Определение программируемого логического контроллера и его применение

История создания

В 60 годах 20 века для управления телефонными станциями, промышленным оборудованием использовались сложные схемы с реле. Они не отличались повышенной надежностью или ремонтопригодностью. Инженерам одной из компаний, американской General Motors, была поставлена цель по созданию нового оборудования. Задачи, на которые оно было рассчитано, выглядели так:

1. Упрощение отладки, замены.
2. Относительная дешевизна.
3. Гибкость, удобство модернизации.
4. Снижение риска отказов.

Изобретение, создание микросхем и блоков управления на их основе позволило решить заданные вопросы.

Терминология, объясняющая, что такое ПЛК (PLC), внесена в международные и европейские стандарты качества МЭК, EN.

Что такое контроллер?

Контроллер — управляющее устройство, применяемое в промышленности, на транспорте, в других отраслях и в быту, для автоматического управления оборудованием по заданному алгоритму. Контроллеры широко используются для управления технологическими процессами, поддержания физических параметров объекта управления на заданном уровне и схожих по содержанию задач.

Одним из самых перспективных типов контроллеров на сегодняшний день является электронный программируемый логический контроллер (ПЛК), алгоритмы работы которого описываются программно, хранятся во внутренней памяти контроллера и выполняются встроенным в ПЛК микропроцессором. Взаимодействие электронного контроллера с объектом управления происходит посредством входящих и исходящих электрических сигналов.

Программируемые логические контроллеры имеют относительно простую для понимания архитектуру и широко применяются во встраиваемых системах, системах автоматического контроля, защиты и управления. Конструктивно это, как правило, довольно компактное устройство, состоящее из одного или нескольких соединенных между собой электронных модулей, содержащих разъемы для подачи на контроллер питания и подключения внешних входных и выходных электрических линий, позволяющих контроллеру взаимодействовать с внешним миром.

Структура и устройство ПЛК

Любой плк Siemens или аналогичный, других производителей, ориентирован на выполнение конкретных действий. Микроконтроллер опрашивает блоки ввода информации, чтобы принять решение, сформировать на выходе готовую команду. Упрощенно схема стандартного элемента включает:

• вход;
• центр;
• выход.

Входные цепи образованы набором датчиков (аналоговых или цифровых), переключающих устройств, смарт-систем. В центральном блоке расположены: процессор, обрабатывающий команды, модуль памяти и средства коммуникации. Выходные цепи отвечают за передачу сигнала на моторы привода, вентиляцию, осветительную арматуру. Туда же допускается подключить управляющее смарт- устройство архитектуры ардуино или подобное. Необходимо также выполнить условие подключения ПЛК к цепям питания. Без них устройство работать не будет. Внешний компьютер через унифицированный интерфейс используется для отладки, программирования контроллера.

Принцип работы ПЛК

По сути, микроконтроллер достаточно близок к реле. Только вместо механических контактов и катушек в нем — электронные цепи. Понять принцип действия будет легко любому инженеру, знакомому со схемами, основами электротехники.

Датчик освещенности на входе подает сигнал в блок обработки данных. В нормальном состоянии процессор не реагирует. Как только сенсор определит падение освещения, изменится его сопротивление, центральный блок задействует цепи питания электроламп.

Для управления ПЛК, его программирования используется бытовой ПК. Несколько отдельных микроконтроллеров образуют каскад с усложненными задачами. Системы «умный дом», автоматика включения двигателя насоса для закачки воды в накопительный бак давно содержат в себе подобные блоки.

Сложные микроконтроллерные устройства обеспечивают охрану, защиту периметра (квартиры), включая связь с полицией (владельцем) через модем, подъем тревоги при проникновении нарушителей, разрушении механизма закрытия двери.

Первый этап работы устройства состоит из экспресс-теста задействованного оборудования. Одновременно идет загрузка операционной среды, управляющих программ. Все как в настольном ПК при старте Windows. Предусмотрена пошаговая отработка команд (отладка), при которой допускается мониторинг, корректировка переменных.

