например, рассмотрим схему и программу, разработанной для включения лампочки, если хотя бы два из трех переключателей активизированы одновременно:

Программируемые логические контроллеры

Чтобы построить аналогичную схему, используя реле, потребуются три реле с двумя открытыми контактами при нормальных условиях, каждый из которых должен быть использован. Однако используя ПЛК, мы можем без добавления дополнительного оборудования запрограммировать столько контактов для каждого «Х» входа, сколько нам хотелось бы (каждый вход и выход должен занимать не больше, чем 1 бит в цифровой памяти ПЛК) и вызывать их столько раз, сколько необходимо.

Кроме того, так как каждый выход ПЛК занимает не более одного бита в его памяти, мы можем вносить контакты в программу, приводя Y выход в не активизированное состояние. Для примера возьмем схему двигателя с системой контроля начала движения и остановки:

Программируемые логические контроллеры

Переключатель, подключенный к входу Х1, служит кнопкой «Старт», в то время как переключатель, подключенный к входу Х2 — кнопкой «Стоп». Другой контакт, названный Y1, подобно печати в контакте, позволяет контактору двигателя оставаться под напряжением, даже если отпустить кнопку «Старт». При этом вы можете увидеть, как контакт Х2, «закрытый» при нормальных условиях, появится в цветном блоке, показывая тем самым, что он находится в «закрытом» («электропроводящем») состоянии.

Если нажать кнопку «Старт», то по «закрытому» контакту Х1 пройдет ток ток и он отправит 120 В переменного токак к контактору двигателя. Параллельный контакт Y1 также «закроется», тем самым замкнув цепь:

Программируемые логические контроллеры

Если мы теперь нажмем кнопку «Старт», контакт Х1 перейдет в «открытое» состояние, но двигатель будет продолжать работать, потому что замкнутый контакт Y1 все еще будет держать катушку под напряжением:

Программируемые логические контроллеры

Чтобы остановить двигатель, нужно быстро нажать кнопку «Стоп», которая сообщит напряжение входу Х1 и «открытому» контакту, что приведет к прекращению подачи напряжения к катушке Y1:

Программируемые логические контроллеры

Когда вы нажали кнопку «Стоп», вход Х1 остался без напряжения, вернув тем самым контакт Х1 в его нормальное «закрытое» состояние. Двигатель ни при каких условиях не станет работать снова, пока вы снова не нажмете кнопку «Старт», потому что печать в контакте Y1 была потеряна:

Программируемые логические контроллеры

Очень важна отказоустойчивая модель устройств контроля ПЛК, так же, как и в устройствах контроля электромеханического реле. Нужно всегда учитывать влияние ошибочно «открытого» контакта на работу системы. Так, например, в нашем случае, если контакт Х2 будет ошибочно «открыт», то не будет никакой возможности остановить двигатель!

Решением этой проблемы является перепрограммирование контакта Х2 внутри ПЛК и фактическое нажатие кнопки «Стоп»:

Программируемые логические контроллеры

Когда кнопка «Стоп» не нажата, вход ПЛК Х2 находится под напряжением, т.е. контакт Х2 «закрыт». Это позволяет двигателю начать работу, когда контакту Х1 сообщается ток, и продолжать работу, когда кнопка «Старт» отпущена. Когда вы нажимаете кнопку «Стоп», контакт Х2 переходит в «открытое» состояние и двигатель прекращает работу. Таким образом, вы можете увидеть, что функциональной разницы между этой и предыдущей моделью нет.

Тем не менее, если входной контакт Х2 был ошибочно «открыт», вход Х2 может быть остановлен нажатием кнопки «Стоп». В результате двигатель немедленно отключается. Эта модель безопаснее, чем предыдущая, где нажатие кнопки «Стоп» сделает невозможным остановку двигателя.

В дополнение к входам (Х) и выходам (Y) в ПЛК есть возможность использовать «внутренние контакты и катушки. Они используются так же, как и промежуточные реле, применяемые в стандартных релейных схемах.

Чтобы понять принцип работы «внутренних» схем и контактов, рассмотрим следующую схему и программу, разработанную по принципу трех входов логической функции AND:

Программируемые логические контроллеры

В данной схеме, лампа горит, до тех пора пока какая-либо из кнопок не нажата. Для того чтобы выключить лампу следует нажать все три кнопки:

Программируемые логические контроллеры

В этой статье, посвященной программируемым логическим контроллерам, иллюстрирована лишь небольшая выборка их возможностей. Как компьютер ПЛК может выполнять и другие расширенные функции с гораздо большей точностью и надежностью, чем при использовании электромеханических логических устройств. Большинство ПЛК имеют больше шести входов и выходов. Следующая иллюстрация показывает один из ПЛК компании Allen-Bradley:

Программируемые логические контроллеры

С модулями, каждый из которых имеет 16 входов и выходов, этот ПЛК имеет возможность управлять десятком устройств. Помещенный в шкаф управления ПЛК занимает мало места (для электромеханических реле, выполняющих те же функции, понадобилось бы гораздо больше свободного пространства).

Программируемые логические контроллеры

Одно из преимуществ ПЛК, которое просто не может быть продублировано электромеханическим реле, является удаленный мониторинг и управление через цифровые сети компьютера. Поскольку ПЛК – это ничего больше, чем специализированный цифровой компьютер, он может легко «общаться» с другими компьютерами. Следующая фотография — графическое изображение процесса заполнения жидкостью (насосная станция для муниципальной очистки сточных вод), контролируемого ПЛК. При этом сама станция расположена в нескольких километрах от монитора компьютера.

Содержание обучающего видеокурса по работе с ПЛК: http://electrik.info/plc_codesys.pdf

Электрик Инфо — электротехника и электроника, домашняя автоматизация, статьи про устройство и ремонт домашней электропроводки, розетки и выключатели, провода и кабели, источники света, интересные факты и многое другое для электриков и домашних мастеров.

Информация и обучающие материалы для начинающих электриков.

Кейсы, примеры и технические решения, обзоры интересных электротехнических новинок.

