ПЛК: классификация, принцип работы, выбор
Классификация ПЛК
ПЛК — программируемые логические контроллеры (промышленные контроллеры).Programmable Automation Controller (PAC)
Контроллеры для автоматизации крупных дискретно-непрерывных производств на базе открытых стандартов и сети Industrial Ethernet.
DCS PLC
ПЛК в составе распределённых систем управления (РСУ) для автоматизации крупных опасных непрерывных производств с резервированием ЦПУ, модулей ввода-вывода, блоков питания и полевых шин.
Programmable Logic Controller (PLC)
Программируемые логические контроллеры для автоматического управления преимущественно дискретными операциями (упаковка, инструментальная обработка, конвейерные системы, сборка и т. п.).
Large PLC
ПЛК для автоматизации крупных дискретных производств.
Small PLC
ПЛК для автоматизации небольших производств, OEM-производителей автоматических линий и технологических установок.
NC-based PLC
ПЛК в станках с ЧПУ (в конструктиве стойки ЧПУ).
Motion Controller
Контроллеры для управления сервоприводами в системах управления движением: ЧПУ, контурное управление, позиционирование, синхронизация скорости и положения (электронный редуктор).
PLC-based Motion Controller
Контроллер движения в конструктиве ПЛК.
Drive-based Motion Controller
Контроллер движения в конструктиве сервопривода.
NC-based Motion Controller
Контроллер движения в конструктиве стойки ЧПУ.
Safety PLC
Large Safety PLC
Контроллеры для ПАЗ опасных непрерывных производств.
Small Safety PLC
Контроллеры в системах приборной безопасности травмоопасных машин, представляющих угрозу здоровью и жизни персонала (прессы, станки, роботы и т.п.).
Remote Terminal Unit (RTU)
PC-based PLC
ПК-совместимые контроллеры.
Soft-PLC
Программа, реализующий функции ПЛК на базе ПК:
- Включает PLC систему реального времени
- Может инсталлироваться на любой ПК с установленной коммуникационной картой для связи с удалёнными входами-выходами (Remote I/O) или картой входов-выходов (PC-based I/O)
- Использует рабочую память ПК
- Для сложных задач управления программа может разрабатываться на C/C++ и встраиваться в цикл PLC
Slot-PLC
ПЛК в формате PC-card (PCI, ISA):
- Устанавливается в свободный слот ПК
- Запитывается от ПК, но имеет вход для подключения ИБП
- Имеет встроенную память и слот для расширения памяти
- Буферная батарейка защищает данные оперативной памяти
- Работает независимо от CPU компьютера
- Имеет выход на промышленную шину, может использовать стандартные модули удалённого ввода-вывода
- Имеет встроенную PLC систему реального времени
- Может иметь в комплекте OPC-сервер для связи с PC
- Может иметь в комплекте софт HMI
OPLC
Logic Relay
Интеллектуальные программируемые реле – микроконтроллеры для простейших задач релейной логики (таймеры, часы реального времени, счётчики, компараторы, булевские операции) с ограниченным функционалом (память, количество дискретных входов-выходов, расширяемость, коммуникабельность).
Принцип работы ПЛК
ПЛК предназначены для автоматического управления дискретными и непрерывными технологическими процессами.
Основные принципы работы ПЛК:
- Цикличность
- Работа в реальном масштабе времени, обработка прерываний
Цикличность работы ПЛК
- Самодиагностика
- Опрос датчиков, сбор данных о текущем состоянии технологического процесса
- Обмен данными с другими ПЛК, промышленными компьютерами и системами человеко-машинного интерфейса (HMI)
- Обработка полученных данных по заданной программе
- Формирование сигналов управления исполнительными устройствами
Время цикла
Время выполнения одного цикла программы зависит от:
- размера программы
- количества удалённых входов-выходов
- скорости обмена данными с распределённой периферией
- быстродействия ЦПУ
Время цикла (время квантования) должно быть настолько маленьким, чтобы ПЛК успевал за скоростью изменения переменных процесса (см. теорию автоматического управления), в противном случае процесс станет неуправляемым.
Watchdog
Строжевой таймер следит за тем, чтобы время цикла не превышало заданное.
Обработка прерываний
По прерываниям ПЛК запускает специальные программы обработки прерываний.
Типы прерываний:
- Циклические прерывания по времени (например, каждые 5 секунд)
- Прерывание по дискретному входу (например, по сработке концевика)
- Прерывания по программным и коммуникационным ошибкам, превышению времени цикла, неисправностям модулей, обрывам контуров
Модули ПЛК
- Корзина для установки модулей
- Стабилизированный блок питания AC/DC (~220В/=24В)
- Центральное процессорное устройство (ЦПУ) с интерфейсом для подключения программатора, переключателем режимов работы, индикацией статуса, оперативной (рабочей) памятью, постоянной памятью для хранения программ и блоков данных
- Интерфейсные модули для подключения корзин расширения локального ввода-вывода и распределённой периферии
- Коммуникационные модули для обмена данными с другими контроллерами и промышленными компьютерами
- Модули ввода-вывода
- Прикладные модули (синхронизация, позиционирование, взвешивание и т.п.)
Функции устройств ввода
- Диагностика состояния (обрыв провода, контроль граничных значений, короткое замыкание и т.п.)
- Формирование цифровых значений (машинных слов) технологических параметров
- Передача этих данных в память ПЛК для дальнейшей обработки
Функции устройств вывода
- Электрическое подключение исполнительных устройств
- Диагностика состояния (обрыв провода, контроль граничных значений, короткое замыкание и т.п.)
- Приём управляющих машинных слов из памяти ПЛК
- Формирование управляющих сигналов (дискретных и аналоговых)
Типы устройств ввода-вывода
- Модули локального ввода-вывода располагаются:
- в одной корзине с ЦПУ
- в соседних корзинах в одном шкафу с ЦПУ
- в корзинах в соседних шкафах в одном помещении с ЦПУ
- Модули распределённого ввода-вывода (децентрализованная периферия) располагаются удалённо (в другом здании или в поле по по месту управления) и связываются с ЦПУ по промышленной полевой шине. Станции удалённого ввода-вывода могут иметь взрывозащищённое исполнение или повышенный класс защиты корпуса (например, IP67) и устанавливаться без шкафа
Функции коммуникационных модулей
Коммуникационные модули предназначены для обмена данными:
- с удалёнными модулями ввода-вывода (Profibus, Modbus и др.)
- с программаторами, панелями оператора (HMI) и другими контроллерами
- с полевыми устройствами (HART, Foundation Fieldbus и др.)
- с сервоприводами (SERCOS)
- с промышленными компьютерами верхнего уровня (Industrial Ethernet и др.)
- по радиоканалам (GSM, GPRS)
- по телефонным линиям
- по Internet (встроенные web-серверы публикуют на своих страницах статусную информацию)
Выбор ПЛК
Выбор платформы автоматизации
Выбор платформы определяет и весь ваш будущий выбор.
ПЛК является первым пунктом в выборе платформы.
Правильный выбор платформы позволяет минимизировать расходы жизненного цикла системы управления:
- склад запасных частей и сервисное обслуживание
- обучение и сертификацию обслуживающего персонала
- приобретение лицензий на средства разработки прикладного ПО
- интеграцию (бесшовная интеграция)
- миграцию (переход со старого оборудования на новое)
- программы и сикдки для ключевых клиентов
Определение количества точек ввода-вывода
Желательно максимально точно определить общее количество точек ввода-вывода (с учётом резервирования), чтобы подобрать ПЛК соответствующей производительности, или заранее предусмотреть модель контроллера с большим запасом по расширяемости.
- Дискретные входы (стандартные и быстродействующие импульсные)
- Аналоговые входы для подключения датчиков:
- токовых (0..20мА, 4..20мА)
- «напряженческих» (-10..+10В, 0..+10В)
- термопар и термосопротивлений (способ подключения: 2-х, 3-х или 4-х проводное подключение)
- Дискретные выходы (мокрый контакт)
- Релейные выходы (сухой контакт):
- тип нагрузки (резистивная, индуктивная, резистивно-индуктивная)
- величина тока (в Амперах)
- напряжение (~220В, =24В)
- Аналоговые выходы:
- токовые (0..20мА, 4..20мА)
- «напряженческие» (-10..+10В, 0..+10В)
- Интерфейсы для подключения угловых или линейных датчиков скорости, положения (энкодеров, резольверов, синусно-косинусных)
Определение архитектуры системы управления
- Составить список объектов автоматизации (производственных площадок, цехов, участков, технологических линий, подсистем)
- Определиться с количеством ПЛК: если объекты управляются независимо друг от друга и вводятся в эскплуатацию поочередно, то можно предусмотреть для них отдельные контроллеры
- В зависимости от объёма и скорости обмена данными, территориального расположения объектов управления необходимо выбрать тип и топологию промышленной сети, требуемое коммуникационное оборудование
- Для минимизации длины кабельных соединений используются станции распределённого ввода-вывода
- Расписать точки ввода вывода по контроллерам, шкафам локального и децентрализованного ввода-вывода, определить количество и типы модулей ввода-вывода с учётом запаса по свободным каналам ввода-вывода
- В зависимости от направления обмена данными между ПЛК необходимо правильно выбрать конфигурацию Master – Slave (Ведущий – Ведомый): контроллеры типа Slave не могут обмениваться данными друг с другом
Масштабируемость
Масштабируемость – это возможность подобрать промышленный контроллер оптимальной конфигурации под конкретную задачу (не переплачивая за избыточную функциональность), а при необходимости расширения – просто добавить недостающие модули без замены старых.
Выбор блоков питания
Контроллеры подключаются к стабилизированным импульсным источникам питания. Необходимо аккуратно подсчитать суммарный ток, потребляемый всеми модулями контроллера и подобрать блок питания с соответствующей нагрузочной способностью.
Пример последствий неправильного выбора блока питания
Выходные модули установки приготовления клея для варки целлюлозы иногда отключались и испорченный клей приходилось выбрасывать тоннами. К финскому проекту ни у кого претензий не возникало. Заменили все модули ввода-вывода — не помогло. Грешили на случайные помехи из-за плохого заземления. Оказалось, что в определённых ситуациях (как-бы случайно) срабатывало такое «большое» количество входов и выходов, что суммарный потребляемый ими ток на мгновение превышал допустимый выходной ток блока питания и модули вывода отключались. Заменили блок питания на более мощный и проблема была решена.