Для простоты восприятия рабочий, шаговый режим ПЛК разбит на типовые циклы. Они повторяются во время функционирования устройства. В каждом цикле, «маршрутной карте» заключаются 3 действия:

Сканирование, обращение к внешним датчикам. Запись значений (состояния) в ячейки памяти.

Анализ действующей программы. Внесение требуемых корректив на основании данных предыдущего шага.

Передача результата вычислений на блоки выхода.

Завершается цикл быстрым переходом к первому этапу «урока».

Что такое контроллер управления?

Само слово контролер, буквально обозначает управление. Устройство, называемое контроллер, буквально означает — устройство, предназначенное для управления, чем либо.

Самым простым и понятным примером контроллер компьютера, который управляет внешними устройствами клавиатурой и мышью компьютера.

Чтобы был понятен спектр охватываемых приборов и устройств, именуемых контроллеры, приведу более сложный пример — контроллеры ControlLogix. Эта система на базе одного автономного контроллера и модулями ввода/вывода позволяет осуществлять дискретное управление постоянными процессами, управление приводами, сервоприводами в самых различных комбинациях.

Используются программируемые контроллеры для автоматического контролирования работы машин, процессов упаковки, автоматизации зданий и конвейеров, управления освещением зданий и систем безопасности.

Еще один пример, это контролер умного дома. Это базовое устройство для работы данной системы. Без контроллеров управления не обходится ни одна система «умный дом». К входам контроллера «умного дома» подключаются различные датчики (утечки воды, наличие газа, дыма, датчики движения и т.д.). К выходам прибора подключаются сервоприводы и реле управления, которые в автоматическом режиме могут отключить газ, воду, регулировать и управлять светом дома.

Типы ПЛК

Все ПЛК, выпускаемые Schneider Electric, Mitsubishi, Beckhoff, Omron, Segnetics или Unitronics, четко разделяются по типам. Это же относится к классификации российской продукции, представленной , «Контар», «Текон» и другими. Конструктивно устройства принято обозначать как моноблочные и модульные.

В первом типе содержится полный набор входных, выходных цепей, процессор, источник энергии. Во втором предусмотрена сборка готового ПЛК из отдельных частей. Согласно МЭК 61131, количество и состав модулей варьируются в соответствии с назначением, характеристиками поставляемого заказчику устройства.

Модульный микроконтроллер может управлять посредством Ethernet соединения малопроизводительным собратом, выполняющим специфично назначенные функции (диагностика состояния периметра, безопасность охраняемой зоны). Маломощный адаптер питания в этом случае является отдельным модулем. Обобщенно функциональные возможности второго вида превосходят первый. Но в отдельных ситуациях (микроконтроллер управления чайником Berghof) достаточно моноблочного ПЛК.

Главное достоинство такой конструкции — компактность. При этом полностью завершенная конструкция платы, блока контроллера оборудуется дисплеем и устройством ввода-вывода, кнопочной панелью. Типичный пример — «умный» автоматный моноблок, отвечающий за стабилизацию напряжения.

Из нескольких ПЛК, смонтированных на стандартную рейку, набирается укрупненный узел управления. Первоначально конфигурация микроконтроллеров подразумевала замену существовавших релейных, полупроводниковых схем. Со временем задачи усложнились, но и сохранившиеся ограниченно производительные 8 и 16 разрядные процессоры по-прежнему востребованы в промышленности.

Кулачковые контроллеры

На рисунке ниже изображен поперечный разрез кулачкового контроллера переменного тока:

Перекатывающийся линейный контакт используется в контроллере. Относительно центра О2 может вращаться сменный подвижной контакт 1. Центр О2 расположен на контактном рычаге 2. Контакт соединяется с помощью гибкой связи 4 с выходным зажимом.

