Лекция 8. Программируемые логические контрроллеры

ЛЕКЦИЯ 8. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ КОНТРРОЛЛЕРЫ

Различия между программируемым логическим контроллером (ПЛК) и компьютером

 

 

 

Рис. 1. Различия внешнего вида компьютера и ПЛК

 

Что делает программируемый логический контроллер отличным от обычного компьютера? В конце концов, компьютеры также используются для управления вещами; на них может быть даже запущен программный ПЛК.

Сначала ответим на вопрос: что же такое ПЛК? ПЛК представляет собой цифровой компьютер, используемый для управления электромеханическими процессами, обычно в промышленной среде. Он выполняет как дискретные, так и непрерывные (аналоговые) функции управления и отличается от обычного компьютера несколькими важными элементами.

Во-первых, он имеет физические линии входа/выхода; эти входы и выходы электрических сигналов вносят в систему информацию о реальном мире и управляют устройствами реального мира на основе этой информации.

Во-вторых, ПЛК полностью детерминирован. Это значит, что такой контроллер обрабатывает информацию и реагирует на нее в определенные сроки. ПЛК работает со шкалой времени в миллисекундах или даже с микросекундами.

В-третьих, ПЛК зачастую представляет собой модульную структуру. Он может иметь модули ввода/вывода, модули связи или другие специальные модули, добавленные к нему для расширения функциональности. ПЛК может также иметь форму компьютера или небольшого единого модуля.

В-четвертых, ПЛК программируется с помощью нескольких специальных языков, например, языка лестничных диаграмм. Некоторые языки позволяют изменять программу во время работы машины или системы.

В-пятых, программное обеспечение и аппаратные средства для ПЛК зависят от платформы. То есть, компоненты и программное обеспечение для программирования обычно не могут использоваться между разными производителями. Однако есть исключения.

И, наконец, в-шестых, ПЛК прочный, обладает повышенной надежностью и предназначен для использования в промышленных условиях.

 

Кроме того, в отличие от компьютеров, ПЛК предназначены для круглосуточной бесперебойной работы и зачастую защищены от суровых физических и электрических условий окружающей среды.

Где используются ПЛК? ПЛК используются во многих видах приложений и отраслей. В опросе журнала Control Engineering за 2012 год было показано, что 87% приложений управления промышленными машинами и механизмами использовали ПЛК в качестве платформы управления. Это включает сборку, упаковку и другие производственные операции. 58% приложений управления технологическим процессом используют ПЛК в таких отраслях, как химическая переработка и нефтегазовая промышленность. Электростанции и очистка сточных вод также относятся к этой категории. 40% ПЛК используются для управления движением и в сфере робототехники, 26% применяются для контроля товаров и 18% используются в рамках диагностических или тестовых приложений.

Виды ПЛК

ПЛК делятся на два основных типа: фиксированный (или компактный ПЛК) и модульный ПЛК.

Компактный или фиксированный ПЛК: обычно это бюджетный ПЛК, который популярен во многих отраслях. Компактный ПЛК имеет фиксированное количество модулей ввода/вывода и внешних плат ввода/вывода, и они не могут быть расширены позднее для более сложной настройки. Вы можете увидеть фиксированный ПЛК на следующем изображении.

 

 

Рис. 4. Разновидности конструкций ПЛК

 

 

Модульный ПЛК: модульный ПЛК допускает многократное расширение за счет параллельного размещения модулей. Порты ввода/вывода модульного ПЛК могут быть увеличены для более сложных операций в отрасли. Модульный ПЛК также проще в использовании, поскольку каждый компонент не зависит друг от друга. Этот тип ПЛК популярен во многих отраслях промышленности.

 

Рис. 5. Конструкция модульного ПЛК

 

Релейные диаграммы

Языки этого типа называются также:

· язык релейно-контактной логики,

· релейные диаграммы,

· релейно-контактные схемы (РКС),

· язык программирования релейно-лестничной логики стандарта МЭК 61131-3.

Программа в таком языке собирается из набора компонент, делящихся на условия и инструкции, в некоторых ПЛК также возможно написание своих исполняемых функций. Условия подсоединяются к общей «питающей» линии (power rail) в необходимом порядке последовательно или параллельно. Последовательное соединение условий объединяет их логически по И, параллельное — по ИЛИ. Далее к конструкции условий подсоединяются инструкции, которые необходимо выполнить при выполнении конструкции условий. Допускается безусловное исполнение инструкций, но не у всех ПЛК. В некоторых ПЛК безусловные инструкции допускаются только в начале программы, это зависит от реализации интерпретатора/компилятора языка LD для данного ПЛК. В итоге строки программы выглядит как ответвления от «питающей» линии (рис.6).

 

 

Рис.6. Программа на языке релейных диаграмм

 

Структурированный текст

Структурированный текст — текстовый язык, по синтаксису команд очень похожий на классический язык программирования для персональных компьютеров Pascal

Пример программы на этом языкеприведён на рис. 9.:

 

Вычисление максимума из массива

VAR_CONSTANT

Array_Sz: BYTE:= 4;

END_VAR

VAR

Iter: BYTE;

arr: ARRAY [1..Array_Sz] of real:=3.2, 4.2,1.4, 7.8;

fnd_max:REAL:= -1.2E38;

END_VAR

FOR Iter:= 1 TO Array_Sz DO

    fnd_max:= MAX(fnd_max, arr[Iter]);

 

Рис. 9. Программа на языке структурированный текст

 

В отличие от Pascal в структурированном тексте имеются реализации таймеров и счетчиков. Они выполнены в виде вызываемых функций, для которых переменные, запускающие таймер, являются входными параметрами. Перед использованием в программе экземпляр такой функции должен быть объявлен в секции VAR. В этом языке также могут быть специальные функции, связанные с аппаратной частью или ОС ПЛК. При использовании таких функций их экземпляры точно также объявляются в секции VAR.

В заключение нужно отметить, что данный язык наиболее прост в освоении для людей, имеющих навыки программирования на языках для персональных компьютеров.

 

Industrial Shields ARDBOX

ARDBOX – это ПЛК на основе Arduino, предназначенный для малых и средних промышленных применений.

Industrial Shields M-Duino

M-DUINO – это ПЛК на основе Arduino, предназначенный для малых и средних промышленных применений.

PLDuino (Arduino PLC)

PLDuino – это программируемый логический контроллер с открытым исходным кодом Arduino от Digital Loggers, который продается на рынке примерно за 150 долларов. Этот ПЛК сочетает в себе Arduino Mega (ATmega2560) с модулем Wi-Fi ESP8266 и 2,4-дюймовым сенсорным TFT-экраном, что делает его пригодным для использования в приложениях промышленного Интернета вещей и других приложениях заводской робототехники.

Controllino Arduino PLC

Controllino – это не что иное, как промышленно развитый Arduino. Он сочетает в себе гибкость и открытый характер экосистемы Arduino с безопасностью и надежностью промышленных ПЛК. Компания предоставляет три модуля, которые разработаны на основе трех плат Arduino.

Controllino MINI

Он разработан на плате Arduino Uno.

Controllino MAXI

Он разработан на микроконтроллере Atmel ATMEGA2560 или на плате Arduino Mega.

Controllino Mega

Он разработан на микроконтроллере ATMEGA2560 Atmel или на плате Arduino Mega.

 

Контроллер Industruino

В последнее время наблюдается тенденция в развитии платформы Arduino – это аппаратно-программное средство для построения простых систем автоматики и робототехники, ориентированное на непрофессиональных пользователей. Рассмотрим более подробно один из наиболее известных контроллеров на этой платформе -  Industruino – это Arduino-совместимый промышленный контроллер (рис. 10, 11), отличающийся своей простотой использования и ценой.

 

Рис. 10. Arduino-совместимый промышленный контроллер

 

 

 

Рис. 11. Контроллер в шкафу автоматики

 

Электрическое питание промышленного контроллера осуществляется напряжением 12/24В постоянного тока.

Контроллер оснащен следующими входами/выходами:

· 4 аналоговых входа, рассчитанные на подключение датчиков с выходными сигналами 0–20мА или 0–10В. Аналоговый сигнал, поступающий на каждый вход, преобразуется в 18–разрядный цифровой код;

· 2 аналоговых выхода, рассчитанные на подключение исполнительных устройств с входными сигналами 0–20мА или 0–10В. Каждый выход преобразует 12–разрядный цифровой код в один из указанных аналоговых сигналов;

· 8 цифровых (дискретных) гальванически изолированных входов напряжением до 32В постоянного тока;

· 8 цифровых (дискретных) гальванически изолированных выходов, рассчитанных на 2,6А каждый.

Кроме того, контроллер поддерживает обмен информацией по протоколу Ethernet за счет специального коммуникационного модуля. Также возможно объединение контроллера в сеть с другими устройствами по протоколу Modbus (RS–485).

 

Рис. 12. Контроллер Industruino в разобранном виде

 

Язык программирования промышленного контроллера основан на C/C++. Он прост в освоении, и на данный момент, это самый удобный способ программирования устройств на микроконтроллерах. На рис. 13 показаны основные сферы применения промышленного контроллера Industruino.

 

 

 Рис. 13. Сферы применения промышленного контроллера Industruino

 

Таким образом, промышленный контроллер Industruino обладает всеми техническими характеристиками, необходимыми для его использования в составе современных АСУ ТП. Преимуществом является простота программирования и подключения внешних устройств. В качестве недостатка можно указать небольшое количество входов/выходов, что ограничивает его применение при автоматизации крупных промышленных объектов. Однако контроллер может быть успешно применен в проектах систем автоматизации небольших и несложных объектов управления.

 

Siemens Simatic S7

Линейка Simatic S7-300 и Simatic S7-400. Предназначена для решения задач повышенной сложности. Контроллеры этой серии имеют возможность применения большого количества дополнительных модулей, изменяющих или расширяющих существующую функциональность системы. В устройствах предусмотрена регулировка мощности и система естественного охлаждения, позволяющие упростить эксплуатацию и повысить надежность. Имеется объемный список встроенных функций, решающих любые задачи по автоматизации. Управление устройством доступно через цифровой интерфейс.

 

 

Рис. 15. Контроллеры Siemens Simatic S7

 

Серия Siemens S7-1200 и Siemens S7-1500. Основанный на решениях предыдущих поколений устройств Siemens контроллер предназначен для автоматизации систем любого уровня сложности. Встроенная функциональность может быть расширена дополнительными модулями. Несмотря на высокую производительность и стабильность работы, стоимость контроллеров остается на доступном для широкого круга потребителей уровне. Контроллеры серий 1200/1500 поддерживают концепцию TIA (Totally Integrated Automation – Комплексная интегрированная автоматизация) и способны обмениваться данными по множеству каналов связи – Ethernet, Profinet, P2P, PROFIBUS, Modbus, AS-Interface, USS, ASCII.

 

 

Рис.16. Контроллеры серии серии Siemens S7-1200 и Siemens S7-1500.

 

Siemens SIMATIC HMI. Операторская панель, предназначенная для разработки и обслуживания микроконтроллеров Simatic посредством HMI (человеко-машинного интерфейса). Включает в себя такое ПО, как Simatic Protool, Simatic WinCC Flexible и Simatic WinCC. Операторские панели выполнены в 3-х вариантах для различных условий использования и технологических требований – key panels, basic panels, comfort panels и mobile panels.

 

 

Рис. 17. Панели оператора Siemens SIMATIC HMI.

ЛЕКЦИЯ 8. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ КОНТРРОЛЛЕРЫ