Программное обеспечение
- Очень полезен программный симулятор, с помощью которого можно отладить программу без подключения к ПЛК
- Удобно, если для программирования ПЛК можно использовать стандартный ноутбук и стандартный кабель (USB или Ethernet)
- Проще найти программиста, если контроллер поддерживает стандартные языки программирования IEC61131:
- LD (Ladder Diagram) – графический язык релейной логики
- IL (Instruction List) – список инструкций
- FBD (Function Block Diagram) – графический язык диаграмм логических блоков
- SFC (Sequential Function Chart) – графический язык диаграмм состояний
- ST (Structured Text) – текстовый язык программирования высокого уровня
Системы ЧПУ
Сравнение PLC, PAC и IPC
Управляющие системы, которые используются в настоящее время, стали мощнее и гибче, они проще конфигурируются и программируются, а также проще организованы в части решения вопросов коммуникации. Однако огромное количество имеющихся на рынке предложений подобных устройств может привести потенциального потребителя в полное замешательство. Понимание достоинств, ограничений и совместимости различных предложений позволит инженеру принять взвешенное решение при выборе из множества программируемых логических контроллеров (Programmable Logic Controller, PLC), программируемых контроллеров автоматизации (Programmable Automation Controller, PAC) или индустриальных компьютеров (Industrial PC, IPC).
Контроллеры как замена реле
До конца 60-х годов для управления отдельными функциями управляющие системы содержали реле и независимые контроллеры контура управления аналоговой частью системы. Использование этих узлов было источником значительных проблем, так как они требовали очень больших объемов для размещения реле в шкафах управления, дорогого и длительного процесса внесения изменений в схему, а также буквально титанических усилий для поиска и ликвидации неисправностей.
В начале 70-х годов прошлого века были созданы PLC, которые стали широко применяться в промышленных приложениях, заменив собой системы, использующие реле. Первые PLC имели большие размеры, однако все равно они занимали меньше места, чем целые стены из реле, а их программирование проводилось с помощью отдельного терминала. Их недостатком был ограниченный набор команд.
| Конфигурирование и первый запуск — самый трудный период, в течение которого приходит понимание, подходит или не подходит выбранная платформа для данного применения. |
В конце семидесятых на смену управления отдельными цепями пришли распределенные системы управления (Distributed Control System, DCS), которые привнесли централизованный процесс управления в контролируемое ими окружение. Система типа DCS, как правило, содержит множество стоек ввода/вывода (I/O), которые находятся в непосредственной близости от управляемого устройства, а также персональный компьютер для визуализации и управления. Системы визуального контроля и ввода данных являются неотъемлемой частью DCS и используются для контроля и управления процессами. В начале 80-х годов PLC начинают использоваться в качестве промежуточного звена между DCS и стойками компонентов распределенного управления.
Контроллеры типа PLC имели множество преимуществ, таких как усовершенствованная система управления питанием, увеличенная память, улучшенные операции с битами и уменьшенный размер по сравнению с другими компонентами. Эти преимущества положили начало их классификации уже как систем автоматизации, которые были далеки от начальной концепции PLC. Так, в настоящее время мы имеем еще две группы устройств — PAC и IPC, которые, наследуя основные концепции PLC, сформированные еще в начале семидесятых, имеют новые возможности и функции, отличающие их от оригинальных программируемых контроллеров.
PLC
На сегодня PLC (рис. 1) являются очень мощными и функциональными. По сути, это базовые блоки для множества небольших проектов. Типичная сфера применения PLC — оборудование OEM-производителей, такое как упаковочное оборудование, линии розлива, укладчики на поддоны и небольшие устройства для перемещения грузов. Обычно для визуализации данных и получения оповещений о работе системы PLC используются совместно с устройствами взаимодействия с пользователем, человеко-машинным интерфейсом (Human-Machine Interface, HMI). Современные PLC имеют значительно более продвинутые возможности по сравнению со своими предшественниками, выпущенными в 70-х и 80-х годах, а именно: возможность работы с высокоскоростными интерфейсами ввода/вывода, выполнение последовательности заданных операций, работа в качестве пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ПИД), функции цифрового ввода/вывода, а также обладают значительно более широким набором инструкций. В зависимости от исполнения и модели PLC часто имеют целый ряд дополнительных модулей, позволяющих проводить высокоскоростные вычисления, использовать дополнительные сетевые интерфейсы, управлять устройствами перемещения и позиционирования и многое другое.
Рис. 1. Разные виды программируемых логических контроллеров (PLC)
Практически все PLC для коммуникации между блоками внутри системы, а также между различными аналогичными устройствами или же для коммуникации на уровне Ethernet имеют несколько встроенных интерфейсов. Эти интерфейсы включают в себя коммуникации по стандартам EtherNet/IP, Profibus, Foundation Fieldbus или Modbus TCP. Такие сети позволяют производить коммуникацию от одного самостоятельного узла к другому (PLC-к-PLC), соединять удаленные порты ввода/вывода, а также осуществлять взаимодействие с человеко-машинным интерфейсом и системами централизованного управления на уровне предприятия и системами сбора данных (SCADA). В то время как современные PLC достаточно мощные по сравнению со своими «древними» аналогами, на сегодня они по-прежнему имеют определенные ограничения. Чтобы удерживать на конкурентном уровне рыночную цену, PLC имеют ограничения по количеству портов ввода/вывода. Это, в свою очередь, накладывает ограничения на количество используемых модулей, не позволяя, таким образом, расширить функциональные возможности устройства.
| PLC, PAC и IPC предназначены для различных сфер автоматизации. |
PAC
Крупные проекты требуют использования нескольких распределительных шкафов с управляющим оборудованием или, если это очень большой проект, требуется дополнительная процессорная мощность и оперативная память, которые не могут предоставить стандартные PLC. PAC содержат все функциональные возможности PLC, которые были описаны выше, плюс еще целый ряд дополнительных функций.
Рис. 2. Программируемые контроллеры автоматизации (PAC)
PAC (рис. 2) были разработаны для больших распределенных систем управления и предназначены для управления большими упаковочными линиями, контроля за отдельно функционирующими системами управления и для управления большими автоматизированными передвижными грузовыми платформами и производственными процессами. Доступный набор инструкций в данном случае является более продвинутым и специализированным. Он может содержать команды для управления и контроля выполнения технологических процессов и производственных операций, управления последовательностью выполнения отдельных операций, комплектования партий, а также управления устройствами. Некоторые производители пошли еще дальше, предлагая устройства со специализированным набором инструкций для нефтегазовой, ядерной, пивоваренной промышленностей и других специфических отраслей. Зачастую этот набор инструкций предполагает интенсивные вычисления, что вызывает повышенную нагрузку на процессор и требует от PAC повышенной производительности для корректного выполнения своих функций. Часто PAC используются для централизованного управления на уровне предприятия и систем сбора данных (SCADA), а также для управления и хранения данных в масштабах всего предприятия.
Совершенствование набора команд и соответствующих библиотек HMI делает возможным использование PAC в качестве распределенной системы управления. Большую часть функциональности, производительности и возможностей интеграции, необходимых для функционирования DCS, теперь могут обеспечить и производители PAC. Исторически закрепленные за DCS методы управления, такие как управление на основе прогнозируемых моделей (Model Predictive Control, MPC) и нечеткая логика (Fuzzy Logic — логика с высказываниями не только «истина» и «ложь», но и с любыми промежуточными), используемые в сложных и нестабильных системах контроля с обратной связью, в которых использование традиционных для автоматизации ПИД нецелесообразно, теперь стали доступны для использования с помощью PAC.
IPС
Индустриальные компьютеры стали широко применяться в 90-х годах, когда компании, занимающиеся автоматизацией производств, разработали программное обеспечение (ПО) для обычного компьютера, которое моделирует работу PLC и его окружения. Эти первые попытки использования PC для автоматизации были зачастую неудачными, поскольку на работу ПО влияла нестабильность работы операционной системы (ОС), под управлением которой работает основной PC, а также частые отказы PC, которые не были предназначены для работы в тяжелых условиях среды индустриального производства.
Рис. 3. Индустриальный компьютер (IPC)
С тех пор сфера IPC претерпела значительные изменения, включая использование защищенных специальных промышленных компьютеров, более стабильных ОС и даже создание некоторыми производителями заказных конфигураций IPC с ядром реального времени для автоматизации производственных процессов. Ядро с функционированием в реальном масштабе времени позволяет отделить работу автоматики от работы окружения ОС, что позволяет получать приоритеты работы таких устройств, как системы ввода/вывода, выше приоритетов самой ОС.
| Создание матрицы весовых критериев помогает в выборе оптимального решения. |
Поскольку IPC используют те же платформы, что и стандартные PC, это позволяет применять более современные процессоры и больший объем памяти, чем в стандартных PLC. Часто IPC совмещают в одном устройстве как HMI, так и всю систему автоматизации, что позволяет снизить общую стоимость такой системы управления. IPC (рис. 3) широко применяются в таком оборудовании OEM-производителей, как передвижные грузовые платформы, а также в проектах с ограниченным рабочим пространством.
Выбор правильной управляющей системы
В рамках данной статьи мы не можем представить все четкие и однозначные правила для быстрого выбора среди PAC, PLC или IPC. При выборе должны учитываться многие факторы — такие как бюджет проекта, размеры, доступная техническая поддержка, сложность и возможность расширения системы в будущем. Особое внимание следует уделить требованиям к процессам и системным требованиям, а также соответствию сертификатам уровня полноты безопасности SIL (Safety Integrity Level — дискретный уровень, принимающий одно из четырех возможных значений, определяющий требования к полноте безопасности для функций безопасности) и показателю среднего времени наработки на отказ (Mean Time Between Failure, MTBF).
Часто выбор потребителя, по внутренним или внешним причинам, является детерминированным. Он обусловлен, как минимум, именем бренда производителя системы автоматизации. Обычно выбор производится с учетом наличия существующих лицензий на программное обеспечение, технической поддержки и тренингов для персонала, наличия региональных поставщиков.
Когда имеются сомнения, следует подготовить матрицу соответствия основных критериев выбора по каждой из описанных технологий. На первом месте должны стоять самые важные и необходимые требования, в противовес желаемым и не таким важным критериям. Приведенная в статье таблица поможет устранить субъективность при принятии решения. Она может быть полезна потребителям, которые не предъявляют особых требований к системе, или когда их расплывчатые требования дают возможность системному интегратору предложить различные типы решений и их производителей.
