Программируемые логические контроллеры: типы и функции

Реферат Программируемые логические контроллеры

логический контроллер программируемый Современная конкурентная экономика и открытый рынок, перспективы вступления России в ВТО и снятие в связи с этим ряда ограничений на торговлю ставят перед отечественными предприятиями чрезвычайно сложные задачи. Недостаток опыта конкурентной борьбы на мировом рынке, техническая и технологическая отсталость целого ряда отраслей, ограниченный доступ к ресурсам, в первую очередь, финансовым, несовершенство законодательства и локальные нерыночные факторы, негативно влияющие на производство, требуют неотложных мер по внедрению самых передовых технологий.

Широкое применение средств автоматизации производственных процессов, напрямую влияющее на сокращение издержек и повышение качества продукции, становится главным фактором развития российского промышленного производства. Лучшее доказательство этому — растущее влияние на мировом рынке российских металлургов, нефтяников, предприятий оборонного комплекса. Инвестируя в автоматизацию, модернизацию и развитие производства, сегодня именно эти отрасли становятся локомотивом всей отечественной промышленности.

Современное предприятие наряду с полностью автоматизированными или роботизированными линиями включает в себя и отдельные полуавтономные участки — системы блокировки и аварийной защиты, системы подачи воды и воздуха, очистные сооружения, погрузочно-разгрузочные и складские терминалы и т. п. Функции автоматизированного управления для них выполняют программно-технические комплексы (ПТК). Они строятся с использованием аппаратно-программных средств, к которым относятся средства измерения и контроля и исполнительные механизмы, объединенные в промышленные сети и управляемые промышленными компьютерами с помощью специализированного ПО. При этом, в отличие от компьютерных сетей, центральным звеном ПТК является не главный процессор, а программируемые логические контроллеры, объединенные в сеть.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) объединяют различные объекты и устройства, локальные и удаленные, в единый комплекс и позволяют контролировать и программировать их работу как в целом, так и по отдельности с помощью SCADA или других систем. Этим обеспечивается максимальная эффективность и безопасность производства, возможность оперативной наладки и переналадки, строгий учет и планирование показателей операционной деятельности, оптимизация бизнес-процессов.

1. Понятие программируемого логического контроллера

Программируемый логический контроллер (сокращенно, ПЛК) — электронный компонент, применяемый в современных системах автоматизации. Программируемые логические контроллеры используются главным образом при автоматизации промышленных и производственных процессов. ПЛК различных типов также применяются для организации автоматизированного управления системами вентиляции и кондиционирования, для поддержания заданного температурного режима в помещении и т. д. Применение логических контроллеров позволяет создать практически полностью автономную систему управления, осуществляющую свою деятельность с учетом свойств, характеристик и состояния контролируемого объекта. Участие оператора сводится к общему наблюдению за процессом управления и, при необходимости — изменению заданной программы работы.

Контроллеры ПЛК относятся к категории устройств реального времени и обладают целым рядом существенных отличий от оборудования со сходными назначением и архитектурой. В частности, главным отличием программируемых логических контроллеров от обычных компьютеров является развитая система обработки входящих и исходящих сигналов исполнительных механизмов и различных датчиков; главным отличием от встраиваемых систем управления — схема монтажа, отдельного от объекта управления.

Первые логические контроллеры представляли собой достаточно крупногабаритные системы, состоящие из соединенных между собой контактов и реле. Схема функционирования этих устройств задавалась еще на стадии проектирования и впоследствии не могла быть изменена.

Контроллеры, программируемые с помощью особого языка Ladder Logic Diagram («лестничной логики»), стали следующим поколением и заменили собой устройства с жестко заданной логикой. Внутренняя физическая коммутация (то есть, контакты и реле) была заменена в них виртуальной и представляла собой программу, исполняемую микроконтроллером устройства. Современной разновидностью контроллеров, программируемых после проектирования и сборки, являются так называемые свободно программируемые контроллеры. Для изменения рабочих параметров, диагностики и обслуживания этих устройств используются специальные устройства — программаторы, или ПК, оснащенные соответствующими интерфейсами для подключения и программным обеспечением. Кроме того, для управления свободно программируемыми контроллерами применяются различные системы человеко-машинного интерфейса, в частности — операторские панели. Важнейшими элементами комплексов автоматизированного управления являются также датчики и исполнительные устройства, подсоединяемые к ПЛК централизованно или по методу распределенной периферии.

