Принцип работы и основы программирования ПЛК

Введение в ПЛК: что такое программируемый логический контроллер

Программируемым логическим контроллерам уже 50 лет, но без них и сейчас невозможно представить автоматизированное производство. Начинаем публиковать цикл статей о ПЛК и об электронных компонентах, производимых компанией Texas Instruments для создания современных ПЛК

Программируемым логическим контроллерам уже 50 лет, но без них и сейчас невозможно представить автоматизированное производство. Начинаем публиковать цикл статей о ПЛК и об электронных компонентах, производимых компанией Texas Instruments для создания современных ПЛК.

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) широко применяются в сфере промышленной автоматизации разнообразных технологических процессов на больших и малых предприятиях. Популярность контроллеров легко объяснима. Их применение значительно упрощает создание и эксплуатацию как сложных автоматизированных систем, так и отдельных устройств, в том числе — бытового назначения. ПЛК позволяет сократить этап разработки, упрощает процесс монтажа и отладки за счет стандартизации отдельных аппаратных и программных компонентов, а также обеспечивает повышенную надежность в процессе эксплуатации, удобный ремонт и модернизацию при необходимости.

Принято считать, что задача создания прообраза современного ПЛК возникла в конце 60-х годов прошлого столетия. В частности, в 1968 году она была сформулирована руководящими специалистами General Motors. Тогда эта компания пыталась найти замену для сложной релейной системы управления. Согласно полученному заданию на проектирование, новая система управления должна была отвечать таким критериям как:

  • простое и удобное создание технологических программ;
  • возможность изменения рабочей управляющей программы без вмешательства в саму систему;
  • простое и недорогое обслуживание;
  • повышенная надежность при сниженной стоимости, в сравнении с подобными релейными системами.

Последующие разработки в General Motors, Allen-Bradley и других компаниях привели к созданию системы управления на базе микроконтроллеров, которая анализировала входные сигналы от технологических датчиков и управляла электроприводами исполнительных устройств.

Термин ПЛК (Programmable Logic Controller, PLC) впоследствии был определен в стандартах EN 61131 (МЭК 61131). ПЛК – это унифицированная цифровая управляющая электронная система, специально разработанная для использования в производственных условиях. ПЛК постоянно контролирует состояние устройств ввода и принимает решения на основе пользовательской программы для управления состоянием выходных устройств.

Упрощенное представление состава и принципа действия ПЛК хорошо демонстрирует рисунок 1. Из него видно, что ПЛК имеет три основные секции:

  • входную;
  • выходную;
  • центральную.

Состав и принцип действия ПЛК

Рис. 1. Состав и принцип действия ПЛК

Имеется еще источник питания. Возможно подключение к ПЛК внешнего ПК для программирования и отладки.

Центральная секция содержит центральный процессор (ЦП), память и систему коммуникаций. Она выполняет обработку данных, принимаемых от входной секции данных, и передает результаты обработки в выходную секцию. Следует сразу отметить, что в больших ПЛК, кроме ЦП, действующего в режиме «ведущий», могут быть дополнительные «ведомые» ПЛК со своими ЦП. В качестве ЦП небольшого ПЛК используются стандартные микропроцессоры (МП). Обычно 8- и 16-разрядные МП вполне справляются со всеми стандартными задачами. Но, как отмечено в МЭК 61131, выбор конкретного МП все же зависит от задач, возлагаемых на данный тип ПЛК.

Для передачи данных другому ПЛК или для подключения к сетям передачи данных PROFIBUS, Industrial Ethernet, AS-Interface в распределенных системах управления сегодня используются коммуникационные процессоры, такие как DP83867IR производства Texas Instruments (TI).

Входная секция ПЛК обеспечивает ввод в центральную секцию состояния переключателей, датчиков и смарт-устройств. Через выходную секцию ЦП управляет внешними исполнительными устройствами, среди которых могут быть электромагнитные пускатели моторов, источники света, клапаны и смарт-устройства.

Типы ПЛК

Современные ПЛК, использующие инновационные технологии, далеко ушли от первых упрощенных реализаций промышленного контроллера, но заложенные в систему управления универсальные принципы были стандартизированы и успешно развиваются уже на базе новейших технологий.

Крупнейшими мировыми производителями ПЛК сегодня являются компании Siemens AG, Allen-Bradley, Rockwell Automation, Schneider Electric, Omron. Кроме них ПЛК выпускают и многие другие производители, включая российские компании ООО КОНТАР, Овен, Сегнетикс, Fastwel Групп, группа компаний Текон и другие.

Моноблочные программируемые логические контроллеры

Рис. 2. Моноблочные программируемые логические контроллеры

По конструктивному исполнению ПЛК делят на моноблочные (рисунок 2) и модульные. В корпусе моноблочного ПЛК наряду с ЦП, памятью и блоком питания размещается фиксированный набор входов/выходов. В модульных ПЛК используют отдельно устанавливаемые модули входов/выходов. Согласно требованиям МЭК 61131, их тип и количество могут меняться в зависимости от поставленной задачи и обновляться с течением времени. ПЛК подобной концепции представлены на рисунке 3. Подобные ПЛК могут действовать в режиме «ведущего» и расширяться «ведомыми» ПЛК через интерфейс Ethernet.

Программируемые логические контроллеры с расширенными возможностями

Рис. 3. Программируемые логические контроллеры с расширенными возможностями

Моноблочные функционально завершенные ПЛК могут включать в себя небольшой дисплей и кнопки управления. Дисплей предназначен для отображения текущих рабочих параметров и вводимых с помощью кнопок команд рабочих программ и технологических установок. Более сложные ПЛК комбинируются из отдельных функциональных модулей, совместно закрепляемых на стандартной монтажной рейке. В зависимости от количества обслуживаемых входов и выходов, устанавливается необходимое количество модулей ввода и вывода.

Источник питания может быть встроенным в основной блок ПЛК, но чаще выполнен в виде отдельного блока питания (БП), закрепляемого рядом на стандартной рейке. Блок питания небольшой мощности представлен на рисунке 4.

Блок питания для ПЛК

Рис. 4. Блок питания для ПЛК

Первичным источником для БП чаще всего служит промышленная сеть 24/48/110/220/400 В, 50 Гц. Другие модели БП могут использовать в качестве первичного источник постоянного напряжения на 24/48/125 В. Стандартными для промышленного оборудования и ПЛК являются выходные напряжения БП: 12, 24 и 48 В. В системах повышенной надежности возможна установка двух специальных резервированных БП для дублирования электропитания.

