Программируемые логические контроллеры

С чего начиналась промышленная автоматика? А начиналось все с контактно-релейных схем управления промышленными процессами. Кроме жуткого «шелестения», контактно релейные схемы имели фиксированную логику работы, и в случае изменения алгоритма, необходимо основательно переделать монтажную схему

Бурное развитие микропроцессорной техники, привели к созданию систем управления технологическими процессами на базе промышленных контроллеров. Но это не означает, что реле изжили себя, у них просто своя ниша для применения.

ПЛК – программируемый логический контроллер. представляют собой микропроцессорное устройство, предназначенное для сбора, преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления, имеющий конечное количество входов и выходов, подключенных к ним датчиков, ключей, исполнительных механизмов к объекту управления, и предназначенный для работы в режимах реального времени.

Принцип работы ПЛК несколько отличается от «обычных» микропроцессорных устройств. Программное обеспечение универсальных контроллеров состоит из двух частей. Первая часть это системное программное обеспечение. Проводя аналогию с компьютером можно сказать, что это операционная система, т.е. управляет работой узлов контроллера, взаимосвязи составляющих частей, внутренней диагностикой. Системное программное обеспечение ПЛК расположено в постоянной памяти центрального процессора и всегда готово к работе. По включению питания, ПЛК готов взять на себя управление системой уже через несколько миллисекунд. ПЛК работают циклически по методу периодического опроса входных данных.
Рабочий цикл ПЛК включает 4 фазы:
1. Опрос входов
2. Выполнение пользовательской программы
3. Установку значений выходов
4. Некоторые вспомогательные операции (диагностика, подготовка данных для отладчика, визуализации и т. д.).

Выполнение 1 фазы обеспечивается системным программным обеспечением. После чего управление передается прикладной программе, той программе, которую вы сами записали в память, по этой программе контроллер делает то что вы пожелаете, а по ее завершению управление опять передается системному уровню. За счет этого обеспечивается максимальная простота построения прикладной программы – ее создатель не должен знать, как производится управление аппаратными ресурсами. Необходимо знать с какого входа приходит сигнал и как на него реагировать на выходах

Очевидно, что время реакции на событие будет зависеть от времени выполнения одного цикла прикладной программы. Определение времени реакции – времени от момента события до момента выдачи соответствующего управляющего сигнала – поясняется на рисунке:

Обладая памятью, ПЛК в зависимости от предыстории событий, способен реагировать по-разному на текущие события. Возможности перепрограммирования, управления по времени, развитые вычислительные способности, включая цифровую обработку сигналов, поднимают ПЛК на более высокий уровень в отличие от простых комбинационных автоматов.

Рассмотрим входа и выхода ПЛК. Существует три вида входов дискретные, аналоговые и специальные
Один дискретный вход ПЛК способен принимать один бинарный электрический сигнал, описываемый двумя состояниями – включен или выключен. Все дискретные входы (общего исполнения) контроллеров обычно рассчитаны на прием стандартных сигналов с уровнем 24 В постоянного тока. Типовое значение тока одного дискретного входа (при входном напряжении 24 В) составляет около 10 мА.

Аналоговый электрический сигнал отражает уровень напряжения или тока, соответствующий некоторой физической величине, в каждый момент времени. Это может быть температура, давление, вес, положение, скорость, частота и т. д.

Поскольку ПЛК является цифровой вычислительной машиной, аналоговые входные сигналы обязательно подвергаются аналого-цифровому преобразованию (АЦП). В результате, образуется дискретная переменная определенной разрядности. Как правило, в ПЛК применяются 8 - 12 разрядные преобразователи, что в большинстве случаев, исходя из современных требований по точности управления технологическими процессами, является достаточным. Кроме этого АЦП более высокой разрядности не оправдывают себя, в первую очередь из-за высокого уровня индустриальных помех, характерных для условий работы контроллеров.