Для программирования ПЛК контроллеров был разработан ряд стандартизированных языков, описанных в международном стандарте МЭК 61 131.

2. Сравнительный анализ рыночных моделей

На данный момент существует много фирм, производящие ПЛК. Однако наличие различных ПЛК ставит следующий вопрос: как выбрать из этого обилия необходимый контроллер? Большинству потребителей требуется не превосходство одной какой-то характеристики, а некая интегральная оценка, позволяющая сравнить ПЛК по совокупности характеристик и свойств. А это уже отдельная проблема. Так при маркетинге выяснилось, что многие фирмы не приводят данные по надежности (MTBF и MTTR). Однако там, где эти параметры есть, разброс идет на порядки.

Один из самых важных параметров ПЛК быстродействие в каталогах фирм указывается в совершенно разных вариантах. Могут фигурировать время выполнения бинарных команд, время опроса 1К дискретных входов, время выполнения смешанных команд и т. д.

Цена — самый интригующий фактор. Кто-то приводит их в американских долларах, кто-то в немецких марках, при этом курс иностранной валюты очень разный и всегда завышенный. А если на это наложить еще разные форматы цен: FOB, DDP и т. д., многочисленные системы скидок, то получается что подбор необходимого ПЛК становиться нетривиальной задачей, требующей помимо технических знаний хорошего знания рынка.

Спектр продукции, предлагаемой сегодня, чрезвычайно широк. В Табл. 1 приведены некоторые характеристики ПЛК различных фирм, наиболее распространенных в России. В четырех последних строках указаны параметры для модулей дискретного ввода-вывода. Все они построены по магистрально-модульному принципу, монтируются на панель или DIN-рейку, работают от напряжения +24 В, поддерживают протоколы обмена Fieldbus, имеют широкий набор модулей:

· модули дискретных входов / выходов;

· коммуникационные модули;

· модули аналогового ввода / вывода;

· модули терморегуляторов;

· модули позиционирования;

· модули ПИД-регулятора;

· модули контроля движения.

Как видно из таблицы, контроллеры имеют равные функциональные возможности, близкие технические и эксплуатационные характеристики и даже почти одинаковые размеры (рис. 1). В такой ситуации необходимо определить критерии оценки и выбора ПЛК, удовлетворяющего поставленной задаче.

Таблица 1 — Характеристики ПЛК Учитывая специфику устройств, критерии оценки можно разделить на три группы:

· технические характеристики;

· эксплуатационные характеристики;

· потребительские свойства.

При этом критериями выбора считать потребительские свойства, т. е. соотношение показателей затраты / производительность / надежность, а технические и эксплуатационные характеристики ограничениями для процедуры выбора.

Кроме того, необходимо разделить характеристики на прямые (для которых положительным результатом является её увеличение) и обратные (для которых положительным результатом является её уменьшение).

Так как характеристики между собой конфликтны, т. е. улучшение одной характеристики почти всегда приводит к ухудшению другой, необходимо для каждой характеристики Ki определить весовой коэффициент ai, учитывающий степень влияния данной характеристики на полезность устройства.

Ниже приведены несколько компаний, производящих ПЛК.

Advantech. Контроллеры и модули ввода / вывода

Тайваньская компания Advantech предлагает производит широкую линейку контроллеров и модулей ввода / вывода. Многофункциональные PC-совместимые устройства этой компании имеют широкие возможности и могут быть использованы как для простых задач автоматизации, так и для высокоответственных приложений с высоким быстродействием.

Рисунок 1 — Внешний вид контролеров Advantech Launches its BAS-3000 Series

Существуют две основные серии контроллеров Advantech — это APAX-5000 и ADAM-5000. APAX-5000 с открытой архитектурой, позволяющей использовать различные приложения и имеет высокоскоростной вычислительный процессор (APAX5570XPE/5571XPE), обеспечивая при этом гибкие функции ввода / вывода, повышающие масштабируемость системы. ADAM-5000 оснащены широким набором интерфейсов для связи, обеспечивающих гибкость коммуникационных соединений.

ICP DAS

Компания ICP DAS выпускает ПЛК и модули ввода-вывода широко известных в России серий I-7000, I-8000, uPAC, WinCon, WinPAC, XPAC, iPAC и т. д.

