Время реакции ПЛК на изменения входных сигналов


СОДЕРЖАНИЕ:

Прогон программы

Р аботу программы ПЛК можно рассматривать как непрерывно выполняемый цикл, что иллюстрирует рис. 2.2 (о). Инструкции пользователя выполняются последовательно, и когда выполнена последняя, то работа вновь начинается с первой. Таким образом, ПЛК не имеет постоянной связи с внешним миром, а действует скорее как «кинопроектор с закольцованной лентой».

Работа ПЛК, представленная на рис. 2.2 (а), называется прогоном программы, а период цикла — временем прогона, которое зависит от размера программы и быстродействия процессора. В среднем время прогона обычно составляет 10—50 мс, что соответствует 2—5 мс на килобайт программы.

На рис 2.2 (6) работа ПЛК поясняется более детально. ПЛК не считывает входные данные по мере необходимости (как ясно из рис. 2.2 (а)), поскольку это было бы расточительной тратой времени. В начале прогона программы он опрашивает состояние всех подключенных входов и запоминает их состояния в памяти. Если программа ПЛК получает доступ к входным данным, она считывает те значения, которые имели место в начале текущего прогона.

В течение прогона программы выходные данные также временно не изменяются. ПЛК сначала отводит для этих данных определенную область памяти, и только в конце прогона программы все выходные данные обновляются одновременно. Следовательно, цикл работы таков: чтение входных данных, прогон программы, обновление выходных данных.

Память ПЛК можно считать состоящей из четырех областей, как показано на рис. 2.2 (в). Входные данные считываются в соответствующую виртуальную область в начале прогона программы, а обновление выходных данных производится из аналогичной виртуальной области в конце прогона. Имеется также область памяти, зарезервированная для внутренних сигналов, используемых программой, но не связанных непосредственно с внешним миром (сигналы таймеров, счетчиков, биты памяти, например, отведенные для сигналов неисправности и т. д.). Эти три области часто упоминаются как таблица данных (в ПЛК Allen Bradley) или база данных (в ПЛК ASEA/ABB).

Эта область памяти меньше, чем можно было подумать. ПЛК средних размеров имеет около 1000 входов и выходов. При запоминании этих сигналов отдельными битами это соответствует немногим более 60 ячейкам памяти в ПЛК с 16-битовым словом. Аналоговый сигнал, поступающий от объекта или посылаемый к объекту, будет занимать одно слово. Таймеры и счетчики будут использовать Два слова (одно для значения и одно для предварительной установки), а 16 бит внутренней памяти — всего одно слово. Большая часть памяти, следовательно, отводится под четвертую область, где хранится собственно программа.

Время прогона программы явным образом ограничивает скорость изменения сигнала, воспринимаемого ПЛК На рис. 2.3 (а) ПЛК ис-

пользуется для подсчета последовательности импульсов, причем частота следования импульсов меньше частоты прогона программы. Подсчет выполняется правильно. На рис. 2.3 (б) частота следования импульсов больше частоты прогона программы, и ПЛК начинает пропускать отдельные импульсы. В случае же, изображенном на рис. 2.3 (в), полностью игнорируются целые группы импульсов.

В общем случае любой входной сигнал, который воспринимает ПЛК, должен иметь длительность больше, чем время прогона; более короткие сигналы могут быть считаны, только если они появляются в нужное время, но этого нельзя гарантировать. Если наблюдаются серии импульсов, то частота их следования должна быть меньше, чем 1 / (2 х период прогона). ПЛК с периодом прогона 40 мс теоретически способен отслеживать последовательность импульсов с частотой 1 / (2 х 0.04) = 12.5 Гц. На практике, однако, значительное влияние могут оказывать другие факторы, такие как наличие фильтров во входных платах, поэтому при оценке скорости изменения сигналов всегда следует соблюдать осторожность.

Менее очевиден факт, что при прогоне программы ПЛК иногда может появиться «сдвиг» между входным и выходным сигналами. На рис. 2.4 входной сигнал должен привести к «немедленному» появлению выходного. В лучшем случае, представленном на рис. 2.4 (о), входной сигнал поступает как раз в начале прогона, что приводит к появлению сигнала на выходе спустя один период прогона. На рис. 2.4 (б) входной сигнал поступает уже после того, как были опрошены все входы, поэтому один целый прогон будет пропущен, пока ПЛК «увидит» этот входной сигнал, и пройдет еще один прогон, прежде чем появится сигнал на выходе. Поэтому реакция ПЛК может занимать от одного до двух периодов прогона.

В большинстве практических приложений сдвиг в несколько десятков миллисекунд не является существенным (его, например, нельзя заметить в реакции объекта на нажатие пусковой кнопки). Однако если требуется быстродействие, этот сдвиг может быть критическим фактором. В типичном примере, с которым довелось столкнуться автору, материал, двигавшийся со скоростью 15 м/с, разрезали на куски с помощью автоматической системы с ПЛК, причем сигнал на ПЛК поступал от фотоэлемента. При времени прогона в 30 мс отклонение от требуемой длины отрезаемых кусков составляло 0,03 х 15 000 = 450 мм.

Производители ПЛК поставляют специальные платы (которые по праву можно было бы назвать небольшими процессорами) для работы в системах, где требуется высокое быстродействие. К этому вопросу мы вернемся в разделах «Замкнутая система управления» и «Специализированные управляющие процессоры».

Нежелательные задержки могут появиться, если структура программы ПЛК такова, что логика ее выполнения выстроена против направления прогона. При каждом прогоне выполнение программы начинается с первой инструкции, и все остальные инструкции выполняются последовательно до конца программы. Только после этого программа производит обновление выходов, переходит к чтению входов и выполняется еще раз.

На рис. 2.5 (а) вход вызывает изменение выхода, но прежде для этого должны быть выполнены пять шагов (это может быть, например, пошаговая работа счетчика или проверка некоторых заданных условий). Логика программы, однако, выстроена против направления прогона. При первом прогоне вход вызывает событие А. При следующем прогоне событие А вызывает событие Вит. д., пока после пяти прогонов событие D не приведет к изменению выхода. Если же структура программы имеет вид рис. 2.5 (б), то вся последовательность событий займет всего один прогон.

Недостаток схемы на рис. 2.5 (а) очевиден, но аналогичный эффект (задержка) часто может возникнуть и тогда, когда структура программы недостаточно продумана. С другой стороны, этот эффект можно использовать преднамеренно для формирования очень коротких импульсов (данная проблема обсуждается в разделе «Аварийная сигнализация»).

Проблемы, связанные с временем прогона, могут стать еще более серьезными, если в системе используются удаленные стойки с последовательно опрашиваемыми входными/выходными платами. Связь с этими стойками осуществляется с помощью опрашивающего устройства, как показано на рис. 2.6, но работа этого устройства обычно не синхронизирована с прогоном программы. В этом случае, если, к примеру, время прогона равно 30 мс, а цикл работы опрашивающего устройства составляет 50 мс, наиболее быстрая реакция займет 30 мс, а наиболее медленная — 130 мс (при условии, что чтение входов пропускает начало опроса, а начало опроса пропускает прогон программы).

Производители ПЛК предлагают много способов, позволяющих уменьшить влияние времени прогона. Из них можно отметить настраиваемые быстродействующие входные/выходные платы (см. разделы Замкнутая система управления и Специализированные управляющие процессоры) и возможность разбиения программы на секции с различными временами прогона (например, для сигнальных ламп, возможно, будет достаточно времени реакции 0.5—1 с, тогда как другие части программы могут выполняться намного быстрее). Более подробно методы минимизации времени прогона программ ПЛК рассматриваются в разделе Сокращение времени прогона программы.

Определение и описание программируемого логического контроллера

Любая машина, способная автоматически выполнять некоторые операции, имеет в своем составе управляющий контроллер – модуль, обеспечивающий логику работы устройства. Контроллер – мозг машины. Поэтому чем сложнее логика машины, тем умнее должен быть контроллер.

ПЛК представляют собой микропроцессорные устройства, предназначенные для выполнения алгоритмов управления. Принцип работы ПЛК заключается в сборе и обработке данных по прикладной программе пользователя с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства.

ПЛК предназначен для работы в режиме реального времени в условиях промышленной среды и должен быть доступен для программирования неспециалистом в области информатики.

Рисунок 1

ПЛК применяется для автоматизации технологического процесса. Контроллер собирает от полевых устройств информацию, обрабатывает ее с помощью имеющейся в нем программы и на основании вычисленных данных управляет исполнительными механизмами.

Режим реального времени на основе работы реле

Вспомним работу обычного релейного коммутатора, на принципе действия которого покажем работу в режиме реального времени, так как целью использования контроллера является физическое замещение реле.

В принципе реле – это выключатель, использующий электромагнитное поле. Подайте напряжение на катушку и получите магнитное поле, которое притягивает контакты реле, следствием чего является соединение двух контактов. В сущности, основное назначение реле – дать возможность току протекать между двумя контактами.

Рисунок 2

Рассмотрим цепь RL (рисунок 2). В зависимости от характеристики тока на катушке будет меняться магнитное поле на сердечнике, которое управляет переключателем S2.

Установившийся ток в этой цепи будет определяться только ЭДС Е и резистивным сопротивлением R (внутреннее сопротивление), т.к. после окончания переходного процесса i = const и uL = Ldi/dt = 0, т.е. iy = E/R.

Полный ток в переходном процессе:

Для определения постоянной I найдем начальное значение тока. До замыкания ключа S1 ток, очевидно, был нулевым, а т.к. подключаемая цепь содержит индуктивность, ток в которой не может измениться скачкообразно, то в первый момент после коммутации ток останется нулевым. Отсюда

Подставляя найденное значение постоянной I в выражение для тока, получим

Из этого выражения можно определить падения напряжения на резисторе uR и индуктивности uL

Из выражений (1) – (3) следует, что ток в цепи нарастает по экспоненте с постоянной времени = L/R от нулевого значения до значения Е/R (рисунок 3). Падение напряжения на сопротивлении повторяет кривую тока в измененном масштабе. Напряжение на индуктивности в момент коммутации скачкообразно возрастает от нуля до Е, а затем снижается по экспоненте.

Рисунок 3

Подставляя выражения (3) в уравнение Кирхгофа для цепи после коммутации, можно убедиться в его справедливости в любой момент времени

Исходя из вышесказанного, изменение параметров схемы при подачи/отключении питания в реле происходит через определенный промежуток времени, который обычно составляет около 10 – 50 мс.

Этот принцип действия используется и в определении режима реального времени, который определятся как отклик системы на определенное воздействие за строго определенное время Δt.

Обычно Δt может быть установлено в ПЛК от 3 мс.

Идеальный ПЛК

Контроллер должен вырабатывать на своих выходах сигналы, которые определяются по заданному алгоритму на основании мгновенных значений входных сигналов и их предыстории. В идеальном мире время от изменения входов до соответствующей ответной реакции должно быть равно нулю. То есть идеальный контроллер должен обладать идеальным быстродействием, он должен успевать реагировать на импульсы бесконечно малой длительности. В современной математике создан аппарат, позволяющий моделировать и исследовать такие устройства, но физически изготовить такой контроллер невозможно. Даже если создать контроллер аппаратно, например, реализуя его алгоритм работы на интегральных микросхемах, то все равно абсолютного быстродействия достигнуто не будет. Мы сможем реагировать очень быстро и фиксировать очень короткие импульсы, но, безусловно, не бесконечно малые. Причем, очевидно, что с ростом сложности алгоритма и, соответственно, числа элементов схемы время реакции будет возрастать.

Образцовый ПЛК

К счастью, на практике от контроллера и не требуется сверхбыстрых реакций. Например, силовое реле нет смысла переключать чаще, чем один раз в 100 мс, его контакты просто физически не успеют переключиться. То есть логично сразу отказаться от игр с бесконечно малыми временами и выделить контроллеру разумное время на принятие решения. Получается следующая модель:

1) снимаем мгновенное значение входов;

2) спокойно думаем, считая, что значение входов еще не изменилось;

3) выбираем значения для выходов.

Это есть не что иное, как хорошо знакомый нам рабочий цикл контроллера. Очевидно, что если контроллер будет работать быстрее, чем управляемые им процессы, то он сможет полностью выполнять свои функции. Остается точно определиться, насколько быстрее.

Теоретически доказано, что если произвольный сигнал не содержит частот выше f, то он может быть полностью восстановлен, если известны его мгновенные значения, взятые через равные промежутки времени f/2 (теорема Котельникова). Для логических сигналов это означает, что нам достаточно выбрать самый короткий импульс, на который мы должны реагировать, и сделать наш рабочий цикл вдвое короче. То есть, если мы имеем дело с силовым реле, то необходимо и достаточно иметь рабочий цикл, равный 50 мс. Делать его короче нет смысла.

Поскольку мы очень часто имеем дело с многомерными (взаимосвязанными) сигналами (например, положениями узлов или фазами сети), то возникает требование снимать значения входов в один момент времени и устанавливать значения на выхода столь же согласованно. На практике это опять же делается не мгновенно, но достаточно быстро, причем обеспечение нужной скорости является проблемой изготовителя контроллера, который должен применить соответствующие программно-аппаратные решения.

Тот факт, что значения входов не изменяются в ходе выполнения прикладной программы, является очень важным. Это принципиально снимает проблему синхронизации различных частей программы. Один раз оценив значение некой входной переменной, мы можем гарантированно использовать ее во множестве вычислений без вспомогательных переменных, без повторных проверок, без риска вызвать ошибку исполнения или бесконечный цикл. Практически программа работает не напрямую с входами и выходами контроллера, а с их образом в памяти, своего рода защитным слоем. Такой подход позволяет создавать программы даже начинающим.

Понятие «Входы-выходы» ПЛК

Входы ПЛК используются для связи с внешним миром, существуют физически и получают сигналы от датчиков, выключателей и подобных полевых устройств.

Выходы также существуют для связи с внешним миром. Отличие от входов – управление исполнительными устройствами. То есть выходы не только получают информацию, но и передают ее в физические устройства.

Выходы используют три вида сигналов: дискретные, аналоговые и специализированные.

Первые ПЛК имели только бинарные входы, входы, значения которых принимали два значения – логического нуля и логической единицы. Наличие сигнала (напряжения, тока) соответствует обычно логической единице, отсутствие – логическому нулю. Бинарные входы и выходы в области применения ПЛК называют дискретными. Устройства дискретных сигналов – это различные датчики ручного вода, концевые датчики и др.

