ПЛК контроллер это

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) – это специальные управляющие устройства, которые помогают автоматизировать технологические процессы. Их активно применяют на производствах системах реального времени: сборочные конвейеры, прессовое оборудование, токарные станки, сварочные установки и многое другое. ПЛК представляют собой самостоятельные устройства (в отличие от тех же микросхем), которые работают отдельно от управляемого оборудования. Благодаря развитой системе датчиков и простому принципу работы справиться с их настройкой и дальнейшим использованием может начинающий пользователь.

Устройство ПЛК

Для того, чтобы было проще разобраться с устройством и компонентами контроллера, можно разделить его на 3 основные секции – входная, выходная и центральная. Они есть в любой модификации PLC: как в цельных аппаратах, где все секции объединены в одном блоке, так и в распределённых решениях. Последние – отдельный корпус для процессорного блока и отдельно подключенные (через интерфейсы или шины) модули для ввода/вывода. Удобно для крупных производств, так как позволяет создать единую сеть с одним ПЛК, но с расположенными по всей территории датчиками.

Входная секция

К этой категории относятся все входные устройства, с помощью которых контроллер может получить необходимую информацию. Это, прежде всего, переключатели, смарт-устройства, а также датчики. Все входы в ПЛК делятся на 3 основных вида:

• дискретные – один вход (это 1 бит) может принять только один бинарный сигнал. Если же для описания состояния оборудования одного бита недостаточно, используются несколько дискретных входов. Биты, полученные из дискретных входов, легко читаются и изменяются из оперативной памяти устройства;
• аналоговые – эти входы помогают ввести в ПЛК вольтовые/токовые сигналы, а также термопары (передаются при помощи уровня сопротивления). Благодаря этому устройство получает информацию о значениях температуры, давления, веса, скорости перемещения, частоте оборотов. После попадания в ПЛК аналоговый сигнал всегда преобразуется в дискретное мультибитовое двоичное число;
• специальные – используются, когда появляются трудности в обработке сигналов. С их помощью подсчитываются импульсы, фиксируются фронты, измеряется длительность. Некоторые входы оснащены ещё одной полезной функцией: мгновенный запуск команды пользователя с прерываниями на выполнение основного ПО.

Центральная секция

В эту секцию входит центральный процессор, память и система коммуникаций.

В качестве центрального процессора выступают микропроцессоры – они могут быть как простыми и бюджетными, так и мощными, включая двухъядерные и четырехъядерные. В зависимости от задач клиента подбираются все соответствующие характеристики:

• разрядность – восьмиразрядные микропроцессоры подходят для малопроизводительных ПЛК – можно построить межсетевые шлюзы, управлять небольшими технологическими аппаратами, станками. 16- и 32-разрядные МП решают более сложные задачи в высокопроизводительных контроллерах;
• архитектура. Самый популярный вариант – RISC-архитектура – предполагает множество регистров и небольшое количество команд одинаковой длины. Благодаря такому сокращённому набору возможно построение эффективных компиляторов и конвейера процесса;
• тактовая частота – основная характеристика производительности микропроцессоров. Частота в МП с одинаковой архитектурой пропорциональна производительности.

Для больших ПЛК возможно наличие сразу нескольких центральных процессоров. Один из них становится «ведущим», а все остальные – «ведомыми».

От ёмкости памяти зависит количество переменных, которые может обработать ПЛК. Память контроллера можно также поделить на несколько видов. ПЗУ используются для хранения редко изменяемой информации, а ОЗУ, наоборот, для постоянно меняющихся значений (результаты промежуточных вычислений или данные диагностики). Не менее важны регистры – самые быстродействующие элементы памяти, которые исполняют элементарные команды процессора.

Центральная секция выполняет сразу несколько задач:

• обрабатывает полученную информацию из модулей ввода и передаёт полученные результаты в модули вывода;
• обменивается данными с промышленной сетью, а также с устройствами для программирования контроллера;
• управляет обменом с памятью.

Выходная секция

С  этой секции контроллер управляет подключенными системами. Здесь исполняются все отправленные ПЛК команды, реализуются функции автоматической калибровки/диагностики, преобразуются форматы выводимых данных. Также, как и во входной секции, выходы разделяются на 3 группы.

В качестве нагрузки дискретных выходов выстуают силовые пускатели, лампы, соленоиды, индикаторы, пневматические клапаны, реле (самый простой вариант).

