ПЛК

Структура ПЛК (Лекция)

ЗАТРАГИВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

1. Обобщенная структура ПЛК

2. Дискретные входы

3. Аналоговые входы

4. Специальные входы

5. Дискретные выходы

6. Системное и прикладное программное обеспечение

7. Рабочий цикл ПЛК

8. Языки программирования ПЛК

1. Обобщенная структура ПЛК

ПЛК представляют из себя микропроцессорное (МПС) устройство, предназначенное для сбора, преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления. Каждый из них представляет собой вычислительную машину, имеющую некоторое множество входов и выходов.

Обобщенная структура программируемого контроллера

Рис. 1. Обобщенная структура программируемого контроллера

Контроллер отслеживает изменение входов и вырабатывает программно определенное воздействие на выходах. Обладая памятью, ПЛК в зависимости от предыстории событий, способен реагировать по-разному на текущие события. Такая модель соответствует широко известным конечным автоматам. Однако возможности перепрограммирования, управления по времени, развитые вычислительные способности, включая цифровую обработку сигналов, поднимают ПЛК на более высокий уровень.

Первоначально они предназначались для замены релейно-контактных схем, собранных на дискретных компонентах – реле, счетчиках, таймерах, элементах жесткой логики. Принципиальное отличие ПЛК от релейных схем заключается в том, что все его функции реализованы программно. На одном контроллере можно реализовать схему, эквивалентную тысячам элементов жесткой логики. При этом надежность работы схемы не зависит от ее сложности.

2. Дискретные входы

Один дискретный вход ПЛК способен принимать один бинарный электрический сигнал, описываемый двумя состояниями – включен или выключен. На уровне программы это один бит информации. Кнопки, выключатели, контакты реле, датчики обнаружения предметов и множество приборов с выходом типа «сухой контакт» или «открытый коллектор» непосредственно могут быть подключены к дискретным входам ПЛК.

Состояние некоторых первичных приборов систем промышленной автоматики определяется целым цифровым словом. Для их подключения используют несколько дискретных входов.

Системное программное обеспечение ПЛК включает драйвер, автоматически считывающий физические значения входов в оперативную память. Благодаря этому, прикладному программисту нет необходимости разбираться с внутренним устройством контроллера. С точки зрения прикладного программиста дискретные входы это наборы бит, доступные для чтения в ОЗУ.

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. В простейшем случае, для подключения нормально разомкнутого контакта, дискретный вход и сам контакт необходимо подключить последовательно к источнику питания в 24 В. Для питания таких внешних датчиков нужен отдельный источник питания. Иногда источник питания внешнего маломощного оборудования включают в состав ПЛК. Дискретные входы некоторых контроллеров рассчитаны на прием уровней сигналов с напряжениями высокого уровня, в том числе переменного тока (например, в 220... 240 В).

Все современные датчики, базирующиеся на самых разнообразных физических явлениях (емкостные, индуктивные, ультразвуковые, оптические и т.д.), как правило, имеют встроенные первичные преобразователи и не требуют дополнительного согласования при подключении к дискретным входам ПЛК.

3. Аналоговые входы

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.

Для аналоговых входов наиболее распространены стандартные диапазоны постоянного напряжения -10...+10 В и 0...+10 В. Для токовых входов – 0...20 мА и 4...20 мА. Особые классы аналоговых входов представляют входы, предназначенные для подключения термометров сопротивления и термопар. Здесь требуется применение специальных технических решений (трехточечное включение, источники образцового тока, схемы компенсации холодного спая, схемы линеаризации и т. д.). Для достижения хороших результатов измерений должно обеспечиваться высокое качество выполнения монтажа внешних аналоговых цепей.

Практически все модули аналогового ввода являются многоканальными. Входной коммутатор подключает вход АЦП к необходимому входу модуля. Управление коммутатором и АЦП выполняет драйвер системного программного обеспечения ПЛК. Прикладной программист работает с готовыми значениями аналоговых величин в ОЗУ.

Несоответствие физических значений напряжений и токов датчиков уровням входов/выходов контроллера решается применением нормирующих преобразователей или заменой нестандартных датчиков.

4. Специальные входы

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.

5. Дискретные выходы

Один дискретный выход ПЛК способен коммутировать один электрический сигнал. Также как и дискретный вход, с точки зрения программы это один бит информации.

Нагрузкой дискретных выходов могут быть лампы, реле, соленоиды, силовые пускатели, пневматические клапаны, индикаторы и т. д.

Простейший дискретный выход ПЛК выполняется в виде контактов реле. Такой выход достаточно удобен в применении и прост. Однако он обладает характерными недостатками всех реле – ограниченный ресурс, низкое быстродействие, разрушение контактов при работе на индуктивную нагрузку. Альтернативным решением дискретного выхода является электронный элемент – например, схема с открытым коллектором. Наиболее широким спросом пользуются дискретные выходы средней мощности (до 1А, 24В).

