Программируемый логический контроллер и его применение

Любое промышленное оборудование, способное выполнять автономно какие-либо операции, имеют в своем устройстве контроллер.

ПЛК – что это такое?

Контроллер - это мозг для машины. Чем сложнее машина, тем функциональнее контроллер. Технически реализация мозга может быть разной – механика, пневматика либо гидравлика, релейные или электронные системы.

Если в конструкции используются реле или решения с "жесткой" логикой, то машина может выполнять только определенные действия - научить машину другим операциям нельзя без вмешательства в ее техническую часть. Такие функции имеют только программируемые логические контролеры или ПЛК.

Контроллер ПЛК - управляющее устройство на основе микропроцессоров, которое приспособлено к работе на производстве. Устройство программируется на упрощенных языках, доступных пользователю без серьезной подготовки.

Структура и устройство ПЛК

Контроллер можно образно предоставить в формате мини-компьютера, но очень компактного и с особенностями. ПЛК, как и ПК, состоят из оперативной памяти, процессора, вспомогательного периферийного оборудования. Однако, дело еще и в том, что промышленные контроллеры должны выполнять не только расчетные задачи, как ПК, но и заниматься сбором информации от массы устройств – это датчики, сенсоры. Также контроллер и выдают сигналы в цепи.

Сейчас выпускаются контроллеры в различных форм-факторах. Это:

1. Устройство типа «всё в одном». В одном корпусе объединен процессор, память, выходы/входы;
2. Распределенные решения – процессорный модуль с обвязкой сделан в виде отдельного блока, а по шине или через интерфейсы подключатся модули для вывода и ввода.

Первые модели встречаются очень часто, однако, они рассчитаны на эксплуатацию в малых объектах и системах, где нужно обрабатывать малое количество сигналов.

Второй вид контроллеров используют в промышленности гораздо шире – производства с полнофункциональными АСУ требуют значительно большего числа сигналов, которые требуется обрабатывать. Если производство масштабное, то удобнее разнести модули вводы вывода по территории с объединением в единую сеть, которая подчиняется отдельному логическому контроллеру. Такие сети называют полевыми сетями или fieldbus. К этой седи подключаются датчики, исполнительные системы, которые являются интеллектуальными, так как имеют эту возможность.

Существует масса видов полевых сетей. Стандарт IEC61158 (МЭК61158) включает в себя 8 видов сетей. А до введения этого стандарта каждый производитель придумывал и использовал свою полевую сеть.

В структуре ПЛК имеется базовые компоненты:

• Модуль процессора;
• Блок питания;
• Модули для ввода/вывода.

Процессорный модуль оснащен встроенной памятью. Имеются разъемы для программатора, удаленных устройств, для подключения к сетям. Питание реализовано в виде отдельного блока. Модули могут быть дискретными либо аналоговыми.

В зависимости от того, сколько каналов для ввода и вывода и какой тип процессора, модули ввод/вывод могут быть установлены на одном шасси с ЦП или на нескольких. До конца 80-х годов модули для ввода и вывода данных располагались отдельно от процессора. В стандартном контроллере современного типа модуль входов и выходов находится на одном шасси с микропроцессором. Некоторые ПЛК позволяют устанавливать более одного микропроцессора.

Модели меньших размеров очень часто предназначены под DIN-рейку. Самые компактные микро или даже нано устройства имеют всю систему, включая адаптер питания и систему ввода/вывода в одном корпусе. Микро-контроллеры иногда оборудуются встроенными панелями для настройки и мониторинга. Большинство микро-решений имеют определенное количество каналов входов/выходов и увеличить их не возможно. Как пример - плата ардуино

Принцип действия ПЛК

В отличие от микропроцессорной техники принцип действия ПЛК немного другой. Софт делится на две части. Первая часть представляет собой блок системных программ. Если провести аналогию с ПК, то системное ПО контроллера выступает в роли операционной системы, ответственной за работу низкоуровневых процессов. Системная часть ПО устанавливается в постоянной памяти в любой момент вступает в работу.