Вся информация на сайте Электрик Инфо предоставлена в ознакомительных и познавательных целях. За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет. Сайт может содержать материалы 12+

Перепечатка материалов сайта запрещена.

Программируемые логические контроллеры

*****

Выбор программируемого логического контроллера

У всех, кто начинает работать с программируемыми логическими контроллерами, возникает вопрос: «как выбрать контроллер для конкретной задачи?». В этой статье мы попытаемся рассказать, как не запутаться в том многообразии контроллеров, которые присутствуют на рынке.

Производители ПЛК

Для начала нужно определиться с выбором производителя. Крупнейшими мировыми производителями ПЛК являются компании Allen-Bradley, Omron, Schneider Electric, Siemens. Также ПЛК производят Advantech, Delta, VIPA, Mitsubishi Electric, WAGO I/O, Phoenix Contact и многие другие. Российские производители ПЛК. Контар, Овен, Segnetics, Fastwel, Текон. Из чего нужно исходить в первую очередь при выборе производителя? Необходимо посмотреть линейку ПЛК, которые уже используется на заводе. Нежелательно на одном производстве разводить «зоопарк» и устанавливать на каждую машину свой контроллер. Снижение номенклатуры ПЛК на заводе облегчает обслуживание производства, снижает затраты на обучение персонала и ЗИП.

Далее, по важности, идет предпочтение самого программиста. Как правило, у программиста есть любимый производитель, с которым он предпочитает работать. Программист лучше знает особенности этих ПЛК, инструменты, которые предлагает программное обеспечение разработки. Программа пишется быстрее и надежнее, и, соответственно, получается дешевле для конечного заказчика. Немаловажным является доступность (стоимость) и функциональность среды разработки программы. Многие производители выпускают свое ПО для программирования ПЛК. Такое ПО учитывает аппаратные особенности контроллеров. Другие используют аппаратно-независимое ПО для разработки программ ПЛК «CoDeSys». Для работы с CoDeSys необходимо установить библиотеку для выбранного производителя. Сам CoDeSys является бесплатным продуктом, при этом стоимость библиотек устанавливается производителем контроллеров.

После того, как Вы остановились на конкретном производителе желательно изучить его линейку ПЛК, посмотреть на сколько она широкая, можно ли решать задачи разного уровня сложности. Условно по своим возможностям ПЛК можно разделить на 3 группы: малые, средние и большие. Малые ПЛК предназначены для простых задач. Количество подключаемых устройств ограничено числом около 100. При этом малые ПЛК уже содержат небольшое количество входов/выходов, и Вам не нужно подбирать отдельные модули (одна задача – один контроллер).При этом на современных контроллерах этой группы можно решить самые разнообразные задачи. Самая широкая группа ПЛК – средняя. ПЛК этой группы делаются модульными, чтобы можно было гибко подобрать конфигурацию для решения задачи. С помощью таких контроллеров можно построить систему автоматизации целой линии или цеха. Средние ПЛК поддерживают различные сетевые технологии для интеграции с полевыми устройствами, для объединения управляющих устройств, а также для связи с верхним уровнем автоматизации. Очень немногие производители производят Большие ПЛК. Они позволяют реализовать автоматизацию всем заводом, при этом без сетевых технологий здесь уже невозможно. По функциональным возможностям они не отличаются от Средних ПЛК Начинающему программисту и разработчику систем автоматизации хочется сделать свой выбор из объективного сравнения ПЛК разных производителей. Сравнить на практике оказывается довольно сложно, производители дают технические данные в разных единицах измерения, что приводит к дополнительной путанице. Но чаще нам надо просто определиться, сможет выбранный контроллер решить поставленную задачу или нет.

Решение задачи

Самая важная характеристика ПЛК при его выборе — количество точек ввода/вывода. Это максимальное количество дискретных устройств (датчиков и исполнительных механизмов типа включен/выключен), которое можно подключить к ПЛК. В документации производителя это число указывается для самого мощного из серии ПЛК с учетом всех модулей расширения. Аналоговые входы/выходы в это число не входят. Количество аналоговых сигналов, чаще всего, ограничивается количеством модулей расширения. В редких случаях происходит ограничение по питанию модулей расширения или по памяти ввода/вывода. Малые ПЛК сильно ограничены в подключении аналоговых сигналов. При количестве сигналов более 8, нужно рассматривать Средние ПЛК или другие способы сбора аналоговых данных. Если ПЛК требуется интегрировать в сеть предприятия, нужно посмотреть, поддерживается ли интересующий Вас интерфейс данным контроллером. Существует огромное количество сетей и интерфейсов. Они отличаются по назначению и широте использования. Выбор интерфейса для нового применения — это тема для отдельной статьи. Но если нужно произвести обмен между существующим ПЛК и новым, то, естественно, оба должны поддерживать общий интерфейс уровня управления. По интерфейсам полевого уровня также могут подключаться некоторые датчики и исполнительные механизмы. Малые ПЛК поддерживают небольшое количество сетей полевого уровня. Средние и Большие ПЛК поддерживают большую номенклатуру сетей и интерфейсов. ПЛК применяется для медленных процессов. Цикл программы контроллера, если не используются сложные функции и процедуры — от единиц до сотен миллисекунд. Поэтому при работе с современными ПЛК вероятность того, что Вы столкнетесь с нехваткой производительности, низкая. Если при разработке есть требование к быстродействию, оценить его можно только написав программу. У некоторых производителей есть инструмент в программном обеспечении для оценки времени цикла программы. Размер программы тоже ограничен, но на практике с ограничением столкнутся очень немногие. По статистике только 25% общего объема рабочей программы занимает управление технологическим процессом. Остальные 75% — это сервисные функции, обработчики ошибок и прочее. Многое также зависит от стиля программирования. Оценить, сколько будет занимать Ваша программа до её написания, не имея опыта программирования однотипных задач, невозможно. Поэтому, либо берем самый мощный ПЛК в линейке, либо пишем программу и проверяем с помощью инструментов ПО, сколько она занимает. Есть 5 языков программирования ПЛК, которые описаны в разделе международного стандарта IEC 61131-3. Производители решают, какие из доступных языков будет поддерживать их ПЛК. Программист выбирает доступный язык, на котором он будет писать программу. Общие рекомендации при выборе языка следующие: Instruction List (текстовый ассемблероподобный язык) не рекомендуется использовать ввиду низкой наглядности, и сложности наладки и модернизации программы; Function Block Diagram (графический язык логических элементов) – рекомендуется использовать в небольших задачах. При увеличении программы наглядность падает; Ladder Diagram (графический язык релейно-контактных схем) – рекомендуется для написания логического управления (вкл/выкл) любой сложности, облает высокой наглядностью; Structured Text (текстовый паскалеподобный язык) – рекомендуется использовать для математических расчетов; Sequential Function Chart (графический высокоуровневый язык) – предназначен для структурирования сложных программ управления, при этом отдельные блоки пишутся на языка более низкого уровня. При выборе ПЛК нужно руководствоваться не только аппаратными возможностями, но и функциональными возможностями среды разработки программ. ПО должно существенно облегчить жизнь программиста и защитить его от ошибок. Исходя из вышесказанного, можно определить общую последовательность при выборе ПЛК:

  • Узнать какие контроллеры уже используются на объекте
  • Определиться с производителем ПЛК;
  • Посчитать количество точек ввода/вывода;
  • Посчитать количество аналоговых сигналов;
  • Определиться с сетями для подключения датчиков и исполнительных механизмов;
  • Определиться с сетями для связи контроллеров и верхнего уровня;
  • Исходя из п.3-6 выбрать конкретную модель ПЛК и необходимые модули. Если количество точек приближается к максимуму для данной линейки, лучше выбрать более дорогую серию. Если нет опыта автоматизации данных объектов использовать наиболее мощный контроллер из данной линейки.

Программируемые логические контроллеры

Запишись на курсы по ПЛК прямо сейчас!

*****

Глава 2. Программируемые логические контроллеры

Программируемый логический контроллер, ПЛК — микропроцессорное устройство, для применения в промышленных условиях. предназначенное для выполнения алгоритмов управления. Принцип работы ПЛК заключается в сборе и обработке данных по прикладной программе пользователя с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства. Промышленные контроллеры являются сердцем и “мозгами” всех автоматизированных систем. ПЛК использует программируемое запоминающее устройство для внутреннего хранения ориентированных на пользователя инструкций, для выполнения специальных функций, таких как логические, упорядочения, отсчета времени, математические действия, управление через цифровые или аналоговые входы и выходы различными типами механизмов или процессов. ПК и связанные с ним периферийные устройства разрабатывают так, чтобы они могли быть легко интегрированы в промышленную систему управления. (ГОСТ Р 51840-2001 (МЭК 61131-1-92) Программируемые контроллеры по определению являются надежными и практически “необслуживаемыми” устройствами и выполняют функции регулирования и управления различными объектами (технологическими процессами).

Существуют различные виды программируемых контроллеров. В данной работе рассмотрим контроллер S7300.

S7-300 — это модульный программируемый контроллер (рисунок 1) универсального назначения. [сайт:1] Несколько типов центральных процессоров различной производительности и широкий спектр модулей различного назначения с множеством встроенных функций позволяют выполнять максимальную адаптацию оборудования к требованиям решаемой задачи. Работа с естественным охлаждением, возможность применения структур распределенного ввода-вывода, удобство обслуживания обеспечивают экономичность применения S7-300 при решении широкого круга задач автоматизации. При модернизации и развитии производства контроллер может быть легко дополнен необходимым набором модулей. SIMATIC S7-300 является универсальным контроллером: Он является идеальным изделием для работы в промышленных условиях благодаря высокой степени электромагнитной совместимости, высокой стойкости к вибрационным и ударным нагрузкам, температурной устойчивости.

Программируемые логические контроллеры

Рисунок 1.Программируемый контроллер S7300.

Основными областями применения являются:

· Системы измерения и сбора данных.

· Упаковочные машины и линии.

· Автоматизация машин специального назначения.

Промышленное программное обеспечение SIMATIC — это система тесно связанных инструментальных средств для программирования и обслуживания систем автоматизации SIMATIC S7/C7.

STEP 7 — это базовый пакет программ, включающий в свой состав весь спектр инструментальных средств, необходимых для программирования и эксплуатации систем управления, построенных на основе программируемых контроллеров SIMATIC S7/C7.

Контроллер- устройство, предназначенное для выполнения алгоритмов управления. S7-300–универсальный контроллер. Он является идеальным изделием для работы в промышленных условиях благодаря высокой степени электромагнитной совместимости, высокой стойкости к вибрационным ,ударным и температурным нагрузкам. Применяется в различных областях.

Глава 3. Обзор языков программирования контроллеров

В качестве основных языков используются:

· Последовательных функциональных схем (SFC)

· Релейных диаграмм (LD)

· Функциональных блоковых диаграмм (FBD)

· Список инструкций (instruction list — IL)

· Структурированный текст (Structured Text — ST)

1. SFC. Теория конечных автоматов, используемая для формализации состояний сложных процессов управления, опирается на различные графические модели описания состояний. Одну из самых известных моделей предложил К. Петри, она получила название “Сетей Петри”, или диаграммы состояний, и послужила теоретической основой языка последовательных функциональных схем (Sequential Function Charts, или Grafcet, SFC), наиболее важного из всего семейства языков.
SFC позволяет формулировать логику программы на основе чередующихся процедурных шагов и транзакций (условных переходов), а также описывать последовательно-параллельные задачи в понятной и наглядной форме.

Строго говоря, SFC не является языком программирования. Это средство проектирования прикладного ПО, состоящее из комплекса большого числа программных единиц: программ, функциональных блоков, функций. Обеспечение параллельности выполнения программ, установление и контроль состояния порожденных процессов, обеспечение синхронизации по приему и обработке данных, описание однозначно понимаемых заказчиком и исполнителем состояний автоматизируемого процесса — все это возможно при использовании SFC.
К основным достоинствам SFC относятся:

· высокая выразительность. Язык SFC имеет те же возможности, что и диаграммы состояний, и хорошо подходит для описания динамических моделей;

· графическое представление. Благодаря графической мнемонике SFC максимально прост в использовании и изучении. Вместе с тем он является наглядным средством представления логики на разных уровнях детализации;

· предварительное проектирование ПО. Использование языка SFC на ранних этапах проектирования прикладного ПО позволяет избежать в дальнейшем непонимания между заказчиком, проектировщиком ПО и программистом.