Необходимое нажатие и замыкание контактов создается пружиной 5, которая воздействует на контактный рычаг через шток 6. При размыкании контактов кулачок 7 действует на ролик 8. При этом пружина 5 сжимается, а контакты 1 и 3 размыкаются. От профиля кулачковой шайбы 9, приводящей контактные элементы в действие, будет зависеть момент включения и отключения контактов. Дуга, возникающая в момент переключения, не воздействует на контакты благодаря их перекатыванию. Малый износ контактов позволяет увеличить число включений в час до 600 при ПВ = 60%. По обе стороны кулачковой шайбы 9 расположены контактные элементы Ⅰ и Ⅱ, что позволяет резко снизить осевую длину контроллера. Как правило, вдоль оси аппарата располагается несколько контактных элементов, аналогичных рассмотренным. У кулачкового контроллера присутствует механизм фиксации положения вала, такой же, как и в барабанного. В виду облегчения гашения дуги на переменном токе кулачковыми элементами устанавливаются только дугостойкие асбестоцементные перегородки 10, препятствующие перекрытию между полюсами аппарата. В таких случаях установка дугогасительных устройств не обязательна. Если же контроллер отключает цепь постоянного тока, устанавливается дугогасительное устройство, аналогичное применяемому в контакторах.

Рассмотренная нами конструкция контроллера имеет следующую особенность – включение происходит за счет силы пружины, а выключение за счет выступа кулачка. Благодаря такой конструкции контакты удается развести в случае их сваривания. Недостатком применения такой системы является большой момент на валу, создаваемый включающими пружинами при значительном числе контактных элементов.

Возможны также и другие конструктивные выполнения контактов. В одном из них контакты размыкаются под действием пружины, а замыкаются под действием кулачка. В другом случае включение и отключение может происходить при помощи кулачков. Однако такие решения применяются редко.

На рисунке ниже изображена схема пуска асинхронного электродвигателя с фазным ротором при помощи кулачкового контроллера.

Арабскими цифрами обозначены позиции вала аппарата, а римскими – контакты. При пуске «вперед» в работу вступают расположенные справа контактные элементы. Для примера рассмотрим позицию 3. В данной позиции замкнуты контакты Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ. При таком расположении контактов статор машины подключен к сети, а в роторе выведены первые позиции ступеней пусковых резисторов в двух фазах. В положении 5 все контакты замкнуты – ротор электродвигателя полностью закорочен.

Ограничения ПЛК

Не стоит полагать, что наличие программируемого контроллера способно решить все глобальные проблемы пользователя. ПЛК, работающие на основе протоколов Codesys, Modbus (для модульных решений), обладают ограниченной сферой применения. Их выбор обусловлен поставленной задачей. Попытку создать универсальные ПЛК вряд ли можно признать целесообразной.

Подобный ход лишает технологический процесс гибкости. Создание требуемой конфигурации осуществляется комплектацией готового моноконтроллера, согласно проекту заказчика. В исключительных ситуациях проблему решают сборкой мегаустройства из дискретных блоков. Последний вариант предпочтительнее: каждый элемент допускается оборудовать индивидуальным пультом ввода команд, сенсорной панелью, устройством отображения данных.

Роль каналов обмена данными играют кабельные медные шины, оптоволоконная связь. Успешно используются варианты стандартизированных интерфейсов RS-232, RS-485 (кабель), промышленных Profibus или CAN. Не возбраняется коммутация по беспроводным линиям (Wi-Fi).

Место ПЛК в системе управления

Современные контроллеры выполняют несколько функций. Они могут быть «ведущими» или «ведомыми», находиться в центре схемы. Чаще всего они сосредоточены в начальной цепи автоматизации.

До создания миниатюрных интегральных схем рука оператора буквально не успевала переключать режимы на пульте цепи управления. Использование контроллерных блоков «Сегнетикс», «Дельта» и подобных способствовало снятию нагрузки с человека.

