2.2.1. Программируемые логические контроллеры

Назначение и функции

Программируемые логические контроллеры (ПЛК, programmable logic controller – PLC) – это специальные микрокомпьютеры, предназначенные для выполнения операций переключения в промышленных условиях. Это название, в действительности, не верно, так как ПЛК сегодня могут гораздо больше, чем просто выполнять логические операции. ПЛК генерируют 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 или 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 реальная аппаратная логика. Оптимальное решение для каждого конкретного приложения можно получить, применяя обе технологии в одной системе так, чтобы использовать преимущества каждой из них.

Первые ПЛК были сконструированы только для простых последовательностных операций с двоичными сигналами. Сегодня на рынке существуют сотни различных моделей ПЛК, которые отличаются 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 аналоговые сигналы, производят математические операции и даже содержат контур управления обратной связи, как ПИД регуляторы.

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 чаще применяются в устройствах ввода-вывода, входящих в состав больших интегрированных систем управления.

ПЛК можно программировать различными способами – с помощью ассемблероподобных команд, проблемно-ориентированных языков высокого уровня или прямым описанием операций последовательного управления с помощью функциональных карт. 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.

Основные команды

В системах промышленной автоматики ПЛК должны работать в режиме реального времени, т.е. быстро реагировать на внешние события. Ввод и обработка внешних сигналов осуществляется в ПЛК двумя способами – по опросу или по прерыванию. Основной недостаток опроса – можно потерять некоторые внешние события, если ПЛК не обладает достаточным быстродействием, хотя такой подход проще для программирования. Управление по прерываниям сложнее для программирования, но риск пропустить какое-либо внешнее событие намного меньше. Управления по опросу вполне достаточно для простых схем, а управление по прерыванию используется в сложных случаях.

Программирование ПЛК в основном представляет собой описание управляющих последовательностей. Функции ввода/вывода уже реализованы в базовом программном обеспечении ПЛК. Программные инструкции, задаваемые одним из описанных выше способов, транслируются в машинный код ПЛК. Выполнение программы происходит в бесконечном цикле.

Небольшого набора базовых машинных команд, как правило, достаточно для большинства задач последовательного управления. Программа, состоящая из этих команд, называется списком команд (instruction list). Некоторые основные команды перечислены ниже; обычно они могут оперировать как битами, так и байтами.

ld, ldi – загрузка значения из входного порта в сумматор, непосредственно (ld) или с инверсией (ldi);

and, ani – операция AND или NAND между значениями в сумматоре и на входном порту; результат сохраняется в сумматоре;

or, ori – операция OR или NOR между значениями в сумматоре и на выходном порту; результат сохраняется в сумматоре;

out – содержимое сумматора копируется в конкретный выходной порт и управляет выходными сигналами; значение в сумматоре не изменяется, поэтому его можно подвергнуть дальнейшей обработке или переслать в другой выходной порт.

Дополнительные команды ПЛК

Базовый набор команд ПЛК может включать логические операции XOR, NAND, NOR и др. Кроме того, современные ПЛК имеют операторы для обработки буквенно-цифровых данных и связи с внешними устройствами, а также дополнительные функции в виде счетчиков, таймеров и генераторов импульсов. Импульсные сигналы можно, например, использовать для обнуления внешнего счетчика. С помощью модулей задержки входные и выходные сигналы можно сдвинуть во времени. Более сложные ПЛК могут генерировать прямоугольные и пилообразные импульсы, а так же содержать алгоритмы фильтрации сигналов и управления с обратной связью.

Программирование ПЛК

ПЛК обычно программируются с помощью внешних устройств – программаторов. Как правило, эти устройства не нужны для непосредственной работы ПЛК. Программаторы – это либо ручные специализированные устройства, либо обычные портативные персональные компьютеры.

Ручной программатор ПЛК выглядит как большой карманный калькулятор с простым дисплеем. Каждый логический элемент принципиальной схемы или программный оператор вводится специальными клавишами или их комбинацией.

Более мощный и набирающий популярность вид программатора ПЛК – это персональный компьютер с графическим дисплеем. Для облегчения отладки и тестирования на экране иногда показывают ток, протекающий по каждой линии при выполнении операции, чтобы сразу был виден эффект влияния входа на выход. В некоторых случаях можно программировать, рисуя на дисплее схемы из функциональных блоков, каждый из которых вводится комбинацией клавиш и/или выбирается мышью из заранее сформированной таблицы.

Поддержка программирования ПЛК на языке высокого уровня становится обязательным условием по мере возрастания сложности операций.

Примеры современных промышленных контроллеров для АСУ ТП¹¹

Компания Advantech начала поставки высокопроизводительного встраиваемого компьютера UNO-2182 на базе процессора Intel Core2Duo, являющегося новым звеном в линейке универсальных контроллеров для АСУ ТП серии UNO.

