Глава 4
ПРОГРАММИРУЕМЫЕ КОНТРОЛЕРЫ
Программируемые контролеры представляет собой специализированную управляющую микроЭВМ, работающую в реальном времени по программам, размещенным в постоянном запоминающем устройстве, а не в оперативной памяти. По существу, ПК представляет собой специфический цифровой автомат. Появление и развитие ПК выражает современную тенденцию к замене схемотехники электронных схем с жесткой структурой на программируемые структуры.
Преимущества ПК заключаются в высокой надежности, быстродействие, нетребовательность к среде. По зарубежным данным ПК уже применяются в 35% систем от общего числа систем управления технологическими процессорами. Большинство выпускаемых моделей рассчитано на программно-логическое управление и выполнение законов регулирования.
Наибольшее распространение получили в технике программируемые логические контроллеры (ПЛК) и программируемые регулирующие контролеры (ПРК).
§ 12. Программируемые логические контроллеры
ПЛК – это контроллеры, ориентированные на реализацию алгоритмов логического типа и предназначенные для замены релейных и логических схем электроавтоматики и команд различных аппаратов, полупроводниковых схем управления преобразователями. Они имеют дело с реализацией булевых функций в реальном времени.
Идеологически ПЛК представляют собой универсальную программно настраиваемую модель цифрового управляющего автомата. При конкретном применении ПЛК его электрические связи не меняются, а соответствующая ориентация достигается за счет программирования.
В минимальный комплект ПЛК входят микропроцессор с управлением; запоминающее устройство программ; оперативная память данных; устройство связи с объектом; пульт настройки системы и загрузки программ.
На рис. 33 представлена схема программируемого логического контроллера. Двойные стрелки означают информационные связи по адресам и данным, одинарные – по управлению. В запоминающем устройстве программ записано описание алгоритма в виде последовательности строк, содержащих логические (булевы) функции. Устройство связи с объектом осуществляет нормализацию и масштабирование входных сигналов. Сигналы от датчиков поступают через устройство связи на входной регистр, а значения управляющих сигналов хранятся в выходном регистре и через устройство связи воздействуют на объект.
Рис. 33 Программируемый логический контроллер
Работа ПЛК осуществляется в циклическом режиме. Время выполнения цикла определяет длительность такта синхронизации моделируемого автомата и объекта управления. В соответствие с программой, записанной в памяти программ и моделирующей конкретную релейную схему (в виде логических уравнений) системы управления, процессор опрашивает все входы, производит логическое сравнение состояний входов и выходов и по результатам сравнения включает те или иные исполнительные органы. Процессор контроллера строится в виде однобитового логического процессора (ЛП), обеспечивающего одноразрядную последовательную обработку входных даных.
Контроллер последовательно, строка за строкой опрашивает (сканирует) память программ при помощи ЛП, который производит последовательное вычисление логических функций из системы уравнений, заданной в программе, и заносит вычисленные значения в память данных. После того как опрос (сканирование) всей памяти программ закончен, устройство управления (УУ) обеспечивает обмен данными между входными и выходными регистрами и памятью данных. Затем опрос памяти программ повторяется от начала до конца, т.е. процесс опроса периодически повторяется.
Циклом полного опроса (сканирования) называется однократный проход логическим процессором по всей программе, а время этого цикла ‑ временем цикла опроса (сканирования). Время цикла опроса является основной мерой быстродействия контроллера.
Особенности логических контроллеров.
Рабочие циклы, ЛПК, непрерывно повторяемые в режиме управления объектом, состоят из трех фаз: получения данных о состоянии объекта, переработки этих данных в управляющие сигналы и выдачи их на исполнительные устройства. Фиксирование состояния объекта в данный момент времени осуществляется вводом в соответствующие ячейки памяти сигналов текущего состояния объекта. Образование выходных управляющих сигналов и передача их к соответствующим модулям вывода дают исполнение команды.
ПЛК реализует в основном логические, а не арифметические операции. Поэтому для них характеристика одноразрядная последовательная (побитовая) обработка входных данных, и система команд ПЛК не содержит команд, выполняющих развитие арифметической операции. Процессор чаще всего строится по схеме однобитового ЛП.
Для ПЛК используются простые специализированные эффективные языки программирования, или языки задания алгоритмов управления, приспособленных для управления объектами. К таким языкам относятся языки релейно-контактных схем, языки логических уравнений алгебры логики и языки символического кодирования. Обычно такие языки содержат от единиц до нескольких десятков операторов, в том числе операторы вычислений с числами, счета времени (таймирования) и числа событий и т.д. Программирование не требует специальной подготовки в области программировани ЭВМ.