Для сохранения информации при аварийных отключениях сети электропитания в ПЛК используют дополнительную батарею.

Как известно, первоначальная концепция программируемого логического контроллера сформировалась во времена перехода с релейно-транзисторных систем управления промышленным оборудованием на появившиеся тогда микроконтроллеры. Подобные ПЛК с 8- и 16-разрядными МП ограниченной производительности до сих пор успешно эксплуатируются и находят новые сферы применения.

Читайте также:
Подключение к водопроводу: врезка под давлением в водопроводную трубу и задвижки

Огромный прогресс в развитии микроэлектроники затронул всю элементную базу ПЛК. У них значительно расширился диапазон функциональных возможностей. Несколько лет назад немыслимы были аналоговая обработка, визуализация технологических процессов или даже раздельное использование ресурсов ЦП в качестве непосредственного управляющего устройства. В настоящее время поддержка этих функций входит в базовую версию многих ПЛК.

Примером подобного подхода является отдельное направление в линейке продукции компании Texas Instruments. Как известно, TI не входит в число производителей ПЛК, но выпускает для них специализированные ЦП и сетевые процессоры, компоненты для создания периферийных цифровых и аналоговых модулей, контроллеры температуры, смешанные модули цифровых и аналоговых входов/выходов.

Блок схема процессора TI Sitara AM570x на рисунке 5 позволяет судить об огромной функциональной оснащенности этого ARM-процессора, работающего на частоте до 1 ГГц, поддерживающего интерфейсы CAN, I²C, McASP, McSPI, SPI, UART, USB и способного работать в диапазоне температур 0…90°С.

Рис. 5. Блок-схема процессора TI Sitara AM570x

Требования, ограничения и проблемы при проектировании и производстве ПЛК

Таким образом, становится понятно, что ПЛК — это просто особым образом спроектированная цифровая система управления на основе процессоров разной мощности и с различной функциональной оснащенностью, в зависимости от предназначения. Такую систему можно также считать специализированным мини-компьютером. Причем она изначально ориентирована на эксплуатацию в цехах промышленных предприятий, где имеется множество источников электромагнитных помех, а температура может быть как положительной, так и отрицательной. Дополнительно к минимизации воздействия вышеуказанных факторов необходимо предусмотреть и защиту от агрессивной внешней среды, включающей пыль, брызги технологических жидкостей и паровоздушные взвеси. В таких случаях предусмотрена установка ПЛК в защитные шкафы или в удаленных помещениях. Отдельные модули могут размещаться на удалении до сотен метров от основного комплекта ПЛК и эксплуатироваться при экстремальных внешних температурах. Согласно МЭК 61131, для ПЛК с наружной установкой допустима температура 5…55°C. Для устанавливаемого в закрытых шкафах ПЛК необходимо обеспечить рабочий диапазон 5…40°C при относительной влажности 10…95% (без образования конденсата).

Тип ПЛК выбирается при проектировании системы управления и зависит от поставленных задач и условий производства. В отдельных случаях это может быть моноблочный ПЛК с ограниченными функциями, имеющий достаточное количество входов и выходов. В других условиях потребуются ПЛК с расширенными возможностями, позволяющими использовать распределенную конфигурацию с удаленными модулями входа/выхода и с удаленными пультами управления технологическим процессом.

Связь между удаленными блоками и основным ядром ПЛК осуществляется через помехозащищенные полевые шины по медным кабелям и оптическим линиям связи. В отдельных случаях, например, для связи с подвижными объектами, применяют беспроводные технологии, чаще всего это сети и каналы Wi-Fi. Для взаимодействия с другими ПЛК могут применяться как широко известные интерфейсы RS-232 и RS-485, так и более помехозащищенные промышленные варианты типа Profibus и CAN.

Особенности работы и программирования ПЛК

Теперь, когда стали более понятными основные возможности ПЛК, следует выяснить способы их применения.

Система программирования является одной из примечательных и полезных особенностей ПЛК, она обеспечивает упрощенный подход к разработке управляющих программ для специалистов различного профиля.

Именно в ПЛК впервые появилась удобная возможность программирования контроллеров путем составления на экране компьютера визуальных цепей из релейных контактов для описания операторов программы (рисунок 6). Таким образом, даже весьма далекие от программирования инженеры-технологи быстро осваивают новую для себя профессию. Подобное программирование называют языком релейной логики или Ladder Diagram (LD или LAD). Задачи, решаемые при этом ПЛК, значительно расширяются за счет применения в программе функций счетчиков, таймеров и других логических блоков.

Пример программной реализации электрической цепи

Рис. 6. Пример программной реализации электрической цепи

Задача программирования ПЛК еще более упрощается благодаря наличию пяти языков, стандартизованных для всех платформ ПЛК. Три графических и два текстовых языка программирования взаимно совместимы. При этом одна часть программы может создаваться на одном языке, а другая — на другом, более удобном для нее.

К графическим средствам программирования ПЛК относятся язык последовательных функциональных блоков (Sequential Function Chart, SFC) и язык функциональных блоковых диаграмм (Function Block Diagram, FBD), более понятные для технологов. Для программистов более привычными являются язык структурированного текста (Statement List, STL), напоминающий Паскаль, и язык инструкций (Instruction List, IL), похожий на типичный Ассемблер.

Конечно, простота программирования ПЛК является относительной. Если с программированием небольшого устройства может после обучения справиться практически любой инженер, знакомый с элементарной логикой, то создание сложных программ потребует знания основ профессии программиста и специальных познаний в программировании ПЛК.

Упростить создание программного обеспечения для современных ПЛК позволяют специальные комплексы, такие как

(рисунок 7), ISaGRAF, OpenPCS и другие инструменты, не привязанные к какой-либо аппаратной платформе ПЛК и содержащие все необходимое для автоматизации труда программиста. Для отладки сложных проектов на основе компонентов TI компания предлагает специальные отладочные комплекты и необходимое программное обеспечение.

Рабочий экран программирования в среде CoDeSys

Рис. 7. Рабочий экран программирования в среде CoDeSys

Перед началом работы ПЛК выполняет первичное тестирование оборудования и загрузку в ОЗУ и ПЗУ операционной системы и рабочей программы пользователя. Стандартный ПЛК кроме рабочего режима имеет режим отладки с пошаговым выполнением программы, с возможностью просмотра и редактирования значений переменных.

Рабочий режим ПЛК состоит из повторяющихся однотипных циклов, каждый из них включает три этапа:

  • опрос всех датчиков с регистрацией их состояния в оперативной памяти;
  • последовательный анализ рабочей программы с использованием данных о текущем состоянии датчиков и с формированием управляющих воздействий, которые записываются в буферные регистры;
  • одновременное обновление контроллером состояния всех своих выходов и начало очередного этапа опроса датчиков.

