Принцип работы ПЛК⁠⁠

Приводим материал Стивена Гейтса (Stephen Gates), который на страницах портала Myplctraining доходчиво рассказал о принципах работы программируемых логических контроллеров. Благодарим за популяризацию темы автоматизации в целом и ПЛК, в частности и знакомим вас с переводом статьи.

Введение

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) – это небольшие промышленные компьютеры с модульными компонентами, предназначенные для автоматизации процессов управления. ПЛК часто используются на заводах и иных объектах для управления двигателями, насосами, освещением, вентиляторами, автоматическими выключателями и другим оборудованием.

История ПЛК

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

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

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

Пример языка релейной логики – LD (Ladder diagram)

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

Как работают ПЛК?

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

Процессор
Входы
Выходы

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

ЦП контролирует состояние входов (например, включение, выключение датчика приближения, открытия клапана на 40 % и т. д.).
ЦП принимает информацию, которую он получает от входов и выполняет логические операции.
ЦП устанавливает значения выходов (например, выключение двигателя, открытие клапана и т. д.).

Блок-схема функций ПЛК

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

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

Пользователь нажимает кнопку режима цикла (вход обнаружен)
Пользователь нажимает кнопку запуска (обнаружен ввод)
ЦП проверяет, что дверь закрыта (вход обнаружен)
Заливной клапан открывается, и посудомоечная машина начинает наполняться водой (выход активирован).
ЦП ждет, пока не будет достигнут нужный уровень воды (вход обнаружен)
Заполняющий клапан закрывается, и поток воды прекращается (выход активирован/деактивирован)
Нагревательный элемент включен (выход активирован)
ЦП ждет, пока не будет достигнута требуемая температура воды (вход обнаружен)
Дозатор мыла открывается (выход активирован)
Водяной насос включается, чтобы нагнетать воду через форсунки (выход активирован)
ЦП начинает отсчет времени в зависимости от типа цикла (логический таймер активирован)
Водяной насос выключается (выход деактивирован)
Нагревательный элемент выключен (выход деактивирован)
Сливной клапан открывается, посудомоечная машина начинает сливать грязную воду (выход активирован).
ЦП ждет пока не обнаружит, что уровень воды достаточно низкий (вход активирован/деактивирован)
Дренажный клапан закрывается (выход активирован/деактивирован)
Заправочный клапан снова открывается для ополаскивания посуды (выход активирован)
Водяной насос включается, чтобы нагнетать воду через форсунки (выход активирован)
ЦП начинает отсчет времени (логический таймер активирован)
Водяной насос выключается (выход деактивирован)
Сливной клапан открывается, и посудомоечная машина начинает сливать воду для полоскания (выход активирован).
ЦП ждет пока не обнаружит, что уровень воды достаточно низкий (вход активирован/деактивирован)
Дренажный клапан закрывается (выход активирован/деактивирован)
Нагревательный элемент включается для нагрева воздуха внутри посудомоечной машины и сушки посуды (выход активирован)
ЦП ждет пока не будет достигнута необходимая внутренняя температура (вход активирован)
ЦП начинает отсчет времени (логический таймер активирован)
Нагревательный элемент выключен (выход активирован/деактивирован)

Схема управления посудомоечной машиной

Дискретный и аналоговый ввод/вывод

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

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

Процессор ПЛК – логика

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

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

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

Память ПЛК

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

Коммуникации ПЛК

Связь, осуществляемая центральным процессором, обычно включает в себя одно или несколько действий:

Связь через последовательный порт или порт USB модуля ЦП с компьютером программиста;
Связь с модулями ввода-вывода (I/O) через объединительную плату шасси;
Связь с другими ПЛК и другими устройствами промышленной автоматизации через Ethernet и другие типы сетей.

Продолжая аналогию с человеческим мозгом, связь ПЛК можно сравнить связью мозга с различными частями тела (глазами, носом, руками, ноги и т. д.) и общение с другими людьми. Давайте воспользуемся примером. Логика нашего мозга может выглядеть примерно так:

Мозг получает от глаз информацию о том, что, допустим на полу лежит мешающая проходу коробка.
Мозг принимает логические решения относительно того, почему коробку следует взять в руки и переместить.
Мозг приказывает ногам согнуться, рукам – дотянуться, взять коробку и убрать ее с дороги.

