1.Введение в приводы переменного тока (частотно-регулируемые приводы). В сфере современного промышленного контроля......
ЧИТАТЬ ДАЛЬШЕПрограммируемый логический контроллер (ПЛК) — это промышленный компьютер повышенной прочности, разработанный специально для мониторинга входных сигналов от датчиков и полевых устройств, выполнения сохраненной программы управления и управления выходными данными, такими как двигатели, клапаны, приводы и индикаторы, в режиме реального времени. В отличие от компьютера общего назначения, ПЛК спроектирован так, чтобы надежно работать в суровых промышленных условиях, характеризующихся электрическим шумом, вибрацией, экстремальными температурами и пылью, при этом выполняя программы управления с детерминированным временем — это означает, что контроллер завершает цикл сканирования за предсказуемое, повторяемое время независимо от условий процесса. Такое сочетание промышленного усиления и детерминизма в реальном времени делает ПЛК стандартными контроллерами автоматизации в производстве, перерабатывающих отраслях, коммунальных услугах, автоматизации зданий и инфраструктуре во всем мире.
ПЛК был разработан в конце 1960-х годов специально для замены больших блоков электромеханических реле, которые управляли сборочными линиями автомобилей — систем, которые были дорогими в установке, требовали значительной замены проводки и требовали постоянного обслуживания, поскольку контакты реле изнашивались и выходили из строя. Заменив физическую релейную логику программируемым программным эквивалентом, ПЛК позволил инженерам-технологам модифицировать поведение машины путем изменения программы, а не переподключения панели, что значительно сократило время и стоимость переналадки производства. Шестьдесят лет спустя основная концепция остается неизменной, но современна. программируемые логические контроллеры расширились от простых замен реле до сложных платформ автоматизации, поддерживающих высокоскоростное управление движением, управление процессами, функции безопасности, интеграцию машинного зрения и связь по промышленным сетям в сложных мультисистемных архитектурах.
Фундаментальным принципом работы программируемого логического контроллера является цикл сканирования — повторяющаяся последовательность операций, которые ПЛК выполняет непрерывно, пока он находится в режиме работы. Понимание цикла сканирования необходимо для понимания того, как ведет себя ПЛК, особенно в приложениях, где время реакции на изменение входных данных определяет правильность работы системы управления.
Стандартный цикл сканирования ПЛК состоит из четырех последовательных этапов. Сначала сканирование входов считывает текущее состояние всех подключенных цифровых и аналоговых входов — датчиков, переключателей, энкодеров, передатчиков — и копирует эти значения в регистр входного изображения в памяти. Во-вторых, сканирование программы выполняет программу управления, хранящуюся в памяти, используя значения входного изображения (а не текущие входные показания) для оценки логических условий и определения требуемого состояния выходов. В-третьих, сканирование вывода записывает значения выходного изображения, определенные программой, на физическое оборудование вывода, активируя или деактивируя подключенные устройства. В-четвертых, этап обслуживания обеспечивает связь, самодиагностику и обновление внутренних таймеров и счетчиков перед повторением цикла.
Время, необходимое для завершения одного цикла сканирования (время сканирования), обычно составляет от 1 до 10 миллисекунд для большинства стандартных приложений, хотя оно увеличивается с увеличением сложности программы и количества точек ввода-вывода. Архитектура цикла сканирования означает, что изменения во входном состоянии не применяются до следующего цикла сканирования, что приводит к максимальной задержке в один цикл сканирования в ответе управления. Для большинства приложений промышленной автоматизации такая задержка вполне приемлема. Для высокоскоростных приложений — сервоуправления движением, высокочастотного счета или функций безопасности, требующих реакции менее миллисекунды — для обхода стандартной задержки цикла сканирования используются специализированные процедуры прерывания, специальные процессоры движения или отдельные ПЛК безопасности.
Система ПЛК состоит из нескольких отдельных аппаратных компонентов, которые вместе образуют полный контроллер автоматизации. Понимание функции каждого компонента поясняет, как определяется, собирается и обслуживается система ПЛК.
Модуль ЦП является мозгом ПЛК: он содержит процессор, выполняющий программу управления, память, в которой хранятся программы и данные, а также коммуникационные интерфейсы, которые подключаются к инструментам программирования и другим системам автоматизации. Возможности ЦП характеризуются скоростью обработки (время сканирования на 1000 инструкций релейной логики), объемом программной памяти (обычно от килобайт до мегабайта в зависимости от класса ПЛК), памятью данных для хранения значений переменных и данных процесса, а также диапазоном поддерживаемых протоколов связи. Высокопроизводительные модули ЦП также содержат часы реального времени, возможность регистрации данных и встроенные серверы OPC UA или MQTT для прямого подключения к промышленному Интернету вещей и облачным системам без дополнительного оборудования.