Аналоговые сигналы используются для непрерывных сигналов, например для измерения величины тока (напряжения), температуры, давления, веса, положения, скорости, частоты, то есть любой физической величины. Для работы с аналоговыми сигналами необходимо дополнительное преобразование. Поскольку ПЛК является цифровой вычислительной машиной, аналоговые входные сигналы подвергаются аналого-цифровому преобразованию (АЦП). В результате образуется дискретная переменная определенной разрядности.

Для работы со специфическими датчиками, требующих определенных уровней сигналов, специальной обработки и питания, используются специализированные сигналы.

Входы-выходы ПЛК физически располагаются либо в общем корпусе с процессорным ядром, либо в отдельных модулях ввода/вывода, которые подключаются к контроллеру напрямую, либо по сети цифровым кабелем. Удобно располагать такие модули вблизи датчиков и исполнительных механизмов.

Структура ПЛК
Переключатель
Магнитный клапан
Коммутатор
Переключатель
Переключатель

Рисунок 4

Принцип работы ПЛК

Рабочий цикл ПЛК

Образ входного процесса (состояние входов) записывается в адресную память. Адресная память подразделяется на битовую и словарную области. В стандартном использовании памяти в битовую область записываются дискретные значения, а в словарную – аналоговые.

На рисунке 5 представлен стандартный цикл работы ПЛК:

Рисунок 5

При старте ПЛК и в случаях сбоя по питанию происходит инициализация системы. При этом устанавливаются начальные значения переменных программы, включая время таймеров, запуская сторожевой таймер и т.п.

Сторожевой таймер (WATCHDOG) предназначен для защиты микроконтроллера от сбоев в процессе работы (в случае зависания его управляющей программы). Принцип его работы прост: после запуска текущее значение регистра сторожевого таймера инкремируется с приходом каждого следующего тактового сигнала. И если данное значение не будет периодически сбрасываться в программе, то при переполнении данного регистра произойдет рестарт микроконтроллера.

Затем начинается основной цикл работы контроллера – во-первых, происходит физическое считывание входов. Полученные значения размещаются во входной области памяти в виде образа входного процесса.

Далее выполняется код программы (при условии, что в ПЛК записана программа), которая берет данные непосредственно из входного и выходного образов процесса. По окончании выполнения программы происходит создание нового образа выходного процесса на основании вычисленных данных, по которому физически устанавливаются состояния выходов.

В прочие фазы входят инициализация таймеров и счетчиков, оперативное самотестирование и другие аппаратно-зависимые задачи.

Время реакции

Время реакции для ПЛК – это время на получение отклика при изменении системы, подобно времени, необходимого человеку для осмысления ответа на поставленный вопрос. В некоторых примерах это время может быть критическим.

Посмотрим на примерах, как происходит обработка сигналов логическим контроллером.

Рисунок 6

tВх = время опроса входов;

tВых = время переключения выходов;

tВып. прог. = время выполнения программы;

На рисунке 6 показаны три полных цикла и включения входных сигналов в режиме работы ПЛК. Вход(Х1) включился после считывания входов и будет обработан лишь в следующем цикле.

ПЛК также не зафиксировал своевременно переключение Входа(Х2). Следовательно, если контроллер должен был включить Выход(Y1) например при одновременном включении Входа(Х1) и Входа(Х2), то это событие не было обработано контроллером и операция не была выполнена.

ПЛК также не зафиксировал переключение Входа(Х3) и, возможно, не сможет обработать это событие никогда.

Есть три варианта решения этой проблемы:

Ø Использование контроллера с более высоким быстродействием;

Ø Воспользоваться функцией задержки времени. Эта функция увеличит длительность входного сигнала, как показано на рисунке 7;

Ø Использование функции обработки прерываний (рисунок 8). То есть, как только Вход выключен, то независимо от того этапа, на котором в настоящий момент находится программа, ПЛК немедленно останавливает выполнение основной программы и выполняет подпрограмму прерывания.

Рисунок 7 Рисунок 8

Таким образом, можно считать, что оптимальным временем продолжительности импульса будет являться время прохода одного цикла программы (рисунок 9).

Выполнение программы
Вход(Х1)
Выполнение программы

Рисунок 9

Адресное пространство

Адресное пространство ПЛК подразделяется на сегменты:

· Область образа входного процесса

· Область образа выходного процесса

· Область памяти для программы

· Область прямо адресуемой памяти

· Оперативная память пользователя (ОЗУ)

Для привязки переменной к адресу используется следующее объявление:

«Имя переменной» АТ % «Прямой адрес» «Тип»;

Прямой адрес начинается с буквы, соответствующей области памяти. Область образа входного процесса обозначается буквой I (Input)и называется входной областью памяти. Данная область памяти доступна только для чтения.

Область образа выходного процесса обозначается буквой Q (Quit)и называется выходной областью памяти. Данная область памяти доступна только для записи.

Прямо адресуемая память имеет префикс M. Данная область памяти доступна для чтения и записи.

Далее следует символ типа данных:

· D – Двойное слово;

· L – Длинное слово.

Пример адресации Var AT %IX2.0 BOOL; обозначает битовый адрес переменной Var, во втором слове (отсчет с нуля) нулевой бит. Битовый адрес может быть только типа BOOL.

Объявление переменной без префикса AT физически означает выделение ей определенной памяти в ОЗУ. Причем транслятор автоматическизаписывает данную переменную в свободной области памяти ОЗУ.

В области прямо адресуемой памяти (символ М) обычно размещают диагностические переменные, параметры системы исполнения и др., то есть не относящиеся ни к входным, ни выходным данным.

На рисунке 10 показано одно слово (W) во входной и выходной областях памяти. Напомним, что слово состоит из байтов или 16 битов. Отсчет начинается с нуля.

Quits

QW0

QB0 QB1
%QX0.0 %QX0.1 %QX0.7 %QX0.8 %QX0.9 %QX0.15
%IX0.0 %IX0.1 %IX0.7 %IX0.8 %IX0.9 %IX0.15
Inputs

IB0

IB1
IW0

Промышленные сети

Промышленная сеть – это среда передачи данных, которая должна отвечать множеству разнообразных, зачастую противоречивых требований. Она представляет собой набор стандартных протоколов обмена данными, позволяющих связать воедино оборудование различных производителей, а также обеспечить взаимодействие нижнего и верхнего уровней АСУ. Наконец, промышленная сеть – это образ мысли инженера, определяющий конфигурацию и принципы построения системы. От того, какая сетевая архитектура выбирается сегодня, будут зависеть не только затраты на создание системы, но и срок ее жизни, ее способность к развитию, то есть, как принято сейчас говорить, интегральная стоимость владения.

Сформулируем лишь некоторые основные требования, которые можно предъявить к «идеальной» промышленной сети:

· Предсказуемость времени доставки информации;

· Доступность и простота организации физического канала передачи данных;

· Максимально широкий сервис для приложений верхнего уровня;

· Минимальная стоимость устройств аппаратной реализации, особенно на уровне контроллеров;

· Возможность получения «распределенного интеллекта» путем иерархического распределения и локализации выполнения задач;

· Управляемость и самовосстановление в случае возникновения нештатных ситуаций.

Требования достаточно противоречивы, поэтому можно полагать, что промышленная сеть – это один большой компромисс. И от того, как расставлены акценты в этом компромиссе, зависит успешность решения задач, стоящих перед сетевой архитектурой.

Выделим три наиболее значимых параметра, по которым можно сравнивать сети, и которые послужат основой для дальнейшей классификации, а именно: топология сети, объем информационного сервиса, предоставляемого сетью, и способ доступа к физическому каналу передачи данных.

Топология сети

Наиболее распространенный тип сетевой топологии – это общая шина. Основное ее преимущество заключается в простоте, дешевизне и легкости переконфигурирования. Такая сеть не боится отключения или подключения устройств во время работы. Хорошо подходит для сильно распределенных объектов. Однако имеет и ряд «генетических» недостатков: присутствие в каждой точке сети общего трафика, опасность потери связи при одиночном обрыве канала связи или фатальном выходе из строя одного узла.

Топология типа «кольцо» очень популярна со времен выхода на рынок сети Token Ring фирмы IBM. Использование протокола с циклической передачей маркера (IEEE-802.5) позволяет сетям с такой топологией обеспечить абсолютную предсказуемость и хорошую пропускную способность. Основными недостатками топологии являются высокая стоимость организации канала связи, нерациональное (в большинстве случаев) использование сетевого трафика и потеря всей синхронизации в случае сбоя или отключения хотя бы одного из узлов.

Топология «звезда», являясь логическим продолжением моноканала, обеспечивает дополнительную защиту всей сети от выхода из строя или отключения узлов, позволяет существенно оптимизировать трафик, передавая пакеты только в те «лучи», где находятся их получатели. Последнее особенно существенно для сетей, где допускаются коллизии.

Уровни промышленной сети

Уровни определены Международной организацией по стандартизации (ISO/OSI) и отображены в таблице.

Application Прикладной уровень
Presentation Уровень представления
Session Уровень сессий
Transport Транспортный уровень
Network Сетевой уровень
Data link Канальный уровень
Physical Физический уровень

На физическом уровне определяются физические характеристики канала связи и параметры сигналов.

Канальный уровень формирует основную единицу передаваемых данных – пакет – и отвечает за дисциплину доступа устройства к каналу связи (Medium Access Control) и установление логического соединения (Logical Link Control).

Сетевой уровень отвечает за адресацию и доставку пакета по оптимальному маршруту.

Транспортный уровень разбирается с содержимым пакетов, формирует ответы на запросы, необходимые для уровня сессий.

Уровень сессий оперирует сообщениями и координирует взаимодействие между участниками сети.

Уровень представления занимается преобразованием форматов данных, если это необходимо.

Прикладной уровень – это набор интерфейсов, доступных программе пользователя.

На практике большинство промышленных сетей ограничивается только тремя из них, а именно физическим, канальным и прикладным. Наиболее «продвинутые» сети решают основную часть задач аппаратно, оставляя программную прослойку только на седьмом уровне. Дешевые сети (например, ModBus) зачастую используют на физическом уровне RS-232 или RS-485, а все остальные задачи, начиная с канального уровня, решают программным путем.

CanOpen

Используемый интерфейс. Базируется на разработанной в автомобильной отрасли технологии CAN и электрических спецификациях RS-485.

Максимальное число узлов. 64.

Скорость передачи данных и длина кабеля. 125, 250, 500 и 1000 Кбит/с, от 100 до 500 метров.

Описание. Типичные области применения: в основном в системах управления перемещением, в сборочных, сварочных и транспортировочных агрегатах. Используется для однокабельного соединения многовходовых блоков датчиков, интеллектуальных датчиков, пневматических вентилей, считывателей штрих-кодов, приводов и операторских пультов.

Достоинства. По сравнению с другими сетями на базе шины CAN сеть CanOpen в большей степени пригодна для быстродействующих систем управления перемещением и контуров регулирования с обратной связью. Высокая надежность, рациональное использование пропускной способности, подача питающего напряжения по сетевому кабелю.

Недостатки. Малая распространенность за пределами Европы, чрезмерная сложность и запутанность протокола с точки зрения разработчиков, а также общие для всех CAN-сетей недостатки (ограниченная пропускная способность, ограниченный размер сообщений, ограниченная длина соединения).

Тип доступа. С коллизиями.

Modbus

Используемый интерфейс. RS-485, RS-422, RS-232, TCP/IP.

Описание. Ведомые устройства прослушивают линию связи. Мастер подает запрос (посылка) в линию и переходит в состояние прослушивания линии связи. Ведомое устройство отвечает на запрос, пришедший в его адрес. Окончание ответной посылки мастер определяет по временному интервалу между окончанием приема предыдущего байта и началом приема следующего. Если этот интервал превысил время, необходимое для приема двух байтов на заданной скорости передачи, прием кадра ответа считается завершенным. Синтаксис команд протокола позволяет адресовать 247 устройств на одной линии связи стандарта RS-485.

Режим работы. Master/slave.

Конструктивные особенности современных ПЛК

Программируемый контроллер – это программно управляемый дискретный автомат, имеющий некоторое множество входов, подключенных посредством датчиков к объекту управления, и множество выходов, подключенных к исполнительным устройствам.

Сущность функционирования – ПЛК контролирует состояния входов и вырабатывает определенные последовательности программно заданных действий, отражающихся в изменении выходов.

В современных ПЛК предусматриваются дискретные и аналоговые входы-выходы. Дискретные входы-выходы имеют стандартные характеристики уровней сигналов. Аналоговые входы-выходы контроллеров могут иметь различные параметры и возможности, причем аналоговые сигналы, вводимые в ПЛК, обязательно преобразуются в цифровую, то есть в дискретную форму представления.

К параметрам аналоговых сигналов относятся: разрядность аналого-цифрового преобразования (АЦП), диапазон изменений входного сигнала, время преобразования, вид входа (несимметричный или дифференциальный), метод преобразования и нелинейность характеристики преобразования, уровень шума и наличие фильтрации, возможность автоматической калибровки, программная или аппаратная регулировка коэффициента усиления. Особые классы аналоговых входов представляют входы, предназначенные для подключения термометров сопротивления и термопар. Здесь требуется применение специальной аппаратной поддержки (трехточечное включение, источники образцового тока, схемы компенсации холодного спая, схемы линеаризации и т. д.).

Помимо «классических» дискретных и аналоговых входов-выходов многие ПЛК имеют специализированные входы-выходы. Они ориентированы на работу с конкретными специфическими устройствами, требующими определенных уровней сигналов, питания и специальной обработки. Примерами таких устройств являются квадратурные шифраторы, блоки управления шаговыми двигателями, блоки подключения индуктосинов и т.д.

Аналоговые входы-выходы ПЛК не обязательно должны быть физически сосредоточены в общем корпусе с процессорным ядром. Все большую популярность приобретают технические решения, позволяющие полностью отказаться от прокладки кабелей для аналоговых цепей. С этой целью входы-выходы выполняются в виде миниатюрных модулей, расположенных в непосредственной близости от датчиков и исполнительных механизмов. Соединение этих модулей с ПЛК выполняется посредством одного общего цифрового кабеля. Например, в интерфейсе ASI (Actuators/Sensors interface) применяется плоский профилированный кабель («желтый кабель») для передачи данных и питания всего по двум проводам.

