Программируемые логические контроллеры

Первые ПЛК появились в 1967 г. и были предназначены для локальной автоматизации наиболее часто встречающихся в промышленности технологических задач, которые описывались преимущественно логическими уравнениями. ПЛК с успехом заменили блоки релейной автоматики и устройства жесткой логики на интегральных микросхемах малой и средней степени интеграции. Отсюда и название программируемый логический контроллер — ПЛК.

Структура ПЛК, подключенного к объекту управления, представлена на рис. 7.4. Центральный процессор (CPU) включает собственно микропроцессор, память программ и память данных, формирователи магистрали сопряжения с локальными модулями ввода-вывода (локальными модулями УСО называют модули, конструктивно расположенные в одном крейте с платами CPU и памяти ПЛК), адаптеры связи с удаленными модулями УСО, адаптеры связи с сервисным периферийным оборудованием (пульт оператора, дисплей, печатающее устройство).

 

Рис. 7.4. Программируемый логический контроллер в системе управления  Архитектура CPU ПЛК имеет следующие особенности:

• память программ и память данных ПЛК разделены не только логически, но и физически. Специализация центральной памяти ПЛК является их особенностью. Причем область памяти выходных переменных обязательно выполнена энергонезависимой с целью поддержания рабочего состояния объекта при отключении питания;

• CPU ПЛК имеет устройства контроля адресного пространства; при построении CPU используются методы структурного резервирования составных элементов. Например, CPU может включать два обрабатывающих блока, которые объединены блоками принятия решений. Сигналы выходных воздействий формируются только в том случае, если они одинаковы для обоих блоков. Отказавшая структура выявляется с помощью встроенных тестов;

• CPU ПЛК имеют в своем составе несколько сторожевых таймеров, которые контролируют строго определенное время выполнения одного цикла управляющей программы и отдельных ее частей.

 CPU средних и мощных ПЛК часто выполнены многопроцессорными. Интерфейс между датчиками, исполнительными устройствами и CPU ПЛК обеспечивается специальными электронными модулями ввода-вывода, в ПЛК их часто называют адаптерами ввода-вывода. Кроме собственно приема информации адаптеры дискретных входов производят предварительную обработку сигнала, выделение полезного сигнала из зашумленного, реализуют развязку сигналов с различными уровнями мощности. Уровни постоянного и переменного напряжения входного дискретного сигнала стандартизированы: постоянное напряжение 24 В, переменное 130 В и 240 В. 

Адаптеры дискретных выходов должны кроме гальванической развязки обеспечивать определенную мощность сигнала, необходимую для управления исполнительным устройством. Стандартные параметры выходов следующие: постоянное напряжение 24 В, переменное напряжение 130 и 240 В при токе до 10 А. Память программ ПЛК состоит из двух сегментов. Первый сегмент - неизменяемая часть, которая содержит в себе операционную систему ПЛК. По существу, это интерпретатор инструкций программы пользователя, которые размещаются во втором сегменте памяти - сегменте программы управления. Второй сегмент - это изменяемая часть программы. Она заносится на этапе адаптации серийного изделия для управления конкретным объектом. Такая организация работы ПЛК имеет следующие преимущества:

§ время реакции программы управления на изменение входных сигналов строго определено. Если обратиться к классификации ОС вычислительных средств, то такая система носит название ОС реального времени с жестким режимом работы;

§ невозможность внесения изменений в интерпретатор инструкций гарантирует исключение ошибок программирования аппаратных средств на нижнем уровне;

§ интерпретатор инструкций содержит в себе аппаратно-ориентированные алгоритмы программной защиты от сбоев аппаратуры, которые, оставаясь практически незаметными для пользователя, значительно повышают надежность системы.

Рассмотренная модель функционирования ПЛК поясняет, почему быстродействие ПЛК принято оценивать эквивалентным временем «опроса» 1024(1 К) дискретных входов. Обычно указывается время выполнения одного цикла программы средней сложности для 1024 дискретных входов, включая этапы чтения регистров приема и загрузки данных из регистров в буферы. 