Процесс исполнения программы ПЛК можно контролировать на экране подключенного компьютера с отображением состояния отдельных параметров. Например, процедуры включения и выключения насоса могут меняться в зависимости от требуемой задержки, значение которой задается специальной переменной.

Читайте также:
Необходимость устройства опалубки

При необходимости можно остановить выполнение программы и перевести ПЛК в режим программирования, затем на экране компьютера изменить ход выполнения программы или отдельные параметры и снова записать их в память ПЛК.

Заключение

Современный ПЛК стал чрезвычайно востребованным универсальным рабочим инструментом в системах автоматизации производственных процессов, а также для управления отдельными устройствами различного назначения. Это особый тип программируемых логических автоматов, отличающийся повышенной надежностью, легко встраиваемый и модернизируемый, способный длительное время работать практически без обслуживания.

Принцип работы и основы программирования ПЛК

До 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.

ПЛК CP1L OMRON

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.

Принцип работы и основы программирования ПЛК

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:

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:

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:

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.

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.

Читайте также:
Силовые хомуты для крепления шлангов – неужели это надежно?

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:

А здесь переключатель активизирован:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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»:

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:

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:

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:

ПЛК компании Allen-Bradley

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).

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.

Перевод с английского – Юлия Сурта.

Structured Text

Представляем книгу по Structured Text (ST) МЭК 61131-3. Автор – Сергей Романов

ПЛК — что это такое?

Доброго времени суток, уважаемые жители Хабра!
Прочитав пост про программирование ПЛК Siemens серии S7, я залез в поиск по Хабру, и был весьма удивлен, что тема промышленной автоматики вообще, и программирования ПЛК в частности, освещена весьма и весьма скудно. Возьму на себя смелость поделиться своим опытом в данной области, описав базовые принципы программирования ПЛК, в частности, производства компании Beckhoff.

Читайте также:
Проект бани 5 на 5 – планировка и ключевые особенности
Введение

Я занимаюсь автоматизацией зданий. Сложилось так, что в основном мы строим свои системы на базе ПЛК Beckhoff. Такой выбор был сделан прежде всего потому, что эти контроллеры являются свободно-программируемыми в полном смысле этих слов. Что это значит? Возьмите контроллер TAC Xenta, например, и попробуйте на нем реализовать обмен с внешним устройством через RS232 по собственному протоколу, на уровне «байт послал — байт принял». Не получится, эти контроллеры так не умеют — используйте только те протоколы, которые в них заложил разработчик. А Beckhoff умеет. Но прежде чем лезть в такие дебри, давайте посмотрим на среду разработки? На каком, собственно, языке, мы будем писать?

Стандарт МЭК 61131-3

Промышленные ПЛК программируются на языках стандарта МЭК 61131-3. Всего этих языков 5, некоторые производители добавляют свои. Языки друг на друга совсем не похожи, и, наблюдая за коллегами, могу предположить, что выбор того или иного языка связан прежде всего с тем, чем человек занимался до того, как он пришел в эту отрасль.

  1. IL, instruction list, список инструкций. Похож на ассемблер. Не видел никого, кто его использовал бы, но подозреваю, что олдскульные кодеры, пробивавшие перфокарты по памяти, оценят.
  2. LD, ladder diagram. Визуальный язык, для тех, кто занимался разработкой схем релейной автоматики.
  3. ST, structured text. Более всего напоминает «классические» языки программирования, чем-то похож на Паскаль. Оттого ценится теми, кто до ПЛК занимался программированием на других языках и платформах, в частности — мной.
  4. FBD, functional block diagram. Этакая блок схема, любим прежде всего технологами, решившими податься в программирование, за свою наглядность.
  5. SFC, sequential function chart. Графический язык, больше ничего не скажу. Ни разу не видел, чтоб его использовали.

Из не всеми поддерживаемых языков стоит отметить язык CFC (continuous flow chart), Beckhoff его поддерживает. Это дальнейшее развитие языка FBD, одним из наиболее существенных отличий, на мой взгляд, является поддержка явной обратной связи в схемах. Зачем это нужно? Например, вот такой генератор коротких импульсов на CFC будет работать, а на FBD – нет.

Блок TON — это стандартный блок, таймер с задержкой включения. Логика работы: выход Q становится TRUE, когда на входе IN сигнал TRUE в течение не менее времени PT.
Самая популярная, наверное, среда разработки под ПЛК — это CoDeSys. Многие производители берут ее за основу, и либо делают к ней библиотеку для работы со своим ПЛК, либо доделывают среду под себя.

Как работает ПЛК?

Программа ПЛК работает циклично. Время цикла может быть от единиц миллисекунд до единиц секунд, в зависимости от задач, которые на этот ПЛК возложены. Большинство ПЛК позволяют задавать время цикла разработчику программы, однако в некоторых моделях такой возможности нет. Многие ПЛК, в частности Beckhoff, позволяют в одной программе создать более одной циклически выполняемой задачи, и задать приоритет для этих задач. Что нам дает эта возможность?
Представим ситуацию: ПЛК управляет вентиляционной установкой, и к нему подключена панель управления через RS232. Температура в помещениях меняется не быстро, и запускать алгоритм управления вентиляцией чаще, чем раз в 50 — 100 мс просто нет смысла. Зато панель оператора опрашивает контроллер постоянно, и задержка ответа ПЛК более 10 мс уже выражается в «притормаживании» интерфейса пользователя, а при задержке 20 мс у нас переполнится аппаратный буфер COM-порта. Наличие нескольких задач позволяет нам решить эту проблему красиво: пусть «быстрая» задача работает с COM-портом, и вызывается каждые 2 мс, а «медленная» реализует логику работы вентиляции, и вызывается каждые 50 мс. Все работает хорошо, панель оператора не тормозит, пользователь доволен.

А что у этих железок внутри?
  1. Можно сделать «все в одной коробке» — голова, некий набор входов / выходов, несколько вариантов конфигурации — вот тут у нас входов побольше, тут поменьше, тут голова помощнее, тут послабее. Так делают, например, Carel, и много кто еще. На маленьком проекте такой подход себя в чем-то, может быть, и оправдывает.
  2. Но лично мне кажется, что большую гибкость дает другой подход. Голова отдельно, и к ней по шине подключается наборный «хвост» из модулей ввода-вывода. Мы ставим те модули, которые нам нужны, и в том количестве, которые нам нужно. Так делают Beckhoff и Siemens, например.

image

А вот другой вариант — голова Beckhoff серии CX9000 (слева на фото) с набором модулей ввода-вывода.