Ее переложили «на плечи» машин с выводом на экран данных мониторинга, отображенных в виде мнемосхем и изменяемых параметров. На ПЛК возлагаются задачи по опросу датчиков и регистров, обработке поступающей информации.

Без микроконтроллеров не было бы РСУ, АСУ, сложных автоматных комплексов управления технологическими процессорами. Используя сетевой трафик, ПЛК анализируют данные, успевая проверять состояние портов входа. Главный недостаток, особенность микроконтроллеров состоит в необходимости прошивки, создания программы для работы.

Впрочем, его следует воспринимать двояко: индивидуально создаваемое ПО позволяет проектировать узкоспециализированные изделия под конкретные задачи.

Принцип работы контроллеров

Контроллеры оборудованы большим количеством входов и выходов, куда подключаются всевозможные ключи, датчики и прочие исполнительные механизмы. В целом, все эти элементы соединяются с объектом управления и производят работу в реальном времени.

Работа контроллера, в целом, очень похожа на действие обыкновенных микропроцессоров. Для каждого универсального логического контроллера предусмотрено две части программного обеспечения. Одна из них является системной частью и, фактически, представляет собой операционную систему. Она позволяет осуществлять управление всеми узлами контроллера, выполнять внутреннюю диагностику и обеспечивать взаимосвязь всех составных частей. Операционная система располагается в собственной памяти, находящейся в центральном процессоре, и находится в постоянной готовности к работе.

Вторая часть включает в себя прикладную программу, которая занимается непосредственным управлением. Она может быть настроена на любые необходимые действия, после завершения которых управление вновь переходит на системный уровень.

Основы программирования ПЛК. Реле и контроллер‌‌

Возможность программирования, безусловно, является главным достоинством систем с ПЛК. Чтобы сделать восприятие процесса предельно понятным, разработчики изобрели визуальное отображение управляющих цепей в виде релейных контактных блоков.

На профессиональном языке такой метод обозначается аббревиатурой LD (logo LAD). В дальнейшем работа ПЛК представляется как взаимодействие отдельных логических элементов. Они выполняют действия таймеров, релейных ячеек, счетчиков. Считается, что благодаря подобной унификации, освоить принципы программирования может каждый. Причем независимо от профильной профессии.

Как сделать правильный выбор

При выборе контроллера следует обратить внимание на его размер, уровень автоматизма, самоконтроля и точность управления. Последний пункт легко проверить по отзывам.

Существуют очень дорогие контроллеры для больших и многофункциональных систем умного дома. Но всегда можно найти аналог дешевле, и соответственно, с менее широкими возможностями.

Также важно обратить внимание на функционал. Не все контроллеры могут выполнять эти действия:

• управление освещением в доме, в дополнительных сооружениях и на приусадебном участке;
• контроль над температурой и влажностью воздуха;
• открытие и закрытие окон, дверных проёмов;
• контроль над охранной системой (камеры видеонаблюдения, сигнализации);
• управление электропитанием, автоматическое отключение розеток;
• включение телевизора и аудиосистемы;
• контроль над стиральной и посудомоечной машиной;
• наблюдение за детьми и домашними животными.
  Читайте также:  Класс точности — важнейшая характеристика трансформатора тока

Языки программирования ПЛК

Создатели микроконтроллеров обеспечили взаимодействие разрабатываемых устройств с несколькими универсальными языками программирования. Условно их разделяют на графические и текстовые. Это допускает компиляцию готового программного продукта из блоков, созданных на разных языках.

Обманчивая простота программирования скрывает трудности, с которыми обязательно столкнется излишне самоуверенный инженер. Составить простейшие команды под силу неопытному пользователю. Для реализации сложных понадобится получение специальных навыков.

Удаленное управление и мониторинг

Различные интерфейсы управления встраиваются в контролеры уже на стадии проектирования. Предусмотрена синхронизация с АСУ (SCADA и подобные). Оператор контактирует с ПЛК посредством интегрированной панели, устройства ввода-вывода, либо удаленно. Для этого по помехозащищенному каналу, кабельной сети к блоку подключается HMI, специализированный интерфейс взаимодействия между человеком и машиной.

