История ПЛК

Промышленная автоматизация началась задолго до появления ПЛК. В первой половине XX века автоматизация обычно осуществлялась с использованием сложных электромеханических релейных схем. Однако количество реле и проводов, и соответственно занимаемого ими места было слишком большим. Например, для автоматизации даже простого производственного процесса могут потребоваться тысячи реле! А если в логической схеме нужно было что-то изменить, то это вызывало серьезные проблемы.

Примечание. На базовом уровне электромеханические реле функционируют путем магнитного размыкания или замыкания электрических контактов при подаче напряжения на катушку реле. Эти устройства не вышли из обихода и до сих пор играют важную роль в промышленной автоматизации.

В 1968 году появился первый программируемый контроллер плк, который на промышленных предприятиях заменил сложные релейные схемы. ПЛК был разработан таким образом, чтобы его могли легко программировать инженеры и специалисты АСУ ТП и КИПиА, уже знакомые с логикой реле и схемами управления. Поэтому с самого начала ПЛК можно было программировать с использованием релейной логики, которая была разработана для имитации схем цепей управления. Релейная логика или лестничные диаграммы выглядят как схемы управления, в которых поток энергии течет слева направо через закрытые контакты для подачи питания на катушку реле.

Пример языка релейной логики – LD (Ladder diagram)

Как видите, релейная логика выглядит как простая схема управления, где источники входного сигнала, такие как переключатели, кнопки, датчики и т. д., показаны слева, а источники вывода – справа. Возможность программирования сложных автоматизированных процессов с помощью интуитивно понятного интерфейса, такого как релейная логика, значительно упростила переход от релейной логики к ПЛК. И хотя первые ПЛК были очень ограничены в возможностях, в объеме памяти и скорости, с годами они значительно улучшили свои характеристики. В результате ПЛК помогли упростить проектирование и внедрение промышленной автоматизации.

Виды логических контроллеров

Логические контроллеры бывают нескольких типов:

• для малых систем автоматизации;

• для средних систем автоматизации;

• для больших систем автоматизации.

Логические контроллеры для малых систем автоматизации рассчитаны на 15–100 входов и выходов, которые управляют небольшими машинами, например двигателями. 

Малый ПЛК оснащается следующими компонентами:

– порты последовательной связи, настроенными для подключения к приводам и датчикам по каналам RS-232 или RS-485;

– компактные DIN-реечные корпусы;

– встроенные дискретные и аналоговые входы и выходы;

– встроенный Ethernet порт.

Для лёгкого встраивания в имеющиеся системы управления, малые контроллеры приобретаются отдельными модулями.

Логические контроллеры для средних систем автоматизации рассчитаны на 100–300 входов и выходов. Благодаря им автоматизируется управление сборочными линиями. 

У средних контроллеров следующие особенности:

– большой объём памяти;

– расширенные коммуникационные порты;

– высокая скорость обработки;

– дополнительные устройства ввода/вывода;

– увеличенная мощность ресурсов;

– наличие порта Ethernet для подключения к сетям верхнего уровня;

– учёт реального времени с помощью встроенных часов;

– встроенные дискретные и аналоговые входы и выходы;

– защита от кратковременного перебоя электричества за счёт встроенной батареи.

Промышленные контроллеры для больших систем автоматизации рассчитаны на 300–2000 входов/выходов. Большие ПЛК автоматизируют управление крупногабаритным оборудованием, например турбинами.

Входы и выходы контроллеров бывают трёх типов:

• дискретные;

• аналоговые;

• специализированные.

Дискретные входы работают на приём сигналов от дискретных кнопок, концевиков, термостатов и пр. Для функционирования контроллеров унифицированным напряжением считается 24В. Как только на своём входе контроллер получит импульс, равный обозначенному напряжению, вход является включённым. При этом каждый вход получает лишь один бинарный сигнал, т.е. 1 бит информации, и бывает включённым или выключенным. В иных случаях, когда описание данных не укладывается в 1 бит, применяется одновременно несколько входов.