Помимо всего прочего, на голове еще имеется некая шина, позволяющая объединять ПЛК в сеть, а зачастую еще и менять его программу через эту же сеть. Какая это будет сеть — зависит от ПЛК. Это могут быть и незнакомые тем, кто не сталкивался с промышленными сетями EIA-485, Profibus, CAN, а может быть и вполне привычный Ethernet. Именно через эту сеть, называемую fieldbus, и осуществляется подключение ПЛК к верхнему уровню — к СКАДА-системе, например. На фото выше хорошо видны 2 разъема 8P8C на голове Beckhoff’а — это Ethernet, а у Carel сверху слева видны (плоховато, правда) 2 разъема 6P4C — так они сделали RS-485. У этого интерфейса, к сожалению, нет общепринятого разъема.

Так все же, как под него программы писать-то?

Вообще, это тема не статьи, а целой книги. Но расскажу то, что увидел на личном опыте, и пусть это будет ложкой дегтя.
Для профессиональных программистов освоение ПЛК во многом покажется деградацией. ООП? Их нет у нас, есть только структуры, перечисления, и некое подобие класса, которое называется «функциональный блок». Что такое Private, Public и прочее, тоже можно забыть сразу — не пригодится. Из любого места вашей программы можно получить доступ к любому другому месту.
Динамическое выделение памяти? Их нет у нас совсем. Не уверен, сколько тебе пришлют данных? Выделяй буфер с запасом, и забудь про эту память — освободить ее не получится. Либо проявляй чудеса скорости и обрабатывай данные на лету, если успеешь уложиться в заданное время цикла.
Исключения? Да что вы… видел я одно чудо, которое намертво висло при выполнении конструкции вида:

Читайте также:
Пароход на пульте управления своими руками

Понятно, что переполнение, не влазит foo * bar в 16 бит, но зачем же виснуть-то? Да еще так, что ничего, кроме сброса по питанию не помогает.
Среда разработки? Не у всех CoDeSys, многим хочется пооригинальничать и написать что-нить свое. Одна из таких самописных сред вылетала с runtime error при попытке записать число 86400 в 16-битный INT. А вы говорите, обработка исключений на ПЛК. Ее и в среде разработки-то не всегда нормально могут сделать.

НО! Зато для любителей той тонкой грани, которая отделяет железо от программного обеспечения, софта в просторечии — это очень интересная ветвь ай-ти, правда.

Надеюсь, что этот небольшой обзор будет полезен. Если хабрасообществу будет интересна эта тема, то расскажу про ПЛК подробнее.

Определение программируемого логического контроллера и его применение

Програмируемый логический контроллер

Программируемые логические контроллеры входят в оборудование, отвечающее за автоматизацию процессов. Плк-системы используются в малых предприятиях, крупных производствах.

ПЛК — что это такое?

Плк-контроллер представляет собой микрокомпьютер с упрощенным алгоритмом, выполняющий типовые функции в заданном режиме. Применяют его и в бытовой технике, не только в сложных роботизированных устройствах. Унификация элементов, их взаимозаменяемость повышает надежность системы. Упрощает ремонт и отладку.

История создания

  1. Упрощение отладки, замены.
  2. Относительная дешевизна.
  3. Гибкость, удобство модернизации.
  4. Снижение риска отказов.

Терминология, объясняющая, что такое ПЛК (PLC), внесена в международные и европейские стандарты качества МЭК, EN.

Структура и устройство ПЛК

  • вход;
  • центр;
  • выход.

Устройство ПЛК

Входные цепи образованы набором датчиков (аналоговых или цифровых), переключающих устройств, смарт-систем. В центральном блоке расположены: процессор, обрабатывающий команды, модуль памяти и средства коммуникации. Выходные цепи отвечают за передачу сигнала на моторы привода, вентиляцию, осветительную арматуру. Туда же допускается подключить управляющее смарт- устройство архитектуры ардуино или подобное. Необходимо также выполнить условие подключения ПЛК к цепям питания. Без них устройство работать не будет. Внешний компьютер через унифицированный интерфейс используется для отладки, программирования контроллера.

Принцип работы ПЛК

По сути, микроконтроллер достаточно близок к реле. Только вместо механических контактов и катушек в нем — электронные цепи. Понять принцип действия будет легко любому инженеру, знакомому со схемами, основами электротехники.

Датчик освещенности на входе подает сигнал в блок обработки данных. В нормальном состоянии процессор не реагирует. Как только сенсор определит падение освещения, изменится его сопротивление, центральный блок задействует цепи питания электроламп.

Для управления ПЛК, его программирования используется бытовой ПК. Несколько отдельных микроконтроллеров образуют каскад с усложненными задачами. Системы «умный дом», автоматика включения двигателя насоса для закачки воды в накопительный бак давно содержат в себе подобные блоки.

Сложные микроконтроллерные устройства обеспечивают охрану, защиту периметра (квартиры), включая связь с полицией (владельцем) через модем, подъем тревоги при проникновении нарушителей, разрушении механизма закрытия двери.

Первый этап работы устройства состоит из экспресс-теста задействованного оборудования. Одновременно идет загрузка операционной среды, управляющих программ. Все как в настольном ПК при старте Windows. Предусмотрена пошаговая отработка команд (отладка), при которой допускается мониторинг, корректировка переменных.

Для простоты восприятия рабочий, шаговый режим ПЛК разбит на типовые циклы. Они повторяются во время функционирования устройства. В каждом цикле, «маршрутной карте» заключаются 3 действия:

Завершается цикл быстрым переходом к первому этапу «урока».

Типы ПЛК

Все ПЛК, выпускаемые Schneider Electric, Mitsubishi, Beckhoff, Omron, Segnetics или Unitronics, четко разделяются по типам. Это же относится к классификации российской продукции, представленной компаниями «Овен», «Контар», «Текон» и другими. Конструктивно устройства принято обозначать как моноблочные и модульные.

ПЛК Овен

В первом типе содержится полный набор входных, выходных цепей, процессор, источник энергии. Во втором предусмотрена сборка готового ПЛК из отдельных частей. Согласно МЭК 61131, количество и состав модулей варьируются в соответствии с назначением, характеристиками поставляемого заказчику устройства.