Для контроллеров, выполняющих математические операции, характеристикой качества работы является правильность найденного решения.

В системах реального времени помимо правильности решения определяющую роль играет время реакции. Логически верное решение, полученное с задержкой более допустимой, не является приемлемым.

По времени реакции принято различать системы жесткого и мягкого реального времени. В системах жесткого реального времени существует определенный временной порог. Если этот будет превышен, наступят необратимые катастрофические последствия – система станет неработоспособной. В системах мягкого реального времени с увеличением времени управляющей реакции происходит ухудшение характеристик системы, но ничего катастрофического при этом не происходит.

Классический подход для решения задач жесткого реального времени базируется на построении событийно управляемой системы. Такая система представляет собой простой асинхронный автомат. В этой системе для каждого события устанавливается четко определенное время реакции. Недостатком событийно управляемой системы является сложность её практической реализации и необходимость тщательной проработки и моделирования.

Современный подход базируется на использовании метода периодического опроса входных данных – метода сканирования. Сущность метода сканирования заключается в том, что в некотором временном интервале, называемом циклом, ПЛК опрашивает входы, выполняет пользовательскую программу и устанавливает необходимые значения выходов. При этом прикладная программа может быть реализована в виде множества логически независимых задач, которые ПЛК должен решать одновременно.

Так как обычный ПЛК имеет один процессор, то выполнение нескольких задач осуществляется псевдопараллельно, последовательными порциями. В связи с этим время реакции на событие оказывается зависящим от числа одновременно обрабатываемых событий. Число одновременно обрабатываемых событий – величина переменная. Добавление новых задач увеличит как количество обрабатываемых событий, так и время на выполнение пользовательской программы. Однако, если проанализировать все события, то среди них можно найти такие, время реакции на которые допускается увеличить. Такая модель позволяет организовать системы жесткого и мягкого реального времени. Следует учесть, что современные ПЛК имеют типовое значение времени рабочего цикла, измеряемое единицами миллисекунд и менее. За это время ПЛК может выполнить значительный объем процедур и сформировать результаты обработки информации по быстрым процессам. Поскольку время реакции большинства исполнительных устройств значительно выше (десятки миллисекунд), то процесс подготовки данных на эти устройства может быть распределен на несколько циклов. Поэтому с реальными ограничениями ПЛК по времени сталкиваются редко.

В некоторых случаях ограничением служит не время реакции на событие, а обязательность его фиксации, например работа с датчиками, формирующими импульсы малой длительности. Это ограничение преодолевается специальной конструкцией входов – применением счетных входов, которые позволяют фиксировать и подсчитывать импульсы с периодом во много раз меньшим времени рабочего цикла ПЛК. В составе ПЛК предусматривается также встраивание интеллектуальных модулей, которые позволяют автономно отрабатывать заданные функции. Примером интеллектуального модуля является, например, модуль управления сервоприводом.

Рабочий цикл ПЛК

Задачи управления требуют непрерывного циклического контроля. В цифровых устройствах непрерывность достигается за счет применения дискретных алгоритмов, циклически повторяющихся через достаточно малые промежутки времени.

Одна итерация, включающая замер, расчет и выработку воздействия, называется рабочим циклом ПЛК. Выполняемые действия определяются пользовательской программой и зависят от значения входов контроллера и его текущего состояния.

При включении питания ПЛК запускается программа самотестирования, после выполнения которой производится настройка аппаратных ресурсов (инициализация), очистка оперативной памяти данных, а также осуществляется контроль целостности прикладной программы пользователя. Если прикладная программа сохранена в памяти, ПЛК переходит к основной работе, которая состоит из постоянного повторения последовательности действий, входящих в рабочий цикл.

Рабочий цикл ПЛК состоит из нескольких фаз.

1. Начало цикла – чтение состояния входов.

2. Выполнение кода программы пользователя.

3. Запись состояния выходов.

4. Обслуживание аппаратных ресурсов ПЛК.

5. Мониторинг системы исполнения.

6. Контроль времени цикла.

7. Переход на начало цикла.

В начале цикла ПЛК производит физическое чтение входов. Считанные значения размещаются в области памяти входов. Таким образом, создается полная одномоментная зеркальная копия значений входов.

Далее выполняется код пользовательской программы. Пользовательская программа работает с копией значений входов и выходов, размещенной в оперативной памяти. Если прикладная программа не загружена или остановлена, то данная фаза рабочего цикла не выполняется.

При выполнении пользовательской программы должны быть определены новые значения выходов и новое состояние ПЛК, в котором пользовательская программа представит новый алгоритм вычисления значений выходов. Следует учесть, что физические выходы ПЛК будут приведены в соответствие с расчетными значениями только в фазе записи состояния выходов.

Фаза записи состояния выходов представляет собой процесс копирования информации из области выходов оперативной памяти в регистры модулей вывода контроллера. При этом обеспечивается привязка переменных, записанных в памяти, к выводам модуля. Эта привязка осуществляется при конфигурировании контроллера в системе.

Обслуживание аппаратных ресурсов подразумевает обеспечение работы системных таймеров, часов реального времени, оперативное самотестирование, индикацию состояния и другие аппаратно-зависимые задачи.

Мониторинг системы исполнения включает большое число функций, необходимых для взаимодействия с системой программирования, сервером данных и сетью. Мониторинг понимается как систематический сбор и обработка информации, которая может быть использована для улучшения процесса принятия решения.

В функции системы исполнения обычно включается: загрузка кода программы в оперативную память, управление последовательностью выполнения задач, отображение процесса выполнения программ, пошаговое выполнение, обеспечение просмотра и редактирования значений переменных, фиксация и трассировка значений переменных, контроль времени цикла и т. д.

Пользовательская программа работает только с мгновенной копией входов. Таким образом, значения входов в процессе выполнения пользовательской программы не изменяются в пределах одного рабочего цикла. Это фундаментальный принцип построения ПЛК сканирующего типа. Такой подход исключает неоднозначность алгоритма обработки данных в различных его ветвях. Однако в некоторых случаях, например, при обработке АЦП, чтение входов может быть выполнено с использованием прерывания. Для прикладного программиста это не имеет значения, главное – это то, что значения входов должны быть обновлены автоматически в начале каждого рабочего цикла.

Общая продолжительность рабочего цикла ПЛК называется временем сканирования. Это время определяется длительностью фазы кода пользовательской программы. Время, занимаемое прочими фазами рабочего цикла, практически является величиной постоянной. Для задачи среднего объема время распределится примерно так: 98% – пользовательская программа, 2% – все остальное.

Существуют задачи, в которых не допускается плавающее время цикла, например, задачи автоматического регулирования. В таких задачах предусмотрен контроль времени цикла. Если отдельные ветви кода управляющей программы выполняются слишком быстро, в рабочий цикл добавляется искусственная задержка. Если контроль времени цикла не предусмотрен, подобные задачи приходится решать исключительно по таймерным меткам.

При определении времени цикла важную роль играет время реакции системы на изменение состояния одного из её входов. Очевидно, что момент возникновения события может быть смещен относительно начала фазы чтения входов. Если изменение значений входов произошло непосредственно перед фазой чтения входов, то время реакции будет наименьшим и равным времени сканирования (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Схема определения времени реакции на событие

Худший случай будет тогда, когда изменение значений входов происходит сразу после фазы чтения входов. Тогда время реакции будет наибольшим, равным удвоенному времени сканирования минус время одного чтения входов. Однако, время реакции ПЛК не превышает удвоенного времени сканирования.

Помимо времени реакции ПЛК, существенное значение имеет время реакции датчиков и исполнительных механизмов, которое также необходимо учитывать при оценке необходимой длительности рабочего цикла. Следует учесть, что существуют ПЛК, которые реализуют команды непосредственного доступа к аппаратуре входов и выходов, что позволяет обрабатывать и формировать отдельные сигналы с интервалами меньшей длительности рабочего цикла.

Для уменьшения времени реакции сканирующих контроллеров алгоритм программы разбивается на задачи с различным периодом исполнения. При этом пользователь получает возможность создавать отдельные программы, исполняемые по прерыванию, помимо кода, исполняемого в рабочем цикле.

Время цикла сканирования является базовым показателем быстродействия ПЛК. Ориентировочно о скорости обработки различных типов данных можно судить по тактовой частоте и разрядности центрального процессора.

Дата добавления: 2020-12-09 ; просмотров: 2479 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

PLC — это просто!!

Сайт для тех кто хочет научиться программировать ПЛК

Рабочий цикл PLC.

Задачи управления требуют непрерывного циклического контроля. В любых цифровых устройствах непрерывность достигается за счет применения дискретных алгоритмов, повторяющихся через достаточно малые промежутки времени. Таким образом, вычисления в PLC всегда повторяются циклически. Одна итерация, включающая замер, обсчет и выработку воздействия, называется рабочим циклом PLC.

Выполняемые действия зависят от значения входов контроллера, предыдущего состояния и определяются пользовательской программой.

По включению питания PLC выполняет самотестирование и настройку аппаратных ресурсов, очистку оперативной памяти данных (ОЗУ), контроль целостности прикладной программы пользователя. Если прикладная программа сохранена в памяти, PLC переходит к основной работе, которая состоит из постоянного повторения последовательности действий, входящих в рабочий цикл.

Рабочий цикл PLC состоит из нескольких фаз.

2. Чтение состояния входов.

3. Выполнение кода программы пользователя.

4. Запись состояния выходов.

5. Обслуживание аппаратных ресурсов PLC.

6. Монитор системы исполнения.

7. Контроль времени цикла.

8. Переход на начало цикла.

Абсолютное большинство PLC работают по методу периодического опроса входных данных (сканирования). PLC опрашивает входы, выполняет пользовательскую программу и устанавливает необходимые значения выходов. Для математических систем характеристикой качества работы является правильность найденного решения. В системах реального времени помимо правильности решения определяющую роль играет время реакции. Логически верное решение, полученное с задержкой более допустимой, не является приемлемым.

Время реакции это время с момента изменения состояния системы до момента выработки соответствующей реакции. Если изменение значений входов произошло непосредственно перед фазой чтения входов, то время реакции будет наименьшим и равным времени сканирования. Худший случай, когда изменение значений входов происходит сразу после фазы чтения входов. Тогда время реакции будет наибольшим, равным удвоенному времени сканирования минус время одного чтения входов. Иными словами, время реакции PLC не превышает удвоенного времени сканирования (Рис. 1).

Рис.1. Время сканирования

Помимо времени реакции PLC, существенное значение имеет время реакции датчиков и исполнительных механизмов, которое также необходимо учитывать при оценке общего времени реакции системы.

Существуют PLC, которые реализуют команды непосредственного доступа к аппаратуре входов и выходов, что позволяет обрабатывать и формировать отдельные сигналы с длительностью меньшей длительности рабочего цикла.

Для уменьшения времени реакции сканирующих контроллеров алгоритм программы разбивается на несколько задач с различным периодом исполнения. В наиболее развитых системах пользователь имеет возможность создавать отдельные программы, исполняемые по прерыванию, помимо кода, исполняемого в рабочем цикле. Такая техника позволяет PLC существенно форсировать ограничение реакции временем сканирования при небольшом количестве входов, требующих сверхскоростной реакции. Время цикла сканирования является базовым показателем быстродействия PLC. Программа PLC может рассматриваться как постоянно бегущая замкнутая цепь. Инструкция пользователя считывается непрерывно и когда считывается последняя инструкция, операция начинается снова. Это называется сканированием программы, а период – временем сканирования. Время зависит от размера программы и скорости процессора.

Рис. 2 Последовательность выполнения программы

  1. Сканирование всех входов и копирование их в RAM.
  2. Получение, декодирование, и выполнение всех программных инструкций в определённой последовательности,
  3. Копирование выходных инструкций в RAM, обновление выходов.
  4. Повторение последовательности.

Чтение входов

Цифровые входы: В начале цикла текущие значения цифровых входов считываются, а затем записываются в регистр входов образа процесса.

Запись в цифровые выходы

В конце каждого цикла S7–200 записывает значения, хранящиеся в регистре выходов образа процесса, в цифровые выходы. (Аналоговые выходы обновляются немедленно, независимо от цикла.)

Время, необходимое для полного цикла сканирования входов и обновления выходов согласно программным инструкциям, хотя относительно короткое, всё же не мгновенное и это означает, что входы не читаются всё время, а образцы их состояния берутся периодически. Время зависит от размера программы и скорости процессора. Если среднее время сканирования 10 – 50 мс, то входы и выходы обновляются каждые 10 – 50 мс. То есть, обновление может быть задержано на это время, и это время входит во время реакции системы. Это означает, например, что очень короткий входной импульс может быть потерян. В общем случае, входной импульс должен длиться дольше, чем время сканирования.

ПОЛНОЕ время сканирования — общее время, которое требуется, чтобы просмотреть входы (чтобы видеть, какие включены и какие выключены), выполнить программу (программу, которую написал разработчик), и обновить выходы (включить или выключить соответствующие выходы, на основании написанной программы).

Это — общий план с 3 шагами. Шаг, где мы смотрим, какие входы вклвыкл, установлены. Шаг, где мы включаем или выключаем выходы, также установлен. Так, PLC -изготовитель должен предоставить нам эту информацию.

Чем больше входов/выходов, которые существуют на PLC, тем дольше будет время обновления I/O. Оно, предположительно, находится в пределах от микро — до миллисекунд. Нет никакого правила, это зависит от изготовителя.

Чтобы вычислить время выполнения программы, мы просто делаем список из всех инструкций, которые мы использовали и время, которое берет PLC на выполнение каждой. (Время выполнения каждой специфической инструкции, наиболее вероятно, даётся в руководстве пользователя PLC). Затем складывают все отдельные времена выполнения, чтобы получить полное время выполнения программы.

Входы и выходы контроллера

Входы и выходы — это базовое понятие любого контроллера умного дома, будь то промышленный контроллер (Beckhoff, Овен, Siemens, ABB — любой) или распределённая система KNX или HDL. В любой системе есть элементы типа «Модуль бинарных входов» или «Блок аналоговых выходов».