Модули ввода-вывода представляют собой физический интерфейс между ПЛК и полевыми устройствами — датчиками, переключателями, клапанами, двигателями и приборами, — которые система управления контролирует и управляет ими. Модули цифрового ввода получают сигналы включения/выключения от таких устройств, как датчики приближения, кнопки и концевые выключатели, преобразуя напряжение полевого уровня (обычно 24 В постоянного тока или 120/240 В переменного тока) в сигнал логического уровня, который может считывать ЦП. Модули цифрового вывода передают питание на полевые устройства, такие как электромагнитные клапаны, пускатели двигателей и индикаторные лампы. Модули аналогового ввода преобразуют плавно регулируемые сигналы — токовые петли 4–20 мА, сигналы напряжения 0–10 В, напряжения термопар, значения сопротивления RTD — в цифровые значения, которые может обрабатывать ЦП. Модули аналогового вывода преобразуют цифровые значения ЦП в пропорциональные аналоговые сигналы для управления приводами с регулируемой скоростью, пропорциональными клапанами и другими устройствами с плавной регулировкой. Специализированные модули ввода-вывода включают в себя входы высокоскоростных счетчиков для обратной связи с энкодерами, модули последовательной связи и безопасные входы-выходы для приложений функциональной безопасности.
Модуль питания ПЛК преобразует входящее напряжение сети (обычно 120 В переменного или 240 В переменного тока) или питание шины постоянного тока в регулируемое напряжение постоянного тока, необходимое для ЦП и модулей ввода-вывода. Выбор источника питания предполагает соответствие выходного тока общему току потребления всех модулей в стойке или системе с запасом не менее 20–30 % для надежности и возможности будущего расширения. Конфигурации резервного источника питания, в которых два модуля питания работают параллельно с автоматическим переключением при сбое, являются стандартными в системах высокой доступности, где незапланированное отключение из-за сбоя источника питания может оказаться неприемлемо дорогостоящим.
В модульных системах ПЛК, монтируемых в стойку, объединительная плата представляет собой печатную плату, которая механически поддерживает и электрически соединяет ЦП, источник питания и модули ввода-вывода. На объединительной плате находится внутренняя шина данных, распределение мощности, а в некоторых системах сигналы синхронизации в реальном времени, необходимые для скоординированной работы нескольких модулей. Размер стойки, определяемый количеством слотов для модулей, определяет, сколько модулей ввода-вывода можно установить в одну стойку, а для систем, требующих большего количества входов-выходов, чем может вместить одна стойка, несколько стоек соединяются с помощью кабелей расширения или удаленного ввода-вывода через промышленную сеть.
ПЛК производятся в нескольких форм-факторах, подходящих для различных требований масштаба и сложности. Выбор подходящего форм-фактора ПЛК для приложения предполагает соответствие пропускной способности ввода-вывода контроллера, его расширяемости и возможностей обработки текущим и прогнозируемым будущим требованиям управляемой машины или процесса.
| Тип ПЛК | Типичное количество операций ввода-вывода | Расширяемость | Наиболее подходящие приложения | Примеры продуктов |
| Нано/микро ПЛК | 6–40 входов/выходов | Ограничено или нет | Простые станки, OEM оборудование, замена реле | Логотип Сименс!, Омрон CP1E |
| Компактный ПЛК | 20–256 входов/выходов | Доступны модули расширения | Малые и средние машины, упаковка, HVAC | Аллен-Брэдли Micro820, Сименс S7-1200 |
| Модульный ПЛК | 64–4096 входов/выходов | Широкие возможности расширения за счет удаленного ввода-вывода | Сложные машины, производственные линии, технологический завод | Сименс S7-1500, Аллен-Брэдли ControlLogix |
| Стоечный ПЛК | 256–65 000 входов/выходов | Несколько стоек, распределенный ввод-вывод | Крупные технологические предприятия, производство электроэнергии, управление, эквивалентное РСУ | Allen-Bradley PLC-5, GE RX3i, Schneider Premium |
| ПЛК безопасности (класс SIL) | Варьируется | Возможность расширения с помощью безопасного ввода-вывода | Аварийный останов, защитная блокировка, функции SIL 1–3. | Pilz PSS 4000, Siemens S7-1500F, AB GuardLogix |
Категория компактных ПЛК стала наиболее значимой областью роста на рынке ПЛК, чему способствовал класс продуктов Siemens S7-1200 и Allen-Bradley Micro820, которые предлагают возможности, ранее связанные только с полноразмерными модульными системами, включая управление движением, ПИД-управление процессами и промышленную связь на основе Ethernet, в небольшом форм-факторе, подходящем для монтажа на панели без специальной стойки. Для новых проектов автоматизации машин с количеством точек ввода-вывода менее 200 точек отправной точкой по умолчанию для большинства инженеров по автоматизации теперь является компактный модульный ПЛК, а не более крупные стоечные системы, которые были необходимы десять лет назад.