Модульный микроконтроллер может управлять посредством Ethernet соединения малопроизводительным собратом, выполняющим специфично назначенные функции (диагностика состояния периметра, безопасность охраняемой зоны). Маломощный адаптер питания в этом случае является отдельным модулем. Обобщенно функциональные возможности второго вида превосходят первый. Но в отдельных ситуациях (микроконтроллер управления чайником Berghof) достаточно моноблочного ПЛК.

Главное достоинство такой конструкции — компактность. При этом полностью завершенная конструкция платы, блока контроллера оборудуется дисплеем и устройством ввода-вывода, кнопочной панелью. Типичный пример — «умный» автоматный моноблок, отвечающий за стабилизацию напряжения.

Из нескольких ПЛК, смонтированных на стандартную рейку, набирается укрупненный узел управления. Первоначально конфигурация микроконтроллеров подразумевала замену существовавших релейных, полупроводниковых схем. Со временем задачи усложнились, но и сохранившиеся ограниченно производительные 8 и 16 разрядные процессоры по-прежнему востребованы в промышленности.

Ограничения ПЛК

Не стоит полагать, что наличие программируемого контроллера способно решить все глобальные проблемы пользователя. ПЛК, работающие на основе протоколов Codesys, Modbus (для модульных решений), обладают ограниченной сферой применения. Их выбор обусловлен поставленной задачей. Попытку создать универсальные ПЛК вряд ли можно признать целесообразной.

Подобный ход лишает технологический процесс гибкости. Создание требуемой конфигурации осуществляется комплектацией готового моноконтроллера, согласно проекту заказчика. В исключительных ситуациях проблему решают сборкой мегаустройства из дискретных блоков. Последний вариант предпочтительнее: каждый элемент допускается оборудовать индивидуальным пультом ввода команд, сенсорной панелью, устройством отображения данных.

Роль каналов обмена данными играют кабельные медные шины, оптоволоконная связь. Успешно используются варианты стандартизированных интерфейсов RS-232, RS-485 (кабель), промышленных Profibus или CAN. Не возбраняется коммутация по беспроводным линиям (Wi-Fi).

Место ПЛК в системе управления

Современные контроллеры выполняют несколько функций. Они могут быть «ведущими» или «ведомыми», находиться в центре схемы. Чаще всего они сосредоточены в начальной цепи автоматизации.

До создания миниатюрных интегральных схем рука оператора буквально не успевала переключать режимы на пульте цепи управления. Использование контроллерных блоков «Сегнетикс», «Дельта» и подобных способствовало снятию нагрузки с человека.

Читайте также:
Слив-перелив для ванны — какой лучше?

ПЛК в системе управления

Ее переложили «на плечи» машин с выводом на экран данных мониторинга, отображенных в виде мнемосхем и изменяемых параметров. На ПЛК возлагаются задачи по опросу датчиков и регистров, обработке поступающей информации.

Без микроконтроллеров не было бы РСУ, АСУ, сложных автоматных комплексов управления технологическими процессорами. Используя сетевой трафик, ПЛК анализируют данные, успевая проверять состояние портов входа. Главный недостаток, особенность микроконтроллеров состоит в необходимости прошивки, создания программы для работы.

Впрочем, его следует воспринимать двояко: индивидуально создаваемое ПО позволяет проектировать узкоспециализированные изделия под конкретные задачи.

Назначение переменных в ПЛК

Перед тем как начинать программирование, необходимо назначить переменные. Это условная метка (флаг) для обозначения отработки командного кода. Данные манипуляции характерны для единичных действий: запуск комплекса, когда требуется сброс состояния.

Подобная ситуация возникает при отключении электроэнергии. Зафиксированная переменная позволяет пропустить обмен сигналами, ускорить инициализацию ПЛК.

Основы программирования ПЛК. Реле и контроллер‌‌

Возможность программирования, безусловно, является главным достоинством систем с ПЛК. Чтобы сделать восприятие процесса предельно понятным, разработчики изобрели визуальное отображение управляющих цепей в виде релейных контактных блоков.

На профессиональном языке такой метод обозначается аббревиатурой LD (logo LAD). В дальнейшем работа ПЛК представляется как взаимодействие отдельных логических элементов. Они выполняют действия таймеров, релейных ячеек, счетчиков. Считается, что благодаря подобной унификации, освоить принципы программирования может каждый. Причем независимо от профильной профессии.

Среда программирования

Программисты предпочитают использовать для создания прикладных комплексов среду Си, Кодесис, как наиболее универсальную. Применение регламентируется стандартом IEC 61131. На базе Codesys пишутся языки программирования для ПЛК: LD, SFC, FBD, IL, STL.

Языки программирования ПЛК

Создатели микроконтроллеров обеспечили взаимодействие разрабатываемых устройств с несколькими универсальными языками программирования. Условно их разделяют на графические и текстовые. Это допускает компиляцию готового программного продукта из блоков, созданных на разных языках.

Программирование ПЛК

Обманчивая простота программирования скрывает трудности, с которыми обязательно столкнется излишне самоуверенный инженер. Составить простейшие команды под силу неопытному пользователю. Для реализации сложных понадобится получение специальных навыков.

Удаленное управление и мониторинг

Различные интерфейсы управления встраиваются в контролеры уже на стадии проектирования. Предусмотрена синхронизация с АСУ (SCADA и подобные). Оператор контактирует с ПЛК посредством интегрированной панели, устройства ввода-вывода, либо удаленно. Для этого по помехозащищенному каналу, кабельной сети к блоку подключается HMI, специализированный интерфейс взаимодействия между человеком и машиной.

Каким из доступных способов выполнить реализацию, с помощью простейшего клавиатурного модуля или сенсорной панели — решать заказчику. В последнее время активно используются «облачные» хранилища, виртуальные серверы. Не остаются в стороне и стандартные, Intranet (локальные) и Internet (внешние) подключения.

Реализация веб-интерфейса допускается также и без проводов, в сети Wi-Fi. Описанные методы невероятно расширяют возможности оператора. Упрощают контроль работающего комплекса ПЛК.

Применение контроллеров

Современный ПЛК, недорогой и надежный, находит применение в ПИД-регуляторах, счетчиках типа «Меркурий», промышленных устройствах серии DVP. Компактность блоков позволяет встраивать их в бытовую технику, монтировать в щитах и шкафах совместно с прочим электрооборудованием.

Энкодер, подключенный к контроллеру, применяется в автомобилестроении, реагируя на изменение угла поворота руля. Удобно использовать ПЛК при создании комплексов с ЧПУ, автоматизированных систем запуска аварийной откачки сточных вод в канализации. Видеонаблюдение, интегрированное в охранный пост, создаст полноценный обзор зоны наблюдения для оператора.