Выбором могут стать и смешанные системы, состоящие из PLC, PAC и IPC. Современные промышленные сети позволяют легко и без больших проблем интегрировать различные решения разных производителей в конкретных заводских условиях.
| Показатель | Технология 1 | Технология 2 | Технология 3 | Технология 4 | |||||
| Коэфф. (x/4) | Важность, % | Итого | Важность, % | Итого | Важность, % | Итого | Важность, % | Итого | |
| Стоимость | 3 | 90 | 270 | 50 | 150 | 100 | 300 | 10 | 30 |
| Скорость | 4 | 75 | 300 | 100 | 400 | 100 | 400 | 25 | 100 |
| Расширяемость | 2 | 100 | 200 | 75 | 150 | 100 | 200 | 50 | 100 |
| Запчасти | 2 | 100 | 200 | 50 | 100 | 100 | 200 | 50 | 100 |
| Поддержка системного интегратора | 4 | 50 | 200 | 50 | 200 | 50 | 200 | 25 | 100 |
| Поддержка сторонними фирмами | 3 | 75 | 225 | 75 | 225 | 75 | 225 | 75 | 225 |
| Критерий 7 | 3 | 100 | 300 | 80 | 240 | 90 | 270 | 50 | 150 |
| Критерий 8 | 2 | 100 | 200 | 90 | 180 | 100 | 200 | 25 | 50 |
| Критерий 9 | 2 | 100 | 200 | 10 | 20 | 20 | 180 | 10 | 20 |
| Итого | 2095 | 1665 | 2175 | 875 | |||||
Вконтакте
Google+
Аналоговый ввод/вывод ПЛК — Control Engineering Russia
Обычно понятие «программируемый логический контроллер» (ПЛК, Programmable logic controllers, PLC) подразумевает блочно-модульную систему универсального назначения, построенную на основе микропроцессора. Как правило, ПЛК содержит центральный процессор, преобразователь напряжения, различную периферию для работы с коммуникационными и беспроводными интерфейсами, а также входы и выходы для взаимодействия с внешними устройствами. Обобщенная структурная схема ПЛК показана на рис. 1.
Рис. 1. Обобщенная структурная схема ПЛК (PLC)
Все имеющиеся на борту контроллера входы и выходы можно разделить на три класса: аналоговые, дискретные и специальные. Аналоговые входы ПЛК служат для ввода непрерывного сигнала с датчиков и других внешних устройств. Аналоговые сигналы делятся на два типа: сигналы по току (4–20 мА) и сигналы по напряжению (от 0–10 В). Аналоговые выходы ПЛК, в свою очередь, служат для плавного управления устройствами. Разделение у аналоговых выходов такое же, как и у входов (по току и по напряжению). Примеры использования аналоговых входов/выходов приведены на рис. 2.
Рис. 2. Применение аналоговых входов и выходов ПЛК
Аналоговые входы
Согласно ГОСТ IEC 61131-2-2012, аналоговый вход (analogue input) — это устройство, преобразующее непрерывный сигнал в дискретное мультибитовое двоичное число для работы в системе программируемых контроллеров.
Для аналоговых входов самыми распространенными являются стандартные диапазоны постоянного напряжения: –10…+10 и 0…+10 В. Для токовых входов диапазоны составляют 0–20 и 4–20 мА (табл. 1).
Диапазон сигнала | Пределы для импеданса входов |
±10 В | 10 кОм |
0–10 В | 10 кОм |
1–5 В | 5 кОм |
4–20 мА | 300 Ом |
0–20 мА | 300 Ом |
В общем случае измерительный тракт системы обработки аналоговых сигналов состоит из нескольких звеньев (рис. 3): входной сигнал, получаемый с датчика (или датчиков), поступает на усилитель через мультиплексор или напрямую. Главная задача усилителя в данной схеме — нормирование/усиление сигнала до оптимального для АЦП уровня. В свою очередь, АЦП производит оцифровку сигнала в соответствии с уровнем напряжения источника опорного напряжения (ИОН), затем сигнал поступает на центральный процессор, где проходит цифровую обработку.
Рис. 3. Обобщенная структурная схема аналогового входа ПЛК
Однако в зависимости от конкретных задач возможны различные варианты реализации измерительного тракта:
- с независимыми предварительными усилителями и АЦП, одновременно конвертирующими входные сигналы в цифровое представление;
- с мультиплексором в качестве первой ступени, за которым в тракте перед АЦП стоит общий усилитель;
- с отдельными каналами, в каждом из которых стоит усилитель, а перед АЦП включен мультиплексор.
Мультиплексоры в тракте служат для выборки одного из нескольких входных каналов. Мультиплексор, соответствующий требованиям по защите от высоковольтных электростатических разрядов (вплоть до ±35 кВ) или защищенный от скачков напряжения на входах, способен устранить необходимость использования внешних схем, таких как делители напряжения и оптоэлектронные реле. При этом важно иметь низкие согласованные сопротивления открытого канала (RON), поскольку они позволяют обеспечить малые искажения сигналов, улучшив тем самым надежность системы, а также низкие токи утечки, критичные для минимизации ошибок измерения напряжений. К мультиплексорам, применимым в подобных трактах, можно отнести MUX508, MUX36D04, MUX36D08 и MUX36S08 производства Texas Instruments. Данные устройства способны работать с напряжениями 10–36 В (рис. 4).
Рис. 4. Пример подключения мультиплексора к АЦП
Уровень выходного сигнала с датчика может быть очень низким или очень высоким, что для максимизации динамического входного диапазона АЦП требует добавления усилителей или аттенюаторов соответственно. Эти предварительные каскады обычно реализуют на усилителях с программируемым коэффициентом усиления или на дискретных операционных усилителях и прецизионных резистивных делителях. АЦП и усилитель работают в тандеме, чтобы обеспечить наилучшее отношение сигнал/шум (SNR) при заданных ограничениях по стоимости, размерам и потребляемой мощности. Компания Texas Instruments предлагает широкий спектр усилителей с программируемым коэффициентом усиления (PGA281, PGA112), инструментальных усилителей (INA188, INA826), а также операционных усилителей семейства OPA (OPA320, OPA2196, OPA2320, OPA196, OPA191). Пример подключения PGA281 приведен на рис. 5.
Рис. 5. Пример подключения усилителя PGA281 к АЦП
Реализация аналоговых входов по описанным выше схемам достаточно сложна с практической точки зрения, а необходимость использования множества компонентов увеличивает габариты конечного решения. Альтернативой в этом случае может послужить АЦП с интегрированными каскадами предварительной обработки.
Ведущие производители АЦП выпускают специализированные преобразователи для применения в аналоговых модулях ПЛК. Такие преобразователи, как правило, представляют собой многоканальные системы сбора данных на кристалле и содержат множество функциональных модулей: источники тока, программируемые усилители, входы/выходы общего назначения, источники опорного напряжения, блоки достоверности данных и т. д. Примером таких преобразователей являются ADS124S06 и ADS124S08, не так давно выпущенные компанией Texas instruments.
ADS124S06 и ADS124S08 — это высокоточные сигма-дельта АЦП с разрядностью 24 бит и низким энергопотреблением (рис. 6).
Рис. 6. Структурная схема ADS124S08
Данные АЦП имеют в своем составе шесть (ADS124S06) и двенадцать (ADS124S08) мультиплексированных каналов, устройства выборки и хранения, программируемые усилители, цифровые фильтры, а также устройства мониторинга различных системных параметров, в том числе и температурный датчик.
Благодаря встроенным усилителям PGA, ADS124S06 и ADS124S08 не нуждаются во внешних схемах усиления. Усилитель PGA позволяет выбирать усиление в пределах 1–128.
На кристалле данных АЦП расположен ИОН — прецизионный блок с низким дрейфом, откалиброванный производителем до 2,5 В. На соответствующем контакте Vref внутренний ИОН может быть подавлен внешним (внешний ИОН может быть в диапазоне 2,3 В — Vref). Кроме того, ADS124S06 и ADS124S08 оснащены настраиваемыми цифровыми фильтрами с низкой задержкой преобразования и частотой 50 или 60 Гц для работы в промышленных средах с высоким уровнем шума, что в совокупности с ранее описанными особенностями делает их прекрасным решением для применения в ПЛК. Обобщенные характеристики этих АЦП приведены в таблице 2.
Характеристика | ADS124S06 | ADS124S08 |
Разрядность АЦП | 24 бит | 24 бит |
Количество измерительных каналов | 6 | 12 |
Частота захвата сигнала | 4 кГц | 4 кГц |
Тип аналого-цифрового преобразователя | сигма-дельта | сигма-дельта |
Цифровой интерфейс | SPI | SPI |
Потребляемая мощность | 1,75 мВт | 1,75 мВт |
Конфигурация источника опорного напряжения | внешний, встроенный | внешний, встроенный |
Диапазон питающих напряжений цифровой части | 2,7–3,6 В | 2,7–3,6 В |
Диапазон рабочих температур | –50…+125 °C | –50…+125 °C |
Для примера реализации аналоговых входов на базе ADS124S08 компания Texas Instruments выпустила опорный дизайн TIDA-01434.
TIDA-01434
TIDA-01434 — это полнофункциональный законченный модуль аналоговых входов ПЛК (рис. 7), который удовлетворяет современным требованиям эффективности и плотности каналов при небольших габаритах печатной платы, а также обладает низким энергопотреблением и широким диапазоном рабочих температур. Конструкция данного модуля использует конвертер DC/DC в режиме Charge Pump, а переход из одноканального режима в многоканальный легко осуществляется без изменения параметров питания.
Рис. 7. Внешний вид модуля TIDA-01434
Особенности модуля:
- Наличие изолированного источника питания и высокоточного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя;
- наличие биполярного аналогового источника питания с Inverting Charge Pump;
- отсутствие необходимости подключения дополнительных цепей обвязки;
- отсутствие катушек индуктивности на борту, благодаря чему высота модуля составляет всего 3,5 мм;
- возможность внешнего подключения.
Обобщенные характеристики модуля отображены в таблице 3.
