Реализация информационных технологий на базе программируемых командоконтроллеров

Архитектурные принципы построения программируемых командоконтроллеров

Традиционно управление автоматическими циклами работы технологического оборудования осуществлялось с помощью схем релейно-контактной автоматики. Такое решение, хотя и обеспечивает выполнение всех требуемых функций, в то же время обладает и рядом принципиальных недостатков.

Основными из этих недостатков являются:

• • необходимость для каждого объекта автоматизации индивидуальной разработки своей принципиальной релейно-контактной схемы;
• • необходимость разработки конструкторской документации на релейно-контактное устройство, реализующее данную принципиальную схему, включая выбор типовых конструктивов (шкафов, субблоков, панелей, пультов, разъемов, коробов и т. п.), серийно выпускаемых и доступных электрических аппаратов, соответствующих данной принципиальной схеме, выпуск сборочных и рабочих чертежей, а также спецификаций;
• • необходимость разработки технологической документации на данное конкретное релейно-контактное устройство, включая разработку маршрутной и операционной технологии изготовления и сборки, составление спецификаций и заказ стандартного режущего и вспомогательного инструмента, конструирование специального режущего и вспомогательного инструмента;
• • необходимость подготовки и организации производства данного релейно-контактного устройства, включая выбор и организацию отношений с поставщиками, создание необходимых запасов сырья и комплектующих изделий, планирование и организацию производственного процесса;
• • необходимость выполнения всего производственного цикла данного конкретного устройства, включая изготовление компонентов, сборку и подсборку, осуществление всего объема монтажных работ;
• • необходимость проведения испытаний на функциональное соответствие, надежность, эргономичность, включая разработку программы и методики испытаний, а также проектирование, изготовление и проверку испытательных стендов;
• • значительные габариты и энергопотребление;
• • отсутствие формализованных методов и средств для диагностирования и локализации неисправностей;
• • потенциальная ненадежность, связанная с большим числом электрических контактов.

Первым шагом на пути перехода к более высокому техническому уровню систем управления автоматическими циклами стали попытки прямой замены элементов релейно-контактных схем их бесконтактными эквивалентами (так называемыми элементами твердотельной логики — «Solid State»). Отдельные реле при этом непосредственно заменялись функционально аналогичными логическими переключательными элементами, обычно феррит-транзисторными ячейками (ФТЯ). Однако применение ФТЯ исключало лишь один недостаток релейно-контактных схем, а именно их потенциальную ненадежность, связанную с наличием большого количества контактов. Все же остальные недостатки сохранялись, и к ним добавлялись новые. Эти дополнительные недостатки прежде всего были связаны с трудностями наладки и диагностирования в связи с отсутствием визуализации срабатывания или несрабатывания элементов, а также с трудностями «размножения» сигналов. В традиционных релейно-контактных схемах такое «размножение» обеспечивалось наличием нескольких пар контактов у одного реле.

Поэтому наряду с новой элементной базой потребовались и новые архитектурные принципы построения систем управления автоматическими циклами. Здесь под архитектурой дискретного вычислительного управляющего устройства будем понимать его структуру, какой она представляется программисту. Создание современных систем управления, не имеющих вышеназванных недостатков, стало возможным только с появлением специального универсального устройства — программируемого логического контроллера (ПЛК), называемого также программируемым командоконтроллером. В англоязычной литературе подобное устройство называется PLC — Programmable Logical Controller.

ПЛК представляет собой универсальное цифровое устройство. На управление конкретным циклом его настраивают, вводя в его память соответствующую рабочую программу (совокупность операторов), требуемым образом согласующую между собой содержимое адресов памяти, связанных со входными и выходными сигналами объекта управления.

ПЛК построен по тем же архитектурным принципам, что и универсальная цифровая вычислительная машина. Он содержит все ее характерные функциональные блоки, как показано на рис. 16.1.

Вместе с тем программируемый логический контроллер (ПЛК) обладает и существенными особенностями. Перечислим их.

• 1. Разрядная сетка ПЛК содержит в принципе лишь один разряд (обладает длиной, равной 1). Это значит, что предусматривается обработка не чисел, заданных пакетами сигналов в цифровом коде, а отдельных дискретных сигналов о срабатывании или несрабатывании тех или иных рабочих органов (сигналов типа 0 или 1). Результатом произведенной обработки сигналов являются также дискретные сигналы 1 или 0 («включить» или «выключить»), адресованные соответствующему исполнительному механизму.
• 2. Минимально необходимая система команд ПЛК может быть ограничена несколькими логическими операциями. Таковыми в случае использования так называемого нормального логического базиса являются три операции: дизъюнкция (соответствующая параллельному соединению), конъюнкция (соответствующая последовательному соединению) и отрицание (соответствующее инвертирующему контакту). Используя формулы двойственности, можно ограничиться не тремя названными операциями, а двумя, например дизъюнкцией и отрицанием или же конъюнкцией и отрицанием. Наличие таких операций

Рис. 16.1. Архитектура программируемого логического контроллера позволяет создавать программные эквиваленты любых релейно-контактных структур, поскольку соответствует всем имеющимся в них элементам — параллельному и последовательному соединениям и инвертирующему контакту.

• 3. Язык программирования на входе основан на представлении команд либо в виде булевых операторов (операторов алгебры логики), либо в виде соответствующих им графических символов релейно-контактных схем.
• 4. Входными и выходными данными процесса вычислений являются не массивы алфавитно-цифровой информации, вводимой и редактируемой персоналом до начала или по окончании процесса вычислительной обработки этих массивов и вне связи с объектом управления (режим «off line»), а дискретные одноразрядные сигналы обмена данными с объектом управления. Эти сигналы либо поступают в контроллер по мере их появления в объекте управления, либо генерируются самим контроллером в процессе вычислений (режим «on line»).

Существенной и неотъемлемой особенностью ПЛК является поэтому наличие в их составе устройств ввода и вывода сигналов с параметрами, используемыми в данном конкретном объекте управления.

Сигналы могут поступать на входы ПЛК от концевых выключателей, контролирующих положение подвижных рабочих органов на различных участках их перемещения, от оперативных устройств, используемых персоналом (кнопок и кнопочных переключателей и т. п.), от реле давления, контролирующих давление масла в соответствующих полостях гидрои пневмосистем, от блок-контактов пускателей, коммутирующих силовые цепи питания электродвигателей, от внутренних запоминающих элементов и др. Все эти источники сигналов являются электрическими контактными или бесконтактными устройствами.

Выходные сигналы ПЛК поступают на исполнительные элементы объекта управления: усилители мощности, управляемые коммутирующие ключи, реле, пускатели, электроупрЗвляемые пневмои гидрозолотники, тормозные и зажимные механизмы, муфты, устройства индикации типа сигнальных лампочек, светофоров, транспарантов, табло и др.

Устройство занесения программы в ПЛК для управления конкретным объектом не обязательно должно быть неотъемлемой частью данного ПЛК. Оно может быть портативным или возимым и подсоединяться к ПЛК только на время занесения в него программы управления.

Для индикации текущего хода процесса управления может быть спроектировано специальное табло или пульт управления, соединяемый с ПЛК, но может использоваться и универсальный монитор, входящий в состав ПЛК.