4.2. Программируемые микропроцессорные контроллеры. Программируемые логические контроллеры и управляющие вычислительные (программно-технические) комплексы.
Программируемый микропроцессорный контроллер (ПМК )- это специализированная управляющая микроЭВМ, предназначенная для функционирования в локальных и распределенных системах управления согласно фиксированным программам. По назначению выделяют ПМК логического (ПЛК), регулирующего и координирующего типа. ПЛК реализуют релейные и логические схемы, командные аппараты. Регулирующие ПМК заменяют аналоговые (напр, автоматические мосты), импульсные и цифровые регуляторы. Координирующие ПМК используются как задатчики или координирующие ЭВМ в распределенных системах управления. ПМК программируют обычно от ПЭВМ.
Промышленные программируемые логические контроллеры (ПЛК) - это технические средства автоматизации, предназначенные для приема, хранения, преобразования, обработки (логической, арифметической) информации и выработки команд управления, созданные на базе микропроцессорной техники и являющиеся специализированными управляющими ЭВМ, предназначенными для работы в локальных и распределенных АСУ ТП.
Они впервые появились в конце шестидесятых годов в автомобильной промышленности США в результате слияния трех направлений техники:
релейно-контактная и бесконтактная электроавтоматика (основа ПЛК);
цикловое программное управление (принцип управления ПЛК);
микропроцессорная техника (элементная база ПЛК).
Первоначально производством ПЛК занимались компьютерные фирмы (DEC, Modicon, Entrekin Computers), но позже к их разработке подключились и электротехнические фирмы (General Electric, Allen Bradley, ISSC), которые выпускали устройства электроавтоматики и лучше знали потребности промышленности. Поэтому их ПЛК были более удобны в программировании и ориентированы на заводских специалистов (электриков, наладчиков). В настоящее время производством и внедрением ПЛК занимаются десятки ведущих мировых фирм, среди которых в нашей стране наиболее известны: Siemens (29%), Rockwell Automation (16%), Mitsubishi (12%), Schneider (9%), Omron (8,5%), Funuc (3,5%), Koyo Electronics, Marpos, Festo, ABB, Bosch и др.
Интересно отметить, что порог рентабельности ПЛК постоянно снижался, и если в 70-е годы считалось, что экономически выгодно заменять контроллером систему электроавтоматики из 100 реле (в 80-е годы - из 60, в 90-е годы - из 20), то в настоящее время эта цифра опустилась до нескольких единиц.
Быстродействие ПЛК обеспечивается двумя процессорами. Обеспечивается подключение до 128 входов-выходов и блока расширения. Язык программирования - технологическое программирование: набор логических операций.
ПЛК представляют собой микропроцессорное устройство, предназначенное для сбора, преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления. Каждый из них представляет собой вычислительную машину, имеющую определенное множество входов и выходов.
Контроллер отслеживает изменение на входах и вырабатывает программно определенное воздействие на выходах. Обладая памятью, ПЛК в зависимости от предыстории событий, способен реагировать по-разному на текущие события. Такая модель соответствует известным конечным автоматам. Однако возможности перепрограммирования, управления по времени, развитые вычислительные способности, включая цифровую обработку сигналов, поднимают ПЛК на более высокий уровень.
Первоначально они предназначались для замены релейно-контактных схем, собранных на дискретных компонентах - реле, счетчиках, таймерах, элементах жесткой логики. Принципиальное отличие ПЛК от релейных схем заключается в том, что все его функции реализованы программно. На одном контроллере можно реализовать схему, эквивалентную тысячам элементов жесткой логики. При этом надежность работы схемы не зависит от ее сложности.
Программное обеспечение универсальных контроллеров состоит из двух частей. Первая часть это системное программное обеспечение. Проводя аналогию с программным обеспечением ЭВМ, можно сказать, что оно выполняет функции операционной системы, т. е. управляет работой узлов контроллера, занимается организацией их взаимосвязи, внутренней диагностикой. Системное программное обеспечение ПЛК расположено в постоянной памяти в адресном пространстве центрального процессора и всегда готово к работе. По включению питания, ПЛК готов взять на себя управление системой уже через несколько миллисекунд.
Другая часть программного обеспечения универсальных контроллеров - это прикладные программы управления конкретным процессом. Эти программы создаются разработчиком системы управления.
ПЛК работают циклически по методу периодического опроса входных данных. Рабочий цикл ПЛК включает 4 фазы:
опрос входов,
выполнение пользовательской программы,
установку значений выходов,
некоторые вспомогательные операции (диагностика, подготовка данных для отладчика, визуализации и т. д.).
Выполнение первой фазы обеспечивается системным программным обеспечением. После чего управление передается прикладной программе, 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 непосредственное управление аппаратными ресурсами. Прикладная программа имеет дело с одномоментной копией значений входов в памяти. Внутри одного цикла выполнения программы, значения входов можно считать константами. Такая модель упрощает анализ и программирование сложных алгоритмов.
Очевидно, что время реакции на событие будет зависеть от времени выполнения одного цикла прикладной программы.
В технических характеристиках ПЛК приводится типовое время рабочего цикла. При его измерении пользовательская программа должна содержать 1К логических команд (на языке IL (STL) МЭК 61131-3). Сегодня ПЛК имеют типовое значение времени рабочего цикла, измеряемое единицами миллисекунд и менее. События, требующие быстрой реакции, выделяются в отдельные задачи - задачи обработки прерываний, приоритетность и период выполнения которых можно изменять
Управляющий вычислительный (УВК) или программно-технический комплекс (ПТК) - это совокупность микропроцессорных средств автоматизации (программируемые логические контроллеры, локальные регуляторы, устройства связи с объектом), дисплейных панелей операторов и серверов, промышленных сетей, связывающих между собой перечисленные компоненты, а также промышленного программного обеспечения всех этих составных частей, предназначенная для создания распределенных АСУ ТП промышленных предприятий.
Конкретные комплексы технических средств состоят из сотен и тысяч различных типов, типоразмеров, модификаций и исполнений приборов и устройств. ПТК может иметь информационную сеть, соединяющую пульты оператора между собой и с сервером сети, с выходом на информационную сеть предприятия.
Полевая сеть ПЛК (нижний уровень) связывает контроллеры с блоками ввода-вывода, выделенными в отдельные конструктивы и вынесенные к местам расположения датчиков и исполнительных механизмов.
ПТК различаются в зависимости от набора выполняемых функций.
1. Контроллер на базе персонального компьютера (ПК). Сфера использования – небольшие достаточно замкнутые промышленные объекты, специализированные системы автоматизации в научных лабораториях, медицине и т.п. Общее число входов/выходов не превышает нескольких десятков, выполняемые функции – достаточно сложная обработка измерительной информации. Программирование ведут на языке высокого уровня типа С++. Условия использования должны быть близки к офисным.
2. Локальный контроллер – программируемый логический контроллер (ПЛК). Используются ПЛК непосредственно встроенные в оборудование (станки с программным оборудованием, аналитические приборы) и автономные, управляющие небольшим, достаточно изолированным технологическим объектом. На рис. 2, 3 приведены примеры встраиваемых в оборудование модулей управления фирмы Rexroth Bosch Group (Германия).
Рис. 2. Общий вид секции управления (ПЛК) встроенной в оборудование.
Рис. 3. Пример компоновки секции управления, подключаемой к шине Рrofibus.
ПЛК рассчитаны на десятки входов/выходов от датчиков и исполнительных механизмов; их вычислительная мощность относительно невелика; они реализуют простейшие типовые функции обработки измерительной информации, логического управления, регулирования. На рис. 4, 5, 6 представлены структурные схемы и примеры использования в мясной отрасли простейшего контроллера МПР51-Щ4 - регулятора температуры и влажности, программируемого по времени, фирмы Овен (Россия).
3. Сетевой комплекс контроллеров. Этот класс ПТК является наиболее широко распространенным средством управления во всех отраслях промышленности, в том числе на предприятиях мясной и молочной промышленности. Минимальный состав такого ПТК включает ряд контроллеров, несколько дисплейных пультов операторов, промышленную сеть, соединяющую контроллеры и пульты между собой.
4. Распределенные системы управления малого масштаба (РСУ). Отличаются от сетевых комплексов большей мощностью. РСУ охватывают отдельные цеха и участки производства и в дополнение к функциям контроля и управления могут решать задачи статической и динамической оптимизации объекта.
5. Полномасштабные распределенные системы управления. Такие системы практически не имеют границ ни по выполняемым функциям, ни по объему производственного объекта. Используются для автоматизации всей производственной деятельности крупного предприятия.
Примеры известных современных отечественных и зарубежных ПТК, применяющихся в мясной, молочной и других отраслях пищевой промышленности:
«SIMATIC», группа «Siemens» (Германия), Департамент «A&D» www.siemens.ru/ad/as;
«ТЕХНОКОНТ» НПО «Texнокoнт», г. Москва, www.technocont.ru;
«Proleit», группа SIMENS (Германия);
«OMRON» (Япония);
«BOSCH» (Германия);
«DANNFOS» (Франция-Германия);
«HASSIA» (Германия-Голландия);
«BǕRKERT» (Германия);
«GEMǕ» (Германия);
«TUCHEN-HAGEN» (Германия), Тетрапак;
«КВИНТ» ОАО Чебоксарское НПП «Элара», www.elara.ru:
«ТОРНАДО» Компания «МС Торнадо», г. Новосибирск, www.tornado.nsk.ru;
«ТЕХНОКОНТ» НПО «Texнокoнт», г. Москва, www.technocont.ru;
«ОВЕН» ПО «Овен», г. Москва, viww.owen.ru;
«ADVANTECH» фирма «Advantech» (США), www.prosoft.ru;
Allen Bradley-Rockwell Software (AB-RS) фирма «Rockwell Automation» (США), www.software.rockwell.com.
Рис. 4. Управление температурно-влажностным режимом при термической обработке мясопродуктов к термокамере.
При термообработке и копчении мясопродуктов в термокамере требуется не только точное поддержание определенной температуры и влажности на каждой стадии процесса, но и периодическое включение дополнительных устройств, например, дымогенератора или вентилятора. Для этого, помимо реле 2 для управления ТЭНом и двух реле (реле 3 и реле 4), обеспечивающих непрерывное поступление пара в камеру, в схеме задействованы транзисторные ключи для управления вспомогательными устройствами.
На рис. 5 даны примеры выполнения программы поддержания заданных параметров температуры и влажности воздуха в термокамере.
Рис. 5. Графики температуры и влажности заданного температурно-влажностного режима в термокамере.
На рис. 6 приведен пример управления температурно-влажностным режимом варочного шкафа программируемым по времени регулятором температуры и влажности ОВЕН МПР51-Щ4.
Технология изготовления некоторых вареных колбас требует соблюдения особого температурного режима, суть которого заключается в необходимости поддержания заданной разности температур ΔТ в камере (Т сух) и внутри продукта. Превышение этой величины может привести к разрыву оболочки батонов и порче продукции. Для выполнения условия ΔТ ≤ А, где ΔТ = Т сух – Т прод; А – максимально допустимая разность температур, в МПР51-Щ4 используется компаратор 1, который в случае превышения ΔТ заданного значения блокирует включение реле 2, подающего пар для нагрева камеры.
Рис. 6. Управление температурно-влажностным режимом варочного шкафа.