Параметр | Величина |
Источник питания входного сигнала | Общая шина питания |
Напряжение питания | 3–5,5 В |
Ток потребления | 17 мА |
Выходное напряжение | 3,3 В; –2,5 В; 2,5 В |
КПД | ≈ 12% |
Рабочая температура | –40…+124 °C |
Размеры | 35×35×3,65 мм |
В конструкции современных модулей управления аналоговыми сигналами к АЦП, как правило, для повышения производительности добавляется LDO-регулятор. На модуле TIDA-01434 для этих целей предусмотрен специально выделенный LDO-регулятор LM27762 с высоким коэффициентом подавления нестабильности питания (PSRR). Также LM27762 осуществляет функцию формирования биполярного сигнала на АЦП.
При работе с модулем TIDA-01434 нет необходимости включения в цепь дополнительных компонентов, в частности не нужно добавлять фильтры типа RC или LC для фильтрации импульсов с источника питания; это стало возможным благодаря применению в схеме цифрового изолятора ISOW7841.
TIDA-01434 предназначен для работы в качестве одно- или многоканального аналогового входа с биполярными входными сигналами и применяется в большинстве случаев для построения решений на базе ПЛК, но не ограничивается только этим. Модуль подходит как для систем типа «канал-канал» (channel-to-channel), так и для входов с групповой изоляцией. В системе channel-to-channel каждый канал входного сигнала имеет собственную «землю» — такая топология позволяет работать с входными сигналами с большей разницей потенциалов. При использовании топологии групповой изоляции величины допустимых напряжений ограничены. В данном случае предпочтительно использовать топологию типа channel-to-channel.
Модуль TIDA-01434, помимо упомянутых ранее АЦП ADS124S08 и преобразователя LM27762 типа Charge Pump, имеет на борту линейный регулятор TPS7A87, источник опорного напряжения и тока REF6225, цифровой изолятор ISOW7841 и ISO7741, а также неинвертирующие буферы SN74AHC1G04 и SN74AHC1G125 (рис. 8).
Рис. 8. Блок-схема TIDA-01434
Для удобства отладки и оценки возможностей модуля можно использовать отладочную плату на базе контроллера MSP430FR5969 (рис. 9).
Рис. 9. Внешний вид отладочной платы MSPEXP430FR5969
Аналоговые выходы
В соответствии с ГОСТ IEC 61131–2-2012 аналоговый выход (analogue output) — это устройство, которое преобразовывает мультибитовое двоичное число из системы программируемых контроллеров в непрерывный сигнал. Номинальные значения и пределы импеданса для аналоговых выходов отображены в таблице 4.
Диапазон сигнала | Пределы для импеданса вводов |
±10 В | 1000 Ом |
0–10 В | 1000 Ом |
1–5 В | 500 Ом |
4–20 мА | 600 Ом |
0–20 мА | 600 Ом |
В общем случае тракт генерации выходных аналоговых сигналов включает ряд звеньев (рис. 10): цифровые данные, поступающие от центрального процессора, могут быть преобразованы в аналоговое напряжение или ток, например, с помощью ЦАП и схем последующей обработки выходного сигнала. Дальнейшая обработка обеспечивает необходимую подстройку выходного сигнала, в том числе калибровку смещения, опорного напряжения и усиления.
Рис. 10. Обобщенная структурная схема аналогового выхода ПЛК
ЦАП, применяемые в программируемых логических контроллерах, должны соответствовать строгим электротехническим требованиям как по точности (погрешность на выходе не более 0,1%), так и по защитным характеристикам (4-й уровень защиты согласно ГОСТ 30804.4.2-2013), а также удовлетворять параметрам подачи аналоговых сигналов (коммутировать 4–20 мА и 0–10 В), работать со стандартным в этой сфере диапазоном напряжений (12–32 В) и иметь рассеиваемую мощность не более 1 Вт.
Одним из таких ЦАПов является DAC8775 от компании Texas Instruments (рис. 11).
Рис. 11. Структурная схема DAC8775
DAC8775 — это первый в отрасли ЦАП с выходом 4–20 мА и интегрированным преобразователем напряжения, имеет полную нескорректированную ошибку в 0,1% и способен работать в расширенном промышленном диапазоне температур –40…+125 °C. При работе с напряжением 12 В DAC8775 имеет потребляемую мощность всего 780 мВт. Кроме того, данный ЦАП динамически регулирует величину напряжения питания в соответствии с током нагрузки, подключенной к выходу 4–20 мА. В результате система имеет хорошо управляемые тепловые характеристики, позволяющие разместить большее количество каналов в меньшем форм-факторе. Более подробные характеристики DAC8775 приведены в таблице 5.
Параметр | Величина |
Разрешение преобразователя | 16 |
Количество каналов | 4 |
Время стабилизации | 10 мкс |
Скорость преобразования | 33 кГц |
Интерфейс обмена данными | SPI |
Тип выхода | Выходной усилитель тока, выходной усилитель напряжения |
Отклонение коэффициента усиления от идеального значения | ±0,1% |
Опорное напряжение | 5 В |
Конфигурация источника опорного напряжения | Внешний, встроенный |
Напряжение питания | 12–36 В |
Потребляемая мощность | 780 мВт |
Рабочая температура | –40…+125 °C |
Корпус | QFN-72, VQFN-72 |
На базе данного цифро-аналогового преобразователя компанией Texas Instruments был выпущен модуль TIPD215.
TIPD215
TIPD215 представляет собой аналоговый 4-канальный модуль (рис. 12) на базе DAC8775 с интегрированным преобразователем LM5166, благодаря которому общая рассеиваемая мощность (при задействовании всех четырех каналов, по 20мА на канал) составляет менее 1 Вт.
Рис. 12. Внешний вид модуля TIPD215
Модуль TIPD215 работает с входным напряжением в диапазоне 12,5–40 В и генерирует на выходе четыре независимых источника, которые можно использовать для контроля за подключенной периферией (рис. 13).
Рис. 13. Схема включения модуля TIPD215
К особенностям модуля TIPD215 стоит отнести:
- четыре канала для управления аналоговыми выходами;
- коммутируемый ток: 4–20 мА на канал;
- выходное напряжение: ±10 В;
- диапазон входных напряжений: 12,5–40 В;
- менее 1 Вт рассеиваемой мощности;
- адаптивное управление питанием токовых выходов.
Построенный на базе DAC8775 модуль обладает высокими параметрами надежности: встроенные в DAC8775 средства диагностики способны находить обрывы и короткие замыкания нагрузки, вести мониторинг температуры кристалла, вычислять циклические суммы, с помощью сторожевого таймера контролировать зависание шины SPI и проверять соответствие границ напряжения питания заданным значениям. Кроме того, разработчикам предоставляется возможность программировать способы реакции устройства на аварийные ситуации, что, в свою очередь, значительно упрощает процесс выявления неполадок системы на ранних стадиях и помогает обеспечить высокую надежность ее функционирования.
Также модуль TIPD215 обладает высоким КПД и малым временем отклика. В устройство заложены инновационные возможности самообучения, позволяющие вычислять импеданс нагрузки токовой петли 4–20 мА и динамически снижать напряжение источника питания, благодаря чему уменьшается время установления и достигается эффективный баланс между КПД и скоростью отклика.
Для обеспечения генерации биполярного напряжения в цепь DAC8775 включена индуктивность величиной 100 мкГн. Данная индуктивность рассчитана на коммутацию максимально возможного значения тока 500 мA и может быть уменьшена до 80 мкГн, однако в таком случае это снизит эффективность конвертера и увеличит пульсации на выходе.
Другие решения Texas Instruments, используемые для реализации аналоговых входов и выходов
Компания Texas Instruments предоставляет разработчикам широкий перечень всевозможных решений для упрощения процесса реализации аналоговых входов и выходов (табл. 6).
Наименование | Описание |
TIPD216 | 4-канальный драйвер выхода на базе цифро-аналогового преобразователя DAC8775 |
TIDA-03031 | Оценочная плата на базе электронного предохранителя TPS2660 и 25-Вт резервного источника питания |
TIDA-00233 | Решение для защиты входов ПЛК (10 А, 24 В) |
TIDA-00401 | 10-Вт изолированный источник питания с широким диапазоном входных напряжений (15–36 В) |
TIDA-00118 | Тестовая плата для 16-разрядного модуля аналогового выхода ПЛК |
PMP10189 | Преобразователь напряжения на базе микросхем LM5017, TPS62160, TLV62080 и TPS62160 |
TIDA-01438 | Модуль защиты от электростатических импульсов, построенный на базе TVS-диодов |
TIDA-00689 | Низкопрофильный и малогабаритный изолированный источник питания |
TIDA-00688 | Изолированный источник питания. Имеет изолированные выходы ±15 В и 5 В в форм-факторе с высотой 2,2 мм |
TIDA-00237 | Изолированный источник питания мощностью 1 Вт с диапазоном входного напряжения 12–36 В |
TIDA-00400 | Изолированный источник питания с 3 выходами: ±15 В/30 мА и +5 В/40 мА |
PMP8871 | Обратноходовой преобразователь с выходным напряжением 5 В, 1 А |
TIDEP-0086 | Оценочный модуль для работы с Ethernet-интерфейсом |
TIDEP0033 | Оценочный модуль для работы с SPI-интерфейсом |
TIDA-00204 | Оценочный модуль для работы с гигабитным Ethernet |
TIDA-00230 | Модуль для настройки и логирования NFC (два порта FRAM: NFC<->FRAM<->Serial) |
TIDA-00560 | Проект 16-канального статусного LED-драйвера, предназначенный для индикации статуса нескольких аналоговых и цифровых входных и выходных каналов |
TIDA-01333 | 8-канальный модуль аналогового ввода на базе АЦП ADS8681 |
TIDA-00550 | Проект модуля с двумя изолированными универсальными аналоговыми входными каналами на базе АЦП ADS1262 |
TIDA-00164 | 8-канальный модуль аналогового ввода на базе 16-битного АЦП ADS8688 |
TIDA-00764 | 8-канальный модуль аналогового ввода на базе 16-битного АЦП ADS8681 |
TIPD195 | Референс-дизайн 3-контактного ПЛК |
TIPD169 | 16-битная система сбора данных (DAQ) с частотой выборки 1 MSPS и несбалансированным мультиплексированным входом |
TIPD166 | 8-канальный модуль аналогового ввода на базе 16-битного АЦП ADS8688 |
TIPD164 | Модуль аналогового ввода для промышленного оборудования и температурных датчиков |
TIPD151 | Базовый проект 16-битной 4-канальной мультиплексированной системы сбора данных с частотой выборок 400 KSPS, высоковольтными входами и низким уровнем искажений |
TIDEP0032 | Мулитипротокольный промышленный Ethernet-детектор W/PRU-ICSS |
TIDEP0028 | Платформа разработчика Ethernet PowerLink |
TMDSICE3359 | Отладочная платформа для индустриальных систем на базе процессора Sitara AM335x и с возможностью работы с PROFIBUS |
TIDEP0029 | Сертифицированное устройство для работы с Profinet IRT V2.3 с 1-ГГц процессором |
TIDEP0010 | Платформа разработки связи по Sercos III на базе AM335x |
TIDEP0003 | Решение является платформой для создания и разработки ETHERNET/IP-коммуникаций |
TIDEP0079 | Проект EtherCAT на базе Sitara AM57x и PRU-ICSS с передачей в определенных временных интервалах |
TIDA-00231 | Адаптивный источник питания для ПЛК с аналоговым защищенным выходом на базе DAC8760 и LM5017 |
TIPD155 | 2-канальный модуль с аналоговыми выходами по напряжению и току на базе АЦП DAC8563 и драйвера XTR300 |
Заключение
В создании автоматизированных систем на базе ПЛК правильное построение аналоговых входов и выходов является одной из главных задач: от разработчика требуется следование ГОСТ IEC 61131-2-2012, точное выполнение приведенных спецификаций токов и напряжений, а также обеспечение необходимого уровня защиты с соблюдением стоимостных и габаритных характеристик конечного продукта. Компания Texas Instruments предоставляет специалистам весь необходимый перечень компонентов и модулей для простого и быстрого выполнения данной задачи.