Хотя человеческий мозг намного сложнее, мощнее и гибче, чем ПЛК, тем не менее можно увидеть сходство между ПЛК и системой управления человека. Обратите внимание, как ПЛК можно запрограммировать для работы с механическим оборудованием для выполнения многих задач, которые в противном случае пришлось бы выполнять людям вручную.

Ввод-вывод ПЛК

Ввод-вывод – это часть ПЛК, которая соединяет мозг (ЦП), с внешним миром, механизмами и машинами. В системе ПЛК обычно имеются выделенные модули для входов и модули для выходов. Модуль входа определяет состояние входных сигналов, таких как кнопки, переключатели, датчики температуры и т. д. Модуль вывода управляет такими устройствами, как реле, пускатели двигателей, освещение и т. д.

Дискретный ввод/вывод

Наиболее распространенным типом ввода-вывода ПЛК является дискретный ввод-вывод. Иногда дискретный ввод-вывод называют цифровым вводом-выводом. Концепция проста: дискретный ввод-вывод – это сигналы, которые либо включены, либо выключены. Некоторыми примерами устройств дискретного ввода могут быть такие вещи, как выключатели света, кнопки и бесконтактные переключатели.

Примерами устройств дискретного вывода являются фонари, реле и пускатели двигателей. В нашем примере с посудомоечной машиной некоторые из дискретных входов – это кнопка запуска, выключатель дверцы и переключатель уровня воды. Некоторыми из дискретных выходов могут быть клапан наполнения воды, клапан слива воды и нагревательный элемент.

Примерами дискретных входов для ПЛК могут быть разомкнутые или замкнутые автоматические выключатели, генераторы, датчик положения конвейерной ленты или датчик уровня воды в резервуаре. Дискретные выходы могут отвечать за включение или размыкание автоматических выключателей, запуск или остановку генераторов, открытие или закрытие водяных клапанов или включение и выключение сигнальных ламп.

Дискретный ввод-вывод всегда либо включен, либо выключен. Между ними нет никакого промежутка. Благодаря этому дискретные сигналы легко обрабатывать на компьютере или ПЛК. Другие способы описания дискретного сигнала: он либо истинен, либо ложен, 1 или 0, открыт или закрыт.

Аналоговый ввод/вывод

Другой распространенной формой ввода-вывода ПЛК является аналоговый ввод-вывод. Например, аналоговый сигнал может создавать напряжение в диапазоне 0 – 10 В постоянного тока, допустим 2, 3 или 8,25 вольт. В мире ПЛК модули аналогового ввода обычно измеряют аналоговые входы в одном из следующих диапазонов: от -10 до 10 В постоянного тока, 0 – 10 В постоянного тока, от 1 до 5 В постоянного тока, 0 – 1 мА или 4 – 20 мА. По сути, модуль аналогового ввода измеряет либо напряжение, либо ток. Существуют и другие типы аналоговых сигналов, но перечисленные выше, безусловно, наиболее распространены.

Аналоговый сигнал, с которым большинство из нас знакомо – это регулятор освещенности. Когда вы поворачиваете регулятор или ползунок диммера, свет становится либо ярче, либо тусклее. Так же и аналоговый входной сигнал в ПЛК может увеличиваться или уменьшаться с очень небольшими приращениями, и ПЛК схожим образом формирует аналоговый выходной сигнал.

Реальные примеры аналоговых входов в промышленной среде: датчики температуры двигателя (RTD, термопары и т. д.), датчики давления масла, весы. Датчик температуры может, например, работать в диапазоне температур от -50 до 150 градусов Цельсия, что соответствует току 4 – 20 мА. Весы могут работать в диапазоне от 0 до 500 кг, соответствующий напряжению от 0 до 10 В. И так далее. Аналоговые выходы можно использовать для управления выходной мощностью генератора, положением стрелки аналогового измерителя давления и многого другого. Аналоговый выход 0 – 3 В постоянного тока можно использовать для управления генератором мощностью 0 – 2000 кВт, а аналоговый выход 4 – 20 мА – для управления датчиком температуры от -30 до 100 градусов Цельсия.