Поскольку для расчёта системы и вообще понимания того, откуда берётся её стоимость, очень важно знать разницу между входами и выходами, расскажу подробнее о них.

Вход контроллера

Вход — это клемма для подключения какого либо устройства, которое передаёт информацию в контроллер. На входы контроллера подключаются источники сигнала.

Выключатель — это источник сигнала. Сигнал может быть либо «нажато» либо «не нажато». То есть, либо логический ноль, либо логическая единица. Выключатель подключается к клемме контроллера, которая видит, нажат он или нет.

Тут мы переходим к понятию того, что вход и выход может быть дискретным (бинарным или цифровым его могут называть) или аналоговым. Дискретный — значит, воспринимающий либо единицу, либо ноль. Выключатель подключается к дискретному входу, так как он либо нажат, либо не нажат, других вариантов нет.

Дискретный вход может либо ожидать появления какого-то напряжения, либо замыкания входа на землю. Например, контроллер ОВЕН ПЛК воспринимает как логическую единицу появление на входе напряжения от +15 до +30 вольт. А контроллер WirenBoard ожидает, что на входе появится земля (GND). В первом случае на выключатель надо подать +24В, чтобы при нажатии кнопки на вход контроллера пришли +24 вольта, во втором — на выключатель подаём общий минус (землю), при нажатии она придёт на контроллер.

Датчик движения также подключается к дискретному входу контроллера. Датчик либо подаёт сигнал о том, что движение есть, либо о том, что движения нет. Вот схема подключения датчика Colt XS:

Два левых контакта — напряжение питания датчика, +12 вольт. Два средних контакта — тревожный контакт, он нормально-замкнут. То есть, если движения нет, то N и С замкнуты, если движение появляется, то N и С размыкаются. Так сделано для того, чтобы если злоумышленник перережет провод датчика или повредит датчик, то цепь разорвётся, что приведёт к сработке сигнализации.

В случае с контроллером Овен (а также Beckhoff и большинством других контроллеров), нам надо подать на N +24 вольта, а С подключить ко входу контроллера. Если контроллер видит на входе +24В, то есть, логическую единицу, то всё в порядке, движения нет. Как только сигнал пропадает, значит, датчика сработал. В случае с контроллером, который детектирует не напряжение, а землю, мы подключаем N к общему минусу контроллера, С так же к его входу.

Контакты Т датчика — это тампер. Они также нормально замкнуты, размыкаются при вскрытии корпуса датчика. Такие контакты есть у многих элементов охранных систем.

Датчик протечки воды — также подключается к дискретному входу. Принцип тот же, но он, как правило, нормально-разомкнут. То есть, при отсутствии протечки сигнала нет.

Аналоговый вход контроллера видит не просто есть сигнал или нет сигнала, он видит величину сигнала. Универсальный аналоговый сигнал — это от 0 до 10 вольт постоянного тока, такой сигнал даёт множество разных датчиков. Либо от 1 до 10 вольт. Есть ещё токовый сигнал — от 4 до 30 миллиампер. Почему не от ноля, а от 1 вольта или 4 миллиампер? Чтобы понимать, работает ли вообще датчик. Если датчик с выходным сигналом 1-10 вольт выдаёт 1 вольт, значит, это соответствует минимальному уровню измеряемой величины. Если 0 вольт — значит, он выключен или сломан или провод оборван.

Датчики температуры могут выдавать от 0 до 10 вольт. Если по паспорту датчик измеряет температуру в диапазоне от 0 до +50 градусов, значит, сигнал 0 вольт соответствует 0 градусов, сигнал 5 вольт соответствует +25 градусов, сигнал 10 вольт соответствует +50 градусов. Если датчика измеряет температуру в диапазоне от -50 до +50 градусов, то 5 вольт от датчика соответствуют 0 градусов, а, скажем, 8 вольт от датчика соответствуют +30 градусам.

То же с датчиком влажности или освещённости. Смотрим диапазон измерения параметра, смотрим выходной сигнал и можем получить точную измеряемую величину.

То есть, аналоговый вход измеряет величину сигнала: ток или напряжение. Или, например, сопротивление, если говорить о резистивных датчиках. Многие датчики выпускаются в разных модификациях: с выходом по току или по напряжению. Если нам для системы надо найти какой-то редкий датчик, например, уровня определённого газа в воздухе, то, скорее всего, у него будет выход либо 0-10В, либо 4-20мА. У более продвинутых — интерфейс RS485, о нём чуть позже.

Датчики угарного газа, природного газа (метана) и пропана обычно имеют дискретный выход, то есть, подключаются к дискретному входу контроллера и подают сигнал, когда значение измеряемой концентрации газа становится опасным. Датчики уровня углекислого газа или кислорода дают аналоговое значение, соответствующее уровню газа в воздухе, чтобы контроллер сам мог принимать решение о каком-то действии.

Выходы контроллера

Выходы — это клеммы, на которые сам контроллер может подать сигнал. Контроллер подаёт сигнал, чтобы чем-то управлять.

Дискретный выход — это выход, на который контроллер может подать либо логический ноль, либо логическую единицу. То есть, либо включить, либо выключить.

Свет без регулировки яркости подключается к дискретному выходу.

Электрический тёплый пол — тоже к дискретному выходу.

Клапан перекрывания воды, или электрическая розетка, или вентилятор вытяжки, или привод радиатора — они подключаются к дискретным выходам контроллера.

В зависимости от конкретного модуля дискретных выходов выход может быть либо транзисторным, то есть, требующим реле для управления каким-то мощным прибором, либо релейным, то есть, к нему сразу можно что-то подключить. Надо смотреть характеристики выхода — коммутируемое напряжение и ток. Важно понимать, что если написано, что выход коммутирует 230 вольт 5 ампер резистивной нагрузки, то это относится только к лампочке накаливания. Светодиодная лампа — надо делить ток на десять. Блоки питания и электромоторы тоже далеко не резистивная нагрузка.

Аналоговый выход — клемма, на которую контроллер может подать сигнал не только включено-выключено, но определённое значение управления. Это те же 0-10 (или 1-10) вольт либо 4-20 миллиампер. Далее на этот управляющий сигнал мы подключаем либо диммер освещения, либо регулятор скорости вращения вентилятора либо что-то ещё, имеющее соответствующий вход.

Управление освещением — это силовой диммер, который в зависимости от сигнала 0-10 вольт с контроллера даёт на выходе от 0 до 230 вольт переменного тока для питания ламп накаливания или диммируемых светодиодных ламп.

Для светодиодных лент используется ШИМ-диммер (или ШИМ-драйвер или блок питания с диммированием), он по сигналу 0-10 либо 1-10 вольт с контроллера подаёт на ленту широтно-импульсно моделированный сигнал для диммирования.


Для вентиляторов используется тиристорный регулятор.

Интерфейсы контроллера

Ещё у любого контроллера есть разные интерфейсы связи, которые определяют, с какими ещё устройствами он может общаться. Интерфейсы связи обычно двухсторонние, то есть, контроллер может передавать на них информацию и получать информацию о состоянии.

Интерфейс Ethernet — это подключение к компьютерной сети и интернету для управления с мобильного приложения или общения с другими контроллерами.

Интерфейс RS-485 ModBus — самый распространённый для связи с разной техникой. Это кондиционеры, вентмашины, различные датчики и исполнительные устройства, модули расширения и много чего ещё.

RS-232 это интерфейс с маленькой дальностью линии. Обычно это, например, GSM модемы.

KNX — интерфейс связи с шиной KNX, на которой может находиться очень много устройств всех видов.

Получаем такую сводную картинку по входам и выходам контроллера:

Пример

Возьмём для примера ОВЕН ПЛК160.

У него 16 дискретных входов, из них 4 быстродействующих, то есть, подходящих для подключения быстро меняющихся сигналов, например, счётчиков импульсов. Напряжение на входе должно быть от 15 до 30 вольт, чтобы контролер считал его единицей.

12 дискретных выходов с коммутацией до 250 вольт 3 ампера. То есть, это 690 ватт при напряжении 230В. Подойдёт для десятка ламп накаливания или светодиодных ламп. Для тёплого пола или розеток надо ставить дополнительное реле с бОльшим током коммутации.

8 аналоговых входов. Входы можно настроить на приём унифицированных сигналов 0-10В, 0-5мА, 0-20мА, 4-20мА.

4 аналоговых выхода. В зависимости от модификации контролера выходной сигнал будет либо по напряжению (0-10), либо по току (4-20), либо изменяемый.

Интерфейсов связи у него много: Ethernet, RS-485, RS-232, USB (для прошивки).

При стоимости в 32 тысячи это отличный контроллер, на котором можно много чего реализовать даже без дополнительных блоков. И это контроллер промышленного класса надёжности.

Про то, что такое умный дом на промышленном контроллере, а также подробнее про входы и выходы можно почитать здесь:

35,279 просмотров всего, 70 просмотров сегодня

Похожие посты:

  1. Умный Дом на центральном контроллере. Введение.3+ Небольшой ликбез про построение системы Умный Дом на центральном.
  2. Умный Дом на ПЛК: управление освещением0 Что даёт управление освещением с ПЛК? Рассмотрим классическое управление.
  3. Умный Дом на ПЛК: управление климатом0 Функция управления отоплением объединяет управление следующими системами: Радиаторное отопление.
  4. Монтаж кабеля для Умного Дома2+ Как я уже писал, самым неразумным способом экономии в.
  5. Управление вентиляцией в Умном Доме0 Вентиляция — это система воздухообмена между помещением и улицей.
  6. Вся правда о датчиках присутствия0 В перечне пожеланий к системе автоматики периодически вижу работу.
  7. Что такое Modbus и RS485 — максимально просто9+ У контроллера EasyHomePLC есть два порта RS485 и два.

Входы и выходы контроллера : 6 комментариев

Отличная информация, спасибо большое! Начинаю изучать ПЛК, и эта статья дала мне понять что такое аналоговые и дискретные входы\выходы, и в чем между ними разница. Есть небольшие орфографические ошибки в тексте �� «…требующим реле для кпрувления каким-то мощным прибором, ибо релейным, то есть, к нему сразу можно что-то подключить. «

Спасибо. Все ошибки исправил.

Отличный материал. Просто и доступно

Спасибо! теперь с Подрядчиками буду разговаривать на равных, и всякую лапшу на уши уже не навесят )))

Промышленные контроллеры (ПЛК)

5.1. Общие принципы построения ПЛК

Любая машина, способная автоматически выполнять некото­рые операции, имеет в своем составе управляющий контроллер — модуль, обеспечивающий логику работы устройства. Контрол­лер — это мозг машины. Естественно, чем сложнее логика работы машины, тем «умнее» должен быть контроллер.

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

В случае, когда контроллер встроен в машину массового выпу­ска, стоимость его проектирования распределена на большое чис­ло изделий и мала в отношении к стоимости изготовления. В слу­чае машин, изготавливаемых в единичных экземплярах, ситуа­ция обратная. Стоимость проектирования контроллера доминиру­ет по отношению к стоимости его физической реализации.

При создании машин, занятых в сфере промышленного произ­водства, как правило, приходится иметь дело не более чем с еди­ницами однотипных устройств. Кроме того, очень существенной здесь является возможность быстрой перенастройки оборудова­ния на выпуск другой продукции.

Контроллеры, выполненные на основе реле или микросхем с «жесткой» логикой, невозможно научить делать другую работу без существенной переделки. Очевидно, что такой возможностью обладают только программируемые логические контроллеры (ПЛК). Идея создания ПЛК родилась практически сразу с появле­нием микропроцессора, т. е. 30 лет назад.

Физически, типичный ПЛК представляет собой блок, имею­щий определенный набор выходов и входов, для подключения датчиков и исполнительных механизмов (рис. 1.1). Логика управ­ления описывается программно на основе микрокомпьютерного ядра. Абсолютно одинаковые ПЛК могут выполнять совершенно разные функции. Причем для изменения алгоритма работы не требуется каких-либо переделок аппаратной части. Аппаратная реализация входов и выходов ПЛК ориентирована на сопряжение с унифицированными приборами и мало подвержена изменениям.

Рис. 1.1. Принцип работы ПЛК

Задачей прикладного программирования ПЛК является только реализация алгоритма управления конкретной машиной. Опрос входов и выходов контроллер осуществляет автоматически, вне зависимости от способа физического соединения. Эту работу вы­полняет системное программное обеспечение. В идеальном случае прикладной программист совершенно не интересуется, как подсо­единены и где расположены датчики и исполнительные механиз­мы. Мало того, его работа не зависит от того, с каким контролле­ром и какой фирмы он работает. Благодаря стандартизации язы­ков программирования прикладная программа оказывается пере­носимой. Это означает, что ее можно использовать в любом ПЛК, поддерживающем данный стандарт.

Программируемый контроллер — это программно управляе­мый дискретный автомат, имеющий некоторое множество вхо­дов, подключенных посредством датчиков к объекту управления, и множество выходов, подключенных к исполнительным устрой­ствам. ПЛК контролирует состояния входов и вырабатывает опре­деленные последовательности программно заданных действий, от­ражающихся в изменении выходов.

ПЛК предназначен для работы в режиме реального времени в условиях промышленной среды и должен быть доступен для про­граммирования неспециалистом в области информатики.

Изначально ПЛК предназначались для управления последова­тельными логическими процессами, что и обусловило слово «ло­гический» в названии ПЛК. Современные ПЛК помимо простых логических операций способны выполнять цифровую обработку сигналов, управление приводами, регулирование, функции опе­раторского управления и т. д.

Помимо «классических» дискретных и аналоговых входов-вы­ходов многие ПЛК имеют специализированные входы/выходы.Они ориентированы на работу с конкретными специфическими датчиками, требующими определенных уровней сигналов, пита­ния и специальной обработки. Например, квадратурные шифра­торы, блоки управления шаговыми двигателями, интерфейсы дисплейных модулей и т. д.

Абсолютное большинство ПЛК работают по методу периодиче­ского опроса входных данных (сканирования). ПЛК опрашивает входы, выполняет пользовательскую программу и устанавливает необходимые значения выходов. Специфика применения ПЛК обусловливает необходимость одновременного решения несколь­ких задач. Прикладная программа может быть реализована в виде множества логически независимых задач, которые должны работать одновременно.

На самом деле ПЛК имеет обычно один процессор и выполняет несколько задач псевдопараллельно, последовательными порция­ми. Время реакции на событие оказывается зависящим от числа одновременно обрабатываемых событий. Рассчитать минимальное и максимальное значения времени реакции, конечно, можно, но добавление новых задач или увеличение объема программы при­ведет к увеличению времени реакции. Такая модель более подхо­дит для систем мягкого реального времени. Современные ПЛК имеют типовое значение времени рабочего цикла, измеряемое, единицами миллисекунд и менее. Поскольку время реакции боль­шинства исполнительных устройств значительно выше, с реаль­ными ограничениями возможности использования ПЛК по време­ни приходится сталкиваться редко.

В некоторых случаях ограничением служит не время реакции на событие, а обязательность его фиксации, например работа с датчиками, формирующими импульсы малой длительности. Это ограничение преодолевается специальной конструкцией входов. Так, счетный вход позволяет фиксировать и подсчитывать импу­льсы с периодом во много раз меньшим времени рабочего цикла ПЛК. Специализированные интеллектуальные модули в составе ПЛК позволяют автономно отрабатывать заданные функции, на­пример модули управления сервоприводом.

Второй часто возникающей задачей является интеграция не­скольких ПЛК с целью синхронизации их работы. Здесь появля­ются сети, обладающие рядом специфических требований. В целом это требования, аналогичные требованиям к ПЛК: режим ре­ального времени, надежность в условиях промышленной среды, ремонтопригодность, простота программирования. Такой класс сетей получил название промышленных сетей (fieldbus). Сущест­вует масса фирменных реализаций и достаточно много стандартов таких сетей (Bitbus, Modbus, Profibus, CANopen, DeviceNet), по­зволяющих интегрировать аппаратуру различных фирм, но ни один из них нельзя признать доминирующим.

Благодаря продуктивному развитию средств сетевой интегра­ции появилась возможность создания распределенных систем управления. В 80-х гг. XX в. доминировали ПЛК с числом вхо­дов-выходов несколько сотен. В настоящее время большим спро­сом пользуются микроПЛК с количеством входов-выходов до 64. В распределенных системах каждый ПЛК решает локальную за­дачу. Задача синхронизации управления выполняется компьюте­рами среднего звена АСУ. Распределенные системы выигрывают по надежности, гибкости монтажа и простоте обслуживания.

Программные приложения, имитирующие технологию ПЛК на компьютере (оснащенном платами ввода-вывода), получили название программный ПЛК (soft PLC). Программная эмуляция ПЛК удобна тем, что благодаря наличию многозадачной операци­онной системы можно совместить в одном месте контроллер, сре­ду программирования и систему диспетчерского управления.

Существенный минус такого решения — большое время выхо­да на рабочий режим после включения питания или зависания компьютера. Особенно опасно, если перезапуск произвел «сторо­жевой таймер» в автоматическом режиме, в то время как состоя­ние исполнительных механизмов не соответствует исходным пози­циям. Загрузка операционной системы может отнимать несколько минут, все это время система оказывается неуправляемой. Для ПЛК время «холодного» запуска измеряется миллисекундами.

Для достижения сравнимых с ПЛК технических показателей по надежности компьютер, конечно, должен быть промышленно­го исполнения (на базе магистралей РС/104 или VME), а не деше­вый офисный «no name».

5.2. Рабочий цикл ПЛК

Задачи управления требуют непрерывного циклического конт­роля. В любых цифровых устройствах непрерывность достигается за счет применения дискретных алгоритмов, повторяющихся че­рез достаточно малые промежутки времени. Таким образом, вы­числения в ПЛК всегда повторяются циклически. Одна итерация, включающая замер, обсчет и выработку воздействия, называется рабочим циклом ПЛК. Выполняемые действия зависят от значе­ния входов контроллера, предыдущего состояния и определяются пользовательской программой.

По включению питания ПЛК выполняет самотестирование и настройку аппаратных ресурсов, очистку оперативной памяти данных (ОЗУ), контроль целостности прикладной программы по­льзователя. Если прикладная программа сохранена в памяти, ПЛК переходит к основной работе, которая состоит из постоян­ного повторения последовательности действий, входящих в рабо­чий цикл.

Рабочий цикл ПЛК состоит из нескольких фаз.

2. Чтение состояния входов.

3. Выполнение кода программы пользователя.

4. Запись состояния выходов.

5. Обслуживание аппаратных ресурсов ПЛК.

6. Монитор системы исполнения.

7. Контроль времени цикла.

8. Переход на начало цикла.

В самом начале цикла ПЛК производит физическое чтение входов. Считанные значения размещаются в области памяти вхо­дов. Таким образом, создается полная одномоментная зеркальная копия значений входов.

Далее выполняется код пользовательской программы. Пользо­вательская программа работает с копией значений входов и выхо­дов, размещенной в оперативной памяти. Если прикладная про­грамма не загружена или остановлена, то данная фаза рабочего цикла, естественно, не выполняется. Отладчик системы програм­мирования имеет доступ к образу входов-выходов, что позволяет управлять выходами вручную и проводить исследования работы датчиков.

После выполнения пользовательского кода физические выхо­ды ПЛК приводятся в соответствие с расчетными значениями (фаза 4).

Обслуживание аппаратных ресурсов подразумевает обеспече­ние работы системных таймеров, часов реального времени, опера­тивное самотестирование, индикацию состояния и другие аппаратно-зависимые задачи.

Монитор системы исполнения включает большое число функ­ций, необходимых при отладке программы и обеспечении взаимо­действия с системой программирования, сервером данных и се­тью. В функции системы исполнения обычно включается: загруз­ка кода программы в оперативную и электрически перепрограм­мируемую память, управление последовательностью выполнения задач, отображение процесса выполнения программ, пошаговое выполнение, обеспечение просмотра и редактирования значений переменных, фиксация и трассировка значений переменных, кон­троль времени цикла и т. д.

Пользовательская программа работает только с мгновенной ко­пией входов. Таким образом, значения входов в процессе выпол­нения пользовательской программы не изменяются в пределах одного рабочего цикла. Это фундаментальный принцип построе­ния ПЛК сканирующего типа. Такой подход исключает неодно­значность алгоритма обработки данных в различных его ветвях. Кроме того, чтение копии значения входа из ОЗУ выполняется значительно быстрее, чем прямое чтение входа. Аппаратно чтение входа может быть связано с формированием определенных вре­менных интервалов, передачей последовательности команд для конкретной микросхемы или даже запросом по сети.

Время реакции — это время с момента изменения состояния системы до момента выработки соответствующей реакции. Оче­видно, для ПЛК время реакции зависит от распределения момен­тов возникновения события и начала фазы чтения входов. Если изменение значений входов произошло, непосредственно перед фа­зой чтения входов, то время реакции будет наименьшим и рав­ным времени сканирования (рис. 1.5). Худший случай, когда из­менение значений входов происходит сразу после фазы чтения входов. Тогда время реакции будет наибольшим, равным удвоен­ному времени сканирования минус время одного чтения входов. Иными словами, время реакции ПЛК не превышает удвоенного времени сканирования.

Рис. 1.5. Время реакции ПЛК

Помимо времени реакции ПЛК, существенное значение имеет время реакции датчиков и исполнительных механизмов, которое также необходимо учитывать при оценке общего времени реак­ции системы.

Время цикла сканирования является базовым показателем бы­стродействия ПЛК. При измерении времени рабочего цикла поль­зовательская программа должна содержать 1К логических команд. Для ПЛК, поддерживающих стандарт МЭК 61131-3, ис­пользуют команды на языке IL. Иногда изготовители приводят несколько значений времени цикла, полученных при работе с пе­ременными различной разрядности.

Ориентировочно о скорости обработки различных типов дан­ных можно судить по тактовой частоте и разрядности централь­ного процессора. Хотя нет ничего удивительного в том, что вось­миразрядные ПЛК не редко оказываются быстрее 32-разрядных при выполнении битовых операций. Объясняется это тем, что в 8-разрядных микропроцессорах более распространена аппаратная поддержка работы с битами. Так, в PC-совместимых процессорах для выделения бита приходится использовать логические коман­ды и циклический сдвиг.

Аппаратно ПЛК является вычислительной машиной. Поэтому архитектура его процессорного ядра практически не отличается от архитектуры компьютера. Отличия заключены в составе пери­ферийного оборудования, отсутствуют видеоплата, средства руч­ного ввода и дисковая подсистема. Вместо них ПЛК имеет блоки входов и выходов.

Конструктивно контроллеры подразделяют на моноблочные, модульные и распределенные. Моноблочные, или одноплатные, ПЛК имеют фиксированный набор входов-выходов. В модульных контроллерах модули входов-выходов устанавливаются в разном составе и количестве в зависимости от требуемой конфи­гурации. Так достигается минимальная аппаратная избыточ­ность. В распределенных системах модули или даже отдельные входы-выходы, образующие единую систему управления, могут быть разнесены на значительные расстояния.

Характерным для современных контроллеров является испо­льзование многопроцессорных решений. В этом случае модули ввода-вывода имеют собственные микропроцессоры, выполняю­щие необходимую предварительную обработку данных. Модуль центрального процессора имеет выделенную скоростную магист­раль данных для работы с памятью и отдельную магистраль (сеть) для общения с модулями ввода-вывода.

5.3. Базовые функции ПЛК и их аппаратная реализация

Базовые функции представлены на рисунке 3.6. Ниже дадим описание аппаратных средств реализации этих функций.

Процессорные модули ПЛК могут строиться на основе широкой гаммы микропроцессоров (преимущественно в КМОП-исполнении — i386 EX, Siemens SAB 80C166 и др.), выбор ко­торых зависит от технико-экономических требований, предъяв­ляемых к распределенной системе управления. При этом быстро­действие процессора как таковое не является самоценным каче­ством, а должно оцениваться в свете возможности реализации процессором алгоритма управления технологическим процессом в реальном времени.

Память ПЛК обеспечивает хранение ядра операционной сис­темы реального времени, необходимых утилит и прикладных программ управления объектом. В ней используются микросхе­мы постоянной, программируемой и оперативной памяти (по­следняя обеспечивает хранение промежуточных результатов и за­гружаемых прикладных управляющих программ).

Средства коммуникации ПЛК реализуют дистанционную за­грузку задач и оперативный обмен данными между ПЛК, рабочими станциями операторов и УВК верхних уровней на расстоянии от сотен метров до нескольких километров со скоростями, со­ответствующими требованиям реактивности системы управле­ния. Средства интерфейса с оператором выполняются с учетом производственных условий эксплуатации: мониторы имеют про­тивоударный корпус с прочной пылевлагозащищенной передней панелью; в клавиатурах используется ограниченный набор функ­циональных и алфавитно-цифровых клавиш, обязательно преду­сматривается пылевлагозащита. Обмен данными между ПЛК и УВК верхних уровней может осуществляться по витой паре про­водов, коаксиальному кабелю, оптоволоконному кабелю (осо­бенно при работе в производственных условиях с высоким уров­нем электромагнитных помех) или беспроводному каналу пере­дачи данных. Устройства ввода данных и вывода управляющих воздействий предполагают работу с дискретными и аналоговыми сигналами от датчиков исполнительных механизмов объекта управления. Они реализуются обычно на отдельной плате и соединяются с вычислительным модулем через разъем. Требования к УСО в со­ставе ПЛК по типам и количеству входных и выходных сигналов определяются его конкретным применением. Для расширения областей применения ПЛК, как правило, обеспечивается его рабо­та с наиболее распространенными типами датчиков и приборов измерения физических величин: температуры (термопары, термосопротивления); электрических величин (тока, напряжения, мощности); положения; механических деформаций; давления; расхода жидкостей; тепловой энергии и др.

Основными параметрами УСО в общем случае являются ско­рость и погрешность преобразования, а также диапазон вход­ных/выходных напряжений и токов.

В настоящее время в зарубежной и отечественной промыш­ленности используется в основном номенклатура датчиков с входными и выходными параметрами, нормированными в соот­ветствии с международными стандартами.

Наиболее целесообразным вариантом структурной организа­ции модуля УСО является разделение его на две функционально-конструктивные части. Одна часть — системная, реализующая функции сопряжения с УВК и в ряде случаев функции обработки информации, и вторая — собственно модуль УСО, осуществляю­щий непосредственный прием сигналов от датчиков технологи­ческого процесса и выдачу управляющих воздействий на испол­нительные механизмы.

На плате модуля УСО могут размещаться:

• преобразователь входного постоянного напряжения питания в постоянное напряжение питания разнотипных узлов (дискрет­ных, аналоговых и др.);

• функциональные узлы (например, АЦП) с гальванической раз­вязкой;

• нормализаторы уровней сигналов, осуществляющие, напри­мер, преобразование тока в напряжение, фильтрацию и усиле­ние аналогового сигнала, смещение начального значения диа­пазона входных сигналов, согласование высокоуровневых вход­ных и выходных дискретных сигналов от объекта с сигналами контроллера и обеспечивающие непосредственное подключе­ние датчиков, двигателей и т.д.

На плате модуля УСО могут быть также установлены специа­лизированные процессоры, выполняющие цифровую фильтра­цию и предварительную обработку информации с датчиков, эта­лонный источник напряжения для оценки и коррекции метроло­гических характеристик АЦП и др. Такие интеллектуальные УСО позволяют существенно сократить затраты времени центрально­го процессора и повысить производительность системы. С разви­тием микроэлектроники цифровая обработка сигналов и другие интеллектуальные функции будут реализованы в УСО уже на уровне первичных преобразователей.

Модули УСО должны содержать элементы гальванического разделения цепей связи с датчиками и исполнительными устрой­ствами.

Сигналы к УСО от датчиков (или сигналы от УСО к исполни­тельным устройствам) передаются по проводам, которые сопря­гаются с кроссовыми соединителями (переходными устройства­ми) — кабельными разъемами или клеммными колодками с пру­жинящими или выполненными «под винт» зажимами (зажимы предпочтительнее, так как позволяют подсоединять и отсоеди­нять провода независимо друг от друга).

Для промышленных контроллеров, как и для УВК, характер­на магистрально-модульная структура. Модуль процессора и мо­дули УСО имеют единый функциональный, электрический и конструктивный интерфейс; в ПЛК находят применение как стан­дартные интерфейсы (например, шина ISA), так и специализиро­ванные, рассчитанные на контроллерные применения (напри­мер, ИМП, см. разд.3.3.3).