Практически все модули аналогового ввода являются многоканальными. Входной коммутатор подключает вход АЦП к необходимому входу модуля.

Стандартные дискретные и аналоговые входы ПЛК способны удовлетворить большинство потребностей систем промышленной автоматики. Необходимость применения специализированных входов возникает в случаях, когда непосредственная обработка некоторого сигнала программно затруднена, например, требует много времени.

Наиболее часто ПЛК оснащаются специализированными счетными входами для измерения длительности, фиксации фронтов и подсчета импульсов.

Например, при измерении положения и скорости вращения вала очень распространены устройства, формирующие определенное количество импульсов за один оборот – поворотные шифраторы. Частота следования импульсов может достигать нескольких мегагерц. Даже если процессор ПЛК обладает достаточным быстродействием, непосредственный подсчет импульсов в пользовательской программе будет весьма расточительным по времени. Здесь желательно иметь специализированный аппаратный входной блок, способный провести первичную обработку и сформировать, необходимые для прикладной задачи величины.
Вторым распространенным типом специализированных входов являются входы способные очень быстро запускать заданные пользовательские задачи с прерыванием выполнения основной программы – входы прерываний.

Дискретный выход также имеет два состояния – включен и выключен. Они нужны для управления: электромагнитных клапанов, катушек, пускателей, световые сигнализаторы и т.д. В общем сфера их применения огромна, и охватывает почти всю промышленную автоматику.

Конструктивно ПЛК подразделяются на моноблочные, модульные и распределенные. Моноблочные имеют фиксированный набор входов выходов

В модульных контроллерах модули входов – выходов устанавливаются в разном составе и количестве в зависимости от предстоящей задачи

В распределенных системах модули или даже отдельные входа-выхода, образующие единую систему управления, могут быть разнесены на значительные расстояния

При создании системы управления технологического процесса, всегда существует проблема по взаимопониманию программиста и технологов. Технолог скажет «нам надо немного подсыпать, чуть подмешать, еще подсыпать и чуть нагреть». И мало когда следует ждать от технолога формализованного описания алгоритма. И получалось так, что программисту нужно долго вникать в тех. Процесс, потом писать программу. Зачастую при таком подходе программист остается единственным человеком, способным разобраться в своем творении, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Такая ситуация породила стремлении создание технологических языков программирования, доступные инженерам и технологам и максимально упрощающим процесс программирования

За последнее десятилетие появилось несколько технологических языков. Более того, Международной Электротехнической Комиссией разработан стандарт МЭК-61131-3, концентрирующий все передовое в области языков программирования для систем автоматизации технологических процессов. Этот стандарт требует от различных изготовителей ПЛК предлагать команды, являющиеся одинаковыми и по внешнему виду, и по действию.

Стандарт специфицирует 5 языков программирования:

• Sequential Function Chart (SFC) – язык последовательных функциональных блоков;
• Function Block Diagram (FBD) – язык функциональных блоковых диаграмм;
• Ladder Diagrams (LАD) – язык релейных диаграмм;
• Statement List (STL) – язык структурированного текста, язык высокого уровня. Напоминает собой Паскаль
• Instruction List (IL) – язык инструкций. это типичный ассемблер с аккумулятором и переходам по метке.

Язык LAD или KOP (с немецкого Kontaktplan) похожи на электрические схемы релейной логики. Поэтому инженерам не знающим мудреных языков программирования, не составит труда написать программу. Язык FBD напоминает создание схем на логических элементах. В каждом из этих языков есть свои минусы и плюсы. Поэтому при выборе специалисты основываются в основном на личном опыте. Хотя большинство программных комплексов дают возможность переконвертировать уже написанную программу из одного языку в другой. Так как некоторые задачи изящно и просто решаются на одном языке, а на другом придется столкнуться с некоторыми трудностями

Наибольшее распространение в настоящее время получили языки LAD, STL и FBD.