Написание программы на языке SFC может иметь 2 стадии:

· Составление графа, представляющего собой последовательность шагов и переходов.

· Программирование действий внутри шагов или условий на языке ST.

Типичными областями применения последовательных систем являются

производства с конвейерной обработкой. Однако последовательные системы управления могут использоваться и при управлении непрерывными производствами, например, для запуска и останова процессов, для изменения уставок, так же как и для изменения состояния в случае каких-либо ошибок.

Системы могут использоваться на всех уровнях производства:

• Уровень индивидуального управления (Открытие вентилей, запуск моторов. )

• Уровень управления группой (Дозирование, нагрев, заполнение. )

• Уровень устройства (Бак, миксер, размельчитель …)

• Уровень предприятия (Синхронизация устройств и общих ресурсов, выбор пути перемещения)

Взаимосвязь SFC и STEP 7

Рисунок 2 показывает взаимосвязь SFC и STEP 7.

Рисунок 2 .Взаимосвязь SFC и STEP7.

SFC — это последовательная система управления.

Схема состоит из последовательности элементов, причем элементы делятся на основные и структурные.

Основными элементами являются:

Структурными элементами являются:

Основные элементы шаг и переход имеют название, уникальное внутри схемы. В процессе создания редактор последовательно нумерует их. Однако вы можете ввести собственное название не длиннее 16 символов. На схеме будут изображены первые 10 символов.

Помимо названия, редактор присваивает элементам последовательные номера, уникальные для данного типа основного элемента, и эти номера не могут быть изменены. При необходимости редактор перенумерует элементы для уничтожения промежутков в нумерации.

Комментарий может использоваться по желанию, например, для текстового описания функциональности элемента, и может содержать до 256 символов в нескольких строках. Однако его отображение на схеме ограничено 10 символами справа от элемента схемы.

FBD
2. FBD. Язык функциональных блоков (Function Block Diagrams) позволяет создать программную единицу практически любой сложности на основе стандартных кирпичиков

(арифметические, тригонометрические, логические блоки, PID-регуляторы, блоки, описывающие некоторые законы управления, мультиплексоры и т. д.). Он использует технологию инкапсуляции алгоритмов обработки данных и законов регулирования. Все программирование сводится к “склеиванию” готовых компонентов. В результате получается максимально наглядная и хорошо контролируемая программная единица.

LD
3. LD. Язык релейных диаграмм, или релейной логики (Ladder Diagrams), применяется для описания логических выражений различного уровня сложности и использует в качестве базовых элементов программирования графические элементы “контакты” (contacts) и ”катушки” (coils), связанные с входными и выходными каналами соответственно.

Присутствие в стандарте языка LD определяется скорее всего данью традициям: для релейной техники было разработано огромное количество оборудования и алгоритмов. Сегодня, имея типовой набор цифрового ввода-вывода, можно создавать управляющие системы на отлаженной годами алгоритмической базе.

ST
4. ST. Язык структурированного текста (Structured Text) относится к классу текстовых языков высокого уровня.

Он уходит корнями в такие известные языки программирования, как Aда, Паскаль и Cи. На его основе можно создавать гибкие процедуры обработки данных. Язык структурированного текста является основным для программирования последовательных шагов и транзакций языка SFC. Кроме того, он имеет “выходы” во все остальные языки, что делает его универсальным в применении разными категориями пользователей.

IL
5. IL. В “достандартные” времена (до 1993 г.) практически каждый программируемый контроллер сопровождался своим Ассемблером.

Выросли целые поколения программистов, ориентированных на определенные кланы микропроцессоров. Освоение новой техники сталкивалось с проблемой освоения очередного языка программирования под новый кристалл. Отдельные мнемонические конструкции Ассемблеров были похожи, но о каком-либо стандарте не было речи.
Появление языка инструкций (Instruction List) в наборе стандартных языков — это унификация интерфейса языка программирования низкого уровня, не ориентированного на какую-либо микропроцессорную архитектуру. У языка IL есть очень важное качество: на его основе создаются оптимальные по быстродействию программные единицы.

Для каждого проекта, в зависимости от типа контроллера, сложности проекта и требований к эффективности кода производится выбор средств разработки, в частности, языка программирования.Существуют различные языки программирования контроллеров, как графические, так и текстовые.

Графические языки программирования контроллеров (SFC, FBD, LD)
Текстовые языки программирования контроллеров (ST, IL)

Каждый язык по-своему уникален и находит применение в той или иной области.

В качестве стандартных инструментальных средств используются последние версии пакетов Siemens — в частности, STEP7.

Назначение Сетей Петри

Сети Петри представляют собой графическое и математическое средство моделирования, применимое к системам самых различных типов. Системы могут содержать большое число взаимодействующих элементов, каждый элемент, в свою очередь, также может быть системой с множеством компонентов, которые взаимодействуют друг с другом сложным образом. Примерами подобных систем могут служить экономические системы, юридические, химические, биологические системы, а также системы управления.

Они представляют собой перспективный инструмент описания и исследования мультипрограммных, асинхронных, распределенных, параллельных, недетерминированных и/или стохастических систем обработки информации. В качестве графического средства сети Петри могут использоваться для наглядного представления моделируемой системы, подобно блок-схемам, структурным схемам и сетевым графикам. Вводимое в этих сетях понятие фишек позволяет моделировать динамику функционирования систем и параллельные процессы. В качестве математического средства аналитическое представление сети Петри позволяет составлять уравнения состояния, алгебраические уравнения и другие математические соотношения, описывающие динамику систем. В настоящее время сети Петри применяются в основном в моделировании. Во многих областях исследований явление изучается не непосредственно, а косвенно, через модель. Модель – это представление, как правило, в математических терминах того, что считается наиболее характерным в изучаемом объекте или системе. Манипулируя моделью системы, можно получить новые знания о ней, избегая опасности, дороговизну или неудобства анализа самой реальной системы. Обычно модели имеют математическую основу.