Средства индикации ПЛК предназначены для вывода информа­ции о состоянии устройства и процесса управления в целом, о прохождении тестов и типах обнаруженных ошибок, а также о состоянии каналов связи с объектом управления. Элементами индикации могут служить светодиоды или светодиодные индика­торные панели. Введение средств индикации не является обяза­тельным.

5.4. Программное обеспечение ПЛК

Главными требованиями к программному обеспечению для ПЛК являются:

• поддержка процессов сбора, анализа информации и управления в реальном времени;

• возможность дистанционного управления со стороны цент­ральной станции (УВК);

• поддержка локальных баз данных в реальном времени;

Программное обеспечение распределенной системы (УВК — ПЛК) включает следующие основные компоненты:

• тестовое программное обеспечение;

• базовое программное обеспечение;

• прикладное технологическое программное обеспечение.

Тестовое программное обеспечение выполняет тестирование как отдельных ПЛК, так и системы в целом, включая тестирование и диагностику различных конфигураций.

Тестовое программное обеспечение содержит следующие компоненты:

•программы инициализации и конфигурирования, а также начальные тесты для ПЛК и сетевых адаптеров (внутреннее про­граммное обеспечение, расположенное в ПЗУ);

• программы для тестирования ПЛК через линию связи с УВК или
специализированной наладочной аппаратурой;

• программы для тестирования, наладки и сбора статистики ло­кальной сети распределенной системы;

• комплексное тестирование распределенной системы в целом;

• специализированное тестовое программное обеспечение для наладочных пультов, стендов, эмуляторов и т.д.

Базовое программное обеспечение состоит из набора инстру­ментальных и исполнительных программных средств, ориенти­рованных на построение многоуровневых систем.

В состав исполнительных базовых программных средств вхо­дят операционные системы реального времени, управляющие выполнением прикладной программы и устройствами ПЛК, и се­тевые программные средства, обеспечивающие информацион­ный обмен между отдельными узлами и возможность дистанци­онного доступа и управления в распределенной системе.

Системное программное обеспечение (СПО) ПЛК непосредственно контролирует аппаратные средства ПЛК. СПО отвечает за тести­рование и индикацию работы памяти, источника питания, моду­лей ввода-вывода и интерфейсов, таймеров и часов реального вре­мени. Система исполнения кода прикладной программы является составной частью СПО. Система исполнения включает драйверы модулей ввода-вывода, загрузчик кода программ пользователя, интерпретатор команд и отладочный монитор. Код СПО располо­жен в ПЗУ и может быть изменен только изготовителем ПЛК.

Код прикладной программы размещается в энергонезависимой памяти, чаще всего это электрически перепрограммируемые мик­росхемы. Изменение кода прикладной программы выполняется пользователем ПЛК при помощи системы программирования и может быть выполнено многократно.

Для разработки технологических программ используются сле­дующие инструментальные средства: редакторы, системы про­граммирования (поддержка ассемблеров и языков высокого уровня, а также языков технологического программирования), средства отладки и тестирования, а также инструментарий для функционально-ориентированных языков программирования, позволяющих с минимальными трудозатратами осуществлять проектирование системы «под ключ».

Технологические языки, используемые для разработки при­кладных программ, включают в себя обычно арифметические и логические операции, средства организации циклов подключе­ния и отключения портов, средства управления прерываниями (запрет/разрешение, установка приоритетов), средства работы с интервалами времени и обработки событий, а также средства для динамической загрузки и запуска программ. Элементами языка являются имена портов ввода-вывода и отдельных их разрядов, имена счетчиков, таймеров и контактов, флаги, а также парамет­ры технологического процесса.

Современные средства автоматизации проектирования тех­нологических программ позволяют программировать ПК с ис­пользованием библиотеки стандартных программных модулей -«алгоблоков», реализующих типовые алгоритмы управления АСУТП: компараторы, формирователи ШИМ-сигналов и др. Интегрированная среда для создания прикладных программ ПК функционирует в составе ПО УВК или ПЭВМ и включает в себя редактор текстов, компиляторы, компоновщик и отладчик; предусматривается возможность удаленной загрузки и отладки прикладных программ.

Контроль времени рабочего цикла

Правильно составленная пользовательская программа не дол­жна содержать бесконечных циклов. В противном случае управ­ление системе исполнения не будет передано, и, соответственно, нормальное функционирование контроллера будет нарушено. Для преодоления данной проблемы служит контроль времени цикла. Контроль осуществляется при поддержке аппаратно реализован­ного «сторожевого таймера». Если фаза пользовательского кода выполняется дольше установленного порога, то ее работа будет прервана. Таким образом, достигается предсказуемое поведение ПЛК при ошибках в программе и при «зависании» по причине аппаратных сбоев.

Обслуживание сторожевого таймера выполняется в рабочем цикле ПЛК. Выполнять эту операцию по прерыванию нельзя, по­скольку при «зависании» процессора система прерываний доста­точно часто продолжает исправно работать.

5.5. Промышленные контроллеры СМ1820М.ПК

Промышленные контроллеры СМ1820М.ПК входят в со­став семейства CM 1820M и совместно с УВК СМ 1820М.ВУ поз­воляют строить унифицированные многоуровневые распределенные АСУТП. Промышленные контроллеры СМ1820М.ПК предназначены для работы в АСУТП различных отраслей промы­шленности в условиях производства, характеризующихся повы­шенной загрязненностью воздуха, вибрациями, ударами, силь­ными электромагнитными полями, значительными температур­ными колебаниями. Современные программируемые ПЛК СМ1820М.ПК являются развитием ПЛК на базе микроЭВМ СМ 1800.

Дата добавления: 2015-02-09 ; просмотров: 51 ; Нарушение авторских прав

Анализ цифровых схем на риски сбоя

В булевой алгебре, используемой для моделирования работы цифровых схем, не учитывается время перехода (или инертность) логических элементов (например, «И», «ИЛИ») из одного состояния в другое (например, из 0 в 1). В случаях, когда время распространения сигнала внутри элемента достаточно мало, задержку перехода можно не учитывать. Но с повышением частоты изменения входных сигналов в реальных схемах начинает сказываться влияние времени распространения сигнала внутри ее элементов. Такие задержки могут порождать неустойчивую работу устройств (т.е. в сигналах после последовательного прохождения через узлы схемы появляются не учитываемые моделью схемы переходы, называемые сбоями). Многие производители современных процессоров держат в тайне, как они борются со сбоями, порождаемыми задержками, на частотах порядка ГГц. Ведь обычный проводник с множеством близких изгибов на плате в таком режиме работы уже превращается в индуктивность.

Чтобы проанализировать простейшие схемы на риски сбоя, обычно применяют метод временных диаграмм, ставший уже классическим. Сигналы в каждом узле прочерчиваются строго друг под другом; где нужно, производится искусственная задержка перехода из одного состояния в другое, а далее по булевому представлению строятся выходные сигналы. Данный метод не хорош тем, что требует работы с графиками, что может внести погрешность в получаемые сигналы. А нам нужно знать, возникнет ли сбой, и какой он будет иметь вид.

В 2005-м году я касался этой темы и изложил свои мысли в данной заметке на английском языке. Однако мой хороший знакомый посоветовал написать в Хабрахабр для обсуждения с пользователями.

В данном топике процедура анализа схем переведена из графического представления в математическое представление. При этом вводится в булеву алгебру параметр «время» посредством замены логических операций арифметическими. Для простоты анализа рассматриваются асинхронные, т.е. неуправляемые внешним (синхронизирующим или тактирующим) сигналом, цифровые схемы.

1. Переход от логического представления булевых функций к арифметическому представлению

Рассмотрим числовое множество . На нем определены операции отрицания, конъюнкции, дизъюнкции и производимые от них (например, импликация, альтернативная дизъюнкция и др.). Выразим эти логические операции через арифметические на множестве M:
(1)

Покажем справедливость закона де Моргана :

К выражениям (1) добавим правило
(2)
для всех натуральных значений m, справедливость которого очевидна.

Выражение для булевой функции, являющейся функцией входных сигналов схемы, теперь можно упростить по законам арифметических действий и правила (2). После упрощений перейти назад — к булевому представлению. При этом сам процесс минимизации можно автоматизировать, перейдя к символьным вычислениям.

2. Ввод в булеву алгебру параметра «время»

Как известно, единичная ступенчатая функция или функция Хевисайда определена на множестве действительных чисел и возвращает число, принадлежащее множеству M:

Обозначим через t текущее время. Заметим, что функцию h еще называют выключательной функцией. Очевидно следующее утверждение: любой сигнал в логической схеме, включающий переход из одного логического состояния в другое, можно представить как сумму-разность функций Хевисайда, взятых с соответствующим аргументом.

Для функции h имеет место очевидное правило
(3)
где — момент времени, когда происходит изменение сигнала. Добавим правило (3) к (1) и (2).

Теперь, зная аналитическое выражение для входных сигналов логической схемы, можно найти вид функции выходного сигнала.

3. Задержки в логических элементах схемы

Задержку сигнала в логическом элементе удобно моделировать как разность аргумента функции Хевисайда и длительности задержки (т.к. для существующих логических элементов в основном задержки по фронту (переход из 0 в 1) и спаду (переход из 1 в 0) примерно одинаковы). Таким образом, любой реальный логический элемент схемы можно моделировать как последовательное соединение звена «чистого» запаздывания по каждому входу и идеального логического элемента (здесь запаздывание равно длительности задержки). Например, уравнение выходного сигнала конъюнктора с задержкой по входу имеет вид

где и — функции, описывающие соответствующие входные сигналы.

4. Алгоритм поиска сбойных состояний

Предлагаемый алгоритм поиска сбойных состояний аналогичен методу временных диаграмм; преимущество метода в том, что мы работаем не с графическими изображениями сигналов, а с их аналитическими выражениями (при этом появляется возможность аналитической оценки временных характеристик сбоя):
1. Пусть исследуемая схема функционирует в соответствии с некоторым логическим выражением, задаваемым ДНФ;
2. Задаемся функциями входных сигналов, представляющие собой переходы в таблице истинности, выражаемые через функцию Хевисайда;
3. Идем по пути следования сигналов в логической схеме с целью поиска выражения для выходного сигнала схемы, применяя правила (1) и (3);
4. Если в полученном выражении присутствует разность функций Хевисайда, то мы имеем статический сбой; если присутствует функция Хевисайда с задерживающим аргументом, то сбой динамический.

5. Пример анализа логической схемы.

Исследуем переход из набора 1111 в набор 1001 таблицы истинности для схемы, показанной на рис. 1.

Рис. 1. Схема, реализующая булеву функцию .

Представим входные сигналы следующим образом (для простоты будем рассматривать изменение состояний в момент времени, равный 5 временным единицам):

Предположим, что все элементы имеют одинаковые задержки, равные . Тогда

Таким образом, мы получили статический сбой — в результирующее выражение входит разность функций Хевисайда (рис. 2).

Время реакции ПЛК на изменения входных сигналов

В настоящее время системы управления технологическим оборудованием часто выполняют на основе программируемых логических контроллеров (ПЛК). Для сопряжения с источниками сигналов (ИС) объекта управления входы ПЛК должны иметь определенные характеристики по току и напряжению. Номенклатура датчиков и средств управления, используемых в качестве источников входных сигналов для ПЛК, достаточно широка как по роду, так и по величине тока и напряжения [3].

Наиболее широко в качестве ИС в технологическом оборудовании применяют технические средства с дискретными сигналами (переключатели, кнопки, конечные и путевые выключатели, датчики давления, контакты реле, контакты магнитных пускателей и т.д.). Текущее состояние (замкнутое или разомкнутое) дискретных контактных датчиков определяется контролируемым технологическим процессом.

Надежная работа системы управления с ПЛК зависит от организации взаимодействия ИС с входными модулями ПЛК в части электрических параметров и источников питания входных цепей.

Для питания дискретных ИС и входных цепей ПЛК в основном используют напряжение 24 В постоянного тока. Однако при этом не всегда обеспечивается надежная работа ИС и достоверность сигналов на входе модуля ПЛК. Это связано с несогласованностью параметров элементов электрооборудования, используемых в качестве ИС, с входными параметрами модулей ПЛК [2].

В качестве примера на рис. 1 показано типовое подключение контактных датчиков к входам модуля SM323 ПЛК серии SIMATIC фирмы Сименс, который предназначен для преобразования входных дискретных сигналов контроллера в его внутренние логические сигналы [5]. Количество входов одного модуля – 8 или 16, входное напряжение = 24 В, типовое значение входного тока высокого уровня – 7,0 мА. R1 и R2 – резисторы согласующей цепочки.

Несогласованность параметров элементов электрооборудования с входным параметром модуля проявляется в том, что, как указано выше, входной ток модуля составляет 7,0 мА, тогда как контакты датчика нормально могут работать со значительно большими токами. При использовании электроаппаратов с негерметичными контактами (кнопки типа КЕ или переключатели типа ПЕ) «пробивание» током окисной пленки при напряжении 24 В обеспечивается при силе тока 0,2–0,5 А [2].

Работа таких датчиков часто происходит в тяжелых условиях, что связано с открытой коммутацией тока, подверженностью вредному воздействию окружающей среды (пыль, влага, грязь) и др., что характерно для путевых, блокировочных и конечных выключателей, от которых зависит не только правильное функционирование оборудования, но и безопасность обслуживающего персонала. Такие условия ещё более затрудняют процесс коммутации тока контактом датчика.

Для увеличения тока, протекающего через контакты датчиков, параллельно каждому входу ПЛК подключают дополнительные шунтирующие резисторы Rш (рис. 1).

С учетом рекомендуемого тока через контакт датчика сопротивление Rш для напряжения питания 24 В должно выбираться порядка 120 Ом, с мощностью рассеивания 4 Вт. Однако из энергетических соображений, практически используют резисторы Rш с сопротивлением 1 кОм и мощностью рассеивания 1 Вт. Необходимость использования шунтирующих резисторов приводит к большому количеству плат, на которых монтируют эти резисторы, усложнению монтажа и бесполезной потере энергии, рассеиваемой на них.