Все требуемые данные при этом будут сохранены на носителе информации (переданы в сеть), а в случае опасности сигнал тревоги будет подан автоматически. Цепочке контроллеров под силу управлять работой цеха металлообработки, пошивочной мастерской. В домашнем варианте ПЛК без участия человека включит свет, накачает воду из колодца в бак до требуемого уровня.

Производители ПЛК

На рынке представлены компании из России, США, ФРГ, Японии. Это Texas Instruments, Carel, Delta Electronics, Schneider Electric, Mitsubishi, Beckhoff, Omron, Segnetics, Unitronics. Отечественную продукцию представляют марки «Овен», «Контар», «Текон».

Выбор конкретного решения зависит от предъявляемых заказчиком требований, условий работы. А чтобы разобраться, чем ПЛК100, ПЛК110 отличается от ПЛК160, ПЛК323 потребуется обладание квалификацией, возможно — консультации специалистов.

На что обращать внимание при покупке

До приобретения ПЛК нужно кое-что уточнить. Вот эти факторы:

Специализированное оборудование. Это микросистемы, ориентированные на работу с облачным сервисом (вариант оповещения по мобильной связи, почте).

Выбор ПЛК

Данный перечень создает направление для движения как покупателей, так и производителей. Какой из перечисленных критериев окажется в приоритете, решает заказчик. С дружественным ПО эксплуатация станет удобнее. Так утверждают опытные инженеры-наладчики.

Что же выбрать

ПЛК 110 «Овен» или Simatic s7 производства «Сименс», Modicon m340, Segnetics trim5 четко подчинены встроенной инструкции. Работают по разработанному производителем алгоритму. Программное обеспечение разных марок не всегда совместимо, это учитывается при модернизации (замене) или комплектации технологических цепочек средствами автоматизации.

Кому-то термины step7, ms4, opc, pixel ни о чем не говорят. Разобраться с каталогом, обилием информации помогут специалисты. Расшифровка обозначения микроконтроллера, выбор программы ПЛК для человека неосведомленного станут непосильной задачей. Отличие, оценка, сравнение представленных решений также достаточно сложны, чтобы приступать к ним без подготовки.

Выбрать свой прибор помогут отзывы, обзоры, опыт эксплуатации владельцев контроллеров. Нужный микронтролллер — не обязательно дорогой. Цена определяется выполняемыми функциями, маркой прибора. Описание, настройка параметров приводятся в паспорте устройства.

Там же находится перечень портов ввода-вывода, краткое пособие как подключать изделие. Для отдельных типов может понадобиться преобразователь напряжения, его характеристики производитель обязан указать в руководстве по эксплуатации. А хороший контроллер — тот, который справляется с поставленными задачами.

Читайте также:
Оцинкованные грядки: особенности, преимущества и недостатки, виды конструкций

Программируемый логический контроллер и его применение

Любое промышленное оборудование, способное выполнять автономно какие-либо операции, имеют в своем устройстве контроллер.

ПЛК – что это такое?

Контроллер – это мозг для машины. Чем сложнее машина, тем функциональнее контроллер. Технически реализация мозга может быть разной – механика, пневматика либо гидравлика, релейные или электронные системы.

Если в конструкции используются реле или решения с “жесткой” логикой, то машина может выполнять только определенные действия – научить машину другим операциям нельзя без вмешательства в ее техническую часть. Такие функции имеют только программируемые логические контролеры или ПЛК.

Контроллер ПЛК – управляющее устройство на основе микропроцессоров, которое приспособлено к работе на производстве. Устройство программируется на упрощенных языках, доступных пользователю без серьезной подготовки.

Структура и устройство ПЛК

Контроллер можно образно предоставить в формате мини-компьютера, но очень компактного и с особенностями. ПЛК, как и ПК, состоят из оперативной памяти, процессора, вспомогательного периферийного оборудования. Однако, дело еще и в том, что промышленные контроллеры должны выполнять не только расчетные задачи, как ПК, но и заниматься сбором информации от массы устройств – это датчики, сенсоры. Также контроллер и выдают сигналы в цепи.

Сейчас выпускаются контроллеры в различных форм-факторах. Это:

  1. Устройство типа «всё в одном». В одном корпусе объединен процессор, память, выходы/входы;
  2. Распределенные решения – процессорный модуль с обвязкой сделан в виде отдельного блока, а по шине или через интерфейсы подключатся модули для вывода и ввода.

Первые модели встречаются очень часто, однако, они рассчитаны на эксплуатацию в малых объектах и системах, где нужно обрабатывать малое количество сигналов.

Второй вид контроллеров используют в промышленности гораздо шире – производства с полнофункциональными АСУ требуют значительно большего числа сигналов, которые требуется обрабатывать. Если производство масштабное, то удобнее разнести модули вводы вывода по территории с объединением в единую сеть, которая подчиняется отдельному логическому контроллеру. Такие сети называют полевыми сетями или fieldbus. К этой седи подключаются датчики, исполнительные системы, которые являются интеллектуальными, так как имеют эту возможность.

Существует масса видов полевых сетей. Стандарт IEC61158 (МЭК61158) включает в себя 8 видов сетей. А до введения этого стандарта каждый производитель придумывал и использовал свою полевую сеть.

В структуре ПЛК имеется базовые компоненты:

  • Модуль процессора;
  • Блок питания;
  • Модули для ввода/вывода.

Процессорный модуль оснащен встроенной памятью. Имеются разъемы для программатора, удаленных устройств, для подключения к сетям. Питание реализовано в виде отдельного блока. Модули могут быть дискретными либо аналоговыми.

В зависимости от того, сколько каналов для ввода и вывода и какой тип процессора, модули ввод/вывод могут быть установлены на одном шасси с ЦП или на нескольких. До конца 80-х годов модули для ввода и вывода данных располагались отдельно от процессора. В стандартном контроллере современного типа модуль входов и выходов находится на одном шасси с микропроцессором. Некоторые ПЛК позволяют устанавливать более одного микропроцессора.

Модели меньших размеров очень часто предназначены под DIN-рейку. Самые компактные микро или даже нано устройства имеют всю систему, включая адаптер питания и систему ввода/вывода в одном корпусе. Микро-контроллеры иногда оборудуются встроенными панелями для настройки и мониторинга. Большинство микро-решений имеют определенное количество каналов входов/выходов и увеличить их не возможно. Как пример – плата ардуино

Принцип действия ПЛК

В отличие от микропроцессорной техники принцип действия ПЛК немного другой. Софт делится на две части. Первая часть представляет собой блок системных программ. Если провести аналогию с ПК, то системное ПО контроллера выступает в роли операционной системы, ответственной за работу низкоуровневых процессов. Системная часть ПО устанавливается в постоянной памяти в любой момент вступает в работу.