Главная задача аналоговых выходов – преобразовать цифровые значения в непрерывный сигнал. Для этого используются 8- или 12-разрядные преобразователи. Их производительности хватает для того, чтобы исправно работать на производстве.

Специальные выходы могут формировать частотно-импульсные или широтно-импульсные сигналы. С их помощью также можно управлять специфическим оборудованием.

Принцип работы ПЛК

Работа ПЛК – это циклический процесс, который состоит из 4 этапов. После того, как устройство включают, оно сразу готово к работе. Изначально системное программное обеспечение проводит «опрос входов», получая всю необходимую информацию. Далее начинает работать авторская программа владельца: контроллер будет выполнять всё, что указал пользователь. После того, как все команды будут выполнены, за работу вновь берётся система.

Подобный принцип работы значительно упрощает деятельность пользователя: для программирования ему достаточно знать, откуда приходит сигнал, и как на него реагировать на выходе.

Основные виды ПЛК

После информации о том, что такое ПЛК, важно понять их различия между собой и соответствие определённым задачам. Так, уже упоминалось, что конструкция может быть как моноблочной, так и распределённой.

Аппараты также могут иметь разное количество входов/выходов: от нано- (до 16 каналов, устройство имеет встроенные возможности) и малых систем (16-100 входов/выходов) до больших (300-2000 каналов) и сверхбольших моделей (более 2000). Популярным вариантом остаются средние ПЛК – в них представлено от 100 до 300 каналов.

Отдельное разделение существует по сфере использования. ПЛК создаются специально для робототехники, контроля перемещений, позиционирования. Есть универсальные общепромышленные или коммуникационные устройства, а также контроллеры ПИД.

Программирование ПЛК

В прошлом технологам и программистам было довольно трудно взаимодействовать при разработке программного обеспечения: ни один из специалистов не мог доступно объяснить другому особенности своей работы. В связи с этим появились технологические языки программирования – они доступны инженерам и технологам, так как максимально упрощены.

Международная Электротехническая Комиссия разработала стандарт МЭК-61131-3, в котором собраны все  технологии в области программирования для автоматизации производственных процессов. Имеется пять языков программирования:

• Sequential Function Chart (SFC) – переводится как «последовательность функциональных блоков». С помощью этого языка можно последовательно управлять процессом на базе систем условий, передающих управления с одной операции на другую;
• Function Block Diagram (FBD) – «функциональные блоковые диаграммы». При программировании можно использовать наборы библиотечных или собственных блоков;
• Ladder Diagrams (LАD) – в основе лежат релейно-контактные системы. Элементами логики являются обмотки реле, контакты реле, горизонтальные и вертикальные перемычки;
• Statement List (STL) – сложный и продвинутый язык, который позволяет создавать более проработанные программы путём введения мнемонических обозначений команд. Схож с программированием на Ассемблере;
• Instruction List (IL) – текстовый язык программирования, с помощью которого можно добиться оптимизированного кода для реализации критических секторов программ. В основе лежат переходы по меткам и аккумулятор.

Для того, чтобы программировать контроллеры было удобно, в 90-х годах была создана система CoDeSys. Она поддерживает все языки МЭК, не привязываясь к конкретной аппаратной платформе. ПО предлагает функции: визуализация, проведение отладки, создание человеко-машинного интерфейса. Бесплатная лицензия и русифицированная версия сделали CoDeSys очень популярной среди отечественных инженеров и технологов.

Как выбрать нужный ПЛК?

Огромное количество преимуществ, модификаций и технических возможностей могут вызывать вопросы у покупателей – на какой конкретно модели следует остановиться. При выборе нужно ориентироваться на несколько параметров:

• совместимость с запросами заказчика – контроллер должен соответствовать требованиям владельца, даже если подобная вариация стоит больше, чем ожидалось. Так, масштабные производства нуждаются в распределённых системах, чтобы охватить большое пространство, в то время как небольшим компаниям подойдут моноблочные ПЛК;
• устойчивость к внешним воздействиям – резкие смены температуры, грязь, пыль, брызги технологических жидкостей, электромагнитные помехи влияют на продолжительность эксплуатации. Избежать преждевременной поломки можно установкой в защитные шкафы;
• универсальность среды программирования – она должна одинаково хорошо подходить для разных платформ. Переквалификация специалистов займёт гораздо больше времени и средств, чем покупка более дорогого агрегата.