ПЛК: классификация, принцип работы, выбор

ПЛК: классификация, принцип работы, выбор

 

Классификация ПЛК

ПЛК - программируемые логические контроллеры (промышленные контроллеры).

Programmable Automation Controller (PAC)

Контроллеры для автоматизации крупных дискретно-непрерывных производств на базе открытых стандартов и сети Industrial Ethernet.

DCS PLC

ПЛК в составе распределённых систем управления (РСУ) для автоматизации крупных опасных непрерывных производств с резервированием ЦПУ, модулей ввода-вывода, блоков питания и полевых шин.

Programmable Logic Controller (PLC)

Программируемые логические контроллеры для автоматического управления преимущественно дискретными операциями (упаковка, инструментальная обработка, конвейерные системы, сборка и т. п.).

Large PLC

ПЛК для автоматизации крупных дискретных производств.

Small PLC

ПЛК для автоматизации небольших производств, OEM-производителей автоматических линий и технологических установок.

NC-based PLC

ПЛК в станках с ЧПУ (в конструктиве стойки ЧПУ).

Motion Controller

Контроллеры для управления сервоприводами в системах управления движением: ЧПУ, контурное управление, позиционирование, синхронизация скорости и положения (электронный редуктор).

PLC-based Motion Controller

Контроллер движения в конструктиве ПЛК.

Drive-based Motion Controller

Контроллер движения в конструктиве сервопривода.

NC-based Motion Controller

Контроллер движения в конструктиве стойки ЧПУ.

Safety PLC

Large Safety PLC

Контроллеры для ПАЗ опасных непрерывных производств.

Small Safety PLC

Контроллеры в системах приборной безопасности травмоопасных машин, представляющих угрозу здоровью и жизни персонала (прессы, станки, роботы и т.п.).

Remote Terminal Unit (RTU)

Управляемые по радиоканалам телеметрические контроллеры для автоматизации удалённо расположенных объектов (компрессорные станции, скважины, канализационные насосные станции и т. п.).

PC-based PLC

ПК-совместимые контроллеры.

Soft-PLC

Программа, реализующий функции ПЛК на базе ПК:

  • Включает PLC систему реального времени
  • Может инсталлироваться на любой ПК с установленной коммуникационной картой для связи с удалёнными входами-выходами (Remote I/O) или картой входов-выходов (PC-based I/O)
  • Использует рабочую память ПК
  • Для сложных задач управления программа может разрабатываться на C/C++ и встраиваться в цикл PLC

Solt-PLC

ПЛК в формате PC-card (PCI, ISA):

  • Устанавливается в свободный слот ПК
  • Запитывается от ПК, но имеет вход для подключения ИБП
  • Имеет встроенную память и слот для расширения памяти
  • Буферная батарейка защищает данные оперативной памяти
  • Работает независимо от CPU компьютера
  • Имеет выход на промышленную шину, может использовать стандартные модули удалённого ввода-вывода
  • Имеет встроенную PLC систему реального времени
  • Может иметь в комплекте OPC-сервер для связи с PC
  • Может иметь в комплекте софт HMI

OPLC

Два-в-одном: PLC + OP в одном корпусе (контроллер в конструктиве операторской панели).

Logic Relay

Интеллектуальные программируемые реле – микроконтроллеры для простейших задач релейной логики (таймеры, часы реального времени, счётчики, компараторы, булевские операции) с ограниченным функционалом (память, количество дискретных входов-выходов, расширяемость, коммуникабельность).

Принцип работы ПЛК

ПЛК предназначены для автоматического управления дискретными и непрерывными технологическими процессами.