Когда ПЛК включается, то уже через мгновение запускается операционная система. Выполнение пользовательской программы циклическое. Цикл работы состоит из четырех фаз:

  • Опрос входов;
  • Выполнение команд;
  • Установка значений для входов;
  • Вспомогательные операции.

Первая фаза цикла полностью обеспечивается системным ПО управления ПЛК. Затем управление берет на себя прикладное ПО – созданный оператором алгоритм. По данной программе контроллер будет выполнять то, что от него хотят. По завершению выполнения этих команд работа опять передается системному ПО. Процесс составления управляющей прикладной программы ПЛК максимально упрощен – программист не должен задумываться, как управлять аппаратными возможностями. Оператор лишь должен указать, какой сигнал будет на входе и как нужно на него реагировать на выходе.

Входы и выходы

В любом контроллере реализованы входы трех типов – дискретные, аналоговые, специальные.

Дискретный вход

Один вход может принять только один сигнал и он будет бинарным. Вход может быть либо включенным, либо выключенным. Один вход – это 1 бит. К этому входу подключают соответствующее оборудование.

Если состояние приборов не удается описать в 1 бит, тогда для работы такого оборудования применяют несколько дискретных входов.

Системное ПО обязательно оснащено драйвером. Он считает физические значения каждого входа в ОЗУ. За счет этого программистам нет нужды понимать, как устроен контролер внутри. Дискретный вход – биты, которые можно читать и изменять из оперативной памяти устройства.

Аналоговый вход

Электрический аналоговый сигнал – это уровень напряжения или тока, соответствующий определенным физическим величинам. Это может быть значение температуры, давления, веса, положения, скорости перемещения, частоты оборотов. Так как ПЛК – это прежде всего вычислительный прибор, то аналоговый сигнал переводится в цифровой. Получается дискретная переменная.

Специальный вход

Обыкновенные входы способны удовлетворить практически все нужды. Необходимость в в спец. входах появляется при трудностях в обработке сигналов.

ПЛК оснащены специализированными входами, позволяющие измерять длительность, фиксировать фронты, подсчитывать импульсы. К примеру, для определения положения валов, используют датчики, способные выдавать импульсы на один оборот. Частота может быть очень высокой. Даже на мощных процессорах процесс занимает много времени. В таких ситуациях и нужны спец. входы, способные первично обрабатывать информацию.

Читайте также:
Проект дома — ненужные расходы или экономия?

Второй тип таких входов – это входы, которые могут мгновенно запускать команды пользователей с прерываниями на выполнения основного ПО.

Дискретный выход

С одним выходом можно коммутировать только один сигнал. В качестве нагрузки на выходы могут использоваться различные исполнительные устройства.

Типы ПЛК

Устройства квалифицируются следующим образом:

  • Число каналов для ввода/вывода данных;
  • Расположение модулей для ввода/вывода;
  • Назначение;
  • Способ монтажа;
  • Языки программирования.

По числу каналов для ввода/вывода ПЛК делят на классы:

  1. Нано ПЛК контроллер – часто имеет встроенные возможности, содержит до 16 каналов;
  2. Малый – от 16 до 100 каналов;
  3. Средние системы для работы с 100-300 входами и выходами – типичный представитель ПЛК 110 Овен;
  4. Большие модели с возможностью обработки 300-2000 входов/выходов;
  5. Сверхбольшие модели – от 2000 и более каналов.

По тому, как располагаются модули, контроллеры различают на:

  • Моноблоки – модуль ввода/вывода не отделяется от контроллера и подлежит замене. Устройство выглядит в виде моноблока с модулем ввода/вывода. Зачастую, модели имеют малое число каналов и отличаются малой мощностью;
  • Модульные состоят из общей корзины или шасси, где расположены процессор, а также сменные модули с входами в выходами. Модули подбираются исходя из решаемой задачи. Контроллеры оснащаются числом слотов – от 8 до 32. Также возможна модульная конструкция, где каждый модуль соединяется при помощи шины. .
  • Распределенные контроллеры – модули изготовлены в отдельных корпусах и соединяются с центральным процессорным модулем по сети. Дальность может составлять до 1,2 км.

Также ПЛК различаются по назначению – это универсальные общепромышленные устройства, коммуникационные , контроллеры ПИД, системы для робототехники, для контроля перемещения и позиционирования.

По способу монтажа промышленные контроллеры можно разделить на:

  • Панельные;
  • Под DIN-рейку;
  • Стоечные;
  • Бескорпусные.

По языкам программирования выделяют модели, программируемые на языке ПЛК систем МЕК 61131-3 и на классический языках, таких как С, C#, Visual Basic, Scala.

Ограничения ПЛК

ПЛК, как и любая цифровая техника имеет ограничения. Устройства ограничены:

  • объемом ОЗУ,
  • мощностью процессора,
  • ограниченным числом входов/выходов.

Также в моделях ограничено время срабатывания и на восстановление после сбоев.

Место программируемого логического контроллера в системе управления

Устройства установлены в самых нижних звеньях АСУ ТП. ПЛК – это первый шаг в строительстве АСУ. Автоматизация дает очень рост экономики, позволяет существенно повысить качество производства, избежать чрезмерно тяжелой либо рутинной работы.

Назначение переменных в ПЛК

Как и в любом языке программирования, переменная – именованная или же адресуемая другим способом область памяти, адрес которой можно использовать, чтобы получить доступ к данным. Переменные позволяют также различным образом менять данные, с которыми работает программа.

С помощью переменных ПЛК может обрабатывать сигналы и реагировать на них. При помощи алгоритмов запускаются и останавливаются технологические процессы.

Основы программирования ПЛК. Реле и контроллер

Логика загружается в ПЛК при помощи программного обеспечения. Это ПО определяет, какие из выходов будут под напряжением и какие входные условия нужны для любых изменений. Управляющая программа аналогична схеме работы физического реле, но физически нет ни реле, ни проводов, ни катушек. Все эти элементы – мнимые. ПО разрабатывается и просматривается на ПК, соединенном с интерфейсом контроллера.

Есть кнопка, контроллер и индикатор. Когда кнопка не задействована, сигнал на вход контроллера отправлен не будет. ПО, показывающее открытый вход, не отправит сигнал на выход. Так, на выходе ток отсутствует и лампа не будет гореть.