Следует отметить, что рассмотренный исторически сложившийся способ опенки быстродействия в настоящее время используется преимущественно для малых ПЛК. Для средних и мощных ПЛК указывается время выполнения операций определенного типа. В табл. 7.1 представлены сведения о быстродействии некоторых ПЛК.

Быстродействие ПЛК                           Таблица 7.1 

Тип ПЛК	Оценка быстродействия, указанная в каталоге	Примечание
Simatic S7-20O	Время выполнения 1 К бинарных 0,8мс	Малый ПЛК
ModiconTSX Micro	Время выполнения 1 К бинарных команд 0,15 мс Время «опроса» 1 К дискретных входов 0,7 мс
Simatic S7-300	Время выполнения 1 К бинарных команд 0,3 мс Время выполнения 1 К смешанных команд 0,8 мс	Средний ПЛК
DL-305 Direct Logic	Время выполнения 1 К бинарных команд 0,87 мс Время «опроса» 1 К дискретных входов 4-5 мс
Simatic S7-400	Время выполнения 1 К бинарных команд 0,08 мс	Мощный
	Время выполнения 1 К операций сложения 0,08 мс Время выполнения 1 К операций сложения в формате с плавающей запятой 0,48 мс	ПЛК

Придание ПЛК регулирующих функций потребовало введения в состав языков чисел в формате с фиксированной запято и сейчас многие ПЛК имеют в системе команд библиотеки для работы с числами в формате с плавающей запятой. В первую очередь арифметические команды используются для реализации алгоритмов ПИД-регуляторов, причем не просто регуляторов, а с алгоритмами самонастройки и оптимизации переходных процессов. Для включения алгоритма ПИД - регулирования в его программу необходимо не только записать соответствующие команды, но и подключить специальный блок памяти в разъем на передней панели корпуса ПЛК. Пользователю при обращении к функции ПИД-регулирования следует задать только коэффициенты и постоянные времени к неизменяемому программному коду регулятора.

Общее совершенствование микроэлектронной базы привело к миниатюризации малых ПЛК. Максимальный линейный размер всех моделей лежит в пределах 20 см.

Как правило, малые ПЛК имеют два способа программирования: с помощью карманного программатора или через интерфейс последовательного обмена сиспользованием средств разработки, реализованных на персональном компьютере. Для простейших ПЛК ясно прослеживается стремление к реализации режима программирования «на линии», при котором не требуется никаких дополнительных устройств.

Практически все ПЛК малого формата поддерживают один или несколько протоколов обмена локальных промышленных сетей. Сетевые возможности становятся одной из главных характеристик изделий данного класса.

Остановимся коротко на отдельных образцах малых ПЛК. Simatic S7-200 и Modicon TSX Micro - самые быстродействующие и мощные среди малых ПЛК. Близок к ним по функциональным возможностям DL205 PLC Direct. Особое внимание заслуживает маленький ПЛК Logo фирмы «Siemens». Его даже называют не ПЛК, а лишь универсальным логическим модулем в электротехнике. Значительную часть площади передней панели корпуса Logo занимает графический жидкокристаллический дисплей, на котором при помощи шести клавиш можно «собрать» схему коммутации из 30 функциональных модулей. Logo запомнит программу во Flash-памяти и будет реализовывать заданный алгоритм коммутации. При необходимости контроллер может быть перепрограммирован на месте установки. Устройство имеет защиту от несанкционированного доступа.

ПЛК являются проблемно ориентированными машинами. С момента создания ПЛК языки их программирования были ориентированы на конечного пользователя, который является специалистом по автоматизации, но не является профессиональным программистом. Постепенно множество языков ПЛК разделилось на следующие группы:

• графические языки релейно-контактных схем (РКС);  графические языки логических схем;

• графические языки функциональных блоков (Grafcet);

• мнемонические языки символьного кодирования на основе булевых выражений;  языки ассемблерного типа.