Большинство фирм изготовители ПЛК традиционно имеют собственные фирменные наработки в области инструментального программного обеспечения. Например такие как «Concept» Schneider Electric, «Step 7» Siemens.

Открытость МЭК стандартов привели к созданию фирм занимающихся исключительно инструментами программирования ПЛК.

Наибольшей популярностью в мире пользуются комплекс CoDeSys. CoDeSys разработан фирмой 3S. Это универсальный инструмент программирования контроллеров на языках МЭК, не привязанной к какой-либо аппаратной платформе и удовлетворяющим всем современным требованиям.

Основные особенности:
- полноценная реализация МЭК языков
- встроенный эмулятор контроллера позволяет проводить отладку проекта без аппаратных средств. Причем эмулируется не некий абстрактный контроллер, а конкретный ПЛК с учетом аппаратной платформы
- встроенные элементы визуализации дают возможность создать модель объекта управления и проводить отладку, т.е. дает возможность создавать человеко-машинного интерфейса (HMI)
- очень широкий набор сервисных функции, ускоряющий работу программиста
- существует русская версия программы, и русская документация

Литература:
Современные технологии промышленной автоматизации: учебник / О. В. Шишов. Саранск. Изд-во Мордов. ун-та, 2007. – 273 с. ISBN 5-7103-1123-5

RFID центр - Программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК 100

Основное применение контроллеров: построение распределенных систем управления и диспетчеризации, причем как на базе проводных, так и беспроводных средств.

Основные отрасли, в которых контроллеры нашли применение:

• производство и модернизация автоматики котельных;
• управление малыми станками и механизмами;
• климатическое оборудование;
• торговое оборудование;
• пищеперерабатывающие и упаковочные аппараты;
• системы HVAC, водоканалы, ИТП, ЦТП;
• строительное производство;
• системы сбора данных и диспетчеризации.
• Контроллеры ОВЕН ПЛК100,150,154 выполнены в полном соответствии со стандартом ГОСТ Р 51840-2001 (IEC 61131-2), что обеспечивает высокую аппаратную надежность.

По электромагнитной совместимости контроллеры соответствуют критерию А по соответствующим ГОСТ-ам, что подтверждено неоднократными испытаниями изделия.

• Для создания систем управления малыми и средними объектами
• Построение систем диспетчеризации
• Построение системы управления и диспетчеризации на базе ОВЕН ПЛК возможно как с помощью проводных средств – используя встроенные интерфейсы Ethernet, RS-232, RS-485, так и с помощью беспроводных средств – использую радио, GSM, ADSL модемы

• Контроллер выполнен в компактном DIN-реечном корпусе
• Расширение количества точек ввода\вывода осуществляется путем подключения внешних модулей ввода\вывода по любому из встроенных интерфейсов
• Два варианта питания 220В и 24В постоянного

В контроллере изначально заложены мощные вычислительные ресурсы при отсутствии операционной системы:

• высокопроизводительный процессор RISC архитектуры ARM9, с частотой 180МГц компании Atmel;
• большой объем оперативной памяти – 8МБ;
• большой объем постоянной памяти – Flash память, 4МБ;
• объем энергонезависимой памяти, для хранения значений переменных – до 16КБ.

Программируемые логические контроллеры ОВЕН ПЛК

Созданная в 1991 году коллективом энтузиастов, компания ОВЕН непрерывно развивается по сей день, расширяя ассортимент средств промышленной автоматизации собственной разработки на современной элементной базе. Их средства автоматизации успешно конкурируют с другими производителями.

В этом небольшом обзоре рассмотрим часть продукции компании ОВЕН, а именно - программируемые логические контроллеры. Контроллеры выпускаются четырех серий:

Контроллеры с HMI для локальных систем автоматизации ОВЕН ПЛК63/ПЛК73

Контроллеры для малых систем автоматизации ОВЕН ПЛК100 / ПЛК150 / ПЛК154

Моноблочные контроллеры с дискретными и аналоговыми входами/выходами для средних систем автоматизации ПЛК110[М02] / ПЛК110 / ПЛК160

Коммуникационные контроллеры ПЛК304 / ПЛК323

Программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК63

ОВЕН ПЛК63 – контроллер с HMI для построения локальных систем автоматизации. Сегодня главные области применения этих контроллеров: ЖКХ, ЦТП, ИТП, котельные и различные небольшие установки.