Рисунок 1 — Внешний вид контролеров WinCon, uPAC, XPAC

Компания ICP DAS выпускает ПЛК и модули ввода-вывода широко известных в России серий I-7000, I-8000, uPAC, WinCon, WinPAC, XPAC, iPAC и т. д.

Возможность применения более дешевых, отработанных и быстро развивающихся открытых архитектур на базе РС-совместимой платформы позволяет широко использовать изделия компании ICP DAS для задач, где раньше применялись только обычные PLC.

Достоинствами контроллеров ICP DAS являются:

· невысокая цена PLC;

· использование открытых протоколов;

· простота программирования и доступность широкого спектра программного обеспечения;

· простота интеграции с системами управления более высокого уровня.

ПТК КОНТАР производства МЗТА

ПТК КОНТАР предназначен для автоматического управления, сбора и передачи информации, а также дистанционного управления и диспетчеризации технологических процессов в ЖКХ и промышленности. КОНТАР обеспечивает сбор информации от разнообразных источников, используемых на объекте (датчики температуры, давления, расхода, тепло-, водои электросчетчики и т. п.) и передачу ее на верхний уровень. Возможно также и полностью автономное применение аппаратуры комплекса в виде отдельных модулей.

Рисунок 1 — Внешний вид ПТК КОНТАР Комплекс построен на новейшей элементной базе и обеспечивает простой доступ к современным коммуникационным технологиям (подключение к сети Ethernet, передача информации по сотовой сети стандарта GSM/CDMA). КОНТАР может использоваться для решения многих задач также с помощью дополнения его оборудованием других производителей.

Контроллеры ОВЕН (ПЛК ОВЕН)

Компания ОВЕН уже более 15 лет производит широкий ряд приборов первичной автоматики. Компания ОВЕН в 2005 году начала разработку управляющих контроллеров для широкого применения. В них использовалась современная элементная база и с самого начала закладывались мощные аппаратные ресурсы и широкие программные возможности.

Рисунок 1 — Внешний вид ПЛК ОВЕН

Для их программирования используется среда CoDeSys, разработанной немецкой компанией 3S-Software. Кроме того, контроллеры ОВЕН могут программироваться с помощью интегрированной SCADA и SoftLOGIC системы MasterSCADA.

Контроллеры Сегнетикс

Российская компания «Сегнетикс» (Segnetics) производит три линейки контроллеров. Первая линейка — SMH2010 — универсальные панельные контроллеры для автоматизации широкого спектра объектов в области ЖКХ, автоматизации зданий и промышленности. Вторая линейка предназначена для автоматизации систем вентиляции — Pixel. И, наконец, третья линейка — SMH 2G — второе поколение панельных ПЛК, предназначенных для автоматизации инженерных систем зданий и технологических процессов в промышленности.

Рисунок 1 — Внешний вид ПЛК Сегнетикс

ПЛК (PLC) производства Mitsubishi Electric

Разработка и производство программируемых логических контроллеров является одним из приоритетных направлений деятельности компании Mitsubishi Electric в области промышленной автоматизации. Mitsubishi Electric предлагает широкий выбор ПЛК семейства MELSEC для задач управления любого уровня сложности.

Рисунок 1 — Внешний вид ПЛК Сегнетикс Оборудование Mitsubishi Electric может использоваться как на уровне управления отдельными технологическими единицами, так и на уровне управления технологическим процессом в целом. PLC Mitsubishi Electric отличают исключительно высокое качество, вариативность и гибкость решений, широкие возможности применеия, высокое быстродействие.

3. Архитектура ПЛК

Как правило, многие контроллеры имеют закрытую структуру, т. е. программируются софтом от производителя ПЛК. Так, например, ПЛК Сименс программируются только с помощью Step7, Step7 Microwin или Logo Comfort, а ПЛК Шнейдер программируются только с помощью Unity или Concept.

Закрытую структуру ПЛК имеют контроллеры Мицубиши, Омрон, ABB, GE Fanuc и многие другие. Практически все приличные фирмы создают закрытые протоколы и системы с платной средой разработки.