ПЛК как правило, используются без постоянного обслуживающего персонала. Поэтому устройство загрузки программ (программная панель) выполняется автономным и переносным и подключается к ПЛК только на время его обслуживания оператором или настройщиком-программистом. Для программирования к контроллеру подключается автономная программная панель (загрузчик программ), через которую производится набор программ. После набора программ с помощью клавиатуры пульта программа запоминается, после чего ПЛК может начинать выполнение требуемых функций.
В ПЛК обязательно наличие сканирующего устройства, позволяющего циклически опрашивать все логические входы и выходы, а также наличие устройств связи с объектом, обеспечивающего согласование и гальваническую развязку входных сигналов и усиление выходных сигналов.
Классы программируемых логических контроллеров.
I класс – ПЛК, предназначенные для управления несложными объектами по фиксированной программе. Такие контроллеры имеют небольшое число (16-96) входов и выходов, малую емкость внутренней памяти, не имеют внешнего языка, и поэтому алгоритм управления объектом, как правило, задается микропрограммным способом.
II класс – ПЛК, предназначенные для управления достаточно сложными, локально работающими объектами. Такие ПЛК имеют по несколько сотен входов и выходов, запоминающие устройства достаточной емкости, внешний язык задания алгоритмов управления и средства их загрузки в запоминающие устройства. Системные средства у таких ПЛК, как правило, отсутствуют.
III класс – ПЛК служат для управления ответственными, достаточно сложными, а иногда даже уникальными объектами. Такие контроллеры сопрягаются с ЭВМ верхнего уровня, имеют развитый язык задания алгоритмов управления, собственные периферийные устройства (видеотерминалы, ПУ и др.) иногда строятся как мультипроцессорные. Кроме собственно управления такие ПЛК выдают собранную и сформатированную интегральную информацию на ЭВМ верхнего уровня.
В литературе приводятся результаты сравнения различных систем управления, проведенного для идентичных объектов фирмой Modison. По данным этой фирмы в разных случаях самыми экономичными оказываются следующие типы систем управления: при наличии до 50 выходов-входов предпочтение отдается релейному управлению, от 50 до 400 – программному контролеру, свыше 500 – вычислительной машине. При частом изменении технологических параметров или составных компонентов самым выгодным является использование программного управления, в случае применения ПЛК в два с половиной раза меньше, чем при релейном управлении.
Способы задания программ. В современны ПЛК задание программ осуществляется одним из трех способов: по принципиальной электрической схеме, при помощи булевых (логических) выражений, при помощи языка символически кодирования (мнемокод ПЛК). Наиболее простым способом для пользователя является способ программирования по принципиальным схемам.
Для программирования по принципиальной электрической релейной схеме используется специальная программная панель с клавиатурой, каждая из клавиш которой соответствует конкретному символу релейной схемы (например, нормально разомкнутому контакту, катушке выходного или промежуточного реле и т.д.). Для современных ПК предусматривается подготовка программ на универсальных ЭВМ. Для этого реализуются программные трансляторы, которые воспринимают информацию, если она представлена в виде принципиальной электрической схемы, или в виде логических выражений, или записана в командах языка символического кодирования. В качестве примера в табл.7 приводятся команды языка символического кодирования РМС контроллера фирмы Allen Bradley. Транслятор переводит программу из любой одной формы в любые две другие.
Рис. 34. Три формы задания программы в контроллере
На рис.34 показан вид программы, напечатанный транслятором во всех трех видах. Для контроллера фирмы Allen Bradley все три формы задания программ являются эквивалентными.
Таблица 7
Команда |
Наименование команды |
Соответствие команд эквивалентной релейной принципиальной схеме |
X1C |
Проверка входа на замкнутое состояние |
Соответствует замыкающему контакту, подключенному к входу |
X1О |
Проверка входа на разомкнутое состояние |
Соответствует размыкающему контакту, подключенному к входу |
X0E |
Проверка входа на возбужденное состояние |
Соответствует размыкающему контакту выходного аппарата |
X0O |
Проверка входа на обесточенное состояние |
То же |
BZT |
Испытание ответвление |
Соответствует объединению параллельной цепи |
ET |
Установка выхода |
Соответствует подключению катушки выходного аппарата |