Вконтакте
Google+
Литература- ГОСТ IEC 61131-2-2012 «Контроллеры программируемые. Часть 2. Требования к оборудованию и испытания».
- Isolated, Transformerless, Bipolar Supply for 24-Bit ADCs Reference Design. www.ti.com/tool/TIDA-01434
- Less Than 1-W, Quad-Channel, Analog Output Module With Adaptive Power Management Reference Design. www.ti.com/tool/TIPD215
- Лившиц Ю. Е., Лакин В. И., Монич Ю. И. Программируемые логические контроллеры для управления технологическими процессами. Минск, БНТУ, 2014.
ПЛК_ликбез — 5/5 — PLC
Прошивка
Системное программное обеспечение ПЛК. При обновлении прошивки поддерживаются новые функции и вносятся исправления. Замена версии прошивки ПЛК производится самим пользователем с помощью стандартного кабеля для программирования, идущего в комплекте с ПЛК, и программы перепрошивки.
Target-файл
Или файл целевой платформы. Содержит в себе системную информацию о подключаемом ПЛК (количество входов и выходов, размеры операционной памяти и т.п.). Данная информация используется средой программирования Codesys при создании проекта и загрузке его в ПЛК. Каждая модель ОВЕН ПЛК имеет соответствующий target-файл. При работе над одним проектом необходимо следить за тем, чтобы на компьютере была установлена нужная версия файла, которая должна соответствовать версии прошивки используемого ПЛК. Target-файлы доступны для загрузки с сайта www.owen.ru. Для установки target-файла на компьютере используется программа install target, которая инсталлируется вместе со средой программирования Codesys.
Лицензия
Существуют лицензии двух типов. L (low) – в ПЛК с такой лицензией есть ограничение памяти ввода/вывода до 360 байт. Это означает, что к такому контроллеру возможно подключение ограниченного количества сигналов с помощью модулей ввода/вывода, панелей оператора и других устройств. Контроллер с лицензией М (medium) не имеет указанного ограничения, количество подключаемых модулей ограничено лишь пропускной способностью интерфейса связи. Выбор типа лицензии необходимо сделать перед приобретением контроллера. ПЛК с лицензией М производятся на заказ.
Codesys
Среда программирования, используемая при работе с ОВЕН ПЛК. Codesys соответствует стандарту МЭК 61131-3, описывающему основные принципы программирования современных ПЛК. В состав Codesys входят:
- среда разработки алгоритмов с помощью шести языков программирования (LD, IL, ST, SFC, FBD + CFC)
- компилятор и отладчик проектов
- средства построения и конфигурирования распределенных систем управления
- средства создания визуализаций
- OPC-сервер для передачи данных на верхний уровень (в SCADA-системы)
- режим эмуляции для программирования без подключения ПЛК
- система исполнения, загруженная непосредственно в ПЛК
PLC-configuration
Ресурс среды Codesys, с помощью которого производится настройка связи ПЛК, модулей расширения и других устройств, подключаемых к контроллеру по сетевым интерфейсам. Также с помощью PLC-configuration производится настройка входов и выходов ПЛК для подключения датчиков и исполнительных механизмов. Архивация данных в памяти ПЛК производится в соответствии с режимами, выбранными в PLC-configuration.
Проект
Включает в себя алгоритм работы ПЛК, написанный пользователем, настроек сетевого обмена, архивации данных и визуализации процесса управления. Все эти компоненты хранятся в одном файле с расширением *.pro. Проект однозначно связан с версией target-файла. При смене версии target-файла или замене модели ПЛК необходимо внести изменения в проект с тем, чтобы устранить несоответствия между версиями.
Машинный код, генерируемый при компиляции проекта, записывается в память ПЛК и реализуется при помощи системы исполнения Codesys.
Система исполнения
Отвечает за связь ПЛК с системой программирования, за организацию рабочего цикла ПЛК и выполнение программы, загруженной в ПЛК в виде машинного кода. Система исполнения находится в памяти ПЛК при получении контроллера с завода.
Память ввода-вывода
Выделенная область памяти, предназначенная для хранения данных, поступающих со входов или на выходы контроллера, а также по интерфейсам связи. В зависимости от типа лицензии ПЛК, размер этой области может быть ограничен 360 байтами или не ограничен. При работе контроллера значения, полученные на входах или по интерфейсам, записываются в память входов. В начале каждого цикла своей работы ПЛК считывает эти значения из памяти входов и использует в соответствии с пользовательским алгоритмом. В конце цикла полученные значения выходов записываются в соответствующий раздел памяти, откуда передаются по интерфейсам или на физические выходы ПЛК. Поскольку скорость обработки входных и выходных сигналов на аппаратном уровне не одинакова для различных типов устройств, наличие памяти ввода/вывода позволяет использовать все данные в рамках одного цикла заданной длительности.
Цикл ПЛК
Пользовательский алгоритм, загруженный в ПЛК, выполняется циклически. Это означает что в течение заданного интервала времени (1 мс или более) система исполнения считывает значения из области входов и вызывает программу plc_prg. Пройдя алгоритм от начала и до конца, система исполнения записывает результаты его работы в память выходов. Затем эти операции повторяются вновь. Время цикла является настраиваемым параметрам. Для корректной работы объемных проектов рекомендуется задавать время цикла, отличное от минимального значения 1 мс. Цикл опроса датчиков или подключенных сетевых устройств, а также время изменения состояния выходов не связаны прямо со временем цикла ПЛК. Работа с интерфейсами, входами и выходами и исполнение цикла ПЛК производятся параллельно.
Пользовательская память
Может быть использована для ведения архивов данных и событий, для хранения исходных файлов проекта Codesys и любых других файлов. Размер пользовательской памяти составляет 3 Мб. При отключении питания все файлы сохраняются и могут быть выгружены из контроллера при последующем включении.
PLC browser
PLC Browser — ресурс Codesys, с помощью которого пользователь может изменять системные настройки ПЛК и работать с пользовательской памятью ПЛК. В браузере реализованы функции изменения IP адреса ПЛК, настройки аппаратных часов, записи, чтения и удаления файлов из памяти ПЛК и др. Полный список функций можно увидеть, вставив в строчку ввода символ «?». При этом должна быть установлена связь с ПЛК.
Визуализация
Встроенное в CoDeSys средство создания пользовательских мнемосхем. На экране визулизации можно добавить простые геометрические объекты, кнопки, графики, таблицы, гистограммы, элементы ввода и вывод информации. В одном проекте может быть создано несколько визуализаций, вызываемых с помощью кнопок и другими способами. Просмотр визуализаций производится из Codesys в режиме исполнения. Также возможен просмотр визуализаций в специальном приложении CoDeSys HMI, демонстрационная версия котого устанавливается при инсталяции среды программирования на вашем ПК.
CoDeSys HMI
Дополнительное программное обеспечение, предназначенное для отображения визуализаций. HMI воспроизводит на экране ПК визуализации без запуска проекта в непосредственно в CoDeSys. Таким образом, оператор видит на экране компьютера лишь оперативную информацию и не имеет доступа к проекту CoDeSys. В состав среды программирования включена демонстрационная версия CoDeSys HMI, работающая в течение одного часа. По вопросам приобретения полнофункциональной версии обращайтесь к официальному представителю 3s-software в России(www.codesys.ru).
Simulation mode или режим симуляции.
Используется для проверки работы написанного проекта CoDeSys без подключения ПЛК к компьютеру. Пользователь имеет возможность сначала написать программу, опробовать и отладить ее в режиме симуляции на компьютере, и только потом записывать в контроллер и проверять на «живом» оборудовании. Режим симуляции очень удобен при освоении среды программирования CoDeSys.
Типы переменных.
Переменные в Codesys в зависимости от их типа могут быть использованы как во всей программе (глобальные переменные), так и лишь в одной ее части (POU), например в одной программе (локальные переменные). К глобальным относятся переменные, определенные в PLC configuration, а также заданные в ресурсе Global Variables. Локальные переменные определяются в том программном компоненте (POU), внутри которого они будут использоваться. При совпадении имен локальной и глобальной переменных более высокий приоритет внутри POU имеет локальная переменная. Именно ее значение будет использовано контроллером при отработке алгоритма управления. Поэтому при выборе имен переменных необходимо быть внимательным и не допускать подобных совпадений.
POU.
POU (Program Organization Unit) — программный компонент. В стандарте МЭК предусмотрено три типа POU — программы, функции и функциональные блоки. Каждый POU при обращении к нему выполняет заложенный в него алгоритм. Все типы POU могут иметь входные, выходные и внутренние переменные. Функции возвращают одно значение и не сохраняют значения внутренних переменных. Это означает, что при повторном обращении к функции результат ее работы не будет зависеть от более ранних обращений к ней. Функциональный блок (ФБ) может возвращать значения нескольких выходных переменных. В проекте может быть определено несколько экземпляров одного и того же ФБ, каждый из которых будет работать независимо от других экземпляров. ФБ сохраняют значения внутренних переменных. Это значит, что при новом обращении к данному экземпляру ФБ будут учтены предыдущие результаты его работы.