Когда ПЛК включается, то уже через мгновение запускается операционная система. Выполнение пользовательской программы циклическое. Цикл работы состоит из четырех фаз:

• Опрос входов;
• Выполнение команд;
• Установка значений для входов;
• Вспомогательные операции.

Первая фаза цикла полностью обеспечивается системным ПО управления ПЛК. Затем управление берет на себя прикладное ПО – созданный оператором алгоритм. По данной программе контроллер будет выполнять то, что от него хотят. По завершению выполнения этих команд работа опять передается системному ПО. Процесс составления управляющей прикладной программы ПЛК максимально упрощен – программист не должен задумываться, как управлять аппаратными возможностями. Оператор лишь должен указать, какой сигнал будет на входе и как нужно на него реагировать на выходе.

Входы и выходы

В любом контроллере реализованы входы трех типов – дискретные, аналоговые, специальные.

Дискретный вход

Один вход может принять только один сигнал и он будет бинарным. Вход может быть либо включенным, либо выключенным. Один вход - это 1 бит. К этому входу подключают соответствующее оборудование.

Если состояние приборов не удается описать в 1 бит, тогда для работы такого оборудования применяют несколько дискретных входов.

Системное ПО обязательно оснащено драйвером. Он считает физические значения каждого входа в ОЗУ. За счет этого программистам нет нужды понимать, как устроен контролер внутри. Дискретный вход – биты, которые можно читать и изменять из оперативной памяти устройства.

Аналоговый вход

Электрический аналоговый сигнал - это уровень напряжения или тока, соответствующий определенным физическим величинам. Это может быть значение температуры, давления, веса, положения, скорости перемещения, частоты оборотов. Так как ПЛК – это прежде всего вычислительный прибор, то аналоговый сигнал переводится в цифровой. Получается дискретная переменная.

Специальный вход

Обыкновенные входы способны удовлетворить практически все нужды. Необходимость в в спец. входах появляется при трудностях в обработке сигналов.

ПЛК оснащены специализированными входами, позволяющие измерять длительность, фиксировать фронты, подсчитывать импульсы. К примеру, для определения положения валов, используют датчики, способные выдавать импульсы на один оборот. Частота может быть очень высокой. Даже на мощных процессорах процесс занимает много времени. В таких ситуациях и нужны спец. входы, способные первично обрабатывать информацию.

Второй тип таких входов – это входы, которые могут мгновенно запускать команды пользователей с прерываниями на выполнения основного ПО.

Дискретный выход

С одним выходом можно коммутировать только один сигнал. В качестве нагрузки на выходы могут использоваться различные исполнительные устройства.

Типы ПЛК

Устройства квалифицируются следующим образом:

• Число каналов для ввода/вывода данных;
• Расположение модулей для ввода/вывода;
• Назначение;
• Способ монтажа;
• Языки программирования.

По числу каналов для ввода/вывода ПЛК делят на классы:

1. Нано ПЛК контроллер – часто имеет встроенные возможности, содержит до 16 каналов;
2. Малый – от 16 до 100 каналов;
3. Средние системы для работы с 100-300 входами и выходами – типичный представитель ПЛК 110 Овен;
4. Большие модели с возможностью обработки 300-2000 входов/выходов;
5. Сверхбольшие модели – от 2000 и более каналов.

По тому, как располагаются модули, контроллеры различают на:

• Моноблоки – модуль ввода/вывода не отделяется от контроллера и подлежит замене. Устройство выглядит в виде моноблока с модулем ввода/вывода. Зачастую, модели имеют малое число каналов и отличаются малой мощностью;
• Модульные состоят из общей корзины или шасси, где расположены процессор, а также сменные модули с входами в выходами. Модули подбираются исходя из решаемой задачи. Контроллеры оснащаются числом слотов - от 8 до 32. Также возможна модульная конструкция, где каждый модуль соединяется при помощи шины. .
• Распределенные контроллеры – модули изготовлены в отдельных корпусах и соединяются с центральным процессорным модулем по сети. Дальность может составлять до 1,2 км.

Также ПЛК различаются по назначению – это универсальные общепромышленные устройства, коммуникационные , контроллеры ПИД, системы для робототехники, для контроля перемещения и позиционирования.