Накопленный опыт был обобщен в виде стандарта ГЕС1131-3, в котором определено пять языков программирования: SFC - последовательных функциональных схем, LD - релейных диаграмм, FBD - функциональных блоковых диаграмм, ST - структурированного текста, IL - инструкций. Использование стандартных языков позволяет существенно снизить затраты на разработку прикладного программного обеспечения. Язык SFC находится над всеми остальными и дает возможность описать логику программы на уровне чередующихся функциональных блоков и условных переходов. Функциональные блоки отображают собой действия, которые должны быть исполнены, в том числе и параллельно, а условные переходы задают условия, которые необходимо выполнить для перехода к следующему функциональному блоку. Инструкции для функциональных блоков и условных переходов могут быть написаны на одном из четырех других языков. Язык LD используется для описания различных логических выражений и реализует элементы релейноконтактных схем. Язык FBD позволяет строить комплексную процедуру, состоящую из различных функциональных блоков. Язык ST относится к классу языков высокого уровня и по мнемонике похож на язык Pascal. Он служит для создания процедур со сложной логикой. Язык IL принадлежит к классу языков низкого уровня и позволяет реализовать высокоэффективные функции. Этот язык имеет смысл применять для написания наиболее критичных мест программы.

Использование языков стандарта IEC 113I-3 соответствует концепции открытых систем, а именно делает программу управления некритичной к конкретному оборудованию. Поэтому, несмотря на различные названия, языки программирования практически всех современных ПЛК удовлетворяют стандарту IEC1131-3.

Промышленные компьютеры

Промышленный компьютер - класс средств технической автоматизации, обладающий тремя отличительными признаками: программно совместим с компьютером IBM PC, имеет в своем составе полный набор средств для реализации человеко-машинного интерфейса (дисплей, клавиатуру, дополнительные панели оператора), обладает повышенной устойчивостью к воздействиям внешней среды. Для борьбы с пылью создают избыточное давление внутри системного блока, при этом всасывающие вентиляторы снабжаются пылеулавливающими фильтрами. В моделях для пультового монтажа применяется брызгозащита лицевой панели. С вибрациями и ударами борются, применяя прочные шасси и корпуса, закрепляя платы расширения дополнительными амортизирующими скобами, размещая дисковые накопители на специальной виброударостойкой подвеске. Компоненты интерфейса человек - машина также выполняются с учетом жестких условий эксплуатации. В клавиатурах в обязательном порядке предусмотрена пылевлагозащита. В рабочих станциях применяется ограниченный набор функциональных клавиш, они выполнены по пленочной технологии. Все большее распространение получают сенсорные экраны, дающие неограниченные возможности в создании дружественных интерфейсов.

Конструктивное исполнение системного блока промышленного компьютера отличается от офисного. Процессорная плата наравне с периферийными вставляется в пассивную объединительную плату с большим числом слотов расширения. Так как промышленному компьютеру часто приходится взаимодействовать с большим количеством датчиков и исполнительных устройств, то число слотов расширения нередко достигает 20.

Промышленные контроллеры

Термином «промышленный контроллер» характеризуют класс средств промышленной автоматики, которые выполнены в специальном конструктивном исполнении, имеют развитый набор УСО и обязательно программируются на языках общего применения (не проблемно ориентированных). Это означает, что элементная база центрального процессора может быть любой: начиная с 8-разрядных однокристальных и заканчивая коммуникационными процессорами. Однако в большинстве случаев под определением «промышленный контроллер» скрывается PC-совместимый контроллер модульного исполнения.

Российские производители промышленных контроллеров пытаются найти свою нишу среди широкой номенклатуры средств, предлагаемых всемирно известными производителями. Краткая характеристика технологических контроллеров российского производства представлена в табл. 7.2.

Промышленные контроллеры российских производителей Таблица 7.2.