Программы схожи с функциональными блоками и используются для структурирования проекта. POU начинают работу после того, как они вызваны либо из главной программы PLC_PRG, либо с помощью инструментов Конфигуратора задач (Task Configuration).
Языки МЭК.
Стандартом МЭК предусмотрено 5 языков программирования ПЛК: IL, LD, FBD, ST, SFC. При разработке проекта пользователь может выбрать любой из языков для написания конкретного программного модуля (POU). В рамках одного проекта могут присутствовать программные модули, написанные на разных языках. В CoDeSys поддержаны все 5 языков, а также один дополнительный.
- Список инструкций (Instruction List — IL) — язык программирования, напоминающий ассемблер Siemens STEP7. Все операции производятся через ячейку памяти, «аккумулятор», в который программа записывает результаты произведенных действий.
- Релейная диаграмма (Ladder diagram — LD) — графический язык программирования, использующий принципы построения электрических схем. С помощью элементов «контакт» и «катушка» пользователь собирает схему прохождения сигнала от входной шины до выходной. Язык удобен для реализации логических алгоритмов работы с дискретными сигналами. LD позволяет легко и наглядно проверять и тестировать написанный алгоритм.
- Диаграмма функциональных блоков (Functional block diagram — FBD) — графический язык программирования. Все действия и операторы, используемые в данном языке, представляются в виде функциональных блоков. ФБ имеют входы и выходы определенных типов, которые могут быть связаны между собой. Помимо стандартных ФБ пользователь может вставлять в алгоритм собственные POU, созданные в рамках данного проекта или реализованные в подключенных к проекту библиотеках. FBD позволяет легко и наглядно проверять и тестировать написанный алгоритм. В CoDeSys реализован улучшенный язык программирования с помощью функциональных блоков, получивший обозначение CFC.
- Структурный текст (Structured Text — ST) — текстовый язык программирования, схожий с языками высокого уровня (C, Pascal). ST удобен для реализации сложных вычислений, циклов и условий, для работы с аналоговыми сигналами.
- Последовательные функциональные схемы (Sequentional Functional Chart — SFC) — графический язык, приспособленный для создания последовательности этапов работы ПЛК. Каждый этап реализуется на любом удобном для пользователя языке. В зависимости от выполнения условий на выходе из текущего этапа работа ПЛК может быть направлена в одну из параллельных веток алгоритма. Язык удобен для создания алгоритмов программных задатчиков, для реализации сложных логических условий и алгоритмов, реализующих несколько режимов работы оборудования.
Библиотека
Библиотека — совокупность программных компонентов, пользовательских типов данных и визуализаций. Все эти объекты могут быть созданы и объединены в библиотеку с тем, чтобы их можно было использовать в различных проектах Codesys. Элементы библиотеки становятся доступны для использования после подключения библиотеки к конкретному проекту. Подключение библиотек производится с помощью ресурса Library manager (Менеджер библиотек). Установочные файлы CoDeSys включают в себя несколько стандартных библиотек, например Standart.lib, SysLibTime. lib и др. Компания ОВЕН специально для ПЛК собственного производства разработала дополнительную библиотеку ПИД-регуляторов PID_regulators.lib.
Retain-переменные.
Особенностью этого типа переменных является то, что при пропадании питания последнее значение такой переменной сохраняется в энергонезависимой памяти ПЛК. После восстановления питания работа алгоритма контроллера продолжается с использованием этого сохраненного значения. В памяти ПЛК выделена область, зарезервированная для работы с retain-переменными. По умолчанию размер retain-памяти составляет 4 кБ, он может быть увеличен до 16 кБ.
OPC (OLE for Process Control)
OPC (OLE for Process Control) — формат представления данных в компьютере. Данный формат широко используется при создании систем диспетчеризации. ОРС-технология поддержана в SCADA-системах. ОРС позволяет обмениваться данными с устройствами автоматики, связанными с компьютером с помощью интерфейсов связи. В частности, возможно подключение ПЛК к компьютеру с помощью специализированной программы — ОРС-сервера. В этом случае ОРС-сервер запрашивает данные с ПЛК по одном из интерфейсов связи, а затем преобразует полученные значения в формат ОРС и предоставляет SCADA-системе. При установке CoDeSys на компьютере устанавливается также OPC-СoDeSys. Таким образом, появляется возможность связать ПЛК и какую-либо SCADA-систему.
Аппаратные часы реального времени встроены в ПЛК.
Они продолжают работать при выключенном питании контроллера благодаря встроенному в ПЛК аккумулятору. Дата и время могут быть настроены с помощью PLC Browser. Использование часов в работе алгоритма ПЛК производится с помощью элементов библиотеки SysLibTime.lib.
Communication parameters.
Настройка связи CoDeSys и ПЛК производится при выборе меню online/communication parameters. В появившемся окне пользователь может выбрать тип интерфейса связи, СОМ-порт или IP-адрес ПЛК, с которым необходимо связаться. При неверных настройках в окне communication parameters связь с ПЛК не будет установлена. Подробно процедура настройки связи с ПЛК описана в руководстве по эксплуатации контроллера.
Режим исполнения.
В режиме исполнения CoDeSys отображает в реальном времени то , как ПЛК отрабатывает заданный ему алгоритм. Для запуска режима исполнения в CoDeSys необходимо настроить связь с ПЛК (communication parameters) и подключиться к контроллеру (login). При необходимости внесения изменений в проект необходимо выйти из режима исполнения (logout) и после проведения всех необходимых изменений вновь связаться с ПЛК.
Мой блог находят по следующим фразам
ПЛК. Статьи и примеры — PLC
Массив объединяет группу данных одного типа (элементарного или составного), образуя одно целое. Вы можете создавать массив, состоящий из массивов. Определяя массив, Вы должны сделать следующее:
- Присвоить массиву имя.
- Описать массив с помощью ключевого слова ARRAY.
- Определить размер массива, используя индекс. Вы определяете номер первого и последнего элемента по отдельным измерениям массива (максимум 6 измерений). Индекс вводят в квадратных скобках, разделяя измерения посредством запятой, а номера первого и последнего элемента измерения – двумя точками. Например, следующий индекс определяет, трехмерный массив: [1..5,–2..3,30..32]
- Вы указываете тип данных, которые должны содержаться в массиве.
Пример 1
Следующий рисунок показывает массив с тремя целыми числами. Вы обращаетесь к данным, хранимым в массиве, используя индекс. Индекс – это номер в квадратных скобках. Например, вторым целым числом является Op_temp[2]».
Индекс может быть любым целым числом (от -32768 до 32767), включая отрицательные значения. Массив на следующем рисунке можно было бы определить также как ARRAY [-1 .. 1]. Тогда первым целым числом было бы Op_temp[-1], вторым целым числом – Op_temp[0] и третьим целым числом – Op_temp[1].
Пример 2
Массив может также описывать многомерную группу типов данных. Следующий рисунок показывает двумерный массив целых чисел.
Вы обращаетесь к данным в многомерном массиве, используя индекс. В этом примере первым целым числом является Op_temp[1,1]», третьим – Op_temp[1,3]», четвертым – Op_temp[2,1]» и шестым – Op_temp [2,3]».
Вы можете определять в массиве до 6 измерений (6 индексов). Например, Вы могли бы определить переменную Op_temp как шестимерный массив следующим образом:
ARRAY [1..3,1..2,1..3,1..4,1..3,1..4]
Индексом первого элемента в этом массиве является [1,1,1,1,1,1]. Индексом последнего элемента является [3,2,3,4,3,4].
Создание массивов
Вы определяете массивы, объявляя данные в DB или в разделе описания переменных. Когда Вы объявляете массив, Вы указываете ключевое слово (ARRAY), а затем размер в квадратных скобках следующим образом:
[значение нижней границы.. значение верхней границы]
В многомерном массиве Вы указываете также дополнительные верхние и нижние границы и разделяете отдельные измерения посредством запятой.
Следующий рисунок показывает описание для создания массива размерности 2 x 3.
Ввод начальных значений для массива
Создавая массивы, Вы можете каждому элементу массива присваивать начальное значение. STEP 7 предоставляет два метода ввода начальных значений:
- Ввод индивидуальных значений: для каждого элемента массива Вы указываете значение, допустимое для типа данных этого массива. Значения указываются в порядке следования элементов: [1,1]. Помните, что отдельные элементы должны отделяться друг от друга запятой.
- Задание коэффициента повторения: при наличии последовательных элементов, имеющих одинаковое начальное значение, Вы можете указать число таких элементов (коэффициент повторения) и начальное значение для этих элементов. Формат ввода коэффициента повторения имеет вид: x (y), где x – коэффициент повторения, а y – повторяемое значение.
Если Вы используете массив, описанный на рисунке, показанном выше, то Вы можете задать начальное значение для всех шести элементов следующим образом: 17, 23, -45, 556, 3342, 0. Вы могли бы также установить начальное значение всех шести элементов равным 10, указав 6(10). Вы могли бы задать определенные значения для первых двух элементов, а затем установить остальные 4 элемента в 0, указав следующее: 17, 23, 4(0).
Доступ к данным в массиве
Вы обращаетесь к данным в массиве через индекс определенного элемента в массиве. Индекс используется в сочетании с символьным именем.
Пример: Если массив, описанный на рисунке выше, начинается в первом байте DB20 (motor), Вы обращаетесь ко второму элементу этого массива по следующему адресу:
Motor.Heat_2x3[1,2].
Использование массивов в качестве параметров
Вы можете передавать массивы как параметры. Если параметр описан в разделе описания переменных как ARRAY, то Вы должны передать весь массив (а не отдельные элементы). Однако параметру может присваиваться элемент массива, когда Вы вызываете блок, если элемент массива соответствует типу данных параметра.
Если Вы используете массивы как параметры, то не требуется, чтобы эти массивы имели такое же имя (для них даже не нужно имени). Однако оба массива (и формальный параметр, и фактический параметр) должны иметь одинаковую структуру. Например, массив размерности 2 x 3, состоящий из целых чисел, может передаваться как параметр только тогда, когда формальный параметр блока определен как массив размерности 2 x 3, состоящий из целых чисел, и фактический параметр, предоставляемый операцией вызова, тоже является массивом размерности 2 x 3, состоящим из целых чисел.
Мой блог находят по следующим фразам
Сможет ли ПЛК удержать свои позиции в промышленной автоматизации современности?