ПЛК и ПАК

Вероятно, вы слышали о программируемом контроллере автоматизации – ПАК (Programmable Automation Controller – PAC). Этот термин был впервые придуман исследовательской фирмой ARC в 2001 году, чтобы отличить обычные ПЛК (programmable logic controller – PLC) от появившихся на рынке новых, более мощных и гибких контроллеров. Существуют разногласия по поводу различий в определениях между PAC и PLC, и часто эти термины используются в отрасли как синонимы и взаимозаменяемые. PAC вероятно являются лучшим выбором, если только система не очень проста и минимизация стоимости проекта не является жизненно важной. Современный пользовательский интерфейс, дополнительная мощность и память большинства PAC делают их превосходящими большинство ПЛК.

Промышленные коммуникации

Необходимо рассказать также и о данных ввода-вывода, которые можно передавать или получать от других контроллеров и устройств через промышленные протоколы связи. Существует множество протоколов промышленной связи: Modbus, DNP, BACnet, ControlNet, EtherNet/IP и многие другие. Одним из старейших протоколов промышленной связи является Modbus. Modbus до сих пор широко используется во многих устройствах и ПЛК из-за своей простоты и широкого распространения.

Modbus – это протокол типа «главный-подчиненный», в котором одно устройство является главным, а все остальные устройства в сети Modbus – подчиненными. Ведущее устройство Modbus может считывать данные с устройства или записывать на него в зависимости от возможностей ведомого устройства.

Как это связано с вводом-выводом ПЛК? Многие устройства, такие как ПЛК, цифровые счетчики, системы SCADA, частотно-регулируемые приводы и контроллеры генераторных установок, были разработаны с внутренней картой данных точек входа и выхода. Разработчик устройства решает, как распределяются данные. Например, данные Modbus поступают в систему ПЛК/ПАК с измерителей мощности с тем, чтобы узнать мощность в киловаттах, напряжение, силу тока и т. д. в цепи или генераторе. В этом случае ПЛК действует как ведущее устройство Modbus, а измеритель мощности – ведомое. Каждый производитель устройства упорядочивает данные в карте Modbus своего устройства по-разному, но протокол связи остается тем же.

Ведущие устройства также могут записывать данные на ведомые устройства. Например, ПЛК можно настроить как ведущее устройство Modbus, которое записывает данные для запуска, остановки или изменения скорости частотно-регулируемого привода (ЧРП).

Таким образом вы можете не только подключать входы и выходы к вашему ПЛК, но также считывать входные данные и записывать выходные данные на устройства через Modbus и другие протоколы промышленной связи. Эта универсальность позволяет большинству ПЛК/ПАК взаимодействовать практически с любым устройством в промышленной среде.

Релейная логика ПЛК

Программирование ПЛК отличается от обычного компьютерного программирования, хотя бы потому, что для автоматизации промышленного оборудования в ПЛК используется язык графического программирования под названием Ladder Logic. Этот же раздел посвящен программированию ПЛК с помощью релейной логики.

Релейная логика была разработана с тем, чтобы сделать интуитивно понятным программирование ПЛК, которые заменили большую часть аппаратной релейной логики, используемой в промышленных средах. Логика управления реле отображалась на рисунках, обычно называемых релейными или «лестничными» диаграммами.

Следует отметить, что, поскольку ПАК (PAC) включает в себя другие языки, такие как ST, FBD, SFC и IL, релейная логика – не единственный язык, который люди используют для ПЛК. Тем не менее, он по-прежнему довольно популярен. Одним из больших преимуществ релейной логики является простота устранения неполадок в логике.

Поскольку язык основан на визуальном представлении, то удается относительно легко определять, где в цепочке/схеме могут быть неточности в логике. Кроме того, благодаря своему сходству со схемами релейного управления, релейная логика дает электрикам, инженерам и техническим специалистам преимущество, заключающееся в возможности легкого перехода между программируемой релейной логикой и проводными цепными схемами.

Краткий материал с описанием "Что такое ПЛК?" опубликован в рубрике "Автоматизация" ранее, с ним вы можете ознакомиться по ссылке.