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).

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

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 релейно-контактных 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.