Одним из ключевых назначений автоматизации является наблюдение за изменением состояния объекта и способность контролировать этот процесс. Снижение процессов изменений приводит к повышению производительности и эффективности. Машинное зрение и управление движением помогают уменьшить изменения и добавить гибкости в современные системы автоматизации. В свою очередь, увеличение гибкости и функциональных возможностей систем автоматического регулирования может поставить некоторые более старые системы на грань возможностей обработки.
В настоящее время программируемые логические контроллеры ПЛК являются нормой в системах автоматизации. Часто к стоимости новых технологий добавляются возможности модернизации оборудования и/или дополнительные возможности по внедрению новых операционных систем. Однако, добавление устройств управление движением или пользовательских модулей ввода в программируемый логический контроллер ПЛК, также может значительно отразится на стоимости всего оборудования.
Относительные затраты, расширяемость, функциональность, а также реализация пользовательских опций – требования к современным промышленным контроллерам. Поскольку запросы к скорости обработки данных, памяти, мощности в последнее время значительно увеличились, сможет ли ПЛК и далее оставаться основным средством автоматизации производственных систем?
Процесс управления
В простейшей своей форме процесс управления состоит из трех основных компонентов – датчика, контроллера, исполнительного механизма. Датчик собирает информацию об управляемом объекте и передает ее контроллеру, который обрабатывает полученные данные и выдает сигнал управления исполнительному механизму. Такая конструкция носит название системы с замкнутым контуром или с обратной связью.
Например, мониторинг газов и температура в азотной печи может играть важную роль для термической обработки, а данные о влажности в помещении или вибрациях не иметь вообще никакого отношения к процессу термической обработки. Добавление последних данных в систему автоматического управления не принесет абсолютно никакой пользы, а только усложнит ее и увеличит стоимость. Можем сделать вывод, что сложность приобретает решающее значение, так как она снижает затраты на проектирование, программирование узлов, устранение неполадок, а также позволяет избежать установки компонентов, которые не несут практической пользы.
После сбора датчиками, информация поступает в контроллер, который играет роль «мозга». Он будет обрабатывать полученную информацию на основании алгоритмов и программ, заданных ему программистом. Если значение не будет укладываться в границы установленных пределов, то контроллер пошлет сигнал на исполнительный механизм для исправления ошибки, и так будет происходить пока ошибка не войдет в допустимые границы. Исполнительный механизм – это мышцы системы автоматического регулирования (САУ). Именно он будет оказывать физическое воздействие на контролируемую систему. Исполнительными механизмами для САУ могут быть различные электроприводы, гидроприводы, пневмоприводы и другие механизмы.
«Контроллер осведомлен о происходящем и может принимать решения. ПЛК бесспорно лидирующая фигура в промышленной автоматизации» — говорит Matteo Dariol, инженер Bosch Rexroth. «Аббревиатура содержит «программируемый логический», так как в начале электронной революции в 1960-1970хх годах управляющие устройства начали строиться с помощью дискретных электронных компонентов. До этого изменение спецификации проекта приводило к перепроектированию и реинжинирингу всей логики управления вместе с изменением физических элементов устройств управления. С появлением программируемого логического контроллера ПЛК усилия по изменению алгоритма управления практически полностью заключаются только в изменении программного обеспечения».
Современные ПЛК являются вполне надежными устройствами, а их языки программирования стандартизированы. Среды разработки программного обеспечения для программируемых логических контроллеров пока не имеют общих единых стандартов, так как все основные игроки рынка электронных компонентов предлагают свои собственные уникальные решения. Программирование, а также поиск и устранение неисправностей в ПЛК может быть даже легче, чем в персональном компьютере ПК, который каждый из нас, казалось бы, знает очень хорошо. Программируемый логический контроллер ПЛК имеет модульную структуру и возможность подключения различных модулей в зависимости от требований проекта: дополнительные порты ввода/вывода, модули безопасности, а также конкретные коммуникационные карты Ethernet и это лишь несколько примеров.
Модульная конструкция дает программируемым логическим контроллерам основное преимущество – расширяемость. Есть и другие преимущества, такие как стоимость, простота устройства и прочность конструкции. Такие элементы САУ как реле, периодически нужно осматривать и проводить замену, и тут появляется еще одно преимущество ПЛК – минимум движущихся механических частей. Существуют возможности интеграции с более сложными системами, например с ПК контроллером.
В результате, многие производственные линии, которые уже используют ПЛК, скорее всего, будут работать с ними долгие годы. Привычность и простота дает очень хороший импульс, который будет продвигать программируемый логический контроллер в будущем. Тем не менее, в последние годы виден очень большой прогресс в развитии промышленных компьютеров, и это напрямую связано с развитием систем машинного зрения, более усложнившейся робототехники, а также развития промышленных интернет вещей IIoT.
Ограничения ПЛК
ПЛК имеет ограниченную память, программное обеспечение и периферийные возможности, по сравнению с персональным компьютером ПК. Управление движением (например, робототехника или сложная автоматизированная система) требует огромного количества входов/выходов, требующих дополнительных модулей управление ПЛК или внешней электроники. Тем не менее, стоит отметить, что компьютер способен обрабатывать гораздо большее количество информации, причем быстрее, что может значительно уменьшить физический размер и обеспечить необходимую вычислительную мощность для внедрения систем машинного зрения, управления движением и обеспечить быструю обработку больших потоков данных. Постоянный рост обрабатываемой информации связан с постепенным внедрением некоторыми компаниями промышленных интернет вещей IIoT в производственные линии и промышленные объекты, которые требуют больших вычислительных мощностей.
Оригинальные производители оборудования (англ. original equipment manufacturer OEM) способны увеличить производительность оборудования, позволяя машинам одновременно выполнять несколько операций. Максимально интенсивные И/ИЛИ вычисления критически важных процессов, запущенных одновременно, может привести к перегрузке программируемого логического контроллера. Для уменьшения времени обработки критически важных процессов машины могут использовать несколько вычислительных платформ. Как правило, они включают в себя один или несколько контроллеров движения и один или более наблюдающий процессор, который поддерживает интерфейс оператора для программирования, информации работы машины, сбора данных, функции техподдержки. Однако, использование нескольких процессоров является более дорогим. Новое программное обеспечение, ориентированное на платформы ПК, может помочь решить данную проблему, хотя…
ПК не так надежен и ему трудно «выживать» в промышленных условиях, таких как повышенная запыленность и влажность. Использования ПК с боле сложным программным обеспечением или большим количеством программных опций, занимает гораздо больше времени для обучения обслуживающего персонала. Усовершенствованное программное обеспечение может потребовать наличие программиста для проведения технического обслуживания, а также выполнение ремонтных работ и установки обновлений. Программное обеспечение ПЛК может быть базовым, но имеющие свои проверенные временем стандартные языки, которые могут обеспечить долговечность устройства, несмотря на его скорость и линейный характер.
ПЛК обычно используют в отрасли стандартный набор языков программирования (МЭК 61131-3), в том числе LAD диаграммы. LAD диаграммы строятся по аналогии с электрическими схемами, что позволяет значительно упростить обучение персонала, проведения технического обслуживания и ремонта. В большинстве случаев вполне возможно обойтись без программиста. Другой язык из стандарта МЭК 61131-3 — структурированный текст, который похож на язык «высокого уровня». Тем не менее, использование других нестандартных языков высокого уровня, таких как C ++ или Visual Basic, может быть трудно с ПЛК. Только в последнее время новые программные инструменты позволяли пользователям общаться с ПЛК так, как если бы это был обычный ПК.
Последовательная программа ПЛК сканирует все инструкции в каждом цикле. Цикл сканирования занимает примерно 10 мс или чуть больше. После завершения выполнения всех инструкций программа переходит к следующему сканированию. Если инструкция не выполняется в установленное время, то это вызывает сообщение об ошибке и выполнение программы прекращается. Это программное обеспечение жесткого времени может ограничивать продолжительность программы и любые входные сигналы с частотой менее 100 Гц.
Например, если необходимо обрабатывать сигнал от датчика скорости с номинальными оборотами 1200 об/мин (частота сигнала 1200/60 = 200 Гц), микроконтроллер на базе ПЛК не может корректно измерять скорость используя такой вход. Необходима интеграция специального модуля с декодером или счетчиком на интегральных микросхемах, который преобразует сигнал от датчика в нормально-обрабатываемый микроконтроллером. Такие преобразовательные модули часто используются во многих системах. Также стоит отметить и необходимость модулей вывода на примере управление соленоидом с частотой работы ШИМ в 10 кГц. Для управления таким устройством с помощью ПЛК необходим модуль вывода с ШИМ генератором. Добавление таких модулей увеличивает стоимость системы в 2-3 раза.
Следующее поколение ПЛК
Новая система имеет название программируемого контроллера автоматизации (агл. programmable automation controller (PAC)) способного решить некоторые проблемы ПЛК. Некоторые специалисты утверждают, что программируемый контроллер автоматизации (ПКА) более коммерческое название, но это не совсем так. К сожалению, существуют некоторые различие между их определениями, а с технологической точки зрения принципиальные различия между ними найти довольно трудно.
ПКА, как правило, включают в себя функциональные возможности ПЛК. Оба являются цифровыми устройствами, но ПКА предоставляет расширенные возможности программирования и часто имеют более расширенную функциональность, память и периферические способности. ПКА предлагает более сложные архитектурные системы в случае необходимости большей связности вводов/выводов. Более того, он имеет обычно встроенные возможности передачи данных из памяти на USB накопитель, а также часто присутствует возможность прямого взаимодействия с базами данных.
Дополнительные возможности программного обеспечения звучит, конечно, хорошо, однако стоит отметить, что не все ПКА могут поддерживать стандартные языки МЭК 61131-3, что может привести к дополнительным проблемам при программировании и обслуживании.
Существуют различные модели этих устройств. ПКА могут предлагать модели сосредоточенные на системах машинного зрения или другие, предназначенные для одновременного контроля нескольких процессов. Выбор модели или технологии должны учитывать и требования будущего (модернизация и расширение производства), и стандарты (например, безопасности). Планирование может продлить срок службы контроллера путем удовлетворения будущих потребностей, но также и заложить фундамент под использования промышленных интернет вещей IIoT и децентрализованного управления.