Тип	Производит ель	Краткая техническая характеристика
МФК	«Текон», г. Москва	Многофункциональный технологический контроллер, имеющий большую гибкость при конфигурировании, обладающий мощными вычислительными ресурсами и большим количеством каналов ввода-вывода (более 750). Контроллер предназначен для сбора, обработки информации и управления объектами в схемах автономного управления или в составе распределенной системы управления на основе локальных сетей уровней LAN (Ethernet, Arcnet) и Fieldbus {Bitbus, CAN)
TKM51	«Текон», г. Москва	Программируемый технологический контроллер в пылебрызгозащищенном исполнении (IP54) с возможностью резервирования. Предназначен для сбора, обработки информации и формирования воздействия на объект управления в составе распределенных иерархических или локальных автономных АСУ ТП. Имеет встроенную функциональную клавиатуру, дисплей, интерфейсы Bitbus, RS-232, RS485, Centronics, широкую гамму дискретных и аналоговых модулей УСО. Примерное количество входов-выходов 190.
MIF	«Торнадо,        модульные системы» г. Новосибирск	Отказостойкие технологические контроллеры на базе модулей интеллектуальных функций (MIF-модулей). На их основе возможно создание как больших управляющих сетей реального времени, так и автономных интеллектуальных контроллеров. Характеризуются дублированной CAN-магистралью в качестве внутренней системной шины контроллера для межмодульной коммуникации. Контроллеры полностью программно совместимы с системами VME9000, ШС9000, Smart I/O.
QCIC	«Науцилус», г. Москва	PC-совместимый контроллер на базе процессорного модуля PC104 фирмы «Атpro Computers» и плат ввода-вывода фирмы «ComputerBoards».
ВИРА -ПКМ	СКБ космического приборостроения РАН, г. Таруса	Промышленный контроллер, предназначенный для использования в распределенных системах управления, сбора и обработки информации в качестве контроллера статута космических нижнего уровня.
ДС400 1	«Дискретные системы», г. Москва	Моноблочный промышленный контроллер, предназначен для использования в системах контроля и управления промышленным оборудованием в случаях, когда требуется ограниченное количество разнородных каналов ввода-вывода, может комплектоваться графическим ЖК-дисплеем и клавиатурой, работает под управлением ОС PTS DOS 6.65 и ядра реального времени RTKernel 4.5. Модули ввода-вывода — одноканальные. Вычислительное ядро — микроконтроллер ДС1001.

 

Современные технологии основаны на системах, разделенных на секции, находящиеся непосредственно рядом с силовым преобразователем. Такая технология имеет следующие преимущества: модульность в конструкции и развитии системы, обнаружение локальных ошибок, простота устранения неисправностей и обслуживания. Рост степени интеграции в микроэлектронике обусловил переход от достаточно сложных, состоящих из нескольких монтажных плат, микропроцессорных систем управления приводами к малогабаритным высокопроизводительным системам на основе однокристальных микроконтроллеров. 

Под прямым цифровым управлением понимают непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключом силового преобразователя: инвертора, управляемого выпрямителя, силового коммутатора обмоток вентильного индукторного двигателя, ключа звена рекуперации энергии и т. д.; прямой ввод в микроконтроллер сигналов различных обратных связей с последующей программно-аппаратной обработкой внутри микроконтроллера. Тип сигнала обратной связи может быть различным: дискретным, аналоговым, импульсным.

Возможность технической реализации непосредственного управления силовыми ключами определяется совершенствованием элементной базы силовой электроники.

Освоено промышленное производство ряда новых электронных приборов, в частности, мощных МДП-транзисторов (MOSFET) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых модулей на их основе (верхний и нижний ключи, стойки с обратными диодами и целые инверторы), а также силовых интеллектуальных модулей (IPM) со встроенными средствами защиты каждого ключа и интерфейсами для непосредственного подключения к микропроцессорным системам управления.

Существенное изменение претерпела также номенклатура датчиков механических и электрических величин в сторону их миниатюризации, повышения точности, интеграции в одном корпусе чувствительного элемента и электронной схемы преобразования первичного сигнала. Последнее позволило унифицировать выходные аналоговые сигналы датчиков, а в ряде случаев разместить в корпусе датчика интерфейс для непосредственной цифровой обработки микропроцессорной системой выходных сигналов датчиков.

Таким образом, система прямого цифрового управления ориентирована на отказ от значительного числа дополнительных интерфейсных плат и создание одноплатных контроллеров управления приводами, встраиваемых в силовое оборудование. Элементной базой для создания специализированных одноплатных контроллеров управления приводами служат однокристальные микроконтроллеры класса «Motor Control» (управление двигателями). Главное отличие этих изделий от микроконтроллеров общего назначения состоит в номенклатуре встроенных периферийных устройств, а также в максимальной адаптации архитектуры центрального процессора и системы его команд к задачам управления в реальном времени. 

Создание внутри кристалла МК все более совершенных периферийных модулей, специализированных именно на задачах управления электроприводом, позволяет реализовать все алгоритмические задачи управления программно-аппаратными средствами только одного микроконтроллера. В пределе встроенная система управления проектируется как однокристальный микроконтроллер, который вместе с силовым преобразователем и исполнительным двигателем конструктивно интегрируется в единое целое - мехатронный модуль движения, имеющий стандартный последовательный интерфейс для обмена управляющей и статусной информацией с системой более высокого уровня - промышленным программируемым контроллером или управляющим компьютером.

С учетом этой тенденции развития большинство МК класса «Motor Control» имеет на кристалле встроенные средства поддержки перспективных промышленных сетей, например, встроенные CAN-контроллеры.

Функционально МК включает в себя модули различных типов памяти и модули периферийных устройств. Размешенные на кристалле МК блоки памяти различаются по функциональному назначению (ОЗУ и ПЗУ), информационной емкости (количество ячеек памяти того и другого типа), а также по технологии занесения программы в ПЗУ. Выпускаются МК с масочным, однократно программируемым (ОТР ROM) и многократно программируемым ПЗУ. Наиболее перспективным в настоящее время считается многократно программируемое пользователем ПЗУ, выполненное по технологии Flash.

В группу модулей периферийных устройств МК общего назначения входит большинство из известных типов адаптеров сопряжения с объектом:  параллельные порты ввода-вывода;

• многорежимные таймеры (счетчики), таймеры периодических прерываний, процессоры событии;

• многоканальные аналого-цифровой (АЦП) и цифроаналоговый (ЦАП) преобразователи;

• контроллеры последовательного интерфейса связи нескольких типов (UART, SCI, SPI, CAN);

• контроллеры клавиатуры, схемы управления жидкокристаллическими и светодиодными индикаторами.

В большинстве современных электроприводов для создания требуемой формы тока в обмотках двигателя используются регулируемые внутренними средствами силовые преобразователи. Частота коммутации силовых ключей преобразователя составляет от 10 до 20 кГц, т. е. период коммутации равен всего 50 - 100 мкс. Система управления на основе МК должна обеспечить не только формирование интервалов указанной длительности, но и регулирование длительности проводящего состояния силовых ключей в пределах этого интервала с точностью не хуже 1 % в системах скалярного управления и 0,1-0,5 % в системах векторного управления. Поэтому был разработан специальный таймерный модуль многоканального широтно-импульсного генератора (модуль ШИМ-генератора). Наличие в составе МК специализированного периферийного модуля ШИМ-генератора является классификационным признаком, который позволяет отнести МК к классу специализированных МК «Motor Control».

 

Однокристальные микроЭВМ

Специализированные МК класса «Motor Control» представляет собой единство трех составляющих (рис. 7.5): процессорного ядра с блоками памяти программ и данных; некоторого набора периферийных модулей; который может изменяться от модели к модели портами ввода-вывода, многорежимными таймерами с функциями входного захвата и выходного сравнения и многоканальными АЦП; специализированного модуля ШИМгенератора, который характерен только для МК «Motor Control».

МК для управления двигателями класса «Motor Control» выпускают следующие фирмы: «Texas Instruments», «Analog Devices», «Motorola», «Infineon», «Intel», «Hitachi», «Mitsubishi» (Microchip). Основной классификационный признак МК общего назначения — разрядность и архитектура процессорного ядра. Поскольку процессорное ядро МК для управления электроприводом в большинстве случаев не является специально разработанным, а заимствуется от МК общего назначения, то и МК «Motor Control» делят на следующие группы: 8-разрядные, 16-разрядные и DSP. DSP «Motor Control» — это МК с процессорным ядром, архитектура которого ориентирована на алгоритмы цифровой обработки сигналов, а набор периферийных модулей аналогичен рассмотренному.

 

Рис.7.5. Структура микроконтроллера класса «Motor Control»

 

Группа 8-разрядных МК невелика, это направление развивают фирмы: «Motorola», «Infineon»,(Microchip).