Рис. 2.9

UNO-2182 специально разработан для промышленных приложений, где требуются высочайшая производительность вычислительного ядра, а также разнообразие интерфейсов, возможность гибкого расширения и при этом относительно небольшие габаритные размеры.

В компьютере используется процессор нового поколения Intel Core2Duo с рабочей частотой 1,5 ГГц. Максимальный объем оперативной памяти равен 1 Гбайт. Статическое ОЗУ с питанием от резервной батареи объемом 512 кбайт позволяет сохранять критические для работы устройства данные и настройки. В качестве накопителя может использоваться как твердотельный диск Compact Flash, так и 2,5" НМЖД стандарта PATA/SATA.

Для расширения функциональных возможностей в UNO-2182 предусмотрены гнездо формата PC Card, а также слот для установки модулей формата PCI-104. Уникальный набор интерфейсов, включающий два порта Gigabit Ethernet, по два последовательных порта RS-232 и RS-232/422/485, а также параллельный порт и два интерфейса USB 2.0 обеспечивает простую и быструю интеграцию с различными сетевыми структурами. Благодаря видеовыходу типа DVI-I компьютер может работать как с цифровыми (DVI), так и с аналоговыми (VGA) дисплеями.

Максимальную готовность UNO-2182 к применению обеспечивают заказные конфигурации с предустановленной операционной системой реального времени Windows CE.NET или русифицированной Windows XP Embedded SP2.

Отсутствие принудительного охлаждения, прочный алюминиевый корпус и отсутствие электромеханических накопителей позволяют использовать компьютер в самых жестких условиях эксплуатации. При этом безотказная работа обеспечивается при воздействии ударной нагрузки до 50 g, вибраций до 2 g и температуры окружающей среды от -20 до +55°C.

Контроллеры серии WinCon-8000 компании ICP DAS

Контроллеры серии WinCon-8000 представляют собой последнее поколение промышленных контроллеров производства компании ICP DAS. Вобрав в себя все лучшие характеристики серий I-7000 и I-8000, сохранив преемственность с ними, WinCon-8000 приобрел новые возможности благодаря использованию высокопроизводительного процессора Intel Strong ARM с тактовой частотой 206 МГц и оперативной памяти 64 Мб.

Рис. 2.10

Как и популярные контроллеры серии I-8000, WinCon выполнен в виде отдельного блока из негорючего пластика, который содержит центральный процессор, источник питания, панель управления, коммуникационные порты и объединительную плату для установки модулей ввода-вывода. Контроллер может быть без труда установлен на DIN-рейку или на панель, причем для монтажа не требуется никаких дополнительных конструктивных элементов. При этом обеспечивается открытый и удобный доступ к панели управления, слотам для установки или замены модулей ввода-вывода и коммуникационным разъемам. Контроллер поддерживает все модули ввода/вывода сигналов, как с параллельным, так и с последовательным интерфейсом, семейства I-8000, и, кроме того, может работать с удаленными модулями ввода/вывода серии I-7000.

В отличие от контроллеров I-8000, WinCon-8000 имеют не только интерфейсы RS-232 и RS-485, но и интерфейсы USB и Ethernet, а также интерфейсы VGA и PS/2 для подключения клавиатуры, мыши и монитора. Таким образом, промышленный контроллер приобрел функциональность персонального компьютера, что значительно облегчает его программирование и расширяет сферу применения. Так, отладку и редактирование управляющей программы можно осуществлять непосредственно на контроллере. Кроме того, за счет наличия интерфейсов клавиатуры и монитора, WinCon может совмещать в себе функции контроллера и операторской станции. Достаточно лишь установить SCADA-систему, например Trace Mode, и контроллер может взять на себя функции современного операторского интерфейса.

Контроллер имеет встроенную операционную систему Microsoft Windows CE .NET, которая характеризуется как операционная система реального времени. Она поддерживает переназначение приоритетов процессов и обеспечивает тот же уровень детерминированного управления, что и классические ПЛК. Интерфейс операционной системы позволяет воспользоваться любыми средствами, предназначенными для создания программ в этой среде, например Visual Basic .NET, Visual C#, Embedded Visual C++. Контроллер поставляется в комплекте с программной библиотекой, в которой реализованы функции работы со всеми внутренними и внешними устройствами контроллера (внутренняя шина, таймер, внешние интерфейсы, модули ввода/вывода и прочее). Кроме того, имеется подробная инструкция по программированию, а также примеры программ, написанных на различных языках программирования. Контроллер имеет слот для установки карты памяти формата Compact Flash, на которой сохраняются пользовательские программы.