ПЛК все еще актуальны, однако, развитие систем машинного зрения, динамических роботизированных процессов и управления движением, стремление к большей автоматизации производства с использованием IIoT, требуют от программируемого логического контроллера значительно большей мощности обработки данных или памяти, которые он не в состоянии обеспечить. Децентрализованная технология может помочь расширить устаревшую линейку путем предложения продуктов типа SoCs и FPGAs, которые обрабатывают информацию непосредственно на самом датчике. Это означает, что добавление сложного процесса к существующей линии может не требовать обязательной установки дорогого ПКА, но будет необходима группа интеллектуальных датчиков, способных самостоятельно хранить и обрабатывать данные своих измерений.
Возможно ли применение обеих вариантов?
Еще более запутывает дискуссию о ПЛК и ПКА то, что возможно построение системы управления без любого из них. Сеть интеллектуальных датчиков и программного обеспечения можно комбинировать для устранения или большей децентрализации программируемых контроллеров во всех цехах предприятия. SoCs является одной из технологий, которые могут децентрализовать процесс. Однако, не стоит забывать, что слишком много протоколов на одном SoCs может привести к увеличению количества циклов проверки, необходимых для проверки процесса или его части, что вызовет режим, аналогичный перегрузке программируемого логического контроллера.
Более того, существует целый ряд технологий, позволяющих совместную работу программируемых логических контроллеров, технологий децентрализации, программируемых контроллеров автоматизации, для максимально эффективной работы предприятия. Необходимо предпринять несколько основных шагов для определения, какие технологии, возможно, будут необходимы.
«Во-первых, нужно понять, какие факторы важны для успешного выполнения операций и уровень устаревания, который допустим для устройства или линии» — говорит Джули Робинсон, менеджер по маркетингу, Rockwell Automation. «После того, как риски определены, пользователи должны разработать стратегию для смягчения и, в конечном счете, устранения этого риска, и планировать первое обновление работы ячеек. Некоторые факторы, влияющие на эти изменения, включают в себя:
- Совмещение будущих потребностей производства или улучшение текущей производительности;
- Соответствие последним требованиям безопасности и нормативным документам;
- Повышение гибкости производственных систем для эффективного расширения производства или обновления оборудования;
- Повышение эффективности использования активов за счет сокращения простоев;
- Повышение мер безопасности производства и сохранности оборудования;
Также пользователи должны понимать, какие изменения вносились в оборудование в течении нескольких лет работы завода или фабрики, что должно отображаться на схемах и чертежах.
Точная документация на устаревшее оборудование очень сильно поможет в интеграции нового оборудования. А если децентрализованная платформа уже интегрирована, то документация становится еще более важной. Децентрализованные контроллеры показали меньшее время при установке нового оборудования. В традиционной, централизованной системе, инженеры или обслуживающий персонал должны подключатся к программируемому логическому контроллеру для обнаружения проблем и скачки управляющей программы в случае необходимости. Хорошо спроектированная система должна быть простой в эксплуатации, обслуживании, а также масштабируемой.
Для того, чтобы произвести подключение к децентрализованной системе, специалисты не должны физически ходить «вокруг устройства». Для устранения этой проблемы обслуживающие оборудование компании стараются соединять по несколько систем, которые технологически совместимы. Часто это означает интеграцию старых систем с новыми технологиями и программным обеспечением.
В настоящее время очень малый процент хочет вкладывать в модернизацию работающего оборудования, если оно только не безнадежно устарело. Тем более решения о модернизации в будущем закладываются при проектировании оборудования, а часто проектированием различного оборудования занимается не одна компания, и в будущем при модернизации могут возникать конфликты.
Прежде чем выбрать оптимальную технологию для вашего оборудования важно понимать, что данная технология должна быть совместима с вашими целями не только сейчас, но и в будущем, и предлагает необходимые функции без излишней сложности. Для многих компаний трудно, и в некоторых случаях бессмысленно, содержать экспертов в каждой области, именно поэтому в последнее время начинает набирать обороты промышленные интернет вещей IIoT.
Термины и определения
Разница между ПЛК и ПКА может проникать и в другие технологии. Например, системы на кристалле (СнК), с английского System-on-a-Chip (SoC), встроенные компьютеры (embedded PC) и программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA) предлагают собой некоторые технологии, которые способны заменять или расширять возможности программируемых логических контроллеров. Тем не менее, для некоторых технологий пока не существует устоявшихся определений, и ученые спорят о более правильном описании их. Но мы постараемся привести некоторые основные определения.
Программируемый логический контроллер ПЛК
Представляет собой цифровой компьютер, предназначенный для автоматизации промышленных систем. Он специально разрабатывался для работы в жестких условиях эксплуатации, таких как температурные диапазоны, давление, электрические шумы, вибрации и другие неблагоприятные факторы промышленной среды. Он имеет наиболее важную особенность, которая, собственно, и привело его к такой популярности – это жесткая система реального времени.
Режим реального времени
Многие понимают режим реального времени как выполнение задачи «как можно скорее». Но это не так. Система реального времени гарантирует, что все входы, выходы и вычислительные процессы будут обрабатываться за какой-то фиксированный промежуток времени, часто упоминаемый в технической литературе как дедлайн (с англ. deadline – предельный срок). В системах жесткого реального времени нарушение дедлайнов приравнивается к отказу системы. В свою очередь мягкая система реального времени допускает небольшие превышение дедлайнов, но только тогда, когда это приводит к допустимому снижению качества работы системы. Например, видеоконференция. Небольшое запаздывание звука или видео не приведет к катастрофическим последствиям.
При компиляции программы ПЛК, он рассчитывает, есть ли необходимые ресурсы для выполнения пользовательских инструкций, после чего переходит к выполнению поставленной задачи в нужный срок.
Программируемый контроллер автоматизации ПКА
Представляет собой цифровой компьютер, включающий в себя функциональные возможности ПЛК. Программируемый контроллер автоматизации понятие относительно недавнее, появившееся в начале 2000-х. В большинстве случаев ПКА представляет собой эволюцию программируемого логического контроллера. ПЛК является мостом между электрической автоматизацией, построенной на реле, и электромеханической программируемой автоматизацией, где акцент делается на программное обеспечение операций (определение, данное 40 лет назад).
Мягкая система реального времени(softPLC)
Как упоминалось выше, мягкая система реального времени не дает гарантии своевременного выполнения поставленной задачи. По этому, их не применяют для систем управления движением. Вместо этого softPLC предпочтительны для подключения связей завод-цех, человеко-машинных интерфейсов, систем диспетчерского контроля и сбора данных (SCADA). Вполне возможно, для некоторых ПКА быть SoftPLC.
Встраиваемые ПК
Встраиваемый промышленный компьютер это не компьютер общего назначения. Он разработан и оптимизирован для одного пользовательского приложения. Все его компоненты, как правило, размещены на одной плате, включая и микроконтроллеры или микропроцессоры, шины ввода/вывода, память и другие пользовательские микросхемы. Устройство включает в себя даже программное обеспечение или прошивку (прошивка обычно находится в ПЗУ или памяти только для чтения). Встроенные ПК (embedded PC) действительно пересечение между аппаратным и программным обеспечением, поскольку существует тесная взаимосвязь между этими двумя частями – одна не может работать без другой. Проекты с использованием встраиваемых ПК могут реагировать на потребности жесткого или мягкого режима реального времени.
Главная Информация Что такое система PLCЧто такое система PLC
Из самого названия данного класса становится ясно, что основным компонентом системы является программируемый логический контроллер. Системы класса PLC чрезвычайно хороши для управления последовательностью технологических операций в процессе изготовления изделия (не продукта, а именно изделия – далее будет пояснена разница). Как правило, эти операции носят дискретный характер и требуют очень быстрой реакции со стороны автоматики. Типичным примером применения систем PLC является управление формовочной машиной для изготовления стеклотары или, например, управление аппаратом по наклейке алюминиевых крышек на пластиковые стаканчики с йогуртом. Типовые задачи систем PLC:
•Управление конвейерными производствами;
•Управление робототехникой;
•Высокоскоростное управление приводами,
•Управление позиционирующими устройствами;
•Сигнализация, оповещение;
•Управление комплектными технологическими машинами.
Для систем PLC характерно то, что они не требуют непрерывного контроля со стороны диспетчера (в отличие от SCADA и DCS), достаточно периодической проверки статуса. Уровень диспетчерского (операторского) управления развит слабо и сводится, как правило, к установке кнопочного пульта управления для запуска/останова того или иного технологического участка и отображения аварийных сигнализаций. Большую часть времени система PLC работает без надзора со стороны человека, т.е. в автоматическом (автономном) режиме. Здесь по сути PLC приближается к САУ.
Структура системы PLC довольно проста. Один или несколько программируемых логических контроллеров, объединенных в сеть с помощью цифровой шины. Обмениваясь по шине данными, контроллеры могут взаимодействовать друг с другом, что необходимо для их согласованной работы. Как уже было упомянуто, при необходимости к системе также можно подключить пульт локального управления (кнопочный или с ЖК-панелью).
На рисунке ниже изображена типовая структура системы PLC. Четыре программируемых логических контроллера объединены с единую сеть (в данном случае стандарта Industrial Ethernet). К сети также подключена ЖК-панель для простейшего локального управления и отображения аварийных сигнализаций.
Как видно из рисунка, система структурирована так, что каждая технологическая установка (машина, автомат) управляется своим контроллером. Такое технологическое разбиение характерно для данного класса систем.
Как правило, у контроллеров есть электрические входа/выхода для подключения к ним полевых датчиков, сенсоров, исполнительных механизмов (клапанов, позиционирующих устройств, различных приводов), устройств оповещения и сигнализации. Количество входов/выходов может быть как фиксировано, так и расширяемо с помощью дополнительно подключаемых модулей. Такие модули называются “модулями ввода/вывода” (IO modules). Контроллер непрерывно выполняет заложенную в него программу управления по следующему циклу: считывание сигналов с датчиков, математическая обработка данных в соответствие с определенным алгоритмом, формирование управляющего воздействия и его передача на исполнительные механизмы. При этом требуется высокое быстродействие – время выполнения всего цикла составляет не более 10-20 мс.
Следующие аспекты характерны для систем класса PLC:
•Высокоскоростное управление дискретными операциями;
•Отказоустойчивость системы управления не критична: в случае останова технологический процесс возобновляется в короткие сроки и с минимальными потерями;
•Практическое отсутствие операторского уровня – высокая степень автономности;
•Быстрая реакция на дискретные события;
•Жесткая временная синхронизация работы нескольких узлов.
Казанцев Андрей
Наверх