Программирование ПЛК стандартизировано в соответствии со стандартом IEC 61131-3, который определяет пять языков программирования, которые должны поддерживать соответствующие среды разработки ПЛК. Разные языки подходят для разных типов логики управления и разного инженерного опыта, а большинство современных инструментов программирования ПЛК позволяют использовать несколько языков в одном проекте, что позволяет инженерам выбирать наиболее подходящий язык для каждого раздела программы.
Ladder Diagram — наиболее широко используемый язык программирования ПЛК, особенно в Северной Америке и в дискретных производственных средах. Графическое представление имитирует логические схемы реле, которые изначально были разработаны для замены ПЛК — горизонтальные звенья логики соединяют левую и правую шины питания, с символами нормально разомкнутых и нормально закрытых контактов, обозначающими входные условия, и символами катушек, обозначающими выходные команды. Релейная логика интуитивно понятна инженерам-электрикам, знакомым со схемами реле, ее легко читать и устранять неисправности в режиме онлайн (когда ПЛК находится в рабочем режиме, активные элементы подсвечиваются в программном обеспечении, что позволяет визуально отслеживать неисправности). Ограничением лестничной диаграммы является то, что она становится громоздкой для сложных математических операций, манипулирования данными и последовательного программирования, которые более естественно выражаются в текстовых языках.
Функциональная блок-схема представляет логику управления в виде взаимосвязанных графических блоков — каждый блок инкапсулирует определенную функцию (вентиль И, ПИД-регулятор, счетчик, таймер, функциональный блок двигателя) с входными и выходными соединениями, показанными в виде проводов между блоками. FBD является доминирующим языком в приложениях управления технологическими процессами — он естественным образом сопоставляется с представлениями диаграмм трубопроводов и приборов (P&ID), знакомыми инженерам-технологам, а инкапсуляция сложных функций (контуров ПИД, управления клапанами, защиты двигателя) в стандартизированных функциональных блоках многократного использования значительно снижает затраты на программирование в приложениях технологических предприятий. Большинство платформ ПЛК, ориентированных на процессы и безопасность, предлагают обширные библиотеки функциональных блоков, соответствующих стандарту IEC 61511, для общих функций управления процессом и безопасности.
Структурированный текст — это текстовый язык высокого уровня, синтаксически похожий на Паскаль или C, поддерживающий условные операторы, циклы, математические выражения, обработку строк и сложные структуры данных, которые громоздки или невозможны в графических языках. ST все чаще используется инженерами по автоматизации с опытом разработки программного обеспечения и является предпочтительным языком для сложной обработки данных, управления рецептами, управления связью и любых приложений, требующих сложной алгоритмической логики, которую графические языки не могут эффективно выразить. Определение структурированного текста в стандарте IEC 61131-3 сделало его по-настоящему переносимым между различными платформами ПЛК — код, написанный на ST для ПЛК одной марки, может быть адаптирован к платформе другой марки с относительно небольшими изменениями, в отличие от кода лестничной диаграммы, который имеет тенденцию использовать инструкции и соглашения, специфичные для производителя.
Последовательная функциональная диаграмма представляет программы управления в виде блок-схемы шагов и переходов — каждый шаг содержит действия (запрограммированные в LD, FBD или ST), и каждый переход определяет условие, которое должно быть удовлетворено для перехода программы к следующему шагу. SFC — это естественный язык для приложений последовательности — циклов стиральных машин, последовательностей пакетных процессов, многоэтапных операций сборки и любых приложений, в которых машина должна выполнять определенную серию операций по порядку. Программирование сложного последовательного процесса с помощью лестничной диаграммы приводит к созданию больших, трудных для понимания программ; та же самая последовательность, выраженная в SFC, сразу читается как поток процесса, и ее значительно легче отлаживать и изменять.