Промышленные контроллеры. Серия System Q Mitsubishi Electric

Новейшее поколение модульных программируемых логических контроллеров (ПЛК) Mitsubishi Electric для комплексных задач автоматизации среднего и высокого уровня сложности представляет серия MELSEC System Q. Высокая вычислительная мощность в сочетании с широчайшими коммуникационными возможностями, расширением до 8192 каналов ввода/вывода и трехуровневым аппаратным резервированием позволяет их успешно использовать в АСУ ТП крупных ответственных объектов, реализуя алгоритмы управления любого уровня сложности.

Рис. 2.11

ПЛК System Q поддерживают многопроцессорный режим обработки данных, что делает возможным параллельное использование в одном ПЛК до 4-х центральных процессоров (ЦП) одного или нескольких типов. Для выбора оптимальной конфигурации Вашего контроллера предлагается 15 типов процессорных модулей:

12 типов ЦП ПЛК;

2 типа ЦП управления сервоприводами;

1 тип встраиваемого промышленного ПК.

Наличие многопроцессорного режима обработки в одном контроллере позволяет:

– организовать высокоскоростной обмен данными между отдельными процессорными модулями по внутренней шине;

– увеличить производительность системы и обеспечить ее высокое быстродействие за счет деления сложных алгоритмов между несколькими ЦП;

– повысить надежность за счет распределенного алгоритма обработки данных;

– снизить стоимость системы за счет использования одного многопроцессорного контроллера вместо нескольких однопроцессорных, объединенных по сети.

Для обеспечения безаварийной работы предусмотрено трехуровневое аппаратное резервирование контроллера:

– по центральному процессору;

– по источнику питания;

– по сетевым соединениям.

Резервированные контроллеры гарантируют бесперебойную работу на непрерывных производствах, что особо важно в таких отраслях промышленности как энергетика, металлургия, а также в химической, нефтехимической и бумажной промышленности.

Контроллеры серии System Q имеют широкие возможности для построения систем управления c распределённой архитектурой. При этом подключение контроллера к удалённым станциям ввода/вывода возможно через стандартные полевые шины, такие как: Ethernet, CANopen, PROFIBUS/DP, MODBUS, DeviceNet, CC-Link, AS-Interface. Кроме того, возможно подключения модулей УСО с нестандартным протоколом через интерфейсы RS-422/485 или RS-232. Для организации высокоскоростного обмена данных между ЦП нескольких контроллеров, или между контроллером и удаленными станциями ввода/вывода, предлагается резервированная оптоволоконная сеть MELSECNET/10/H, имеющая вид кольца. При использовании этой сети скорость передачи данных составляет до 25 Мбит/с, а удаление до 30 км.

Конструктивно контроллер состоит из источника питания, одного или нескольких центральных процессоров (ЦП) и модулей ввода-вывода, которые устанавливаются в базовое шасси. Базовое шасси оснащено внутренней высокоскоростной шиной для обмена данными между отдельными модулями и ЦП. При необходимости увеличения каналов ввода-вывода, к внутренней шине базового шасси подключается до семи шасси расширения, при этом их максимальное удаление от базового шасси составляет 13,2 м.

К основным особенностям ПЛК System Q относятся:

– быстродействие до 34 нс/лог. операцию;

– детерминированный период выполнения программного цикла 0,5…2,000 мс с дискретностью 0,5 мс;

– объем памяти ЦП до 32 Мбайт;

– расширение до 8192 каналов ввода-вывода;

– широкий выбор модулей ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов с гальванической развязкой; преобразователей сигналов температурных датчиков; аппаратных ПИД-регуляторов; высокоскоростных счетчиков; позиционеров, коммуникационных модулей и т.д.;

– обработка аналоговых сигналов с разрядностью до 32 бит;

– развитые средства коммуникации и поддержка открытых полевых шин: Ethernet, CANopen, PROFIBUS/DP, DeviceNet, CC-Link, AS-Interface;

– реализация многопроцессорного режима обработки данных;

– трехуровневое аппаратное резервирование;

– возможность дистанционного программирования и диагностирования через модем, Internet или Intranet;

– самодиагностика с протоколированием сбоев в памяти ЦП;

– возможность программирования на языках стандарта IEC 1131.3/EN 61131-3;

– компактная конструкция (размер модулей ввода/вывода 27х98х90 мм);

– наличие встраиваемого промышленного ПК (Celeron 400 МГц, 128 Мбайт) с портами USB, 2xPCMCIA, Ethernet, VGA, PS/2. Функциональное назначение модуля - выполнение приложений ПК и ПЛК (обработка данных, управление, удаленная диагностика, визуализация, ведение баз данных, WEB-Server). Языки программирования С++, Visual Basic.