По способу монтажа промышленные контроллеры можно разделить на:

• Панельные;
• Под DIN-рейку;
• Стоечные;
• Бескорпусные.

По языкам программирования выделяют модели, программируемые на языке ПЛК систем МЕК 61131-3 и на классический языках, таких как С, C#, Visual Basic, Scala.

Ограничения ПЛК

ПЛК, как и любая цифровая техника имеет ограничения. Устройства ограничены:

• объемом ОЗУ,
• мощностью процессора,
• ограниченным числом входов/выходов.

Также в моделях ограничено время срабатывания и на восстановление после сбоев.

Место программируемого логического контроллера в системе управления

Устройства установлены в самых нижних звеньях АСУ ТП. ПЛК – это первый шаг в строительстве АСУ. Автоматизация дает очень рост экономики, позволяет существенно повысить качество производства, избежать чрезмерно тяжелой либо рутинной работы.

Назначение переменных в ПЛК

Как и в любом языке программирования, переменная – именованная или же адресуемая другим способом область памяти, адрес которой можно использовать, чтобы получить доступ к данным. Переменные позволяют также различным образом менять данные, с которыми работает программа.

С помощью переменных ПЛК может обрабатывать сигналы и реагировать на них. При помощи алгоритмов запускаются и останавливаются технологические процессы.

Основы программирования ПЛК. Реле и контроллер

Логика загружается в ПЛК при помощи программного обеспечения. Это ПО определяет, какие из выходов будут под напряжением и какие входные условия нужны для любых изменений. Управляющая программа аналогична схеме работы физического реле, но физически нет ни реле, ни проводов, ни катушек. Все эти элементы – мнимые. ПО разрабатывается и просматривается на ПК, соединенном с интерфейсом контроллера.

Есть кнопка, контроллер и индикатор. Когда кнопка не задействована, сигнал на вход контроллера отправлен не будет. ПО, показывающее открытый вход, не отправит сигнал на выход. Так, на выходе ток отсутствует и лампа не будет гореть.

Если кнопку нажать, то на входной канал отправиться соответствующий сигнал. Контакты переведутся в активное состояние, как физическое реле. В данном случае контакт контроллера, открытый ранее, закроется и программа отправит сигнал на выход. Когда выходной контакт будет под напряжением, то индикатор загорится.

Контакты с индикатором соединены физическим способом. А сигнал виртуальный. Однако, все элементы существуют только в компьютерном ПО, а как физические – нет. Но принцип реле здесь используется. Также в программе можно задавать условия, которые будут проверятся и выполнятся контроллером.

Чтобы создать такую же схему, но на основе физических железных компонентов, понадобится три реле, где два открытых контакта – каждый из них будет использоваться. Но с помощью ПЛК можно не добавляя лишнего оборудования использовать столько контактов на каждый вход, сколько захочется.

Управляющие команды на языке релейной логики просты и понятны для инженеров-электриков. На графическом интерфейсе видны все логические операции. Это электрическая ц3епь с замкнутыми либо разомкнутыми контактами. Если по цепи протекает ток, что это истина. Если ток не протекает, тогда состояние – ложь.

Основой управляющей программы служат логические выражения, состоящие из операндов и переменных. Также программа состоит из операторов. Операторы – это команды языка программирования.

Инженер-программист ПЛК – это сегодня больше инженер, чем программист. Сейчас не нужны сложные языки, писать ассемблерные вставки. Достаточно использовать стандартные функциональные блоки.

Среда программирования

Стандартом для программирования ПЛК является языки МЕК. В начале 90-х годов для этих задач на рынке появилась ПО «CoDeSys». Продукт соответствует стандарту МЕК 61131-3 для работы с ПЛК. ПО пользуется большим спросом по причине бесплатной лицензии.

Сейчас этот программный пакет серьезно вырос. Кроме стандартных интегрированных в систему редактора кода, отладчика и компилятора также в состав включен конфигуратор для контроллеров, промышленных сетей, редактор для составления мнемосхем, отладочных сервер, серверы OPC и DDE. Многие производители ПЛК предлагают эту среду, как базовый инструмент для работы.