Развитие теории сетей Петри проводилось по двум направлениям. Формальная теория сетей Петри занимается разработкой основных средств, методов и понятий, необходимых для применения сетей Петри. Прикладная теория сетей Петри связана главным образом с применением сетей Петри к моделированию систем, их анализу и получающимся в результате этого глубоким проникновением в моделируемые системы.

Моделирование в сетях Петри осуществляется на событийном уровне. Определяются, какие действия происходят в системе, какие состояние предшествовали этим действиям и какие состояния примет система после выполнения действия. Выполнения событийной модели в сетях Петри описывает поведение системы. Анализ результатов выполнения может сказать о том, в каких состояниях пребывала или не пребывала система, какие состояния в принципе не достижимы. Однако, такой анализ не дает числовых характеристик, определяющих состояние системы. Не смотря на описанные выше достоинства сетей Петри, неудобства применения сетей Петри в качестве языка программирования заключены в процессе их выполнения в вычислительной системе. В сетях Петри нет строго понятия процесса, который можно было бы выполнять на указанном процессоре. Нет также однозначной последовательности исполнения сети Петри, так как исходная теория представляет нам язык для описания параллельных процессов. Сети Петри являются одним из наиболее распространенных современных формализмов для моделирования и анализа параллельных распределенных систем. В настоящее время ведется большое число теоретических и практических исследований для разработки распределенных алгоритмов, основанных на сетях Петри. Вместе с тем специалистами ощущается необходимость развития формализма с целью более адекватного и удобного представления систем со сложной структурой. Ведутся исследования по расширению сетей Петри за счет добавления конструкций, отражающих модульность и иерархичность систем, а также поддерживающих пошаговую разработку путем последовательной детализации.

Определение Сети Петри

Сеть Петри (Рисунок 3) определяется как двудольный ориентированный граф, все вершины графа относятся к одному из двух классов:

Позиции изображаются окружностями, переходы — отрезками прямой. Дуги в сетях Петри — направленные.

Сеть Петри состоит из 4-х элементов:

1. Множество позиций .

2. Множество переходов .

3. Входная функция .

4. Выходная функция .

P = — Множество позиций.

T = – Множество переходов.

Входная функция «I»: отображение входных позиций для переходов.

Выходная функция «O»: отображение выходных позиций для переходов.

Элементарная сеть Петри изображена на рис. 3.

Рисунок. 3. Элементарная сеть.

Маркировка сетей Петри

Маркировка используется для моделирования динамических свойств системы.

Маркировка M — это присваивание фишек позициям сети. Фишка — это базовое понятие сетей Петри (подобно позициям и переходам). Фишки присваиваются позициям, однако их количество и положение при выполнении сети Петри могут изменяться.

На графе сети Петри фишки обычно изображаются маленькой точкой в кружке-позиции. Приведем пример графического представления маркированной сети Петри:

Рисунок 4..Маркировка сетей Петри.

Маркировка (метка) сети Петри – это функция, отображающая множество позиций в множество неотрицательных целых чисел .

Маркировка может определяться как -вектор: . где и каждое ( ) есть . Вектор определяет для каждой позиции сети Петри количество точек (маркеров, фишек) в этой позиции.

Сеть Петри с маркировкой называется маркированной. Маркированная сеть Петри есть совокупность сети Петри и маркировки . . Маркировка для сети . . . .

Маркировка характеризует динамику изменения состояний системы, причем динамика изменения состояний моделируется движением точек по позициям сети. Маркировка может изменяться в результате запуска переходов. Переход маркированной сети с маркировкой называется разрешенным, если . то есть в каждой входной позиции находится не меньше точек, чем из этой позиции исходит дуг в . Всякий разрешенный переход может запуститься. В результате запуска перехода маркировка сети изменяется на новую: из всякой входной позиции перехода удаляется столько точек, сколько дуг ведет из в . а в каждую выходную позицию помещается столько точек, сколько дуг ведет из в . Последовательность запусков переходов называется выполнением сети.

Пусть позиции и содержат по одной точки. Рассмотрим выполнение такой маркированной сети. В данной маркировке разрешен только переход . При его запуске точка удалится из . а затем в позициях и появится по точке, то есть в результате запуска появится точка еще и в .

Теперь становятся разрешенными переходы и . Поскольку запуститься может любой разрешенный переход, предположим, что запускается переход . После его запуска из позиции и точки удаляться, а в позиции появиться одна точка. В получившейся маркировке не разрешен ни один переход. На этом выполнение сети Петри заканчивается.

Маркировка называется непосредственно достижимой из . если найдется такой переход . разрешенный в . что при его запуске получается маркировка . то есть .

Маркировка называется достижимой из маркировки . если существует последовательность переходов . срабатывание которых переводит сеть из маркировки в маркировку . то есть .

Множество достижимых из маркировок сети Петри называется множеством достижимости и обозначается .

Интерпретация сетей Петри основана на понятиях условия и события. Состояние системы описывается совокупностью условий. Функционирование системы – осуществление последовательности событий. Для возникновения события необходимо выполнение некоторых условий, называемых предусловиями.[4]

Возникновение события может привести к нарушению предусловий и к появлению некоторых новых условий, называемых постусловиями. В сети Петри условия моделируются позициями, события – переходами. Предусловия события представляются входными позициями соответствующего перехода, постусловия – выходными позициями. Возникновение события моделируется запуском перехода. Выполнение условий представляется наличием точек в соответствующих позициях, невыполнение – их отсутствием.

*****

Программируемые логические контроллеры — файл 1.doc

Тема: «Программируемые логические контроллеры».

Программируемый логический контроллер, ПЛК — микропроцессорное устройство, предназначенное для управления технологическими процессами в промышленности и другими сложными технологическими объектами (например, системы управления микроклиматом). Принцип работы ПЛК заключается в сборе сигналов от датчиков и их обработке по прикладной программе пользователя с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства.

