Лекция 7

Тема 3.2 Комбинационное и последовательностное управление. Управление на основе переключательных схем. Аппаратные и программные средства. Программируемые логические контроллеры.

Эта глава посвящена бинарному комбинационному и последовательностному (т. е. управление порядком) управлению. В промышленности существует большое количество приложений, использующих переключательные схемы для комбинационного и последовательностного управления. Этот тип управления уже упоминался в других разделах книги. Например, простые последовательностные сети были рассмотрены в главе 2 и в разделе 3.7, где обсуждались некоторые принципы моделирования с помощью последовательностного управления. Теория переключательных схем, составляющая основу бинарного управления, используется не только в технологии автоматизации, но и во многих других областях. Именно эта теория лежит в основе работы цифровых ЭВМ. В общем случае бинарное комбинационное и последовательностное управление проще, чем традиционное аналоговое или цифровое управление с обратной связью, потому что использует как для измеряемых величин, так и для управляющих сигналов бинарные значения. Однако бинарное управление имеет свои особенности, которые будут рассмотрены более подробно.

Логические схемы традиционно реализовывались на основе разных технологий — до середины 1970-х годов большинство схем строилось на базе электромеханических реле или пневматических элементов, в 1970-е годы получили широкое распространение программируемые логические контроллеры, и сегодня последовательностное управление реализуется почти исключительно программными средствами. Несмотря на изменения в технологии, символическое изображение операций переключения с помощью принципиальных схем, которое восходит к ранней релейной технике, до сих пор используется для описания и документирования операций последовательностного управления, в том числе и реализуемого программно. Другой важный тип языка, который можно использовать не только для описания, но и как инструмент документирования, — это функциональные карты.

Программируемые логические контроллеры. Назначение и функции

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) — это специальные микрокомпьютеры, предназначенные для выполнения операций переключения в промышленных условиях. Это название в действительности не­верно, так как ПЛК сегодня могут гораздо больше, чем просто выполнять логические операции. Однако эта аббревиатура сохранена, чтобы избежать путаницы с более общими терминами "программируемые контроллеры" и "персональные компьютеры". ПЛК генерирует выходные сигналы "включить/выключить" для управления исполнительными механизмами — электродвигателями, клапанами, лампочками и т. п., которые являются неотъемлемой частью систем автоматизации во всех отраслях промышленности.

Основные операции ПЛК соответствуют комбинационному управлению логическими схемами. Кроме того, современные ПЛК могут выполнять другие операции, например функции счетчика и интервального таймера, обрабатывать задержку сигналов и т. д. Основное преимущество ПЛК заключается в том, что одиночная компактная схема может заменить сотни реле. Другое преимущество — функции ПЛК реализуются программно, а не аппаратно, поэтому его поведение можно изменить с минимальными усилиями. С другой стороны, ПЛК могут быть медленнее, чем релейная аппаратная логика. Оптимальное решение для каждого конкретного приложения можно получить, применяя обе технологии в одной системе так, чтобы ис­пользовать преимущества каждой из них.

Первый ПЛК был разработан в 1968 году группой инженеров компании General Motors. В соответствии с первоначальной спецификацией устройство должно быть несложным в программировании, модификация программы не должна требовать изменения аппаратной части, размеры должны быть меньше, чем у релейных и полупроводниковых аналогов, и, наконец, обслуживание и ремонт должны быть макси­мально просты. Дополнительно новое устройство должно было быть конкурентоспособным по издержкам эксплуатации. Эти требования следует рассматривать в свете того, что в конце 1960-х - начале 1970-х годов еще не было малогабаритных програм­мируемых устройств (микропроцессор был изобретен в 1971 году.). Исходные требования вызвали значительный интерес у инженеров с точки зрения применения ПЛК в промышленном управлении. ПЛК на основе микропроцессора был впервые создан в США в 1977 году компанией Allan-Bradley Corporation. Он содержал микропроцессор Intel 8080 и дополнительные схемы, позволяющие с высокой скоростью производить логические битовые операции.

Первые ПЛК были сконструированы только для простых последовательностных операций с двоичными сигналами. Сегодня на рынке существуют сотни различных моделей ПЛК, которые различаются не только размером памяти и числом каналов ввода/ вывода (от нескольких десятков до нескольких сотен), но и выполняемыми функциями. Небольшие ПЛК предназначены в основном для замены реле и имеют некоторые

дополнительные функции счетчиков и таймеров. Более сложные ПЛК обрабатывают аналоговые сигналы, производят математические операции и даже содержат контуры управления обратной связи, как ПИД-регуляторы, описанные в главе 6.

Конструктивно ПЛК обычно приспособлены для работы в типовых промышленных условиях, с учетом уровней сигналов, термо- и влагостойкости, ненадежности источников питания, механических ударов и вибраций. ПЛК также содержат специальные интерфейсы для согласования и предварительной обработки различных ти­пов и уровней сигналов. Функции ПЛК все чаще применяются в устройствах ввода/ вывода, входящих в состав больших интегрированных систем управления (раздел 9.6). ПЛК можно программировать различными способами — с помощью ассемблероподобных команд, проблемно-ориентированных языков высокого уровня или прямым описанием операций последовательностного управления с помощью функциональных карт (раздел 7.4). В Европе наиболее популярно использование функциональных блоков с графическими символами логических элементов, а в США до сих пор достаточно широко распространены принципиальные схемы. Однако два последних метода постепенно заменяются BASIC-подобными языками программирования.

На рис. 7.21 показана основная структура программируемого логического контроллера. Сначала входные сигналы считываются в регистр буферной памяти. Эта функция всегда включается в системное программное обеспечение ПЛК и не требует явного программирования пользователем. Входной регистр может состоять и из одного бита, и из целого байта. В последнем случае один оператор считывания бу­дет выдавать одновременно значения восьми входных бит.

Программа может выбрать входное значение из этого регистра и затем обработать отдельно или вместе с другими данными. Выработанный результат можно либо сохранить для дальнейшей обработки, либо направить на выход.