Основные принципы работы ПЛК:

  • Цикличность
  • Работа в реальном масштабе времени, обработка прерываний

Цикличность работы ПЛК

В одном цикле ПЛК последовательно выполняет следующие задачи:

  1. Самодиагностика
  2. Опрос датчиков, сбор данных о текущем состоянии технологического процесса
  3. Обмен данными с другими ПЛК, промышленными компьютерами и системами человеко-машинного интерфейса (HMI)
  4. Обработка полученных данных по заданной программе
  5. Формирование сигналов управления исполнительными устройствами

Время цикла

Время выполнения одного цикла программы зависит от:

  • размера программы
  • количества удалённых входов-выходов
  • скорости обмена данными с распределённой периферией
  • быстродействия ЦПУ

Время цикла (время квантования) должно быть настолько маленьким, чтобы ПЛК успевал за скоростью изменения переменных процесса (см. теорию автоматического управления), в противном случае процесс станет неуправляемым.

Watchdog

Строжевой таймер следит за тем, чтобы время цикла не превышало заданное.

Обработка прерываний

По прерываниям ПЛК запускает специальные программы обработки прерываний.

Типы прерываний:

  • Циклические прерывания по времени (например, каждые 5 секунд)
  • Прерывание по дискретному входу (например, по сработке концевика)
  • Прерывания по программным и коммуникационным ошибкам, превышению времени цикла, неисправностям модулей, обрывам контуров

Модули ПЛК

  1. Корзина для установки модулей
  2. Стабилизированный блок питания AC/DC (~220В/=24В)
  3. Центральное процессорное устройство (ЦПУ) с интерфейсом для подключения программатора, переключателем режимов работы, индикацией статуса, оперативной (рабочей) памятью, постоянной памятью для хранения программ и блоков данных
  4. Интерфейсные модули для подключения корзин расширения локального ввода-вывода и распределённой периферии
  5. Коммуникационные модули для обмена данными с другими контроллерами и промышленными компьютерами
  6. Модули ввода-вывода
  7. Прикладные модули (синхронизация, позиционирование, взвешивание и т.п.)

Функции устройств ввода

  1. Электрическое подключение и питание технологических датчиков (дискретных и аналоговых)
  2. Диагностика состояния (обрыв провода, контроль граничных значений, короткое замыкание и т.п.)
  3. Формирование цифровых значений (машинных слов) технологических параметров
  4. Передача этих данных в память ПЛК для дальнейшей обработки

Функции устройств вывода

  1. Электрическое подключение исполнительных устройств
  2. Диагностика состояния (обрыв провода, контроль граничных значений, короткое замыкание и т.п.)
  3. Приём управляющих машинных слов из памяти ПЛК
  4. Формирование управляющих сигналов (дискретных и аналоговых)

Типы устройств ввода-вывода

  • Модули локального ввода-вывода располагаются:
    • в одной корзине с ЦПУ
    • в соседних корзинах в одном шкафу с ЦПУ
    • в корзинах в соседних шкафах в одном помещении с ЦПУ
  • Модули распределённого ввода-вывода (децентрализованная периферия) располагаются удалённо (в другом здании или в поле по по месту управления) и связываются с ЦПУ по промышленной полевой шине. Станции удалённого ввода-вывода могут иметь взрывозащищённое исполнение или повышенный класс защиты корпуса (например, IP67) и устанавливаться без шкафа

Функции коммуникационных модулей

Коммуникационные модули предназначены для обмена данными:

  • с удалёнными модулями ввода-вывода (Profibus, Modbus и др.)
  • с программаторами, панелями оператора (HMI) и другими контроллерами
  • с полевыми устройствами (HART, Foundation Fieldbus и др.)
  • с сервоприводами (SERCOS)
  • с промышленными компьютерами верхнего уровня (Industrial Ethernet и др.)
  • по радиоканалам (GSM, GPRS)
  • по телефонным линиям
  • по Internet (встроенные web-серверы публикуют на своих страницах статусную информацию)

Выбор ПЛК

Выбор платформы автоматизации

Выбор платформы определяет и весь ваш будущий выбор.

ПЛК является первым пунктом в выборе платформы.