Практика эксплуатации доказала нецелесообразность сосредоточения в корпусе ПЛК большого числа силовых коммутирующих элементов. При необходимости управления сильноточными нагрузками применяются выносные устройства коммутации. Таким образом, установка силовых коммутирующих приборов осуществляется максимально близко к нагрузке. В результате, сокращается длина силовых монтажных соединений, снижается стоимость монтажа, упрощается обслуживание, уменьшается уровень электромагнитных помех.

6. Системное и прикладное программное обеспечение

Программное обеспечение универсальных контроллеров состоит из двух частей. Первая часть это системное программное обеспечение. Проводя аналогию с программным обеспечением ЭВМ можно сказать, что оно выполняет функции операционной системы, т.е. управляет работой узлов контроллера, занимается организацией их взаимосвязи, внутренней диагностикой. Системное программное обеспечение ПЛК расположено в постоянной памяти в адресном пространстве центрального процессора и всегда готово к работе. По включению питания, ПЛК готов взять на себя управление системой уже через несколько миллисекунд.

Другая часть программного обеспечения универсальных контроллеров это прикладные программы управления конкретным процессом. Эти программы создаются разработчиком системы управления.

7. Рабочий цикл ПЛК

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, 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 непосредственное управление аппаратными ресурсами. Прикладная программа имеет дело с одномоментной копией значений входов в памяти. Внутри одного цикла выполнения программы, значения входов можно считать константами. Такая модель упрощает анализ и программирование сложных алгоритмов.

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 рис 1.19.

Рис. 2. Рабочий цикл программы ПЛК

В технических характеристиках ПЛК приводится типовое время рабочего цикла. При его измерении пользовательская программа должна содержать 1К логических команд (на языке IL (STL) МЭК 61131-3). Сегодня ПЛК имеют типовое значение времени рабочего цикла, измеряемое единицами миллисекунд и менее. События, требующие быстрой реакции, выделяются в отдельные задачи – задачи обработки прерываний, приоритетность и период выполнения которых можно изменять.

8. Языки программирования ПЛК

На сегодняшний день ПЛК на 90 % являются программным продуктом. Для их программирования в настоящее время используются специализированные языки. Специализация языков ПЛК заключена в упрощении их применения и приближении к предметной области. Контроллеры обеспечиваются средствами визуального прикладного проектирования.


	ПЛК Структура ПЛК (Лекция) ЗАТРАГИВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ 1. Обобщенная структура ПЛК 2. Дискретные входы 3. Аналоговые входы 4. Специальные входы 5. Дискретные выходы 6. Системное и прикладное программное обеспечение 7. Рабочий цикл ПЛК 8. Языки программирования ПЛК 1. Обобщенная структура ПЛК ПЛК представляют из себя микропроцессорное (МПС) устройство, предназначенное для сбора, преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления. Каждый из них представляет собой вычислительную машину, имеющую некоторое множество входов и выходов. Рис. 1. Обобщенная структура программируемого контроллера Контроллер отслеживает изменение входов и вырабатывает программно определенное воздействие на выходах. Обладая памятью, ПЛК в зависимости от предыстории событий, способен реагировать по-разному на текущие события. Такая модель соответствует широко известным конечным автоматам. Однако возможности перепрограммирования, управления по времени, развитые вычислительные способности, включая цифровую обработку сигналов, поднимают ПЛК на более высокий уровень. Первоначально они предназначались для замены релейно-контактных схем, собранных на дискретных компонентах – реле, счетчиках, таймерах, элементах жесткой логики. Принципиальное отличие ПЛК от релейных схем заключается в том, что все его функции реализованы программно. На одном контроллере можно реализовать схему, эквивалентную тысячам элементов жесткой логики. При этом надежность работы схемы не зависит от ее сложности. 2. Дискретные входы Один дискретный вход ПЛК способен принимать один бинарный электрический сигнал, описываемый двумя состояниями – включен или выключен. На уровне программы это один бит информации. Кнопки, выключатели, контакты реле, датчики обнаружения предметов и множество приборов с выходом типа «сухой контакт» или «открытый коллектор» непосредственно могут быть подключены к дискретным входам ПЛК. Состояние некоторых первичных приборов систем промышленной автоматики определяется целым цифровым словом. Для их подключения используют несколько дискретных входов. Системное программное обеспечение ПЛК включает драйвер, автоматически считывающий физические значения входов в оперативную память. Благодаря этому, прикладному программисту нет необходимости разбираться с внутренним устройством контроллера. С точки зрения прикладного программиста дискретные входы это наборы бит, доступные для чтения в ОЗУ. 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. В простейшем случае, для подключения нормально разомкнутого контакта, дискретный вход и сам контакт необходимо подключить последовательно к источнику питания в 24 В. Для питания таких внешних датчиков нужен отдельный источник питания. Иногда источник питания внешнего маломощного оборудования включают в состав ПЛК. Дискретные входы некоторых контроллеров рассчитаны на прием уровней сигналов с напряжениями высокого уровня, в том числе переменного тока (например, в 220... 240 В). Все современные датчики, базирующиеся на самых разнообразных физических явлениях (емкостные, индуктивные, ультразвуковые, оптические и т.д.), как правило, имеют встроенные первичные преобразователи и не требуют дополнительного согласования при подключении к дискретным входам ПЛК. 3. Аналоговые входы 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. Для аналоговых входов наиболее распространены стандартные диапазоны постоянного напряжения -10...+10 В и 0...+10 В. Для токовых входов – 0...20 мА и 4...20 мА. Особые классы аналоговых входов представляют входы, предназначенные для подключения термометров сопротивления и термопар. Здесь требуется применение специальных технических решений (трехточечное включение, источники образцового тока, схемы компенсации холодного спая, схемы линеаризации и т. д.). Для достижения хороших результатов измерений должно обеспечиваться высокое качество выполнения монтажа внешних аналоговых цепей. Практически все модули аналогового ввода являются многоканальными. Входной коммутатор подключает вход АЦП к необходимому входу модуля. Управление коммутатором и АЦП выполняет драйвер системного программного обеспечения ПЛК. Прикладной программист работает с готовыми значениями аналоговых величин в ОЗУ. Несоответствие физических значений напряжений и токов датчиков уровням входов/выходов контроллера решается применением нормирующих преобразователей или заменой нестандартных датчиков. 4. Специальные входы 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. 5. Дискретные выходы Один дискретный выход ПЛК способен коммутировать один электрический сигнал. Также как и дискретный вход, с точки зрения программы это один бит информации. Нагрузкой дискретных выходов могут быть лампы, реле, соленоиды, силовые пускатели, пневматические клапаны, индикаторы и т. д. Простейший дискретный выход ПЛК выполняется в виде контактов реле. Такой выход достаточно удобен в применении и прост. Однако он обладает характерными недостатками всех реле – ограниченный ресурс, низкое быстродействие, разрушение контактов при работе на индуктивную нагрузку. Альтернативным решением дискретного выхода является электронный элемент – например, схема с открытым коллектором. Наиболее широким спросом пользуются дискретные выходы средней мощности (до 1А, 24В). Практика эксплуатации доказала нецелесообразность сосредоточения в корпусе ПЛК большого числа силовых коммутирующих элементов. При необходимости управления сильноточными нагрузками применяются выносные устройства коммутации. Таким образом, установка силовых коммутирующих приборов осуществляется максимально близко к нагрузке. В результате, сокращается длина силовых монтажных соединений, снижается стоимость монтажа, упрощается обслуживание, уменьшается уровень электромагнитных помех. 6. Системное и прикладное программное обеспечение Программное обеспечение универсальных контроллеров состоит из двух частей. Первая часть это системное программное обеспечение. Проводя аналогию с программным обеспечением ЭВМ можно сказать, что оно выполняет функции операционной системы, т.е. управляет работой узлов контроллера, занимается организацией их взаимосвязи, внутренней диагностикой. Системное программное обеспечение ПЛК расположено в постоянной памяти в адресном пространстве центрального процессора и всегда готово к работе. По включению питания, ПЛК готов взять на себя управление системой уже через несколько миллисекунд. Другая часть программного обеспечения универсальных контроллеров это прикладные программы управления конкретным процессом. Эти программы создаются разработчиком системы управления. 7. Рабочий цикл ПЛК 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, 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 непосредственное управление аппаратными ресурсами. Прикладная программа имеет дело с одномоментной копией значений входов в памяти. Внутри одного цикла выполнения программы, значения входов можно считать константами. Такая модель упрощает анализ и программирование сложных алгоритмов. 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 рис 1.19. Рис. 2. Рабочий цикл программы ПЛК В технических характеристиках ПЛК приводится типовое время рабочего цикла. При его измерении пользовательская программа должна содержать 1К логических команд (на языке IL (STL) МЭК 61131-3). Сегодня ПЛК имеют типовое значение времени рабочего цикла, измеряемое единицами миллисекунд и менее. События, требующие быстрой реакции, выделяются в отдельные задачи – задачи обработки прерываний, приоритетность и период выполнения которых можно изменять. 8. Языки программирования ПЛК На сегодняшний день ПЛК на 90 % являются программным продуктом. Для их программирования в настоящее время используются специализированные языки. Специализация языков ПЛК заключена в упрощении их применения и приближении к предметной области. Контроллеры обеспечиваются средствами визуального прикладного проектирования.