Первые логические контроллеры появились в виде шкафов с набором соединённых между собой реле и контактов. Эта схема задавалась жёстко на этапе проектирования и не могла быть изменена далее. В первых ПЛК, пришедших на замену обычным ЛК, логика соединений программировалась схемой соединений LD (Ladder logic Diagram). Устройство имело тот же принцип работы, но реле и контакты (кроме входных и выходных) были виртуальными, то есть существовали в виде программы микроконтроллера. В системах управления технологическими объектами логические команды преобладают над числовыми операциями, поэтому за этими процессорами остаётся название ПЛК. В современных логических контроллерах числовые операции реализуются наравне с логическими, но в большинстве приложений по прежнему преобладают логические команды. В программируемых логических контроллерах обеспечивается доступ к отдельным битам памяти, в то время как большинство процессоров и компьютеров обеспечивают только байтовую или 2-х,4-х байтную адресацию.

ПЛК, как правило, не имеют развитых средств интерфейса, типа клавиатуры и дисплея, устанавливаются в шкафах, их программирование, диагностика и обслуживание производится подключаемыми для этой цели программаторами — специальными устройствами (устаревшая технология) или устройствами на базе PC или ноутбука, со специальным программным обеспечением, а возможно и со специальными интерфейсными платами. В системах управления технологическими процессами ПЛК взаимодействуют с системами человеко-машинного интерфейса: операторскими панелями или рабочими местами операторов на базе PC. Датчики и исполнительные устройства подключаются к ПЛК или централизованно: в стойку ПЛК устанавливаются модули ввода-вывода, подключенные к датчикам и исполнительным устройствам отдельными проводами, или по методу распределённой периферии, когда удалённые от ПЛК датчики и исполнительные устройства связаны с ПЛК общей сетью, например, сетью Profibus с протоколом DP.

ПЛК ( PLC ) были разработаны для замены релейно-контактных схем управления, собранных на дискретных компонентах: реле, таймерах, счетчиках, элементах жесткой логики. Принципиальное отличие ПЛК от релейных схем заключается в том, что в нем все алгоритмы управления реализованы программно. При этом надежность работы схемы не зависит от ее сложности. Использование программируемых логических контроллеров позволяет заменить одним устройством любое необходимое количество отдельных элементов релейной автоматики, что увеличивает надежность системы, минимизирует затраты на ее тиражирование, ввод в эксплуатацию и обслуживание. ПЛК может обрабатывать дискретные и аналоговые сигналы, управлять клапанами, сервоприводами, преобразователями частоты и другими устройствами.

Программировать контроллер можно на пяти языках стандарта IEC-1131.3:
— релейно-контактных схем (Ladder Diagram);
— функциональных блоковых диаграмм (Functional Block Diagram);
— последовательных функциональных схем (Sequential Function Chart);
— структурированного текста (Structured Text);
— ассемблер (Instruction List).

В ПЛК используются различные языки программирования, но обзор выявил явные предпочтения. Релейная схема (96 %) и функциональные блоки (50 %) возглавляют список. Этот порядок не изменился с 2005 (см. сопроводительную диаграмму). Ясно, что сместить релейную схему с вершины будет очень трудно, но программирование с использованием функциональных блоков достигло большого прогресса за последние два года. Структурный текст поднялся с шестого места в 2005 году с 13 % на третье в 2007 с 24 %. Худший результат у языка программирования C, который опустился с четвертого места в 2005 на шестое. Программирование списком инструкций за это же время переместилось с пятого на шестое место.

Программируемые логические контроллеры

Процесс выбора ПЛК не так прост. Тем не менее, некоторые свойства и функции были названы очень важными при определении, рекомендации и/или покупке ПЛК. На первое место в своем хит-параде участники опроса поставили встроенные коммуникационные возможности. Другими характеристиками, выстроенными в порядке убывания значимости, являются: возможности ПИД-регулирования, малое время цикла, объем доступной памяти, поддержка функций управления перемещением, съемные картриджи памяти и беспроводные технологии.

Какие же функции должно реализовывать приобретаемое оборудование? Важнейшие указаны ниже (в порядке убывания значимости):

  • Универсальная среда программирования для различных аппаратных платформ
  • ПЛК с системами распределенного ввода/вывода
  • ПЛК со встроенными модулями ввода /вывода
  • Связь ПЛК с ПК
  • Дублирование процессора и модулей ввода/вывода
  • Микро ПЛК
  • ПЛК с поддержкой web-технологий, включая оповещение по телефону/электронной почте
  • ПЛК со встроенными микропроцессорами PC
  • нано ПЛК
  • высоконадежные PC-контроллеры с открытой архитектурой
  • Переносные устройства программирования

Применение контроллера обеспечивает:
· высокую надёжность;
· простое тиражирование и обслуживание устройств управления;
· ускоряет монтаж и наладку оборудования;
· обеспечивает быстрое обновление алгоритмов управления (в том числе и на работающем оборудовании).

Сферы использования ПЛК в полной мере отражают отрасли применения систем автоматизации. Как и ожидалось, управление станками (82 %) все еще самая распространенная сфера применения. Управление процессом (74 %), управление движением (55 %), управление периодическими процессами (31 %), диагностические приложения (25 %). Реже всего PLC используются для обеспечения безопасности производства (1 %).

Методы коммуникации с другими системами управления являются главным показателем гибкости современного ПЛК. Как говорят участники, сетевые протоколы используются в 69 % установленных ПЛК, оставшиеся 31 % используются как автономные приборы. Большинство подключенных к сети контроллеров обменивается информацией с персональными компьютерами и PAC-контроллерами и столько же связано с другими ПЛК. Чуть больше 5 % устройств используется в распределенных системах управления.