Правильный выбор платформы позволяет минимизировать расходы жизненного цикла системы управления:

  • склад запасных частей и сервисное обслуживание
  • обучение и сертификацию обслуживающего персонала
  • приобретение лицензий на средства разработки прикладного ПО
  • интеграцию (бесшовная интеграция)
  • миграцию (переход со старого оборудования на новое)
  • программы и сикдки для ключевых клиентов

Определение количества точек ввода-вывода

Желательно максимально точно определить общее количество точек ввода-вывода (с учётом резервирования), чтобы подобрать ПЛК соответствующей производительности, или заранее предусмотреть модель контроллера с большим запасом по расширяемости.

  • Дискретные входы (стандартные и быстродействующие импульсные)
  • Аналоговые входы для подключения датчиков:
    • токовых (0..20мА, 4..20мА)
    • «напряженческих» (-10..+10В, 0..+10В)
    • термопар и термосопротивлений (способ подключения: 2-х, 3-х или 4-х проводное подключение)
  • Дискретные выходы (мокрый контакт)
  • Релейные выходы (сухой контакт):
    • тип нагрузки (резистивная, индуктивная, резистивно-индуктивная)
    • величина тока (в Амперах)
    • напряжение (~220В, =24В)
  • Аналоговые выходы:
    • токовые (0..20мА, 4..20мА)
    • «напряженческие» (-10..+10В, 0..+10В)
  • Интерфейсы для подключения угловых или линейных датчиков скорости, положения (энкодеров, резольверов, синусно-косинусных)

Определение архитектуры системы управления

  1. Составить список объектов автоматизации (производственных площадок, цехов, участков, технологических линий, подсистем)
  2. Определиться с количеством ПЛК: если объекты управляются независимо друг от друга и вводятся в эскплуатацию поочередно, то можно предусмотреть для них отдельные контроллеры
  3. В зависимости от объёма и скорости обмена данными, территориального расположения объектов управления необходимо выбрать тип и топологию промышленной сети, требуемое коммуникационное оборудование
  4. Для минимизации длины кабельных соединений используются станции распределённого ввода-вывода
  5. Расписать точки ввода вывода по контроллерам, шкафам локального и децентрализованного ввода-вывода, определить количество и типы модулей ввода-вывода с учётом запаса по свободным каналам ввода-вывода
  6. В зависимости от направления обмена данными между ПЛК необходимо правильно выбрать конфигурацию Master – Slave (Ведущий – Ведомый): контроллеры типа Slave не могут обмениваться данными друг с другом

Масштабируемость

Масштабируемость – это возможность подобрать промышленный контроллер оптимальной конфигурации под конкретную задачу (не переплачивая за избыточную функциональность), а при необходимости расширения – просто добавить недостающие модули без замены старых.

Выбор блоков питания

Контроллеры подключаются к стабилизированным импульсным источникам питания. Необходимо аккуратно подсчитать суммарный ток, потребляемый всеми модулями контроллера и подобрать блок питания с соответствующей нагрузочной способностью.

Пример последствий неправильного выбора блока питания

Выходные модули установки приготовления клея для варки целлюлозы иногда отключались и испорченный клей приходилось выбрасывать тоннами. К финскому проекту ни у кого претензий не возникало. Заменили все модули ввода-вывода - не помогло. Грешили на случайные помехи из-за плохого заземления. Оказалось, что в определённых ситуациях (как-бы случайно) срабатывало такое «большое» количество входов и выходов, что суммарный потребляемый ими ток на мгновение превышал допустимый выходной ток блока питания и модули вывода отключались. Заменили блок питания на более мощный и проблема была решена.

Программное обеспечение

  • Очень полезен программный симулятор, с помощью которого можно отладить программу без подключения к ПЛК
  • Удобно, если для программирования ПЛК можно использовать стандартный ноутбук и стандартный кабель (USB или Ethernet)
  • Проще найти программиста, если контроллер поддерживает стандартные языки программирования IEC61131:
    • LD (Ladder Diagram) – графический язык релейной логики
    • IL (Instruction List) – список инструкций
    • FBD (Function Block Diagram) – графический язык диаграмм логических блоков
    • SFC (Sequential Function Chart) – графический язык диаграмм состояний
    • ST (Structured Text) – текстовый язык программирования высокого уровня