Каким из доступных способов выполнить реализацию, с помощью простейшего клавиатурного модуля или сенсорной панели — решать заказчику. В последнее время активно используются «облачные» хранилища, виртуальные серверы. Не остаются в стороне и стандартные, Intranet (локальные) и Internet (внешние) подключения.

Реализация веб-интерфейса допускается также и без проводов, в сети Wi-Fi. Описанные методы невероятно расширяют возможности оператора. Упрощают контроль работающего комплекса ПЛК.

Принцип работы

С помощью контроллера для умного дома автоматизируются многие привычные процессы. Для этого можно оставить данные, которые были установлены по умолчанию, либо настроить систему конкретно под свои нужды. Так, следует запланировать выполнение различных действий в конкретные временные рамки, установив график работы приборов.

Централизованный и децентрализованный комплекс

Существует два вида системы управления:

1. Централизованная. Умным домом управляет только один контроллер, обладающий подходящим функционалом. В пластиковый корпус встроен мини-компьютер с собственной ОС. В его комплектацию может входить GSM-модуль (для удалённого доступа) и сенсорный экран с кнопочным веб-интерфейсом. Есть все необходимые для подключения к сети разъёмы.
2. Децентрализованная (региональная). Используется более одного контроллера. Каждый из них отвечает ограниченному функционалу и контролирует работу похожих приборов или приборов, находящихся в определённой комнате. Встроенные электронные логические блоки не имеют собственной ОС. Исполняются простейшие сценарии действий.

Централизованная система, как правило, более функциональна, нежели региональная.

Варианты подключения

Подключить контроллер к сети умного дома можно следующими способами:

1. Беспроводная локальная связь. Такой тип связи может базироваться на радиосигнале, сети Wi-Fi или Bluetooth. Следовательно, радиус действия ограничен. Управление возможно из любой части дома и территории рядом с ним. Но возникнут проблемы, если дом имеет несколько этажей или обшит материалом, который портит качество сигнала. В этих случаях понадобится встраивать дополнительные радиоточки или приборы, которые улучшат качество сигнала.

2. Удалённая беспроводная связь. Связь возможна только при соединении контроллера умного дома с глобальными сетями, системами расширения связи. Например, можно использовать GSM, GPRS и мобильный интернет. Так, данные о состоянии умного дома будут просматриваться с телефона, компьютера, ноутбука и планшета.
3. Проводная локальная связь. Данный способ уже редко используют, несмотря на его достоинства. Он подходит для любого контроллера. Связь проходит с помощью кабеля или электрической проводки. Далее применяется сетевой коммутатор (устройство для соединения разных узлов компьютерной сети).

   
   Управление будет осуществляться с помощью компьютера или кнопок, расположенных на сенсорной/механической панели управления.

4. Проводная удаленная связь. Такой способ является наиболее дорогим, потому что требует проложенных кабелей специально для умного дома. Связь проходит при помощи специальных программ, установленных на компьютер. Это удобно только для государственных учреждений и промышленных предприятий. Для дома проводная удалённая связь применяется очень редко.

Советуем прочитать: пошаговая инструкция о том, как самому сделать солнечную батарею.

Применение контроллеров

Современный ПЛК, недорогой и надежный, находит применение в ПИД-регуляторах, счетчиках типа «Меркурий», промышленных устройствах серии DVP. Компактность блоков позволяет встраивать их в бытовую технику, монтировать в щитах и шкафах совместно с прочим электрооборудованием.

Энкодер, подключенный к контроллеру, применяется в автомобилестроении, реагируя на изменение угла поворота руля. Удобно использовать ПЛК при создании комплексов с ЧПУ, автоматизированных систем запуска аварийной откачки сточных вод в канализации. Видеонаблюдение, интегрированное в охранный пост, создаст полноценный обзор зоны наблюдения для оператора.