Прибор имеет двухстрочный дисплей с возможностью синтеза звука. Снабжен дискретными входами/выходами. Возможны и заказные модификации прибора с выбором количества дискретных и аналоговых выходов. Имеются встроенные интерфейсы RS-232 и RS-485. Есть часы реального времени. Поддерживаются протоколы ОВЕН, GateWay, Modbus RTU, Modbus ASCII.

Кроме стандартных библиотек CODESYS, бесплатно поставляется библиотека функциональных блоков собственной разработки ОВЕН: блок управления 3-позиционными задвижками, ПИД-регулятор с автонастройкой и другие. Имеется возможность расширения путем подключения дополнительных модулей ввода/вывода. Количество дискретных выводов может быть увеличено посредством подключения стандартного модуля ОВЕН МР1.

Устройство ОВЕН ПЛК63 построено на базе 32-разрядного процессора RISC с частотой 50МГц на ядре ARM7. Имеет 10 Кб оперативной памяти, 280 Кб для программ. Объем памяти ввода-вывода составляет 600 байт для ПЛК63-M и 360 байт для ПЛК63-L. Энергонезависимая флеш-память 448 Кб. Часы реального времени могут независимо работать в течение 3 месяцев без внешнего питания.

Устройство крепится на DIN-рейку, имеет корпус класса защиты IP20. Для питания контроллера подходит как постоянное, так и переменное напряжение — от 150 до 300В постоянного, или от 90 до 264В переменного напряжения. Потребляемая мощность не превышает 12Вт при питании постоянным током, и не более 18Вт — при питании переменным. Имеется встроенный источник вторичного питания с выходом на 24 вольта и на ток не более 180мА.

Текстовый монохромный ЖКИ дисплей 2х16 снабжен подсветкой. Для управления — клавиатура на 6 кнопок: "Пуск/стоп", "Ввод", "Выход", "Альт", "Вниз", "Вверх". Интерфейсы связи: DEBUG RS-232 (RJ-11), RS-485. Протоколы: ОВЕН, GateWay (протокол CODESYS), Modbus RTU/ASCII.

Устройство ОВЕН ПЛК63 имеет 8 универсальных аналоговых выходов, для подключения датчиков сигналов, таких как: термопары. сигналы тока, термосопротивления, датчики напряжения, сопротивления. Дискретных входов 8, с групповой гальванической изоляцией, с возможностью подачи сигнала с максимальной частотой 50Гц и скважностью 2.

В наличии 6 выходных элементов, один из которых — электромагнитное реле 4А 220В, остальные 5 могут отличаться в модификациях: Р - э/м реле 4А 220В; И - ЦАП 4. 20мА; У - ЦАП 0. 10В (активный). Количество выводов может быть расширено по внутренней шине до 8 с помощью стандартного модуля расширения МР1.

ОВЕН ПЛК63 уже успешно применен, например, на Алтайском трансформаторном заводе, где благодаря ОВЕН ПЛК63 была модернизирована система маслопередачи, получившая функциональность и гибкость распределенной системы управления. В Санкт-Петербурге компания «АТБ Электро» разработала панель управления для бокса подготовки поверхности, получилась функциональная панель оператора.

Также на предприятии автоматизировали промышленный бокс химической подготовки поверхностей посредством внедрения ОВЕН ПЛК63 и других функциональных продуктов ОВЕН. Контроллеры ОВЕН ПЛК63 также широко применяются в машиностроении и металлообработке, в электроэнергетике и в сельском хозяйстве.

Программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК73

ОВЕН ПЛК73 – контроллер с HMI для создания локальных систем автоматизации, выполненный в щитовом исполнении. Основные области применения контроллера – ЖКХ, ЦТП, ИТП, котельные, небольшие станки и прочее.

Прибор ОВЕН ПЛК73 имеет некоторое сходство с ОВЕН ПЛК63, однако внешне выполнен в щитовом корпусе со степенью защиты IP55, и дополнен 6 светодиодными индикаторами на лицевой панели. Клавиатура уже имеет 9 кнопок вместо 6, а дисплей здесь четырехстрочный 4х16. Два интерфейса опционально: 1-й интерфейс - RS-485, RS-232 или отсутствует; 2-й интерфейс - RS-485, RS-232 или отсутствует. Интерфейсы взаимодействуют в режиме - Master, Slave.

Аналоговые входы ОВЕН ПЛК73 соответствуют ОВЕН ПЛК63, дискретные входы предусматривают возможность подключения датчиков с выходами «сухой-контакт», pnp и npn транзистор, при этом частота ограничена значением в 15Гц при скважности 0,5. Питание дискретных входов осуществляется напряжением 24В. Выходы соответствуют ОВЕН ПЛК63, 4 из них имеют возможность установки ЦАП. Среда программирования CODESYS 2.3 (версии 2.3.8.1 и старшей).

ОВЕН ПЛК73 успешно применен, например, компанией ПРОЕКТ-П, с целью повышения производственной эффективности и снижения эксплуатационных затрат, путем оптимизации системы управления на двух резервуарах и моечной станции на молочном комбинате «Каргопольский» в Архангельской области. Также на базе ОВЕН ПЛК73 был разработан пульт управления для творожной ванны молочного комбината.

Контроллеры ОВЕН ПЛК73 широко востребованы в пищевой промышленности, в машиностроении и металлообработке, в химической отрасли, на производстве строительных материалов, в нефтегазовой промышленности, а также при автоматизации в ЖКХ, в сельском хозяйстве.

Программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК100

ОВЕН ПЛК100 – это моноблочный контроллер с дискретными входами/выходами, для организации автоматизации малых систем.

Прибор ОВЕН ПЛК100 предназначен для управления средними и малыми объектами, и для построения систем диспетчеризации. Устройство имеет компактный корпус для крепления на DIN-рейку, дискретные входы/выходы с удобными креплениями, а также последовательные порты (RS-232, RS-485) и Ethernet. Любой из встроенных интерфейсов позволяет расширить количества точек ввода/вывода посредством подключения внешних модулей. Питание осуществляется либо переменным током с напряжением 220В, либо постоянным 24В.

Скорость работы дискретных входов достигает 10кГц при использовании подмодулей счетчика. Интерфейсы (3 последовательных порта и USB Device для программирования) работают независимо друг от друга. Температурный диапазон довольно широк - от -20 до +70.

Внутри устройства ОВЕН ПЛК100 есть встроенный аккумулятор, который в случае пропадания питания позволит перевести выходные элементы в безопасное состояние. Конечно, присутствуют и встроенные часы.

Кроме того, по любому из портов возможна работа с нестандартными протоколами, поэтому можно подключить любые счетчики: газовые, электросчетчики, или водосчетчики, либо считыватели штрих-кодов и тому подобные приспособления.

Кроме ОВЕН ПЛК100, в серии представлены также ПЛК150 и ПЛК154, отличающиеся количеством дискретных входов: 8, 6 и 4 соответственно; и типом дискретных выходов, реле и сдвоенные транзисторные ключи (всего 12 сигнальных выходов), с возможностью коммутации токов до 2А. ПЛК150 и ПЛК154 имеют также аналоговые входы (50 Ом) и выходы (до 20мА), в ПЛК150 4 аналоговых входа и 2 аналоговых выхода, а в ПЛК154 — 4 аналоговых входа и 4 аналоговых выхода. Исчерпывающую техническую документацию всегда можно найти на официальном сайте компании ОВЕН.

