Программируемые логические контроллеры

1 ПЛК - программируемый логический контроллер. Общие сведения

Программи́руемый логи́ческий контро́ллер (ПЛК) (англ. Programmable Logic Controller, PLC) или программируемый контроллер — электронная составляющая промышленного контроллера, специализированного (компьютеризированного) устройства, используемого для автоматизации технологических процессов.

В качестве основного режима длительной работы ПЛК, зачастую в неблагоприятных условиях окружающей среды, выступает его автономное использование, без серьёзного обслуживания и практически без вмешательства человека.

Иногда на ПЛК строятся системы числового программного управления станком (ЧПУ, англ. Computer numerical control, CNC).

ПЛК являются устройствами реального времени в отличие от микроконтроллера (однокристального компьютера), микросхемы предназначенной для управления электронными устройствами, областью применения ПЛК обычно являются автоматизированные процессы промышленного производства, в контексте производственного предприятия. Также в отличие от компьютеров, ПЛК ориентированы на работу с машинами и имеют развитый 'машинный' ввод-вывод сигналов датчиков и исполнительных механизмов в противовес возможностям компьютера, ориентированного на человека (клавиатура, мышь, монитор и т. п.);

В первых ПЛК, пришедших на замену обычным логическим контроллерам, логика соединений программировалась схемой соединений LD (Ladder logic Diagram). Устройство имело тот же принцип работы, но реле и контакты (кроме входных и выходных) были виртуальными, то есть существовали в виде программы, выполняемой микроконтроллером ПЛК. Современные ПЛК являются «свободно программируемыми».

В системах управления технологическими объектами логические команды преобладают над числовыми операциями, что позволяет при сравнительной простоте микроконтроллера (шины шириной 8 или 16 бит), получить мощные системы действующие в режиме реального времени. В современных ПЛК числовые операции реализуются наравне с логическими. В то же время, в отличие от большинства процессоров компьютеров, в ПЛК обеспечивается доступ к отдельным битам памяти.

Интерфейсы ПЛК

ПЛК в своём составе не имеют интерфейса для человека, типа клавиатуры и дисплея. Их программирование, диагностика и обслуживание производится подключаемыми для этой цели программаторами — специальными устройствами или устройствами на базе более современных технологий — персонального компьютера или ноутбука, со специальными интерфейсами и со специальным программным обеспечением (например, SIMATIC STEP 7 в случае ПЛК SIMATIC S7-300 или SIMATIC S7-400). В системах управления технологическими процессами ПЛК взаимодействуют с различными компонентами систем человеко-машинного интерфейса (например операторскими панелями) или рабочими местами операторов на базе ПК, часто промышленных, обычно через промышленную сеть.

Датчики и исполнительные устройства подключаются к ПЛК:

- централизованно: в корзину ПЛК устанавливаются модули ввода-вывода и датчики и исполнительные устройства подключаются отдельными проводами непосредственно, либо при помощи согласовательных модулей, к входам/выходам сигнальных модулей;

- или по методу распределённой периферии, когда удалённые от ПЛК датчики и исполнительные устройства связаны с ПЛК посредством каналов связи и, возможно, корзин-расширителей с использованием связей типа «ведущий-ведомый» (англ. Master-Slave).

Специальное использование

Для увеличения надёжности системы управления, построенной на ПЛК, применяется резервирование разных компонентов: шасси, источников питания, самих контроллеров.

Также, выпускаются специальные линейки продуктов: например Siemens, или Allen-Bradley выпускает всю линейку (ввод-вывод, интерфейсные модули и т.д. дополнительно к самим CPU).

Первые логические контроллеры появились в виде шкафов с набором соединённых между собой реле и контактов. Эта схема задавалась жёстко на этапе проектирования и не могла быть изменена далее.

Первый в мире ПЛК — MOdular DIgital CONtroller (Modicon) 084, имеющий память 4 кБ, произведен в 1968 году.

1.1 Виды ПЛК

      - Siemens — SIMATIC S5 и S7;

- Segnetics — Pixel 2511 и SMH 2Gi;

- Omron;

- Mitsubishi — серия Melsec (FX, Q);

- Schneider Electric — Modicon серий Twido, M340, TSX Premium, TSX Quantum;

- Beckhoff

- Allen-Bradley

1.2 Siemens

ПЛК малого класса S7-200

Simatic S7-200 — семейство программируемых логических контроллеров фирмы Siemens AG из семейства устройств автоматизации Simatic S7. Позиционируются как микро-ПЛК для решения простых задач промышленной автоматизации.

Рисунок 1. Внешний вид S7-200

Simatic S7-200 — программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности.

Основные особенности контроллера:

- простота монтажа, программирования и обслуживания.

- решение как простых, так и комплексных задач автоматизации.

- возможность применения в виде автономных систем или в качестве интеллектуальных ведомых устройств систем распределенного ввода-вывода.

- возможность использования в сферах, где применение контроллеров раньше считалось экономически нецелесообразным.

- работа в реальном масштабе времени и мощные коммуникационные возможности (PPI, MPI (англ. Multi Point Interface), Industrial Ethernet, PROFIBUS-DP, AS интерфейс, модемная связь).

- компактные размеры, возможность установки в ограниченных объемах.

Модификации контроллеров

Контроллеры выпускаются в виде двух семейств:

- Simatic S7-200: программируемые контроллеры стандартного исполнения для общепромышленного применения.

- Siplus S7-200: функциональные аналоги Simatic S7-200 для более жестких условий эксплуатации. Диапазон рабочих температур от −20 до +70 °C, более высокая стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам.