Все требуемые данные при этом будут сохранены на носителе информации (переданы в сеть), а в случае опасности сигнал тревоги будет подан автоматически. Цепочке контроллеров под силу управлять работой цеха металлообработки, пошивочной мастерской. В домашнем варианте ПЛК без участия человека включит свет, накачает воду из колодца в бак до требуемого уровня.

Барабанные контроллеры

Ниже на рисунке показан контактный элемент контроллера.

Сегментодержатель 2 закреплен на валу 1 с подвижным контактом (сегментом) 3. От вала сегментодержатель изолирован бакелитизированной бумагой 4. На изолированной рейке 6 располагают неподвижный контакт 5. На неподвижный контакт 5 набегает сегмент 3 при вращении вала 1. Таким образом осуществляется замыкание цепи. Пружина 7 обеспечивает необходимое нажатие контакта. Вдоль вала располагается большое количество контактных элементов. Между собой могут соединяться сегментодержатели соседних элементов, создавая необходимую электрическую схему. Различной длиной сегментов достигается последовательность замыкания различных цепей. С помощью звездочки и защелки фиксируется положение вала.

Барабанный контроллер имеет малую износоустойчивость контактов, из-за чего имеет ограниченное количество включений в час (240). Барабанный контроллер применяется в системах с редким включением/отключением элементов электрической цепи.

Производители ПЛК

На рынке представлены компании из России, США, ФРГ, Японии. Это Texas Instruments, Carel, Delta Electronics, Schneider Electric, Mitsubishi, Beckhoff, Omron, Segnetics, Unitronics. Отечественную продукцию представляют марки «Овен», «Контар», «Текон».

Выбор конкретного решения зависит от предъявляемых заказчиком требований, условий работы. А чтобы разобраться, чем ПЛК100, ПЛК110 отличается от ПЛК160, ПЛК323 потребуется обладание квалификацией, возможно — консультации специалистов.

На что обращать внимание при покупке

До приобретения ПЛК нужно кое-что уточнить. Вот эти факторы:

Универсальность программной среды. Единые языки для всех аппаратных платформ.

Наличие контролеров с распределенным, интегрированным вводом-выводом.

Реализация связи ПЛК со стационарным компьютером.

Специализированное оборудование. Это микросистемы, ориентированные на работу с облачным сервисом (вариант оповещения по мобильной связи, почте).

Открытая архитектура отдельных ПЛК.

Данный перечень создает направление для движения как покупателей, так и производителей. Какой из перечисленных критериев окажется в приоритете, решает заказчик. С дружественным ПО эксплуатация станет удобнее. Так утверждают опытные инженеры-наладчики.

Что же выбрать

ПЛК 110 «Овен» или Simatic s7 производства «Сименс», Modicon m340, Segnetics trim5 четко подчинены встроенной инструкции. Работают по разработанному производителем алгоритму. Программное обеспечение разных марок не всегда совместимо, это учитывается при модернизации (замене) или комплектации технологических цепочек средствами автоматизации.

Кому-то термины step7, ms4, opc, pixel ни о чем не говорят. Разобраться с каталогом, обилием информации помогут специалисты. Расшифровка обозначения микроконтроллера, выбор программы ПЛК для человека неосведомленного станут непосильной задачей. Отличие, оценка, сравнение представленных решений также достаточно сложны, чтобы приступать к ним без подготовки.

Выбрать свой прибор помогут отзывы, обзоры, опыт эксплуатации владельцев контроллеров. Нужный микронтролллер — не обязательно дорогой. Цена определяется выполняемыми функциями, маркой прибора. Описание, настройка параметров приводятся в паспорте устройства.

Там же находится перечень портов ввода-вывода, краткое пособие как подключать изделие. Для отдельных типов может понадобиться преобразователь напряжения, его характеристики производитель обязан указать в руководстве по эксплуатации. А хороший контроллер — тот, который справляется с поставленными задачами.