Программируемые логические контроллеры

Технически контроллеры выполняются по-разному. Это может быть механическое устройство, пневматический или гидравлический автомат, релейная или электронная схема, или даже компьютерная программа.

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) реализуют систему булевых функций и представляют собой программно-настраиваемую модель цифрового управляющего автомата (рис. 47).

В памяти программ производится запись алгоритма управления в виде последовательности строк, содержащих булевые функции. В ОЗУ записываются состояния одноразрядных (битовых) входов, выходов и внутренних элементов. Сигналы от датчиков через устройство связи с объектом (УСО), осуществляющие нормализацию и масштабирование, поступают на входной регистр, а управляющие команды хранятся в выходном регистре и через УСО воздействуют на объект.

Рис. 47. Структура ПЛК

ПЛК функционирует в циклическом режиме: МП (микропроцессор) в соответствии с программой ЗУП моделирует конкретную релейную схему (булевые уравнения) системы управления, опрашивает все входы, производит логическое сравнение состояний входов и выходов и по результатам сравнения управляет теми ли иными исполнительными устройствами. МП последовательно строка за строкой опрашивает ЗУП, последовательно вычисляет системы булевых функций, заданной в программе, и заносит вычисленные значения в память данных по окончании опроса всего ЗУП. Управляющее устройство (УУ) организует обмен данными между входными и выходными регистрами в ОЗУ. Далее процесс опроса памяти и обмена данными периодически повторяется.

Пульт управления загрузкой программ выполняется в виде автономного и переносного устройства, подключаемого к ПЛК в целях набора требуемых программ с клавиатуры и запоминания их в ЗУП.

ПЛК представляет собой вычислительную машину, имеющую некоторое множество входов и множество выходов (рис. 48). Контроллер отслеживает изменение входов и вырабатывает программно определенное воздействие на выходах. Обладая памятью, ПЛК способен реагировать по-разному в зависимости от предыстории. Такая модель соответствует широко известным конечным автоматам. Однако возможности управления по времени, развитые вычислительные способности, включая цифровую обработку сигналов, поднимают ПЛК на более высокий уровень.

Рис. 48. Схемотехническая реализация ПЛК

Один дискретный вход ПЛК способен принимать один бинарный электрический сигнал, описываемый двумя состояниями – включен или выключен. На уровне программы это один бит информации – ИСТИНА или ЛОЖЬ.

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.

Некоторые первичные приборы систем промышленной автоматики имеют более двух состояний. Для их подключения используют несколько дискретных входов. Например, автоматические электронные весы способны контролировать пороги допуска. Они имеют два выхода – меньше нормы и больше нормы. Вес объекта определяется двумя битами информации: 01 – меньше, 00 – норма, 01 – больше, 11 – неисправность прибора. Используя n отдельных входов можно закодировать 2ⁿ состояний. Как правило, в прикладной программе ПЛК соответствующие биты объединяют в отдельную «дискретную» переменную.

Дискретные входы применимы, если можно выделить несколько определяющих значений непрерывной физической величины или хода процесса.

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.

Аналоговый электрический сигнал отражает уровень напряжения или тока, аналогичный 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. АЦП более высокой разрядности не оправдывают себя, в первую очередь, из-за высокого уровня индустриальных помех, характерных для условий работы контроллеров.

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 аналогично дискретным входам.

Мощное вычислительное ядро современных ПЛК делает их очень похожими на компьютеры. Однако ПЛК это не компьютер, а специфическая технология управления процессами. Она включает специфическую аппаратную архитектуру, принцип циклической работы и специализированные языки программирования. Программирование ПЛК осуществляется людьми, хорошо знающими прикладную область, но не обязано являющимися специалистами в математике.

Существуют программы имитирующие работу ПЛК на компьютере. В этом случае удается совместить на одной машине контроллер, средства программирования и визуализации. Недостатком такого решения является значительное время восстановления при сбоях и повреждениях. Перезагрузка операционной системы (ОС) и запуск прикладной задачи может занимать несколько минут. Переустановка и настройка ОС, драйверов оборудования и прикладных программ требует значительного времени и высокой квалификации обслуживающего персонала. Системное программное обеспечение ПЛК расположено в постоянной памяти в адресном пространстве центрального процессора и всегда готово к работе. При включении питания ПЛК готов взять на себя управление системой через несколько миллисекунд. В силу дешевизны, надежности и простоты применения ПЛК доминируют на нижнем уровне систем промышленной автоматики. Они обеспечивают непосредственное управление оборудованием на переднем крае производства.

Регулирующие микроконтроллеры

Регулирующие микроконтроллеры (РМК) имеют в своем составе: МХ – мультиплексор; ГР – гальваническую развязку; АЦП (ЦАП) – аналого-цифровой (цифро-аналоговый) преобразователь; ДЦП (ЦДП) – дискретно-цифровой (цифро-дискретный) преобразователь; БС – блок сопряжения (рис. 49).

РМК содержит УСО или средства ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов. Особенность построения РМК состоит в том, что основные алгоритмы регулирования записываются в память РМК при его изготовлении на заводе. ДЦП (ЦДП) выполняют функции согласования уровней логических сигналов, принятых в ремиконте, с уровнями дискретных сигналов.

РМК имеет внутреннее программное обеспечение (ПО) и не требует внешних программных средств (операционной системы, транслятора, ассемблера и др.). Внутренне ПО РМК состоит:

1) из диспетчера рабочих программ, координирующего весь процесс вычислений в реальном времени;

2) рабочих программ, реализующих алгоритмы управления, программы обслуживания панели оператора;

3) диагностической программы, контролирующей безотказность аппаратных и программных средств, указывающей место неисправности, сигнализирующей об этом оператору или вводящей автоматические резервные блоки взамен отказавших.

Рис. 49. Структура РМК

РМК может работать в автономном режиме и связываться с ЭВМ верхнего уровня и интерактивными средствами представления данных.

Контрольные вопросы

1. Нарисуйте техническую структуру ГПС.

2. Объясните работу структурно-функциональной схемы управления ГПС.

3. Какие автоматизированные системы входят в систему обеспечения функционирования ГПС?

4. Назовите стратегии диспетчеризации ГПС.

5. Программируемые контроллеры и их типы.

6. В чем особенность работы программируемого логического контроллера?

7. Какова структура логической работы программируемого логического контроллера?

8. Опишите состав регулирующих микроконтроллеров.

9. Нарисуйте структуру регулирующих микроконтроллеров.