Программное обеспечение для S7-200

Необходимый набор для выполнения всех функций проектирования систем управления (программирование, конфигурирование и настройка параметров аппаратуры и систем связи, управление процессом, архивирование проектных данных) с помощью SIMATIC S7-200 включает следующее программное обеспечение:

- STEP 7-Micro/WIN;

- WinCC flexible Micro;

- S7-200 PC-Access.

Область применения

Микроконтроллеры Simatic S7-200 предназначены для решения задач управления и регулирования в небольших системах автоматизации. При этом, Simatic S7-200 позволяют создавать как автономные системы управления, так и системы управления, работающие в общей информационной сети. Область применения контроллеров Simatic S7-200 простирается от простейших задач автоматизации, для решения которых в прошлом использовались простые реле и контакторы, до задач комплексной автоматизации. Simatic S7-200 также используется при создании таких систем управления, для которых в прошлом из соображений экономии необходимо было разрабатывать специальные электронные модули.

Примеры областей применения:

- управление пакетировочными прессами;

- системы очистки;

- управление деревообрабатывающими станками;

- управление автоматическими воротами;

- управление лифтами и подъемниками;

- управление конвейерными линиями;

- пищевая промышленность;

- системы удаленного контроля.

Simatic S7-300 — семейство контроллеров средней производительности фирмы Siemens AG из семейства устройств автоматизации Simatic S7. В линейке контроллеров этого семейства по своей производительности занимает промежуточное положение между семействами S7-200 и S7-400. Количество поддерживаемых логических входов и выходов до 65536 дискретных/4096 аналоговых каналов. Конструкция контроллера модульная, модули монтируются на профильной шине (рельсе).

Рисунок 2. Siemens Simatic S7-300

Simatic S7-300 — программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности.

Основные особенности контроллера:

- модульная конструкция, монтаж модулей на профильной шине (рельсе);

- естественное охлаждение;

- применение локального и распределенного ввода -вывода;

- возможности коммуникаций по сетям MPI, Profibus Industrial Ethernet/PROFInet, AS-i, BACnet, MODBUS TCP;

- поддержка на уровне операционной системы функций, обеспечивающих работу в реальном времени;

- поддержка на уровне операционной системы аппаратных прерываний;

- поддержка на уровне операционной системы обработки аппаратных и программных ошибок;

- свободное наращивание возможностей при модернизации системы;

- возможность использования распределенных структур ввода-вывода и простое включение в различные типы промышленных сетей.

Типы модулей  Simatic S7-300

Основные типы применяемых модулей:

- Источники питания (PS), служащие для преобразования переменного напряжения 120/230 В или постоянного тока напряжением 24/48/60/110 В в постоянное напряжение 24 В, не обязательны, так как контроллер может запитываться от любого источника постоянного напряжения +24 в.

- центральные процессоры (CPU), отличающиеся производительностью, объёмом памяти, наличием встроенных входов-выходов и специальных функций, встроенными коммуникационными интерфейсами и т .д .

- сигнальные модули (SM) для ввода и вывода дискретных и аналоговых сигналов

- коммуникационные процессоры (CP) для включения в различные типы промышленных сетей

- функциональные модули (FM), решающие отдельные типовые задачи автоматизации, позволяют разгрузить центральный процессор, или решают задачи, с которыми тот не может справиться из-за недостаточного быстродействия. Функциональные модули снабжены встроенным микропроцессором и способны выполнять возложенные на них функции даже в случае остановки центрального процессора программируемого контроллера.

- интерфейсные модули (IM) позволяют объединить несколько стоек, составляющих одну станцию

Модификации контроллеров

- Simatic S7-300 — модульный программируемый контроллер для решения задач автоматизации различного уровня сложности.

- Simatic S7-300C — готовые решения для некоторых типовых задач автоматизации на базе испытанной технологии S7-300 при сохранении возможности расширения модулями S7-300. Поддержка функций скоростного счета, ПИД-регулирования и позиционирования на уровне операционной системы центрального процессора.

- Simatic S7-300T — с интегрированными технологическими функциями для задач управления перемещением.

- Simatic S7-300F — программируемый контроллер для построения распределённых систем автоматики повышенной безопасности.

- Siplus S7-300 — программируемый контроллер для эксплуатации в тяжёлых условиях (Расширенный диапазон рабочих температур (-25 … +60 °C), более высокая стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам, работа в средах, содержащих агрессивные примеси и газы.

Области применения

S7-300 находит применение для автоматизации машин специального назначения, текстильных и упаковочных машин, машиностроительного оборудования, оборудования для производства технических средств управления и электротехнического оборудования, в системах автоматизации судовых установок и систем водоснабжения и т.д.

Simatic S7-400 - это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации средней и высокой степени сложности.

Simatic S7-400 является универсальным контроллером. Он отвечает самым жестким требованиям промышленных стандартов, обладает высокой степенью электромагнитной совместимости, высокой стойкостью к ударным и вибрационным нагрузкам. Установка и замена модулей контроллера может производиться без отключения питания ("горячая замена").

Рисунок 3. Siemens Simatic S7-400

При необходимости в составе S7-400 могут быть использованы:

- интерфейсные модули (IM): для связи базового блока контроллера со стойками расширения. К одному базовому блоку контроллера SIMATIC S7-400 может подключаться до 21 стойки расширения.

- модули SIMATIC S5: все модули ввода-вывода контроллеров SIMATIC S5-115U/-135U/-155U могут устанавливаться в соответствующие стойки расширения SIMATIC S5. Кроме того, модули специального назначения IP и WF могут использоваться как в стойках SIMATIC S5, так и в базовом блоке контроллера SIMATIC S7-400. В последнем случае подключение модулей к внутренней шине контроллера S7-400 выполняется через адаптер.