Назначение и основные особенности
Логический контроллер – моноблочное или модульное устройство, работающее посредством микропроцессора и программного обеспечения. Выполняет множество задач в области системной и автономной автоматизации. Широко используется для промышленного сектора и непроизводственной сферы, в том числе в составе систем умного дома с gsm модулем, инженерного обеспечения зданий. В связи с разнородностью задач промышленные асу и контроллеры для управления обособленными установками имеют разные конструктивные исполнения, технические решения, отличаются перечнем функций и уровнем коммуникации.
Системный интегратор Schneider Electric предлагает контроллеры Modicon. Компания «Автоматика-Север» поставляет PLC Шнайдер Электрик, а также проектирует, внедряет и настраивает автоматизированные системы на базе логических контроллеров.
Промышленные контроллеры в системах автоматизации должны оснащаться достаточным числом каналов связи для интеграции с различными типами внешних устройств и оперативной обработки данных. Ведущими компаниями предложены как универсальные моноблочные PLC, так и расширяемые модульные конфигурации. В первом случае все основные функциональные компоненты объединяются в общем корпусе и представляют собой единое целое. Примерами моноблочных конструкций могут быть промышленные контроллеры Mitsubishi, компактные промышленные ПЛК Modicon от Schneider Electric, контроллер Segnetics, а также российские промышленные контроллеры, разработанные компанией Овен.
Модульные решения предполагают возможность выбора сменных блоков, исходя их решаемых задач. Подобные типы устройств предлагают большинство ведущих производителей. Широко известны промышленные контроллеры Siemens семейства Simatic S7 линеек 300, 400, 1200, 1500. Немецкая компания Сименс представила одну из самых масштабных комплексных разработок, рейтинг которых на мировом рынке чрезвычайно высок. Логические контроллеры Siemens способны конфигурироваться под широкий диапазон производительности и функциональности.
Промышленный контроллер работает посредством программ на уровне микропроцессора и пользователя. Первая устанавливается изначально и отвечает непосредственно за внутренние системные процессы. Вторая создается операторами под индивидуальные требования. Программирование простых аппаратов, к которым относятся отдельные контроллеры Schneider Electric, некоторые промышленные контроллеры Mitsubishi или промышленные ПЛК Modicon, производится вводом данных с дисплея. Более сложные устройства, способные интегрироваться с ПК и работать по сети Ethernet, могут программироваться удаленно. Таким образом задается алгоритм действий для выполнения нужного круга задач.
Ограничения ПЛК
ПЛК имеет ограниченную память, программное обеспечение и периферийные возможности, по сравнению с персональным компьютером ПК. Управление движением (например, робототехника или сложная автоматизированная система) требует огромного количества входов/выходов, требующих дополнительных модулей управление ПЛК или внешней электроники. Тем не менее, стоит отметить, что компьютер способен обрабатывать гораздо большее количество информации, причем быстрее, что может значительно уменьшить физический размер и обеспечить необходимую вычислительную мощность для внедрения систем машинного зрения, управления движением и обеспечить быструю обработку больших потоков данных. Постоянный рост обрабатываемой информации связан с постепенным внедрением некоторыми компаниями промышленных интернет вещей IIoT в производственные линии и промышленные объекты, которые требуют больших вычислительных мощностей.
Оригинальные производители оборудования (англ. original equipment manufacturer OEM) способны увеличить производительность оборудования, позволяя машинам одновременно выполнять несколько операций. Максимально интенсивные И/ИЛИ вычисления критически важных процессов, запущенных одновременно, может привести к перегрузке программируемого логического контроллера. Для уменьшения времени обработки критически важных процессов машины могут использовать несколько вычислительных платформ. Как правило, они включают в себя один или несколько контроллеров движения и один или более наблюдающий процессор, который поддерживает интерфейс оператора для программирования, информации работы машины, сбора данных, функции техподдержки. Однако, использование нескольких процессоров является более дорогим. Новое программное обеспечение, ориентированное на платформы ПК, может помочь решить данную проблему, хотя…
ПК не так надежен и ему трудно «выживать» в промышленных условиях, таких как повышенная запыленность и влажность. Использования ПК с боле сложным программным обеспечением или большим количеством программных опций, занимает гораздо больше времени для обучения обслуживающего персонала. Усовершенствованное программное обеспечение может потребовать наличие программиста для проведения технического обслуживания, а также выполнение ремонтных работ и установки обновлений. Программное обеспечение ПЛК может быть базовым, но имеющие свои проверенные временем стандартные языки, которые могут обеспечить долговечность устройства, несмотря на его скорость и линейный характер.
ПЛК обычно используют в отрасли стандартный набор языков программирования (МЭК 61131-3), в том числе LAD диаграммы. LAD диаграммы строятся по аналогии с электрическими схемами, что позволяет значительно упростить обучение персонала, проведения технического обслуживания и ремонта. В большинстве случаев вполне возможно обойтись без программиста. Другой язык из стандарта МЭК 61131-3 — структурированный текст, который похож на язык «высокого уровня». Тем не менее, использование других нестандартных языков высокого уровня, таких как C ++ или Visual Basic, может быть трудно с ПЛК. Только в последнее время новые программные инструменты позволяли пользователям общаться с ПЛК так, как если бы это был обычный ПК.
Последовательная программа ПЛК сканирует все инструкции в каждом цикле. Цикл сканирования занимает примерно 10 мс или чуть больше. После завершения выполнения всех инструкций программа переходит к следующему сканированию. Если инструкция не выполняется в установленное время, то это вызывает сообщение об ошибке и выполнение программы прекращается. Это программное обеспечение жесткого времени может ограничивать продолжительность программы и любые входные сигналы с частотой менее 100 Гц.
Например, если необходимо обрабатывать сигнал от датчика скорости с номинальными оборотами 1200 об/мин (частота сигнала 1200/60 = 200 Гц), микроконтроллер на базе ПЛК не может корректно измерять скорость используя такой вход. Необходима интеграция специального модуля с декодером или счетчиком на интегральных микросхемах, который преобразует сигнал от датчика в нормально-обрабатываемый микроконтроллером. Такие преобразовательные модули часто используются во многих системах. Также стоит отметить и необходимость модулей вывода на примере управление соленоидом с частотой работы ШИМ в 10 кГц. Для управления таким устройством с помощью ПЛК необходим модуль вывода с ШИМ генератором. Добавление таких модулей увеличивает стоимость системы в 2-3 раза.
Место ПЛК в системе управления
До создания миниатюрных интегральных схем рука оператора буквально не успевала переключать режимы на пульте цепи управления. Использование контроллерных блоков «Сегнетикс», «Дельта» и подобных способствовало снятию нагрузки с человека.
Ее переложили «на плечи» машин с выводом на экран данных мониторинга, отображенных в виде мнемосхем и изменяемых параметров. На ПЛК возлагаются задачи по опросу датчиков и регистров, обработке поступающей информации.
Без микроконтроллеров не было бы РСУ, АСУ, сложных автоматных комплексов управления технологическими процессорами. Используя сетевой трафик, ПЛК анализируют данные, успевая проверять состояние портов входа. Главный недостаток, особенность микроконтроллеров состоит в необходимости прошивки, создания программы для работы.
Впрочем, его следует воспринимать двояко: индивидуально создаваемое ПО позволяет проектировать узкоспециализированные изделия под конкретные задачи.
История создания
В 60 годах 20 века для управления телефонными станциями, промышленным оборудованием использовались сложные схемы с реле. Они не отличались повышенной надежностью или ремонтопригодностью. Инженерам одной из компаний, американской General Motors, была поставлена цель по созданию нового оборудования. Задачи, на которые оно было рассчитано, выглядели так:
- Упрощение отладки, замены.
- Относительная дешевизна.
- Гибкость, удобство модернизации.
- Снижение риска отказов.
Терминология, объясняющая, что такое ПЛК (PLC), внесена в международные и европейские стандарты качества МЭК, EN.
Замена ПЛК в промышленных приложениях на микроконтроллеры
Появление простых в использовании плат микроконтроллеров расширило сферу применения микроконтроллеров, в настоящее время они адаптируются для определенных приложений, для которых микроконтроллеры считались неподходящими – от мини-компьютеров DIY до нескольких сложных систем управления. Это вызвало вопросы о том, почему микроконтроллеры не используются вместо ПЛК, главным аргументом в пользу которых является стоимость ПЛК по сравнению со стоимостью микроконтроллеров.
Важно, чтобы с обычными микроконтроллерами нужно было многое сделать, прежде чем их можно будет использовать в промышленных приложениях.
Хотя ответ можно найти по пунктам, уже упомянутым в этой статье, достаточно выделить два ключевых момента.
1. Микроконтроллеры не обладают прочностью и не способны выдерживать экстремальные условия, как ПЛК. Это делает их не готовыми к промышленному применению.
2. Промышленные датчики и исполнительные механизмы обычно проектируются в соответствии со стандартом IEC, который обычно находится в диапазоне тока / напряжения и интерфейсов, которые могут быть напрямую несовместимы с микроконтроллерами и требуют какого-либо вспомогательного оборудования, что увеличивает стоимость.
Есть и другие моменты, но, чтобы оставаться в рамках этой статьи, мы должны остановиться на этом.
Подводя итоги, можно сказать, что каждое из этих устройств управления предназначено для использования в определенных системах, и их следует тщательно изучить, прежде чем будет принято решение о наиболее подходящем для конкретного приложения.
Важно отметить, что некоторые производители создают ПЛК на базе микроконтроллеров, например, промышленные щиты теперь производят ПЛК на базе Arduino, показанные ниже.
Итог
Выбирая контроллер, рекомендуется обращать внимание на число точек (вывод и ввод), потому что этот параметр говорит о возможности прибора в коннекте с дополнительными устройствами. Рекомендуется заблаговременно определиться с минимальным числом коммуницирующий техники. Важно учесть, что приборы малой категории располагают не внушительным числом разъемов.
Если покупатель заинтересован в технике с количеством разъемов более 8 единиц, стоит заострить внимание на моделях средней и большой мощности. При интеграции конкретной модели в производство с уже предустановленной техникой необходимо проверить возможность совместимости нового контроллера и работающего оборудования.
В случае несовместимости между старой и новой техникой, обмен информацией и исполнение задач исключены. В редких случаях допускается контакт с мелкой электрикой и предустановленным аппаратом, но коннект с полноценным устройством, зачастую, невозможен.
Контроллеры средней и большой мощности предоставляют владельцу широкий спектр возможных моделей для совместной работы. Электроника малой группы подобных возможностей не предоставляет, а оператору допускается подключать лишь мелкие приборы, вроде датчиков, но лишь на конкретных моделях.
В старые времена, контроллеры считались маломощным и медлительным оборудованием для произведения автоматизации. Современные реалии позволяют осуществлять автоматизацию без лишних промедлений, а мощностных показателей хватает даже у наиболее бюджетных приборов. Оператору стоит учитывать, что оценка скорости работы конкретного контроллера возможна только при осуществлении работы техникой. Проще говоря, необходимо составить тестовую программу и проверить скорость работы на предмет соответствия требованиям производства. На рынке существуют бренды, которые интегрируют функцию оценки цикличной скорости в продукцию.
Также, программные возможности в контроллерах ограничиваются по определению, но, чтобы уложиться в оные границы, необходимо располагать гигантским производством (вряд ли в мире существуют производства подобного масштаба). Статистические данные говорят о том, что четверть объемов мощностей среднего контроллера уходит на обслуживание техпроцесса, а остальной потенциал задействован в обработке вышеупомянутой операции (выявление и устранение ошибок). Также, рабочий баланс напрямую связан с манерой составления программы. Грамотный оператор способен произвести расчёт, который обеспечит автоматизацию и на контроллере малой мощности, а новички, нередко, чрезмерно загружают и передовых представителей подобной техники.
Рекомендуется заострять внимание также и на вопросах среды при составлении программ для контроллера. Если опираться лишь на функционал прибора, существует вероятность ошибиться с выбором.
Отправляясь покупать ПЛК, соискателю стоит придерживаться следующих пунктов:
- Выяснить наименование бренда и серии предустановленной на производстве электроники.
- Исходя из предыдущего пункта выбрать конкретный бренд (либо соответствующий предустановленному, либо располагающий возможностью к совместной работе).
- Убедится в наличии достаточного числа разъемов у выбранной модели.
- Учесть сетевые возможности электрики работающей и новой.
- Учесть совместимость выбранного оборудования и пункта управления.
- Учесть мнение оператора (если оный располагает достаточным опытом) о выбранной технике.
Остальные критерии зависят от платежной способности покупателя и личных взглядов его на ПЛК. Также, стоит учитывать, что подобные приборы нередко отсутствуют на складах дистрибьютора, поэтому необходимо заранее рассчитывать время на покупку (возможно придется ждать завоза на склад) и установку оборудование.