Если кнопку нажать, то на входной канал отправиться соответствующий сигнал. Контакты переведутся в активное состояние, как физическое реле. В данном случае контакт контроллера, открытый ранее, закроется и программа отправит сигнал на выход. Когда выходной контакт будет под напряжением, то индикатор загорится.

Контакты с индикатором соединены физическим способом. А сигнал виртуальный. Однако, все элементы существуют только в компьютерном ПО, а как физические – нет. Но принцип реле здесь используется. Также в программе можно задавать условия, которые будут проверятся и выполнятся контроллером.

Чтобы создать такую же схему, но на основе физических железных компонентов, понадобится три реле, где два открытых контакта – каждый из них будет использоваться. Но с помощью ПЛК можно не добавляя лишнего оборудования использовать столько контактов на каждый вход, сколько захочется.

Управляющие команды на языке релейной логики просты и понятны для инженеров-электриков. На графическом интерфейсе видны все логические операции. Это электрическая ц3епь с замкнутыми либо разомкнутыми контактами. Если по цепи протекает ток, что это истина. Если ток не протекает, тогда состояние – ложь.

Основой управляющей программы служат логические выражения, состоящие из операндов и переменных. Также программа состоит из операторов. Операторы – это команды языка программирования.

Инженер-программист ПЛК – это сегодня больше инженер, чем программист. Сейчас не нужны сложные языки, писать ассемблерные вставки. Достаточно использовать стандартные функциональные блоки.

Среда программирования

Стандартом для программирования ПЛК является языки МЕК. В начале 90-х годов для этих задач на рынке появилась ПО «CoDeSys». Продукт соответствует стандарту МЕК 61131-3 для работы с ПЛК. ПО пользуется большим спросом по причине бесплатной лицензии.

Сейчас этот программный пакет серьезно вырос. Кроме стандартных интегрированных в систему редактора кода, отладчика и компилятора также в состав включен конфигуратор для контроллеров, промышленных сетей, редактор для составления мнемосхем, отладочных сервер, серверы OPC и DDE. Многие производители ПЛК предлагают эту среду, как базовый инструмент для работы.

Языки программирования ПЛК

Управляющие программы для контроллеров разрабатывают при языков, которые созданы не для программистов в современном понимании, а для инженеров по АСУ ТП.

Самым простым и популярным инструментом считается набор готовых модулей и конфигуратор, позволяющий собрать модули в управляющую цепь. Еще совсем недавно у каждого производителя ПЛК был свой язык. Но к середине 90-х ситуация изменилась. Языки стандартизировали.

Читайте также:
Самовольное занятие земельного участка и ответственность

Стандарт IEC 1131.3 определяет пять языков:

  • Язык лестничных диаграмм LD – это традиционный язык на базе релейных блокировок, где алгоритмы изображаются в виде схем;
  • FBD – представляет собой конфигуратор и типовые подпрограммы;
  • SFC – язык последовательных схем. Инструмент, близкий к традиционному программированию и на нем реализуют алгоритмы с последовательным управлением;
  • ST – язык структурированного типа. Это язык, напоминающий Pascal с поддержкой структурного программирования;
  • IL – язык инструкций. Это низкоуровневый инструмент вроде Ассемблера, но он не ориентирован на микропроцессорную архитектуру. Он преимущественно применяется для создания быстрых программ.

Удаленное управление и мониторинг

Контроллеры имеют гибкие возможности для коммуникации с другим оборудованием. Эти возможности позволяют удаленно управлять устройствами, а также интегрировать ПЛК в системы автоматизированного управления и сбора данных.

Операторская панель или HIM – это устройство для визуализации. Она может быть встроенной или подключаться кабелем. Существует масса различных типов таких решений – от простых цифровых с кнопками до серьезных сенсорных с функцией оперативного мониторинга и коррекции параметров.

SCADA – это аббревиатура означает систему диспетчеризации и сбора данных. Это программные пакеты, которые позволяют разрабатывать приложения в режиме реального времени. Также пакет имеет инструменты сбора и обработки данных, архивирования и отображения или управления.

Веб-интерфейс позволяет получать доступ к ПЛК по локальным или глобальным сетям. В зависимости функциональности контроллер может не иметь операторской панели, но есть порт для подключения ПЛК к Ethernet. Тогда устройство можно настраивать удаленно по веб-интерфейсу или с ноутбука.

Более продвинутое решение реализовано в семействе ПЛК Siemens – встроенный веб-сервер. Он позволяет выполнять мониторинг, а также управлять системой. Сегодня в ПЛК реализованы функции подключения к облакам для осуществления удаленного контроля.

Применение контроллеров

Логические контроллеры встречаются в большом количестве на автоматизированных линиях и сборочных конвейерах. Устройства можно встретить на системах стендовых испытания двигателей, на прессовом оборудовании, токарных автоматических станках, установка для сварки, резки металла. Управляющие устройства также встречаются в автоматизации технологических процессов и быту.

Производители ПЛК

Существует масса компаний, которые изготавливают промышленные контроллеры – это:

  • Advantech,
  • Delta,
  • VIPA,
  • Mitsubishi Electric,
  • WAGO I/O,
  • Phoenix Contact
  • и многие другие.

Российские производители ПЛК :

  • Контар,
  • Овен,
  • Segnetics,
  • Fastwel,
  • Текон.

На что обращать внимание при покупке

Все зависит от типа производства и задач, которые нужно будет решать, но существуют и универсальные решения. Важнейшие моменты:

  • Универсальность среды программирования для разных платформ;
  • Контроллеры с распределенным вводом/выводом;
  • Устройства со встроенным вводом выводом;
  • Связь с ПК;
  • Дублирование ЦП и системы ввода/вывода;
  • ПЛК с поддержкой веб-технологий;
  • ПЛК с процессором типа PC;
  • Переносные устройства для создания программ.

Самый главный пункт здесь – это первый пункт. Не стоит пытаться отыскать самое доступное оборудование на рынке – процесс переподготовки специалистов сведет к нулю всю возможную экономию. Стоить выбрать нескольких производителей и сотрудничать только с их продукций.

Другие специалисты утверждают, что самое главное это ПО. Различий в комфорте использования программных продуктов значительно больше, чем в железе ПЛК.

Программируемые логические контроллеры

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.

Обобщенная структура промышленного контроллера

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:

Рабочий цикл ПЛК

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.

Читайте также:
Подложка под обои: шумоизоляция стен в квартире

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

Моноблочный ПЛК

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

Модульный ПЛК

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

sulika Опубликована: 2012 г. 0 0

Вознаградить Я собрал 0 0

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: