Всё, что нужно знать о контроллерах ПЛК

ПЛК — управляющие устройства, предназначенные для автоматизации технологических процессоров. Приборы активно используются на производстве в системах реального времени: в прессовом оборудовании, сборочных конвейерах, сварочных установках, токарных станках и т. д. Это самостоятельные аппараты, в отличие от плат и микросхем, которые функционируют автономно от управляемого оборудования. За счет развитой системы датчиков и простой работы настроить программируемые логистические контроллеры и пользоваться ими может практически любой человек.

Устройство ПЛК

Контроллеры состоят из трех секций: входной, выходной и центральной. Они присутствуют во всех модификациях: как в центральных аппаратах, где секции находятся в одном блоке, так и в распределенных моделях. Во второй группе приборов предусмотрены обособленный корпус для процессорного блока и отдельно подключенные модули ввода и вывода. Такое решение удобно для больших производств, поскольку позволяет создавать единую сеть с одним ПЛК и расположенными по периметру датчиками.

Входная секция

К этой категории относятся все входные приборы, с помощью которых контроллер получает необходимые данные. В частности — смарт-устройства, переключатели и датчики.

Все входы программируемых логистических контроллеров делятся на 3 вида:

1. Дискретные — единственный вход (1 бит) может принимать только один бинарный сигнал. Если для описания состояния установок 1 бита недостаточно, задействуется несколько дискретных входов. Полученные данные легко читаются и изменяются из оперативной памяти прибора.
2. Аналоговые — предназначены для ввода вольтовых/токовых сигналов, а также термопар (передаются посредством уровня сопротивления). Устройство получает данные о температуре, весе, давлении, скорости перемещения и частоте оборотов. После попадания в контроллер аналоговый сигнал преобразуется в дискретное мультибитовое двоичное число.
3. Специальные — используются при возникновении трудностей с обработкой. С помощью вводов просчитываются импульсы, фиксируются фронты, замеряется длительность. Отдельные модели оснащаются полезной опцией мгновенного запуска команды пользователя с прерыванием для реализации основного ПО.

Центральная секция

Сюда относятся центральный процессор (ЦП), память и система коммуникаций. В качестве ЦП задействуются микропроцессоры. Подходят как бюджетные модели, так и более мощные двух- и четырехъядерные устройства.

Характеристики ЦП подбираются с учетом поставленных задач:

1. Разрядность — 8-разрядные микропроцессоры предназначены для малопроизводительных ПЛК. С их помощью создаются межсетевые шлюзы, осуществляется управление небольшими технологическими линиями и станками. 16- и 32-разрядные микропроцессоры предназначены для решения более сложных задач в высокопроизводительных контроллерах.
2. Архитектура — самый востребованный вариант RISC предполагает множество регистров и небольшое число команд одинаковой длины. За счет такого сокращенного набора можно формировать эффективные компиляторы и конвейеры процесса.
3. Тактовая частота — основной параметр производительности микропроцессоров. В ЦП с одинаковой архитектурой пропорциональна производительности.

В ёмких программируемых логистических контроллерах возможно одновременное наличие нескольких процессоров. Один из них является ведущим, остальные — ведомыми.

От объема памяти зависит число переменных, которые может обработать процессор. Запоминающие устройства также делятся на несколько видов. ПЗУ предназначено для хранения редко изменяемых данных, а ОЗУ — для постоянно меняющейся информации (итогов промежуточных вычислений и данных диагностики). Значение имеют и регистры — быстродействующие элементы памяти, которые выполняют простейшие команды процессора.

Таким образом, центральная секция предназначена для реализации нескольких важных задач:

• обработки данных, полученных из модулей ввода, и передачи результатов на модули вывода;
• обмена информацией с промышленной сетью и устройствами для программирования контроллера;
• управления обменами с памятью.

Выходная секция

С ее помощью контроллер управляет подключенными системами. В секции происходит выполнение отправленных команд ПЛК, реализуются функции автоматической калибровки и диагностики, преобразуются параметры выводимых данных.

Выходы также подразделяются на три группы. Для нагрузки дискретных выводов могут использоваться лампы, силовые пускатели, индикаторы, соленоиды, пневматические клапаны и реле.

Основная задача аналоговых выходов — преобразование цифровых данных в непрерывный сигнал. Для этого применяются восьми- или двенадцатиразрядные преобразователи. Их мощности вполне хватает для работы на производстве.

Специальные выходы формируют частотно-импульсные или широтно-импульсные сигналы. С их помощью возможно управление специфическим оборудованием.

Принцип действия контроллеров

ПЛК работают в циклическом режиме, который состоит из 4 этапов. После включения прибор готов к выполнению своих функций. Системное ПО делает «опрос входов» для получения нужных данных. Далее включается в работу авторская программа собственника, и ПЛК выполняет указания пользователя. По ее завершении вновь «включается» система. Подобный алгоритм существенно упрощает деятельность пользователя. Для программирования оператору достаточно знать, откуда приходит сигнал и как на него реагировать на выходе.

Разновидности контроллеров

Кроме классификации на основе конструкции ПЛК делятся на группы с учетом выбранных параметров. Могут иметь разное число входов и выходов:

• нано — до 16 каналов (прибор имеет встроенные возможности);
• малые системы — 16–100 входов/выходов;
• большие модели — 300–2000 каналов;
• сверхбольшие устройства — более 2000 каналов.

ПЛК также разделяются по сфере использования: для робототехники, позиционирования и контроля перемещений. Есть общепромышленные, универсальные и коммуникационные установки, а также контроллеры ПИД.

Программирование ПЛК

Ранее программисты и технологи испытывали сложности при взаимодействии в процессе разработки ПО, поскольку ни один специалист не мог доступно объяснить другому особенности своей работы. В связи с этим были внедрены упрощенные технологические языки программирования, одновременно доступные всем специалистам.

Международная Электротехническая Комиссия разработала стандарт МЭК-61131-3, в который включила все последние технологии в сфере программирования для автоматизации производственных процессов.

Документ поддерживает 5 языков программирования:

1. Sequential Function Chart (SFC) — последовательность функциональных блоков. С его помощью можно поэтапно контролировать процессы на базе систем условий, которые передают управление от одной операции к другой.
2. Function Block Diagram (FBD) — функциональные блоковые диаграммы. В процессе программирования можно задействовать наборы библиотечных или собственных блоков.
3. Function Block Diagram (FBD) — основан на релейно-контактных системах. Элементами логики здесь являются обмотки и контакты реле, а также перемычки горизонтального и вертикального типа.
4. Statement List (STL) — продвинутый язык, с помощью которого можно создавать более проработанный код посредством ввода мнемонических обозначений команд. Процесс похож на программирование на ассемблере.
5. Instruction List (IL) — текстовый язык, с помощью которого можно сформировать оптимизированный код для реализации критических секторов программы. В основе заложены переходы по меткам и аккумулятор.

Для удобства программирования контроллеров в 90-е годы была разработана система CoDeSys. Она поддерживает все языки стандарта без привязки к конкретной аппаратной платформе. В ПО заложен большой ассортимент функций: отладка, визуализация, создание человеко-машинного интерфейса. В системе предусмотрена бесплатная лицензия и русифицированная версия, что делает ее одной из самых популярных среди инженеров и технологов нашей страны.

Особенности подбора ПЛК

Учитывая большое количество модификаций, технических возможностей и преимуществ, неудивительно, что у многих пользователей возникают сложности с выбором ПЛК. Для упрощения поиска рекомендуем обращать внимание на следующие параметры:

1. Совместимость с запросами заказчика — устройство должно полностью соответствовать требованиям потребителя, даже если модификация оказалась дороже, чем ожидалось. Крупным производствам потребуются распределенные системы, небольшим предприятиям — моноблочные ПЛК.
2. Устойчивость к внешним воздействиям — резкие температурные перепады, пыль, грязь или попадание на контроллер технологических жидкостей сокращают эксплуатационный ресурс. Для избегания преждевременных поломок можно устанавливать ПЛК в специальных шкафах или приобретать устройства с максимальной защитой корпуса.

Универсальность программируемой среды — контроллер должен одинаково хорошо подходить для разных платформ. Переобучение сотрудников потребует времени и обойдется дороже, чем покупка подходящей модели.