Языки программирования ПЛК

Управляющие программы для контроллеров разрабатывают при языков, которые созданы не для программистов в современном понимании, а для инженеров по АСУ ТП.

Самым простым и популярным инструментом считается набор готовых модулей и конфигуратор, позволяющий собрать модули в управляющую цепь. Еще совсем недавно у каждого производителя ПЛК был свой язык. Но к середине 90-х ситуация изменилась. Языки стандартизировали.

Стандарт IEC 1131.3 определяет пять языков:

• Язык лестничных диаграмм LD – это традиционный язык на базе релейных блокировок, где алгоритмы изображаются в виде схем;
• FBD – представляет собой конфигуратор и типовые подпрограммы;
• SFC - язык последовательных схем. Инструмент, близкий к традиционному программированию и на нем реализуют алгоритмы с последовательным управлением;
• ST – язык структурированного типа. Это язык, напоминающий Pascal с поддержкой структурного программирования;
• IL – язык инструкций. Это низкоуровневый инструмент вроде Ассемблера, но он не ориентирован на микропроцессорную архитектуру. Он преимущественно применяется для создания быстрых программ.

Удаленное управление и мониторинг

Контроллеры имеют гибкие возможности для коммуникации с другим оборудованием. Эти возможности позволяют удаленно управлять устройствами, а также интегрировать ПЛК в системы автоматизированного управления и сбора данных.

Операторская панель или HIM – это устройство для визуализации. Она может быть встроенной или подключаться кабелем. Существует масса различных типов таких решений – от простых цифровых с кнопками до серьезных сенсорных с функцией оперативного мониторинга и коррекции параметров.

SCADA – это аббревиатура означает систему диспетчеризации и сбора данных. Это программные пакеты, которые позволяют разрабатывать приложения в режиме реального времени. Также пакет имеет инструменты сбора и обработки данных, архивирования и отображения или управления.

Веб-интерфейс позволяет получать доступ к ПЛК по локальным или глобальным сетям. В зависимости функциональности контроллер может не иметь операторской панели, но есть порт для подключения ПЛК к Ethernet. Тогда устройство можно настраивать удаленно по веб-интерфейсу или с ноутбука.

Более продвинутое решение реализовано в семействе ПЛК Siemens – встроенный веб-сервер. Он позволяет выполнять мониторинг, а также управлять системой. Сегодня в ПЛК реализованы функции подключения к облакам для осуществления удаленного контроля.

Применение контроллеров

Логические контроллеры встречаются в большом количестве на автоматизированных линиях и сборочных конвейерах. Устройства можно встретить на системах стендовых испытания двигателей, на прессовом оборудовании, токарных автоматических станках, установка для сварки, резки металла. Управляющие устройства также встречаются в автоматизации технологических процессов и быту.

Производители ПЛК

Существует масса компаний, которые изготавливают промышленные контроллеры - это:

• Advantech,
• Delta,
• VIPA,
• Mitsubishi Electric,
• WAGO I/O,
• Phoenix Contact
• и многие другие.

Российские производители ПЛК :

• Контар,
• Овен,
• Segnetics,
• Fastwel,
• Текон.

На что обращать внимание при покупке

Все зависит от типа производства и задач, которые нужно будет решать, но существуют и универсальные решения. Важнейшие моменты:

• Универсальность среды программирования для разных платформ;
• Контроллеры с распределенным вводом/выводом;
• Устройства со встроенным вводом выводом;
• Связь с ПК;
• Дублирование ЦП и системы ввода/вывода;
• ПЛК с поддержкой веб-технологий;
• ПЛК с процессором типа PC;
• Переносные устройства для создания программ.

Самый главный пункт здесь – это первый пункт. Не стоит пытаться отыскать самое доступное оборудование на рынке – процесс переподготовки специалистов сведет к нулю всю возможную экономию. Стоить выбрать нескольких производителей и сотрудничать только с их продукций.

Другие специалисты утверждают, что самое главное это ПО. Различий в комфорте использования программных продуктов значительно больше, чем в железе ПЛК.