Программируемые логические контроллеры

Некоторое время назад это был очень важный классификационный признак. Считалось, что контроллеры, произведённые в Европе, Америке и Японии, гораздо надежнее, обладают гораздо большим функционалом, чем их «коллеги» из Юго-Восточной Азии и России. В настоящее время этот классификационный признак, скорее всего, потерял актуальность. Российские предприятия набрались опыта и схемотехнические решения у нас подчас даже лучше, чем у западных аналогов. По характеристикам контроллеры-аналоги различных стран-производителей почти не отличаются. Системное и прикладное программное обеспечение либо очень похоже, либо вообще используются стандартизированные продукты (к примеру OS Linux широко используется как на отечественных контроллерах, так и на импортных). Элементная база и в импортных, и в российских контроллерах применяется одна и та же. Кроме того, и отечественные, и европейские, и американские разработчики контроллеров (да и не только контроллеров) в последние годы все чаще размещают производство на одних и тех же площадках в Юго-Восточной Азии. По сути, границы между производителями электроники постепенно исчезают вообще. Вывод: страну производитель, как серьезный фактор классификации рассматривать не стоит.

Под обобщённым термином «мощность» понимается разрядность и быстродействие центрального процессора, объём разных видов памяти, число портов и сетевых интерфейсов. Очень часто основным показателем, косвенно характеризующим мощность контроллера и, одновременно, являющимся важнейшей его характеристикой, является число входов и выходов (как аналоговых, так и дискретных), которые могут быть подсоединены к контроллеру. По этому показателю контроллеры подразделяются на следующие классы: наноконтроллеры (часто с встроенными функциями), имеющие до 15 входов/выходов;
малые контроллеры. рассчитанные на 15-100 входов/выходов;
средние контроллеры. рассчитанные примерно на 100-300 входов/выходов;
большие контроллеры. рассчитанные примерно на 300-2000 входов/выходов;
сверхбольшие контроллеры. имеющие примерно от 2000 и более входов/выходов.
Очень важно отметить, что с ростом мощности контроллера растёт его цена. Причем при переходе разница по цене между различными классами контроллеров очень значительна. Одна из задач при разработке системы управления – это чётко зафиксировать число входных и выходных сигналов объекта управления, чтобы избежать лишних затрат при выборе контроллера.

Область применения – один из наиболее важных признаков классификации. Область применения контроллера накладывает целый ряд требований к контроллерам и очень сильно сужает круг поиска при разработке систем управления. Специализированный контроллер со встроенными функциями. Обычно им является минимальный по мощности контроллер, программа действия которого заранее прошита в его памяти, а изменению при эксплуатации подлежат только параметры программы. Число и набор модулей ввода/вывода определяется реализуемыми в нем функциями. Часто такие контроллеры реализуют различные варианты функций регулирования. Основные области применения: локальное управление какой-либо малой технологической установкой или механизмом.

^ Контроллер для реализации логических зависимостей

Главные сферы применения такого контроллера: станкостроение, машиностроение, замена релейно-контактных шкафов во всех отраслях промышленности. Он характеризуется прошитой в его памяти развитой библиотекой логических функций и функций блокировки типовых исполнительных механизмов. Для его программирования используются специализированные языки типа релейно-контактных схем. Набор модулей ввода/вывода у такого контроллера рассчитан, в основном, на разнообразные дискретные каналы. Наиболее простыми представителями данного класса контроллеров являются интеллектуальные реле.

^ Контроллер, реализующий любые вычислительные и логические функции

Наиболее распространённый универсальный контроллер, не имеющий ограничений по области применения. Центральный процессор контроллера имеет достаточную мощность, разрядность, память, чтобы выполнять как логические, так и математические функции. Иногда, для усиления его вычислительной мощности, он снабжается ещё и математическим сопроцессором (во многих современных процессорах математический сопроцессор интегрирован в сам кристалл). Инструментальные средства для программирования таких контроллеров, как правило, поддерживают несколько языков программирования, таких как язык релейно-контактных схем, функционально-блоковых диаграмм, язык С, Basic, Pascal и тому подобные. Как правило, также предоставляется большая библиотека уже реализованных логических, математических и коммуникационных функций. В состав модулей ввода/вывода входят модули на всевозможные виды и характеристики каналов (аналоговых, дискретных, импульсных и т. д.).

^ Контроллер противоаварийной защиты

Он должен отличаться от контроллеров других классов:

особенно высокой надежностью, достигаемой различными вариантами диагностики и резервирования (например, диагностикой работы отдельных компонентов контроллера в режиме реального времени, наличием основного и резервного контроллеров с одинаковым аппаратным и программным обеспечениями и с модулем синхронизации работы контроллеров, резервированием блоков питания и коммуникационных шин); высокой готовностью, т. е. высокой вероятностью того, что объект находится в рабочем режиме (например, не только идентификацией, но и компенсацией неисправных элементов; не просто резервированием, но и восстановлением ошибок программы без прерывания работы контроллеров); отказоустойчивостью, когда при любом отказе автоматизируемый процесс переводится в безопасный режим функционирования. Контроллер цепи противоаварийной защиты должен иметь сертификат, подтверждающий безопасность его работы в цепях противоаварийной защиты.

^ Контроллер телемеханических систем автоматизации

Данный класс универсальных контроллеров удобен для создания систем диспетчерского контроля и управления распределёнными на местности объектами. В контроллерах данного класса повышенное внимание уделяется программным и техническим компонентам передачи информации на большие расстояния беспроводными линиями связи. В качестве таких линий часто используются УКВ-радиоканалы с обычными или транковыми радиостанциями. При этом возможна передача информации от каждого контроллера в диспетчерский центр, а также эстафетная передача информации по цепи от одного контроллера к другому до достижения диспетчерского центра.

В настоящее время, в связи с большим скачком в развитии сотовой связи, всё большее распространение получает передача информации через сети GSM.

По структуре контроллеры подразделяются на два класса: контроллеры, имеющие фирменную закрытую структуру, и контроллеры открытой структуры, основанной на одном из магистрально-модульных стандартов.

При закрытой фирменной структуре изменения (модификации) контроллера возможны, обычно, только компонентами производителя. Сами изменения достаточно ограничены и заранее оговорены производителем.