Современные программируемые логические контроллеры являются не только сетевыми устройствами, но и контроллерами автоматизации. Коммуникационные возможности ПЛК определяют, как он интегрируется с другим оборудованием автоматизации, системами управления, корпоративными базами данных и облачными платформами, что становится все более важным фактором по мере того, как промышленная автоматизация развивается в направлении взаимосвязанных архитектур Индустрии 4.0.
На рынке ПЛК доминирует небольшое количество крупных компаний в области автоматизации, каждая из которых предлагает полную экосистему аппаратного обеспечения ПЛК, программного обеспечения для программирования, модулей ввода-вывода, приводов, панелей HMI и коммуникационной инфраструктуры, предназначенных для бесперебойной совместной работы. Выбор ПЛК конкретного производителя обычно означает приверженность экосистеме этого производителя для полной системы автоматизации, что имеет значительные последствия для интеграции, запасных частей, обучения и долгосрочной поддержки.
| Производитель | Ключевые семейства ПЛК | Среда программирования | Первичная промышленная сеть | Сила рынка |
| Siemens | С7-1200, С7-1500, С7-300/400 | Портал ТИА (Шаг 7) | ПРОФИНЕТ, ПРОФИБУС | Европа, мировые перерабатывающие отрасли |
| Rockwell Automation (Аллен-Брэдли) | ControlLogix, CompactLogix, Micro820 | Студия 5000 Logix Designer | ЭтерНет/IP, Девайснет | Северная Америка, автомобилестроение, продукты питания и напитки |
| Митсубиси Электрик | MELSEC iQ-R, iQ-F, серия Q | GX работает3 | CC-Link IE, SLMP | Азиатско-Тихоокеанский регион, автомобилестроение, полупроводниковая промышленность |
| Шнайдер Электрик | Modicon M580, M340, серия TM | Эксперт по управлению EcoStruxure | Modbus TCP, Ethernet/IP | Перерабатывающая промышленность, энергетика, инфраструктура |
| Omron | NX, Нью-Джерси, серия CP | Сисмак Студия | Ethernet/IP, EtherCAT | Азия, автоматизация машин, управление движением |
ПЛК часто обсуждаются наряду с распределенными системами управления (DCS) и системами диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), и границы между этими категориями значительно размыты по мере развития технологий. Понимание различий и того, где они сходятся, важно для определения правильной архитектуры автоматизации для конкретного приложения.
Распределенная система управления — это архитектура автоматизации, в которой функции управления распределены между несколькими контроллерами, развернутыми вблизи контролируемого процесса, и все они подключены к централизованной системе управления через высоконадежную сеть предприятия. Системы РСУ были разработаны для крупных непрерывных технологических процессов — нефтегазовой, нефтехимической, энергетической, фармацевтической промышленности — где на большом физическом предприятии требуются тысячи аналоговых контуров управления, сложная логика блокировки и комплексное управление сигнализацией. В системах РСУ приоритет отдается высокой доступности (резервные контроллеры, ввод-вывод, питание и сети в стандартной комплектации), комплексным возможностям архивирования технологических данных и интегрированным дисплеям операторской станции. Разница между современной модульной системой ПЛК высокого класса и РСУ начального уровня сейчас незначительна с точки зрения функциональности — основные различия заключаются в программной среде, ориентации поставщика на приложения и коммерческой модели.
SCADA (диспетчерское управление и сбор данных) относится конкретно к диспетчерскому уровню — программной системе, которая собирает данные от ПЛК и других полевых контроллеров, представляет информацию о процессе операторам через графические дисплеи HMI, регистрирует исторические данные и может отправлять команды заданного значения обратно на контроллеры. SCADA не является заменой ПЛК — это уровень над ПЛК, который обеспечивает человеческий контроль и управление данными. Типичная архитектура промышленной автоматизации объединяет ПЛК на уровне управления машиной или процессом, промышленную сеть, передающую данные между ПЛК и системами управления, а также систему SCADA или MES, обеспечивающую операторский интерфейс, исторические данные и интеграцию с бизнес-системами.
Выбор подходящего программируемого логического контроллера для новой машины или приложения управления процессом включает в себя оценку ряда технических и коммерческих факторов, которые вместе определяют, будет ли система соответствовать своим функциональным требованиям, будет ли поставлена вовремя и будет ли поддерживаться на протяжении всего срока эксплуатации. Следующая структура охватывает наиболее важные критерии оценки.
Система ПЛК, работающая в непрерывном режиме, требует упреждающего обслуживания и управления жизненным циклом для поддержания надежности и предотвращения незапланированных простоев. Следующие методы являются стандартными для хорошо организованных операций по автоматизации.