Контроллеры данной серии широко применяются при автоматизации инженерных систем зданий, в сельском хозяйстве, на производстве строительных материалов, в машиностроении, полиграфии, ЖКХ, в химической отрасли, в электроэнергетике и в других отраслях и на других производствах, перечислять которые можно было бы очень долго.

Приведем лишь один пример. С применением ОВЕН ПЛК100 построена система диагностики и мониторинга силовых трансформаторов электрических подстанций, предназначенная для постоянного анализа и контроля технического состояния силовых трансформаторов, а также для диагностики и предупреждения на ранней стадии вероятных аварий.

Программируемые логические контроллеры ПЛК110[М02] / ПЛК110 / ПЛК160

Это линейка моноблочных программируемых контроллеров с дискретными входами/выходами и аналоговыми входами/выходами (ПЛК160), предназначенных для автоматизации систем средней сложности. Устройства идеально подходят для создания распределенных систем управления. Рекомендованы для систем HVAC, в сферах ЖКХ, ИТП, ЦТП, для АСУ водоканалов, для управления насосами и другим оборудованием; для управления станками и механизмами, в пищевой и пищеперерабатывающей промышленностях, для управления работой упаковочных аппаратов; подходят для управления торговым оборудованием, климатическим оборудованием, а также в сфере производства стройматериалов.

Отличительной особенностью линейки является значительная вычислительная мощность (RISC-процессор, 32 разряда, 180МГц и 400МГц) и усовершенствованные высокоскоростные входы и выходы, а также обширные возможности для программирования.

Масштабы для автоматизации открываются поистине грандиозные. Так, в Тверском Государственном техническом университете, на кафедре автоматизации технологических процессов, совместно с компанией «ЭлектроКИПсервис» разработан и воспроизведен пульт управления автоматизированным сварочным комплексом на основе опять же средств автоматики компании ОВЕН.

Коммуникационные контроллеры ПЛК304 / ПЛК323

Линейка современных универсальных промышленных коммуникационных контроллеров серии ПЛК300, - это PC - совместимые контроллеры под управлением ОС Linux. Они отлично подходят для организации взаимодействия межу различным оборудованием, оснащенным различными же интерфейсами и протоколами связи.

Можно объединить оборудование в единую интеллектуальную сеть, и обеспечить удаленный консольный доступ. Открываются возможности для построения систем диспетчеризации и мониторинга любых технологических процессов, инженерных систем зданий и многого другого. Таким образом, контроллеры этой линейки предназначены для решения более сложных инженерных задач.

Открытая архитектура значительно облегчает интеграцию в распространенные системы SCADA, которые поддерживают softlogic программирование, например: Энтек, MasterSCADA и другие. 32 битный RISC-процессор на основе ядра ARM9, с частотой 180МГц, плюс оперативная память объемом 64Мб, в совокупности с системой Linux, позволят автоматизировать сложные производственные процессы.

До 8 последовательных портов RS-232/485 со скоростью достигающей 921.6 Кбит/с - для взаимодействия со внешними устройствами. До 2 портов Ethernet 10/100 Мбит/с - для создания резервных каналов связи. Карт-ридер SD для расширения энергонезависимой памяти. Два USB-Host для поддержания внешнего оборудования и USB-накопителей. Дискретные входы/выходы для построения систем телеметрии.

Так, например, на базе ПЛК100, ПЛК304 и других продуктов ОВЕН, создана система ЭНТЕК-ЖКХ решающая задачи учета энергии, управления и мониторинга как отдельного дома, так и целого жилого комплекса. Она служит управляющим компаниям, заинтересованным в автоматизации управления жилым фондом с целью повышения эффективности использования электроэнергии и энергоносителей за счет тщательного оперативного контроля, учета и управления энергопотребителями.