Несмотря на это существуют программируемые логические контроллеры с открытыми или полуоткрытыми платформами, на них предустановленны такие ОС, как WindowsCE, VxWorks, Linux, либо они основываются на процессорах фирм Моторола, Интел, Инфинеон, Атмел, Хитачи, PowerPC и др. Такие ПЛК могут программироваться различным ПО, например, CoDeSys. Пример: ПЛК — Овен ПЛК или ADAM…

Несмотря на разнообразие программного обеспечения и реализаций ПЛК, языки программирования ограничены стандартом МЭК 61 131−3. Это сделано не из праздной необходимости все унифицировать, а более с целью сохранить некоторые стандартные подходы к программированию контроллеров. Наиболее выделяются пять видов языков программирования:

— LD (LAD, ladder diagram, по немецки: KOP, kontakt plan, по-русски: РКС, релейно-контакторная схема, контактный план, лестничная диаграмма) 45.50%

— FBD (functional block diagram, диаграмма функциональных блоков) 24.64%

— IL (instruction list, STL, statement list, язык инструкций; очень похож на ассемблер, но очень своеобразен) 8.53%

— SFC (series functional charts, последовательные функциональные диаграммы, язык графов) 0.47%

В процентах указаны результаты голосования, проведенного на инженерном проекте (участие приняло более 200 человек). Которые показывают предпочтения практически половины аудитории к РКС (LAD, LD), что он заслужил своей наглядностью и легким созданием понятных широкой аудитории алгоритмов. Но все же он не занял абсолютное большинство, что означает необходимость рассмотрения производителями программируемых логических контроллеров поддержки и других языков.

Наименьшее количество голосов получил SFC, широкое применение которого существует на начальной станции проектирование (на бумаге), наверно многие специалисты вспомнят простыни алгоритмов «математики» различных установок. Редкое настоящее его использование вызвано развитием FBD, где можно использовать уже готовый блок либо создать свой, а не расписывать алгоритм отдельной функции в общем коде.

Кроме того чуть более 10% выбрали вариант «другой», что говорит о новых решениях, ждущих нас в будущем. Молодые посетители форума инженеров связывают их с растущей армией программистов на С++ и Java, но бывалые специалисты в автоматизации скептически относятся к этому в ближайшей перспективе.

4. Программирование ПЛК

Использование ПЛК характеризуется:

· Наглядное описание автоматизируемых технологических процессов (ТП) и дальнейшая отладка в терминах исходного описания;

· мобильность — способность к переносу на различные аппаратные и операционные платформы; эффективное исполнение программы в реальном времени (РВ).

· Наглядность описания определяется характером объекта и следующими задачами по управлению объектом.

1. Задачи параллельной обработки большого числа логических контуров (сотен и тысяч) с обработкой исполнительных действий при наступлении тех или иных событий. В основе логического контура лежит проверка истинности логической функции от нескольких переменных, а событие равнозначно истинности этой функции. Задачи такого рода характерны, например, для таких технологических объектов, как электростанции, химические производства и производства по переработке нефти. Задача адекватно и наглядно описывается системой булевых уравнений. Все языки стандарта, за исключением SFC, хорошо подходят для описания подобных задач, поскольку они или содержат в себе средство представления булевых функций (языки IL, ST), или являются графической формой их отображения (языки LD, FBD).

2. Задачи управления процессом, проходящим в своем развитии через ряд состояний (шагов, стадий). Переход от одного состояния к другому происходит по событиям, формируемым по сигналам датчиков процесса. Такие задачи управления возникают, например, при управлении транспортно-складскими системами, агрегатными станками, робототехническими комплексами, характерны они и для объектов, перечисленных в п. 1, в частности, при пуске и останове турбины и др. Задачи данного типа наиболее наглядно представляются автоматными моделями. В стандарте такая модель строится с использованием языка SFC (разметка состоянии, логика управления) и любого другого языка (описание действии, связанных с состоянием, и событий, предписывающих смену состояний). Заметим, что подобные задачи могут быть полностью представлены с помощью других языков стандарта, например языка FBD с использованием элементов памяти — триггеров, но в этом случае автоматная модель будет выражена неявно.

3. Задачи автоматического регулирования (ПИД-законы, нечеткое управление и т. д.) встречаются практически везде. Здесь как правило, используются библиотеки заранее разработанных компонентов — графических блоков для языков LD и FBD и под! программ для языков ST и PL.