Рис. 1. Подключение контактных электроаппаратов к входам модуля ПЛК с использованием шунтирующего резистора Rш

При модернизации технологического оборудования, в том числе импортного производства, в исходных схемах систем управления может быть два типа подключения контактов электроаппаратов, которые используются в качестве ИС. По типу 1 контакты электроаппаратов (кнопки, путевые выключатели) подключены к плюсовому проводу источника питания. В другом случае контакты электроаппаратов подключены к общему проводу с индексом «┴». Такое включение будем считать по типу 2. Два типа подключения связаны с необходимостью совместного включения входных и выходных цепей электронных блоков защиты и управления, организации совместной работы нескольких исполнительных элементов и организации сложных блокировок. По этой причине необходимо рассмотреть два типа согласующих цепей.

При выполнении новой системы управления на базе ПЛК (с целью модернизации) питание модулей и ИС будет обеспечиваться от отдельного источника питания с напряжением 24 В постоянного тока, у которого, положим, что минусовой вывод будет подключен к общему проводу с индексом «┴» (клемма Х52:12), а плюсовой вывод к клемме Х52:11.

С учетом изложенных выше рекомендаций для согласования параметров ИС (например, путевых выключателей S178 и S179) и входов модулей можно применить шунтирующие резисторы, подключаемые параллельно входам модулей, которые выбираются из условия, чтобы общий ток через контакт ИС был не менее 50 мА.

Включение согласующей цепочки типа 1 выполняется просто (рис. 2).

Рис. 2. Схема подключения ИС (S178, S179) к входу модуля с согласующей цепочкой типа 1

Для схем второго типа ИС (S190) подключен к общему проводу «┴» (рис. 3). Простое включение ограничительного резистора между контактом ИС и проводом питания +24 В, с подключением точки их соединения к входу модуля имеет два недостатка: первое – разомкнутому состоянию контакта будет соответствовать логическая единица на входе модуля (т.е. имеет место инверсия входного сигнала), второе – при таком включении будет снижаться входной ток модуля. Для устранения указанных недостатков согласующую цепочку рационально выполнить на основе оптрона по схеме рис. 3. Благодаря оптрону исключается инверсия входного сигнала и, практически, не ограничивается ток входного модуля, а резисторами R1 и R2 задается требуемый ток через контакт S190. Для этой схемы рекомендуется оптрон типа АОТ128Б, отличающийся малым падением напряжения на открытом транзисторе.

Рис. 3. Схема подключения ИС (S190) к входу модуля с согласующей цепочкой типа 2

Резисторы R1 и R2 выбраны с одинаковыми параметрами (МЛТ-1-1 кОм ±10 %.), что целесообразно для упрощения комплектации схем согласования.

Резистор R3 выбран по рекомендации справочника по оптронам [1] – МЛТ-0,125-100 кОм ±10 %.

Для повышения надежности работы контактных ИС и исключения дополнительного расхода энергии целесообразно выбирать источник питания ИС с напряжением 110 В переменного тока. При этом, как показывает практика, при токе через контакт электроаппарата, равным входному току модуля ПЛК (порядка 20 мА), обеспечивается надежное получение сигнала от контакта электроаппарата. Для гашения излишка переменного напряжения обычно используют конденсатор, величину которого рассчитывают по известному напряжению источника Uип, входному напряжению Uвх и току iвх модуля.

Конденсатор выбирают с рабочим напряжением не менее 2 Uип и шунтируют резистором с сопротивлением не менее 100 кОм и мощностью рассеивания 0,5 Вт. Однако, модули с питанием входных цепей напряжением 110 В переменного тока применяются в ПЛК ограниченно.

Большинство ПЛК комплектуются модулями с питанием входных цепей и ИС от источника постоянного тока с напряжением 24 В. Выше были отмечены особенности и недостатки организации согласования параметров ИС и входов модулей ПЛК для такого случая. Для устранения указанных недостатков в инженерном центре ИПТМ НГТУ разработан новый способ согласования параметров ИС и входов модулей ПЛК [4]. На рис. 4 показана структурная схема устройства для реализации этого способа. Она состоит из источника 1 импульсов, контактного датчика 2, линии связи 3, формирователя 4 и входа модуля ПЛК 5 (показана схема для одного канала).

Рис. 4. Структурная схема устройства для реализации нового способа согласования

Особенностью способа является питание дискретного датчика (ИС) и входной цепи модуля ПЛК от импульсного источника, который выдает импульсы с большой скважностью Q (рис. 5).

где T – период следования импульсов; tи – длительность импульса

Импульсы от источника 1 (рис. 4) поступают на контактный датчик 2, состояние которого определяется ходом контролируемого технологического процесса. В качестве датчика также может быть любой дискретный командоаппарат (например, кнопка или переключатель), с помощью которого задаются команды от оператора для управляющего устройства (ПЛК). Если контакт датчика замкнут, импульсы от источника 1 поступают через линию связи 3 на формирователь 4. Суммарное сопротивление резисторов R1 и R2 будет определять ток через контакт датчика 2 в момент действия импульса от источника 1. Тем самым обеспечивается необходимый режим работы контакта по току. Амплитуда импульсов источника 1 выбирается из условия надежной работы контакта датчика. Для приведения амплитуды импульсов к требуемому уровню (по условию работы входа модуля ПЛК 5) используют делитель на резисторах R1 и R2. Поскольку модуль ПЛК ориентирован на входной сигнал постоянного тока, необходимо выделить огибающую из импульсной последовательности, которая будет присутствовать на резисторе R2 при замкнутом контакте датчика 2. Этот процесс показан на рис. 6.

Импульсы с резистора R2 формирователя 4 поступают на вход диодного амплитудного детектора с фильтром, которые входят в состав формирователя 4, служащего для выделения огибающей 4 (рис. 6) импульсной последовательности 3, которая поступает на формирователь 4 при замкнутом состоянии датчика 2 (диаграмма 2 на рис. 6) и образуется из импульсной последовательности 1, которая формируется источником импульсов. Выбором высокой частоты следования импульсов (10–100 кГц) обеспечивается малая постоянная времени фильтра и малая величина задержки формируемой огибающей по отношению к импульсной последовательности.

Рис. 5. Вид импульсов питания цепи ИС

Рис. 6. Процесс формирования входного напряжения из импульсной последовательности (выделение огибающей)

Выбор параметров элементов при реализации способа можно пояснить следующим примером.

Если положить, что ток через контакт датчика в импульсе будет равен

(где Uи – амплитуда импульсов), то средний ток с учетом скважности (рис. 5) будет равен . Выбором скважности Q (при tи ), а габариты конденсатора фильтра также небольшие (из-за высокой частоты следования импульсов), такие формирователи легко встраиваются в каждый канал входного модуля программируемого контроллера.

Новый способ согласования параметров ИС и входов ПЛК с использованием импульсов большой скважности обеспечивает следующие преимущества:

● повышается надежность работы контактных датчиков (за счет увеличенных значений напряжения и тока) и тем самым достоверность определения их состояния;

● исключается расход энергии на дополнительных нагрузочных резисторах и необходимость установки плат с этими резисторами;

● уменьшаются габариты элементов входных цепей каналов модулей;

● уменьшаются габариты и расход энергии в импульсных блоках питания по сравнению с обычными источниками питания.

● появляется возможность для производителя ПЛК выпускать только один тип дискретных входных модулей.

Рецензенты:

Панов А.Ю., д.т.н., заведующий кафед­рой «Теоретическая и прикладная механика», ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород;

Кретинин О.В., д.т.н., профессор кафедры «Автоматизация машиностроения», ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород.

Принцип работы и основы программирования ПЛК

Программируемые логические контроллеры (ПЛК)

До появления твердотельных логических схем разработка систем логического управления основывались на электромеханических реле. По сей день реле не устарели в своем предназначении, но все же в некоторых своих прежних функциях они заменены контроллером.

В современной промышленности существует большое количество различных систем и процессов, требующих автоматизации, но теперь такие системы редко проектируются из реле. Современные производственные процессы нуждаются в устройстве, которое запрограммировано на выполнение различных логических функций. В конце 1960-х годов американская компания «Bedford Associates» разработала компьютерное устройство, названное MODICON (Modular Digital Controller). Позже название устройства стало названием подразделения компании, спроектировавшей, сделавшей и продавшей его.

Другие компании разработали собственные версии этого устройства, и, в конце концов, оно стало известно как ПЛК, или программируемый логический контроллер. Целью программируемого контроллера, способного имитировать работу большого количества реле, была замена электромеханических реле на логические элементы.

ПЛК имеет набор входных клемм, с помощью которых можно контролировать состояние датчиков и выключателей. Также имеются выходные клеммы, которые сообщают «высокий» или «низкий» сигнал индикаторам питания, электромагнитным клапанам, контакторам, небольшим двигателям и другим самоконтролируемым устройствам.

ПЛК легки в программировании, так как их программный язык напоминает логику работы реле. Так обычный промышленный электрик или инженер-электрик, привыкший читать схемы релейной логики, будет чувствовать себя комфортно и при программировании ПЛК на выполнение тех же функций.

Подключение сигналов и стандартное программирование несколько отличаются у разных моделей ПЛК, но они достаточно схожи, что позволяет разместить здесь «общее» введение в программирование этого устройства.

Следующая иллюстрация показывает простой ПЛК, а точнее то, как он может выглядеть спереди. Две винтовые клеммы, обеспечивающие подключение для внутренних цепей ПЛК напряженим до 120 В переменного тока, помечены L1 и L2.

Шесть винтовых клемм, расположенных с левой стороны, обеспечивают подключение для входных устройств. Каждая клемма представляет свой входной канал (Х). Винтовая клемма («общее» подключение ) расположенная в левом нижнем углу обычно подключается к L2 (нейтральная) источника тока напряжением 120 В переменного тока.

Внутри корпуса ПЛК, связывающего каждую входную клемму с общей клеммой, находится оптоизолятор устройства (светодиод), который обеспечивает электрически изолированный «высокий» сигнал для схемы компьютера ( фототранзистор интерпретирует свет светодиода), когда 120-тивольтный переменный ток устанавливается между соответствующей входной клеммой и общей клеммой. Светодиод на передней панели ПЛК дает возможность понять, какой вход находится под напряжением:

Выходные сигналы генерируются компьютерной схемотехникой ПЛК, активируя переключающее устройство (транзистор, тиристор или даже электромеханическое реле) и связывая клемму «Источник» (правый нижний угол) с любым помеченным буквой Y выходом. Клемма «Источник» обычно связывается с L1. Так же, как и каждый вход, каждый выход, находящий под напряжением, отмечается с помощью светодиода:

Таким образом, ПЛК может подключаться к любым устройствам, таким как переключатели и электромагниты.

Основы программирования ПЛК

Современная логика системы управления установлена в ПЛК посредством компьютерной программы. Эта программа определяет, какие выходы находятся под напряжением и при каких входных условиях. Хотя сама программа напоминают схему логики реле, в ней не существует никаких контактов переключателя или катушек реле, действующих внутри ПЛК для создания связей между входом и выходом. Эти контакты и катушки мнимые. Программа пишется и просматривается с помощью персонального компьютера, подключенного к порту программирования ПЛК.

Рассмотрим следующую схему и программу ПЛК:

Когда кнопочный переключатель не задействован (находится в не нажатом состоянии), сигнал не посылается на вход Х1. В соответствие с программой, которая показывает «открытый» вход Х1, сигнал не будет посылаться и на выход Y1. Таким образом, выход Y1 останется обесточенным, а индикатор, подключенный к нему, погасшим.

Если кнопочный переключатель нажат, сигнал будет отправлен к входу Х1. Все контакты Х1 в программе примут активированное состояние, как будто они являются контактами реле, активированными посредством подачи напряжения катушке реле, названной Х1. В этом случае открытый контакт Х1 будет «закрыт» и отправит сигнал к катушке Y1. Когда катушка Y1 будет находиться под напряжением, выход Y1 осветится лампочкой, подключенной к нему.

Следует понимать, что контакт Х1 и катушка Y1 соединены с помощью проводов, а «сигнал», появляющийся на мониторе компьютера, виртуальный. Они не существуют как реальные электрические компоненты. Они присутствуют только в компьютерной программе — часть программного обеспечения — и всего лишь напоминают то, что происходит в схеме реле.

Не менее важно понять, что компьютер, используемый для написания и редактирования программы, не нужен для дальнейшего использования ПЛК. После того, как программа была загружена в программируемый контроллер, компьютер можно отключить, и ПЛК самостоятельно будет выполнять программные команды. Мы включаем монитор персонального компьютера в иллюстрации для того, чтобы вы поняли связь между реальными условиями (замыкание переключателя и статусы лампы) и статусы программы (сигналы через виртуальные контакты и виртуальные катушки).

Истинная мощь и универсальность ПЛК раскрывается, когда мы хотим изменить поведение системы управления. Поскольку ПЛК является программируемым устройством, мы можем изменить, команды, которые мы задали, без перенастройки компонентов, подключенных к нему. Предположим, что мы решили функцию «переключатель – лампочка» перепрограммировать наоборот: нажать кнопку, чтобы выключить лампочку, и отпустить ее, чтобы включить.

Решение такой задачи в реальных условиях заключается в том, что выключатель, «открытый» при нормальных условиях, заменяется на «закрытый». Программное ее решение – это изменение программы так, чтобы контакт Х1 при нормальных условиях был «закрыт», а не «открыт».

На следующем изображении вы увидите уже измененную программу, при не активизированном переключателе:

А здесь переключатель активизирован:

Одним из преимуществ реализации логического контроля в программном обеспечении, в отличие от контроля с помощью оборудования, является то, что входные сигналы могут быть использованы такое количество раз, какое потребуется. Например, рассмотрим схему и программу, разработанной для включения лампочки, если хотя бы два из трех переключателей активизированы одновременно:

Чтобы построить аналогичную схему, используя реле, потребуются три реле с двумя открытыми контактами при нормальных условиях, каждый из которых должен быть использован. Однако используя ПЛК, мы можем без добавления дополнительного оборудования запрограммировать столько контактов для каждого «Х» входа, сколько нам хотелось бы (каждый вход и выход должен занимать не больше, чем 1 бит в цифровой памяти ПЛК) и вызывать их столько раз, сколько необходимо.