При открытой магистрально-модульной структуре, имеющей стандартный интерфейс для связи центрального процессора с другими модулями контроллера, ситуация кардинально меняется: открытость и широкая доступность стандарта на шину, соединяющую модули разного назначения, даёт возможность выпускать в данном стандарте любые модули разным производителям, а разработчикам контроллеров даёт возможность компоновать свои средства из модулей разных фирм;
возможность любой модификации и перекомпоновки средств путем замены в них отдельных модулей, а не замены самих средств, удешевляет эксплуатацию средств;
сборка контроллеров из готовых модулей позволяет точнее учитывать конкретные технические требования и не иметь в них лишних блоков и элементов, не нужных для данного конкретного применения; широкая кооперация разных фирм, поддерживающих данный стандарт на шину и работающих в этом стандарте, позволяет пользователям модулей не быть привязанными к конкретному поставщику и иметь широкий выбор необходимой ему продукции.

По этому признаку все контроллеры можно разделить на два класса: PC-совместимые и PC-несовместимые. Каждый из этих классов имеет свои достоинства и недостатки.

^ PC-совместимые контроллеры можно охарактеризовать следующими особенностями. они имеют классическую открытую архитектуру IBM PC; в них используется элементная база, та же, что и у обычных PC; они работают под управлением тех же операционных систем, которые широко используются в персональных компьютерах, например Windows, Unix, Linux, QNX; программируются они теми же языками, которые используются для разработки ПО для PC; на них, как правило, возможна работа программного обеспечения, разработанного для персональных компьютеров, при наличии требуемых для ПО аппаратных ресурсов.

^ PC-несовместимые контроллеры можно охарактеризовать так:

архитектура контроллеров закрыта, она, как правило, является ноу-хау разработчика;
элементная база, на которой строятся контроллеры, существенно отличается от используемой в PC, она разная у разных производителей;
операционные системы, под управлением которых работают контроллеры, совершенно другие, нежели те, которые используются в РС, они часто разрабатываются самими производителями именно для данного типа или линейки контроллеров; так как в таких контроллерах практически не используются стандарты, предлагаемые разработчиками распространённых операционных систем для PC, то работа PC-программ на этих контроллерах оказывается невозможной.
Из рассмотренных выше характеристик можно сделать вывод о сравнительных достоинствах и недостатках РС-совместимых и несовместимых контроллеров. РС-совместимые контроллеры по сравнению с РС- несовместимыми контроллерами в целом обладают большей мощностью, легче стыкуются с различными SCADA, MES, ERP системами, системами управления базами данных, открыты для большинства стандартов в областях коммуникаций и программирования, они в среднем дешевле, проще обслуживаются и ремонтируются.

В то же время РС-несовместимые контроллеры лучше учитывают требования промышленной автоматики; их операционные системы гарантируют отклик контроллера на внешнее событие через заданное время (операционные системы реального времени). Они в целом более надежны, так как больше используют наработанные в промышленности способы диагностики и горячего резервирования, обеспечивающие отказоустойчивость системы в целом. В них шире используются возможности связи с различными полевыми шинами.

Достоинства и недостатки каждого из этих видов контроллеров определяют их области использования. РС- несовместимые контроллеры целесообразно применять на нижних уровнях автоматизации, «поближе» к технологическому объекту. Здесь необходимы связь с периферийными устройствами по полевым шинам, исполнение в реальном времени (с гарантированным временем отклика на внешние воздействия) и надёжность. А открытость контроллера для связи со SCADA, MES или СУБД, как правило, не требуется. РС-совместимые же контроллеры целесообразнее применять на верхних уровнях автоматизации, где требования к реальному времени и связи по полевым шинам отсутствуют, зато становятся строже требования по информационной совместимости контроллеров с корпоративными сетями.

По конструктивному исполнению контроллеры можно разделить на несколько групп, мы их условно назовем так:

встраиваемые;
размещаемые в общий конструктив;
модульного типа;

Как правило не имеют корпуса, часто конструкция просто крепится на раме. Требований к защитным оболочкам таких контроллеров не предъявляются, поскольку контроллеры встраиваются в общий корпус оборудования и являются неотъемлемой частью этого оборудования.

^ Контроллеры, размещаемые в общий конструктив.

Такие контроллеры характеризуются тем, что все модули – процессорный, коммуникационные, модули ввода-вывода – размещаются в одном конструктиве. В таких контроллерах, как правило, предусматривается некая «материнская» плата с разъёмами, в которые вставляются все модули контроллера. Конструктивы таких контроллеров бывают как оригинальными, разрабатываемыми производителями, так и стандартизированными.

^ Контроллеры модульного типа.

Контроллеры модульного типа не используют общего конструктива. Каждый модуль таких контроллеров, будь то процессорный модуль или модуль ввода-вывода, имеет собственный корпус. Так как защитную оболочку для каждого модуля сделать проще, чем для всего контроллера, то именно этот тип контроллеров чаще всего выпускают для жёстких условий эксплуатации в исполнениях IP 67 и выше. Контроллеры модульного типа очень часто выпускают в корпусе для монтажа на рейку DIN NS 35/7,5. Можно выделить две разновидности контроллеров: с внутренней межмодульной шиной и с внешней шиной. Модули контроллеров с внутренней межмодульной шиной на боковых поверхностях имеют контакты для подключения соседних модулей. А модули контроллеров с внешней шиной, как правило, используют для связи между модулями какую-нибудь скоростную полевую шину, например CAN.

Для правильного выбора контроллера применительно к той или иной задаче, конечно, не будет достаточно классифицировать его по тем или иным признакам. Разработчикам АСУ приходится изучать горы литературы и технической документации. Но тем не менее классификация контроллеров позволяет лучше понять их рынок в целом и сократить время на поиск и выбор наиболее подходящей модели.

Спектр продукции, предлагаемой сегодня, чрезвычайно широк. В Табл. 1 приведены некоторые характеристики ПЛК различных фирм, наиболее распространенных в России. В четырех последних строках указаны параметры для модулей дискретного ввода-вывода. Все они построены по магистрально-модульному принципу, монтируются на панель или DIN-рейку, работают от напряжения 24 В, поддерживают протоколы обмена Fieldbus, имеют широкий набор модулей:

Программируемые логические контроллеры





Внимание, только СЕГОДНЯ!

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *