5.1.6. Программируемые логические контроллеры

Микро-ЭВМ дали толчок совершенствованию управляющего оборудования: они заменяют аналоговые регуляторы даже в одноконтурных системах управления. Сконструированы иерархические системы управления с большим количеством микропроцессоров и спроектированы регуляторы специального назначения на базе микро-ЭВМ.

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) по большей части ориентированы на реализацию логических функций в реальном масштабе времени, нежели арифметических операций и используются, как правило, вместо релейных схем управления, т. е. для управления схемами электроавтоматических устройств технологических объектов. Контроллеры, выполненные на основе реле или микросхем с «жесткой» логикой, невозможно настроить на другую работу без существенной переделки. Очевидно, что такой возможностью обладают только ПЛК. Идея создания ПЛК родилась практически сразу с появлением микропроцессора. Таким образом, ПЛК реализуют всевозможные функции командоаппаратов и создаются на базе микропроцессоров. Возможность применения ПЛК в качестве универсального локального устройства управления всевозможными технологическими процессами достигается путем внесения в ПЛК программы, определяющей алгоритм работы конкретного объекта управления без изменения его электрической структуры. Таким образом, ориентация ПЛК, как устройства общего назначения, в какой-либо области применения, достигается благодаря соответствующему программированию.

Физически, типичный ПЛК представляет собой блок, имеющий определенный набор выходов и входов, для подключения датчиков и исполнительных механизмов (рис. 5.5). Логика управления описывается программно на основе микрокомпьютерного ядра. Аппаратная реализация входов и выходов ПЛК ориентирована на сопряжение с унифицированными приборами и мало подвержена изменениям.

Программируемые логические контроллеры реализуют относительно простые функции управления и обладают рядом важных особенностей. Первая из них заключается в том, что циклы непрерывно повторяются в режиме управления объектом. Циклы состоят из отдельных фраз следующего содержания: запоминание состояния узлов объекта (опрос выходов), переработки данных совместно с данными новой фразы и выдачи управляющих сигналов на исполнительные органы. Запоминание состояния объекта управления в данный момент времени реализуется вводом в соответствующие ячейки памяти сигналов опроса состояния объекта (получение ответов от соответствующих аппаратов). Вторая особенность ПЛК заключается в том, что для программирования используют простейшие специализированные языки программирования или языки символического задания алгоритмов управления, описывающие например релейно-контактные схемы. Третьей особенностью ПЛК является то, что они могут функционировать без постоянного обслуживающего персонала в процессе эксплуатации.

Рис. 5.5. Принцип работы ПЛК

На рис. 5.6 представлена обобщенная структурная схема ПЛК, в который входят различные устройства.

Рис. 5.6. Структурная схема ПЛК

В состав ПЛК, как минимум, входят центральный логический процессор (ЦЛП) с устройством управления, оперативная память, программная панель настройки и загрузки управляющей программы и устройство связи с объектом управления. ЦЛП обеспечивает логическую обработку поступающей информации в соответствии с записанной программой в памяти программы и моделирует конкретную релейную схему. Устройство управления логического процессора опрашивает все входы и выходы блока регистров, производит логическое сравнение состояния входов и выходов и по результатам сравнения включает или выключает те или иные исполнительные органы через схему устройства связи с объектом управления. Микроконтроллер с помощью программного таймера и счетчика последовательно, строка за строкой, опрашивает (сканирует) память программ и с помощью ЦЛП производит вычисления логических функций согласно уравнениям, поступающим из памяти программ, и заносит вычисленные значения в память данных. После того, как опрос памяти окончился, устройство управления микроконтроллера выполняет обмен данными между входными и выходными регистрами блока регистров и памятью данных. Затем опрос памяти программ повторяется от начала до конца. Таким образом, опрос памяти программ и обмен данными периодически повторяется в процессе управления. Однократный проход логического процессора по всей программе называют циклом полного опроса (сканирование) памяти, а время, в течение которого этот цикл исполняется, – временем цикла. Оно характеризует быстродействие микроконтроллера.

Принято различать системы жесткого и мягкого реального времени. В системах жесткого реального времени существует выраженный временной порог. При его превышении наступают необратимые катастрофические последствия. В системах мягкого реального времени характеристики системы ухудшаются с увеличением времени управляющей реакции. Система может работать плохо или еще хуже, но ничего катастрофического при этом не происходит.

Для математических систем характеристикой качества работы является правильность найденного решения. В системах реального времени помимо правильности решения определяющую роль играет время реакции. Логически верное решение, полученное с задержкой более допустимой, не является приемлемым.

В некоторых случаях ограничением служит не время реакции на событие, а обязательность его фиксации, например работа с датчиками, формирующими импульсы малой длительности. Это ограничение преодолевается специальной конструкцией входов. Так, счетный вход позволяет фиксировать и подсчитывать импульсы с периодом во много раз меньшим времени рабочего цикла ПЛК. Специализированные интеллектуальные модули в составе ПЛК позволяют автономно отрабатывать заданные функции, например модули управления сервоприводом.

В современных ПЛК широко используются аналоговые входы и выходы. Аналоговый или непрерывный сигнал отражает уровень напряжения или тока, соответствующий некоторой физической величине в каждый момент времени. Этот уровень может относиться к температуре, давлению, весу, положению, скорости, частоте и т. д. Аналоговые входы контроллеров могут иметь различные параметры и возможности. Так, к их параметрам относятся: разрядность АЦП, диапазон входного сигнала, время и метод преобразования, несимметричный или дифференциальный вход, уровень шума и нелинейность, возможность автоматической калибровки, программная или аппаратная регулировка коэффициента усиления, фильтрация. Особые классы аналоговых входов представляют входы, предназначенные для подключения термометров сопротивления и термопар. Здесь требуется применение специальной аппаратной поддержки (трехточечное включение, источники образцового тока, схемы компенсации холодного спая, схемы линеаризации и т. д.).

В сфере применения ПЛК бинарные входы и выходы называют обычно дискретными. Аналоговые сигналы в ПЛК преобразуются в цифровую. Помимо стандартных дискретных и аналоговых входов-выходов ПЛК могут иметь специализированные входы-выходы. Они ориентированы на работу с конкретными специфическими датчиками, требующими определенных уровней сигналов, питания и специальной обработки. Например, квадратурные шифраторы, блоки управления шаговыми двигателями, интерфейсы дисплейных модулей и т. д.

Контроллеры традиционно работают в нижнем звене автоматизированных систем управления предприятием (АСУ) – систем, непосредственно связанных с технологией производства (рис. 5.7). ПЛК обычно являются первым шагом при построении систем АСУ. Это объясняется тем, что возникает необходимость автоматизации отдельного механизма. Она дает быстрый экономический эффект, улучшает качество производства, позволяет избежать физически тяжелой и рутинной работы.

Рис. 5.7. Место ПЛК в АСУ ТП

В комплекс программирования ПЛК входит ОРС-сервер. Его задача получать доступ к данным ПЛК также прозрачно, как и отладчик. Достаточно обеспечить канал передачи данных ПЛК – ОРС-сервер. Вся дальнейшая работа сводится к определению списка доступных переменных, правильной настройке сети, конфигурированию ОРС-сервера и SCADA-системы. В целом, операция очень напоминает настройку общедоступных устройств локальной сети ЭВМ.

Второй часто возникающей задачей является интеграция нескольких ПЛК с целью синхронизации их работы. Здесь появляются сети, обладающие рядом специфических требований. В целом это требования, аналогичные требованиям к ПЛК: режим реального времени, надежность в условиях промышленной среды, ремонтопригодность, простота программирования. Такой класс сетей получил название промышленных сетей (fieldbus). Существует масса фирменных реализаций и достаточно много стандартов таких сетей (Bitbus, Modbus, Profibus, CANopen, DeviceNen, которые в дальнейшем будут подробно рассмотрены), позволяющих интегрировать аппаратуру различных фирм, но ни один из них нельзя признать доминирующим.

Фирма ОВЕН выпускает программируемые логические контроллеры (рис. 5.8) в виде трех основных модификаций ПЛК100, ПЛК150, ПЛК154: программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК100 имеет 8 дискретных входов 6 или 12 дискретных выходов (6 электромагнитных реле или 12 транзисторных ключей); программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК150 имеет 6 дискретных входов 4 аналоговых универсальных (4...20 мА, 0...10 В) входа 4 дискретных выхода на основе электромагнитных реле 2 аналоговых универсальных (4...20 мА, 0...10 В) выхода; программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК154 имеет 4 дискретных входа 4 аналоговых входа (универсальных) 4 дискретных выхода (электромагнитных реле) 4 аналоговых выхода.

Рис. 5.8. Схема подключения питания, входов и выходов к ПЛК150

Любой дискретный вход ПЛК может быть настроен для работы с импульсными сигналами частотой до 10 кГц. Дискретный вход может функционировать в режиме импульсного счетчика, триггера или энкодера (максимальная частота для энкодера 1 кГц), а также в нескольких режимах одновременно. Для ОВЕН ПЛК возможны два варианта исполнения по типу дискретных выходов. По заказу в контроллер могут быть установлены либо электромагнитных реле (ПЛК содержит в обозначении символ «Р»), либо транзисторные ключи, выдающих логический сигнал 24 В для управления внешними силовыми реле или иными устройствами (ПЛК содержит в обозначении символ «К»). Любой дискретный выход контроллеров ОВЕН ПЛК может быть настроен на выдачу ШИМ-сигнала, генерируемого с высокой точностью, с периодом до 100 мс (для выхода «К»).

Аккумулятор, используемый для питания часов реального времени, дополнительно используется как источник аварийного питания микропроцессора контроллера. При случайном отключении основного питания контроллер переходит на аварийное питание и сохраняет промежуточные результаты вычислений и работоспособность интерфейсов Ethernet и Debug RS-232 в течение 10 минут. Светодиодная индикация и выходные элементы контроллера при этом не запитываются и не функционируют. При включении основного питания во время работы на аварийном питании контроллер сразу приступает к выполнению пользовательской программы, нетратя время на загрузку и сохраняя все промежуточные результаты вычислений.

После 10 мин. работы на аварийном питании контроллер записывает Retain-переменные в энергонезависимую память и отключается. Часы реального времени остаются в рабочем состоянии. После включения основного питания контроллер загружается и запускает программу пользователя (если установлена опция автозапуска). Время работы от аварийного источника питания может быть автоматически скорректировано самим контроллером в зависимости от степени зарядки аккумулятора и температуры окружающей среды.

Контроллеры ОВЕН ПЛК обладают высокой производительностью благодаря применению быстродействующего 32-битного микропроцессора RISC-архитектуры с тактовой частотой 200 МГц на базе ядра ARM9. Большой объем внутренней памяти и малый цикл ОВЕН ПЛК позволяет производить вычисления и составлять пользовательские программы для быстротекущих процессов или объектов высокого уровня сложности. Специальная прошивка микроконтроллера ПЛК, которая дает возможность применения контроллеров ОВЕН в системах удаленной диспетчеризации: работать совместно с любыми модемами, поддерживающими стандартные АТ-команды; работать в сетях GSM и телефонных сетях общего пользования; работать в глобальной сети Интернет; устанавливать связи с удаленным диспетчерским пунктом в случае аварийной ситуации; архивировать данные и передавать архивы по запросу диспетчера.

Программирование ПЛК осуществляется с помощью среды, выполненной на основе ядра CoDeSys. Для ОВЕН ПЛК в CoDeSys созданы следующие модули: модули входов-выходов; модули сетевых устройств и сетевых протоколов; модуль архивирования данных и результатов вычислений; модуль констант; модуль статистики (состояния ПЛК). Программирование и перепрошивка контроллера осуществляется по интерфейсам RS-232 или Ethernet, для ПЛК100 возможно также по USB. При этом подключение контроллера к ПК производится стандартным кабелем или кабелем, входящим в комплект поставки. Контроллеры ОВЕН ПЛК позволяют организовать шлюз между приборами с протоколом ОВЕН (RS-485) и промышленными сетями с протоколами Modbus, Modbus-TCP, DCON. Пользователь имеет возможность реализовать в среде программирования CoDeSys собственный протокол, не поддерживаемый ОВЕН ПЛК. В этом случае он может воспользоваться специальной библиотекой, которая открывает низкоуроневый доступ к последовательным портам ОВЕН ПЛК (библиотека входит в комплект поставки контроллера). Установка связи с контроллером возможна по интерфейсам Ethernet, Debug RS-232 и USB-Device. При установке связи по интерфейсу USB-Device на компьютере предварительно необходимо установить драйвер, создающий виртуальный СОМ‑порт, через который будут передаваться данные в среду CoDeSys. Подключение интерфейса RS-485 выполняется по двухпроводной схеме. Подключение производить при отключенном напряжении питания всех устройств сети RS-485. Длина линии связи должна быть не более 1000 метров. Подключение следует осуществлять витой парой проводов, соблюдая полярность. Подключение интерфейса RS-232 осуществляется стандартным модемным или нуль-модемным кабелем в зависимости от ответного разъема подключаемого устройства. Подключение необходимо производить при отключенном напряжении питания ПЛК и персонального компьютера. Длина кабеля не должна превышать трех метров.

Контроллер ОВЕН ПЛК100 выпускается в корпусе, предназначенном для крепления на DIN-рейке 35 мм. Подключение всех внешних связей осуществляется через разъемные соединения, расположенные по двум боковым и передней (лицевой) сторонам контроллера. Открытие корпуса для подключения внешних связей не требуется.