Кроме того, так как каждый выход ПЛК занимает не более одного бита в его памяти, мы можем вносить контакты в программу, приводя Y выход в не активизированное состояние. Для примера возьмем схему двигателя с системой контроля начала движения и остановки:

Переключатель, подключенный к входу Х1, служит кнопкой «Старт», в то время как переключатель, подключенный к входу Х2 — кнопкой «Стоп». Другой контакт, названный Y1, подобно печати в контакте, позволяет контактору двигателя оставаться под напряжением, даже если отпустить кнопку «Старт». При этом вы можете увидеть, как контакт Х2, «закрытый» при нормальных условиях, появится в цветном блоке, показывая тем самым, что он находится в «закрытом» («электропроводящем») состоянии.

Если нажать кнопку «Старт», то по «закрытому» контакту Х1 пройдет ток ток и он отправит 120 В переменного токак к контактору двигателя. Параллельный контакт Y1 также «закроется», тем самым замкнув цепь:

Если мы теперь нажмем кнопку «Старт», контакт Х1 перейдет в «открытое» состояние, но двигатель будет продолжать работать, потому что замкнутый контакт Y1 все еще будет держать катушку под напряжением:

Чтобы остановить двигатель, нужно быстро нажать кнопку «Стоп», которая сообщит напряжение входу Х1 и «открытому» контакту, что приведет к прекращению подачи напряжения к катушке Y1:

Когда вы нажали кнопку «Стоп», вход Х1 остался без напряжения, вернув тем самым контакт Х1 в его нормальное «закрытое» состояние. Двигатель ни при каких условиях не станет работать снова, пока вы снова не нажмете кнопку «Старт», потому что печать в контакте Y1 была потеряна:

Очень важна отказоустойчивая модель устройств контроля ПЛК, так же, как и в устройствах контроля электромеханического реле. Нужно всегда учитывать влияние ошибочно «открытого» контакта на работу системы. Так, например, в нашем случае, если контакт Х2 будет ошибочно «открыт», то не будет никакой возможности остановить двигатель!

Решением этой проблемы является перепрограммирование контакта Х2 внутри ПЛК и фактическое нажатие кнопки «Стоп»:

Когда кнопка «Стоп» не нажата, вход ПЛК Х2 находится под напряжением, т.е. контакт Х2 «закрыт». Это позволяет двигателю начать работу, когда контакту Х1 сообщается ток, и продолжать работу, когда кнопка «Старт» отпущена. Когда вы нажимаете кнопку «Стоп», контакт Х2 переходит в «открытое» состояние и двигатель прекращает работу. Таким образом, вы можете увидеть, что функциональной разницы между этой и предыдущей моделью нет.

Тем не менее, если входной контакт Х2 был ошибочно «открыт», вход Х2 может быть остановлен нажатием кнопки «Стоп». В результате двигатель немедленно отключается. Эта модель безопаснее, чем предыдущая, где нажатие кнопки «Стоп» сделает невозможным остановку двигателя.

В дополнение к входам (Х) и выходам (Y) в ПЛК есть возможность использовать «внутренние контакты и катушки. Они используются так же, как и промежуточные реле, применяемые в стандартных релейных схемах.

Чтобы понять принцип работы «внутренних» схем и контактов, рассмотрим следующую схему и программу, разработанную по принципу трех входов логической функции AND:

В данной схеме, лампа горит, до тех пора пока какая-либо из кнопок не нажата. Для того чтобы выключить лампу следует нажать все три кнопки:

В этой статье, посвященной программируемым логическим контроллерам, иллюстрирована лишь небольшая выборка их возможностей. Как компьютер ПЛК может выполнять и другие расширенные функции с гораздо большей точностью и надежностью, чем при использовании электромеханических логических устройств. Большинство ПЛК имеют больше шести входов и выходов. Следующая иллюстрация показывает один из ПЛК компании Allen-Bradley:

С модулями, каждый из которых имеет 16 входов и выходов, этот ПЛК имеет возможность управлять десятком устройств. Помещенный в шкаф управления ПЛК занимает мало места (для электромеханических реле, выполняющих те же функции, понадобилось бы гораздо больше свободного пространства).

Одно из преимуществ ПЛК, которое просто не может быть продублировано электромеханическим реле, является удаленный мониторинг и управление через цифровые сети компьютера. Поскольку ПЛК – это ничего больше, чем специализированный цифровой компьютер, он может легко «общаться» с другими компьютерами. Следующая фотография — графическое изображение процесса заполнения жидкостью (насосная станция для муниципальной очистки сточных вод), контролируемого ПЛК. При этом сама станция расположена в нескольких километрах от монитора компьютера.

Презентация на тему: Расчет времени реакции ПЛК

Первый слайд презентации: Расчет времени реакции ПЛК

ЧТ. ВХ. ОБР Программа ЗАП.ВЫХ.ОБР. Фаза ОС, сеть Рабочий (контроллерный) цикл Обновление входов (мод. ввода) Обновление выходов (мод. вывода) Минимальное время реакции Максимальное время реакции=время реакции ПЛК=ОБН.ВХ+2*РЦ+ОБН.ВЫХ Минимальное время реакции= ОБН.ВХ+РЦ+ОБН.ВЫХ

Слайд 2: Расчет времени реакции ПЛК

Вопрос 1. Для управления технологическим процессом предполагается использовать некий универсальный контроллер магистрально-модульной архитектуры. Контроллер оснащен операционной системой. Управление предполагает сетевой обмен и обработку прерываний. Рассчитайте время реакции контроллера для следующего случая: Задействовано каналов ввода/вывода ( I / O ): аналоговых входов: 2; дискретных входов: 8; аналоговых выходов: 2; дискретных (релейных) выходов: 0. Временные параметры I/O: время опроса одного аналогового входа (используется последовательный АЦП) – 14 мс ; время реакции дискретных входов на изменение физического сигнала – 1,0 мс ; время обновления аналогового выхода (используется последовательный ЦАП) – 0,8 мс ; время чтения образа процесса (для всех входов) – 0,3 мс ; время записи образа процесса (для всех выходов) – 0 мс ; Время работы ОС в контрольной точке цикла – 0,5 мс. Коммуникационная нагрузка ( KH) : 10%. Длительность выполнения программы пользователя – 2,66 мс. Увеличение времени цикла на обработку прерываний (ВОП) – 10%. Дискретность системного таймера – 1 мс.

Слайд 3: Расчет времени реакции ПЛК

Ответ. М аксимальное время реакции при задействованных аналоговых входах (с последовательным АЦП) и выходах (с последовательным ЦАП) рассчитывается как T реак. макс. = n *Т вх +2*Т цик + m *Т вых, где Твх – время опроса аналогового входа, n – число аналоговых входов, Тц – время рабочего цикла ПЛК, Твых – время (задержка) обновления аналогового выхода, m – число выходов. При задействованных дискретных входах выходах: T реак. макс. =Т вх +2*Т цик +Т вых Минимальное время реакции при задействованных аналоговых входах и выходах T реак.мин = n *Т вх +Т цик + m *Т вых. При задействованных дискретных T реак.мин = Т вх +Т цик +Т вых. Определим время рабочего цикла контроллера как Т цик =К ВОП *(Т чт.обр.+ Т пр +Т зап.обр. + T ос )*(100 /(100-КН)) где К ВОП – коэффициент увеличения времени на обработку прерываний, Т чт.обр – время чтения образа процесса из памяти, Т зап.обр. — время записи образа процесса в память, Т пр – время исполнения программы пользователя, КН – коммуникационная нагрузка в процентах, T ос – время на выполнение сервисных функций среды и операционный системы. Т цик =1,1*3,46*1,11=4,23 мс. С учетом дискретности системного таймера Т цик =5 мс. Определим (максимальное) время реакции контроллера: при задействованных аналоговых входах и выходах T реак.макс =2*14+2*5+2*0,8=39,6 мс Соответственно минимальное время реакции контроллера при задействованных аналоговых входах и выходах равно 34,6 мс. Определим (максимальное) время реакции контроллера: при задействованных дискретных входах и выходах T реак.макс =1+2*5=11 мс Соответственно минимальное время реакции контроллера при задействованных дискретных входах и выходах равно 6 мс. T реак. =39,6 мс.

Слайд 4: Функциональные схемы автоматизации

2.4. В верхней части графического обозначения наносят буквенные обозначения измеряемой величины и функционального признака прибора, определяющего его назначение. 2.5. Порядок расположения букв в буквенном обозначении принимают следующим: основное обозначение измеряемой величины; дополнительное обозначение измеряемой величины (при необходимости); обозначение функционального признака прибора. 2.6. При построении обозначений комплектов средств автоматизации первая буква в обозначении каждого входящего в комплект прибора или устройства (кроме устройств ручного управления) является наименованием измеряемой комплектом величины. 2.7. Буквенные обозначения устройств, выполненных в виде отдельных блоков и предназначенных для ручных операций, независимо от того, в состав какого комплекта они входят, должны начинаться с буквы Н. 2.8. Порядок расположения буквенных обозначений функциональных признаков прибора принимают с соблюдением последовательности обозначений: I, R, C, S, A. 2.10. Букву А применяют для обозначения функции «сигнализация» независимо от того, вынесена ли сигнальная аппаратура на какой-либо щит или для сигнализации используются лампы, встроенные в сам прибор. 2.11. Букву S применяют для обозначения контактного устройства прибора, используемого только для включения, отключения, переключения, блокировки. При применении контактного устройства прибора, для включения, отключения и одновременно для сигнализации в обозначении прибора используют обе буквы: S и А. 2.12. Предельные значения измеряемых величин, по которым осуществляется, например, включение, отключение, блокировка, сигнализация, допускается конкретизировать добавлением букв Н и L. Эти буквы наносят справа от графического обозначения. 2.13. При необходимости конкретизации измеряемой величины справа от графического обозначения прибора допускается указывать наименование или символ этой величины.

Слайд 5: Функциональные схемы автоматизации

Обозначение Измеряемая величина Функциональный признак прибора Основное обозначение измеряемой величины Дополнительное обозначение, уточняющее измеряемую величину Отображение информации Формирование выходного сигнала Дополнительное значение А + — Сигнализация — — В + — — — — С + — — Автоматическое регулирование, управление — D Плотность Разность, перепад — — — E Электрическая величина (п. 2.13) — + — — F Расход Соотношение, доля, дробь — — — G Размер, положение, перемещение — + — — Н Ручное воздействие — — — Верхний предел измеряемой величины I + — Показание — — J + Автоматическое переключение, обегание — — —

Слайд 6: Функциональные схемы автоматизации

Обозначение Измеряемая величина Функциональный признак прибора Основное обозначение измеряемой величины Дополнительное обозначение, уточняющее измеряемую величину Отображение информации Формирование выходного сигнала Дополнительное значение K Время, временная программа — — + — L Уровень — — — Нижний предел измеряемой величины M Влажность — — — — N + — — — — O + — — — — P Давление, вакуум — — — — Q Величина, характеризующая качество: состав, концентрация и т.п. Интегрирование, суммирование по времени — + — R Радиоактивность — Регистрация — — S Скорость, частота — — Включение, отключение, переключение, блокировка — T Температура — — + —

Слайд 7: Функциональные схемы автоматизации

Обозначение Измеряемая величина Функциональный признак прибора Основное обозначение измеряемой величины Дополнительное обозначение, уточняющее измеряемую величину Отображение информации Формирование выходного сигнала Дополнительное значение U Несколько разнородных измеряемых величин — — — — V Вязкость — + — — W Масса — — — — Х Нерекомендуемая резервная буква — — — — Y + — — + — Z + — — + —

Слайд 8: Функциональные схемы автоматизации

Наименование Обозначение Назначение Чувствительный элемент Е Устройства, выполняющие первичное преобразование: преобразователи термоэлектрические, термопреобразователи сопротивления, датчики пирометров, сужающие устройства расходомеров и т.п. Дистанционная передача Т Приборы бесшкальные с дистанционной передачей сигнала: манометры, дифманометры, манометрические термометры Станция управления К Приборы, имеющие переключатель для выбора вида управления и устройство для дистанционного управления Преобразование, вычислительные функции Y Для построения обозначений преобразователей сигналов и вычислительных устройств

Слайд 9: Функциональные схемы автоматизации

Слайд 10: Функциональные схемы автоматизации

Вопрос 2. На функциональной схеме автоматизации рассматриваемого технологического процесса встречаются следующие обозначения: Дайте текстовое описание обозначений, сохранив нумерацию, с указанием места установки приборов и примеров оборудования с таким обозначением. Ответ. 1 — Первичный измерительный преобразователь для измерения температуры, установленный по месту (термоэлектрический преобразователь (термопара), термопреобразователь сопротивления, термобаллон манометрического термометра, датчик пирометра и т.д.). 2 — Прибор для измерения температуры регистрирующий, регулирующий, установленный на щите (любой самопишущий регулятор температуры, термометр манометрический, милливольтметр, потенциометр и т.д.). 3 — Прибор для измерения соотношения расходов регистрирующий, установленный на щите (любой вторичный прибор для регистрации соотношения расходов). 4 — Прибор для измерения температуры бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту. Пример: Преобразователь термоЭДС в стандартный токовый сигнал 0…5 мА, 5 — Прибор для измерения расхода интегрирующий с устройством для выдачи сигнала после прохождения заданного количество вещества, установленный по месту (счетчик-дозатор).

Слайд 11: Расчет настроек ПИД-регулятора

Слайд 12: Расчет настроек ПИД-регулятора

Апериодический процесс с минимальным временем регулирования Процесс с 20-процентным перерегулированием и минимальным временем первого полупериода Процесс, обеспечивающий минимум интегрального критерия качества

Каждый электрик должен знать:  Освещение в гараже своими руками видео, фото, схемы
Добавить комментарий
Читайте также:

  1. Видеоконтроллеры
  2. Вопрос. Вещественный состав нефти и природных газов. Основные свойства и промышленные классификации нефти(Билет№6)
  3. Геолого-промышленные типы месторождений золота в Казахстане
  4. Главнейшие промышленные красивоцветущие культуры на срезку. Технология их выращивания
  5. Контроллеры и базовые блоки Advantech
  6. Контроллеры портов ввода-вывода
  7. Контроллеры устройств ввода-вывода.
  8. МНОГООПЕРАЦИОННЫЕ СТАНКИ И ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ
  9. Монополизм в экономике и его последствия. Антимонопольное законодательство. Финансово-промышленные группы
  10. Отрасли лесной промышленностии лесопромышленные комплексы