Дискретные выходы управляют устройствами на основе принципа "включить/выключить". Данные сигналы подаются на лампочки, магнитные пускатели, клапаны.

Аналоговые входы постоянно подают сигнал с различных устройств. Аналоговые сигналы различаются по величине силы тока и напряжения, поэтому для передачи данных применяется показатель напряжения, который может меняться. Программирование контроллеров в подобном случае функционирует с настройкой показателей в зависимости от конкретных физических величин.

Работать с аналоговым входом легче - так сигнал после входа переводится в цифровые данные. Поэтому программирование микроконтроллеров pic считается почти полноценным программированием, которое эксплуатирует свою среду для создания программ.

Аналоговые выходы плавно управляют устройствами. Унифицированные значения для выходных сигналов подобны входным показателям.

Специализированные входы и выходы управляют нестандартными устройствами и датчиками. По специализированным входам/выходам проходят разные сигналы и питание. Не имеют унифицированных значений.

Как работают ПЛК?

ПЛК можно охарактеризовать как небольшие промышленные компьютеры с модульными компонентами, предназначенными для автоматизации процессов управления. Контроллеры присутствуют практически во всей современной промышленной автоматизации. ПЛК состоит из множества компонентов, но большинство из них можно отнести к следующим трем укрупненным категориям:

• Процессор

• Входы

• Выходы

Попробуем описать функцию ПЛК простыми словами. ПЛК принимает входные данные, выполняет логические операции на основе входных значений ЦП (центральный процессор), а затем включает или выключает выходы на основе этой логики. Позже мы углубимся в подробности, а сейчас подумайте об этом так:

1. ЦП контролирует состояние входов (например, включение, выключение датчика приближения, открытия клапана на 40 % и т. д.).

2. ЦП принимает информацию, которую он получает от входов и выполняет логические операции.

3. ЦП устанавливает значения выходов (например, выключение двигателя, открытие клапана и т. д.).

Блок-схема функций ПЛК

Процессор (ЦП), входы и выходы – эти три компонента работают вместе с тем, чтобы принимать входные данные, выполнять логику на входах, а затем активировать/деактивировать выходы.

Воспользуемся примером с тем, чтобы проиллюстрировать, как работают ПЛК. Рассмотрим работу посудомоечных машин, которые оснащены микропроцессорами, аналогичными ПЛК. У посудомоечной машины есть входы, выходы и, конечно же, процессор. Входами контроллера посудомоечной машины могут быть кнопки на передней панели, датчики воды и выключатель загрузочной дверцы. Выходы посудомоечной машины – это водяные клапаны, нагревательные элементы и насосы. Как посудомоечная машина использует эти компоненты:

1. Пользователь нажимает кнопку режима цикла (вход обнаружен)

2. Пользователь нажимает кнопку запуска (обнаружен ввод)

3. ЦП проверяет, что дверь закрыта (вход обнаружен)

4. Заливной клапан открывается, и посудомоечная машина начинает наполняться водой (выход активирован).

5. ЦП ждет, пока не будет достигнут нужный уровень воды (вход обнаружен)

6. Заполняющий клапан закрывается, и поток воды прекращается (выход активирован/деактивирован)

7. Нагревательный элемент включен (выход активирован)

8. ЦП ждет, пока не будет достигнута требуемая температура воды (вход обнаружен)

9. Дозатор мыла открывается (выход активирован)

10. Водяной насос включается, чтобы нагнетать воду через форсунки (выход активирован)

11. ЦП начинает отсчет времени в зависимости от типа цикла (логический таймер активирован)

12. Водяной насос выключается (выход деактивирован)

13. Нагревательный элемент выключен (выход деактивирован)

14. Сливной клапан открывается, посудомоечная машина начинает сливать грязную воду (выход активирован).