4. Задачи управления распределенными технологическими объектами, оптимизационные, а также задачи, связанные с интеллектуальным анализом данных. Задачи такого типа решаются в сложных технологических объектах типа химических производств. Здесь в качестве средств адекватного описания могут использоваться языки ST, универсальные типа С, С++, Паскаль, сценарные типа Visual Basic, объектно-ориентированные типа Java.

Мобильность языков, т. е. способность к переносу на различные аппаратные и операционные платформы, может поддерживаться для языков стандарта в случае использования пакета от одного разработчика. Это связано с невозможностью сосуществования в одной разработке программ на одинаковых языках от разных поставщиков, так как требования стандарта IЕС 61 131−3 носят рекомендательный характер, а значит, приводят к различиям в реализации языков у разных производителей.

Эффективное исполнение в РВ дает ответ, насколько быстро сможет отреагировать система управления (ПЛК) на происшедшее событие. Обычно используется понятие «временной цикл», т. е. заранее задаваемый интервал времени, например, в диапазона 10…300 мс, в течение которого ПЛК сможет гарантированно отреагировать на входное воздействие. Для обеспечения более быстрой реакции служат так называемые инициативные сигналы, которые обрабатываются по прерыванию (от десятков до сотен микросекунд).

Для широкого круга приложений задача обеспечения требуемого временного цикла решается достаточно легко благодаря высокому быстродействию процессоров, используемых в ПЛК. Haпример, в контроллерах Modicon применяются процессоры компании Intel от Intel 286 до Pentium. Тем не менее здесь есть одна проблема: неэффективное использование процессора при управление объектами, в которых осуществляется в основном обработка логической информации, при которой используется только один разряд из 32. Если найти решение этой проблемы, то по крайней мере можно будет понизить класс применяемого процессора, что выгодно по экономическим соображениям.

Согласно требованиям стандарта, не предопределенные объекты должны иметь имя и тип, объявленные программистом, предопределенные объекты распределяются на три зоны: зону памяти (%М), зону входов (%1) и зону выходов (%Q). Объектами могут быть: биты (X), байты (В), слова (W), двойные слова (D), «длинные» слова (L) — 64 бита

Ограничения стандарта: не фиксируется имя задач; размер графического редактора оставляется на выбор пользователя; нет минимального количества функций, готовых к реализации, но если используется имя по стандарту (функциональный блок и т. п.), то оно должно соответствовать стандарту; сервисные утилиты и средства разработки и отладки приложения (редакторы, языки, документирование и т. п.) не определены; нет точных правил выполнения программы (например, для функциональных блоков); не описана конвертируемость языков. Сертификат IЕС 61 131−3 на сегодня не существует, нет определенного «класса соответствия». Каждый разработчик, объявивший свое соответствие норме, должен представить документацию таблиц соответствия, а также список дополнительных расширений.

Преимущества стандарта для конечных пользователей состоят в том, что уменьшается стоимость обучения, пользовательские приложения однородны, структура программ идентична, используются предопределенные объекты и т. п. Разнообразие стандартных языков позволяет каждую функцию приложения запрограммировать наиболее подходящим для данной задачи языком.

Следование стандарту позволяет разработчикам ПЛК обеспечить соответствие разработки техническим требованиям, предъявляемым потребителями, и даже ввести дополнительные функции, что не могут сделать мелкие поставщики ПО.

Вывод

Первое и главное преимущество ПЛК, обусловившее их широкое распространении, заключается в том, что одно компактное электронное устройство может заменить десятки и сотни электромеханических реле. Второе преимущество в том, что функции логических контроллеров реализуются не аппаратно, а программно, что позволяет постоянно адаптировать их к работе в новых условиях с минимальными усилиями и затратами.

Применение ПЛК обеспечивает высокую надёжность, простое тиражирование и обслуживание систем управления, ускоряет монтаж и наладку оборудования, обеспечивает возможность быстрого обновления алгоритмов управления (в том числе и на работающем оборудовании).

1) http://ru.wikipedia.org/wiki/Программируемый логический контроллер

2) http://www.segnetics.com/plc.html

3) Техническая коллекция Schneider Electric. Выпуск № 16. Системы автоматического управления на основе программируемых логических контроллеров

4) И. В. Петров. Программируемые логические контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного программирования.