15. ЦП ждет пока не обнаружит, что уровень воды достаточно низкий (вход активирован/деактивирован)

16. Дренажный клапан закрывается (выход активирован/деактивирован)

17. Заправочный клапан снова открывается для ополаскивания посуды (выход активирован)

18. Водяной насос включается, чтобы нагнетать воду через форсунки (выход активирован)

19. ЦП начинает отсчет времени (логический таймер активирован)

20. Водяной насос выключается (выход деактивирован)

21. Сливной клапан открывается, и посудомоечная машина начинает сливать воду для полоскания (выход активирован).

22. ЦП ждет пока не обнаружит, что уровень воды достаточно низкий (вход активирован/деактивирован)

23. Дренажный клапан закрывается (выход активирован/деактивирован)

24. Нагревательный элемент включается для нагрева воздуха внутри посудомоечной машины и сушки посуды (выход активирован)

25. ЦП ждет пока не будет достигнута необходимая внутренняя температура (вход активирован)

26. ЦП начинает отсчет времени (логический таймер активирован)

27. Нагревательный элемент выключен (выход активирован/деактивирован)

Дискретный и аналоговый ввод/вывод

Входы и выходы часто обозначаются термином «I/O». В приведенном выше примере с посудомоечной машиной мы рассматривали каждый вход и выход как дискретный или цифровой сигнал.

Дискретные сигналы – это сигналы, которые могут характеризовать только состояние включено или выключено. Это самый простой и распространенный тип ввода-вывода. В нашем примере мы не использовали аналоговый ввод-вывод. Хотя в системе управления посудомоечной машиной может использоваться аналоговый ввод-вывод. Пример: при использовании аналоговых сигналов вместо включения/выключения или открытия/закрытия вы можете оперировать такими данными, как 0 – 100 %, 4 – 20 мА, 0 – 100 градусов Цельсия или что-то еще, что вы измеряете и берете в качестве входного сигнала и управляющего сигнала – в качестве выходного сигнала.

Процессор ПЛК – логика

ЦП является домом для логики ПЛК, памяти и коммуникаций. ЦП – это место, где хранится созданная разработчиком программа автоматизации.

На примере посудомоечной машины мы рассмотрели, как может выглядеть логика программы. Она обнаруживает различные состояния входа и активирует/деактивирует действия выхода. Логику ЦП ПЛК можно также сравнить с мозгом, который принимает входные сигналы (зрение, ощущение, обоняние, вкус, звук) и производит выходные действия (идти, тянуть, брать, говорить и т. д.).

Примечание. Традиционно ПЛК программируются исключительно с использованием релейной логики (LD). Большинство новых программируемых контроллеров автоматизации – PAC (описание ПАК дано чуть ниже) также позволяют программировать на других языках, таких как структурированный текст (ST), последовательная функциональная схема (SFC), функциональная блок-схема (FBD) и список инструкций (IL). Международная электротехническая комиссия (IEC) включила эти пять языков программирования в стандарт IEC 61131-3.

Память ПЛК

Память процессора обычно находится в ЦП, и в ней временно или постоянно хранятся данные и программы ПЛК. Это похоже на память компьютера (ОЗУ или ПЗУ).

Модуль питания

Устройство обеспечивает нужным напряжением и электрической мощностью всю систему: модули ввода-вывода, процессор, аналоговые и цифровые модули. У них есть защита от перегрузок, короткого замыкания, встроенный механизм автоматической регулировки напряжения. Приборы создают гальваническую изоляцию между питанием ПЛК и другими устройствами в системе. В системах с большим количеством модулей ПЛК может потребоваться монтаж нескольких модулей питания для оснащения подходящей электрической мощности.

Особенности логических контроллеров

• алгоритмы для работы контроллеров пишутся на высоких языках релейной логики;

• контроллеры с HMI подключаются к устройству напрямую к портам контроллера и работают при перебоях питания;

• периферия ПЛК приспособлена для управления технологическими процессами;

• простота при использовании и внесении необходимых изменений;

• прочная конструкция.