Прогроммируемые логические контроллеры
Программируемый логический контроллер, ПЛК — микропроцессорное устройство, предназначенное для управления технологическими процессами в промышленности и другими сложными технологическими объектами (например, системы управления микроклиматом). Принцип работы ПЛК заключается в сборе сигналов от датчиков и их обработке по прикладной программе пользователя с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства.
Вложенные файлы: 1 файл
1.05.12.docx
Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«Национальный Исследовательский
Томский политехнический университет»
Направление: Ядерная физика и технологии
Кафедра: Автоматика электроника физических установок
«Программируемые логические контроллеры»
Студент гр. 0172 _______________________ А.А Карпов
Преподаватель ________________________ Т.Х Бадретдинов
Томск – 2012
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. В первых ПЛК, пришедших на замену обычным ЛК, 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 микроконтроллера. В системах управления технологическими объектами логические команды преобладают над числовыми операциями, поэтому за этими процессорами остаётся название ПЛК. В современных логических контроллерах числовые операции реализуются наравне с логическими, но в большинстве приложений по прежнему преобладают логические команды. В программируемых логических контроллерах обеспечивается доступ к отдельным битам памяти, в то время как большинство процессоров и компьютеров обеспечивают только байтовую или 2-х,4-х байтную адресацию.
ПЛК, как правило, не имеют развитых средств интерфейса, типа клавиатуры и дисплея, устанавливаются в шкафах, их программирование, диагностика и обслуживание производится подключаемыми для этой цели программаторами — специальными устройствами (устаревшая технология) или устройствами на базе PC или ноутбука, со специальным программным обеспечением, а возможно и со специальными интерфейсными платами. В системах управления технологическими процессами ПЛК взаимодействуют с системами человеко-машинного интерфейса: операторскими панелями или рабочими местами операторов на базе PC. Датчики и исполнительные устройства подключаются к ПЛК или централизованно: в стойку ПЛК устанавливаются модули ввода-вывода, подключенные к датчикам и исполнительным устройствам отдельными проводами, или по методу распределённой периферии, когда удалённые от ПЛК датчики и исполнительные устройства связаны с ПЛК общей сетью, например, сетью Profibus с протоколом DP.
ПЛК (PLC) были разработаны для замены релейно-контактных схем управления, собранных на дискретных компонентах: реле, таймерах, счетчиках, элементах жесткой логики. Принципиальное отличие ПЛК от релейных схем заключается в том, что в нем все алгоритмы управления реализованы программно. При этом надежность работы схемы не зависит от ее сложности. Использование программируемых логических контроллеров позволяет заменить одним устройством любое необходимое количество отдельных элементов релейной автоматики, что увеличивает надежность системы, минимизирует затраты на ее тиражирование, ввод в эксплуатацию и обслуживание. ПЛК может обрабатывать дискретные и аналоговые сигналы, управлять клапанами, сервоприводами, преобразователями частоты и другими устройствами. [1].
Программировать контроллер можно на пяти языках стандарта IEC-1131.3:
— релейно-контактных схем (Ladder Diagram);
— функциональных блоковых диаграмм (Functional Block Diagram);
— последовательных функциональных схем (Sequential Function Chart);
— структурированного текста (Structured Text);
— ассемблер (Instruction List).
В ПЛК используются различные языки программирования, но обзор выявил явные предпочтения. Релейная схема (96 %) и функциональные блоки (50 %) возглавляют список. Этот порядок не изменился с 2005. Ясно, что сместить релейную схему с вершины будет очень трудно, но программирование с использованием функциональных блоков достигло большого прогресса за последние два года. Структурный текст поднялся с шестого места в 2005 году с 13 % на третье в 2007 с 24 %. Худший результат у языка программирования C, который опустился с четвертого места в 2005 на шестое. Программирование списком инструкций за это же время переместилось с пятого на шестое место. [2].
Наглядное описание автоматизируемых технологических процессов (ТП) и дальнейшая отладка в терминах исходного описания;
мобильность — способность к переносу на различные аппаратные и операционные платформы;
эффективное исполнение программы в реальном времени (РВ).
Наглядность описания определяется характером объекта и следующими задачами по управлению объектом.
- Задачи параллельной обработки большого числа логических кон туров (сотен и тысяч) с обработкой и сполнительных действий при нас туплении тех или иных событий. В основе логического контура лежит проверка истинности логи ческой функции от нескольких переменных, а событие равнозначно истинности этой функции. Задачи такого рода характерны, например, для таких технологических объектов, как электростанции, химические производства и производства по переработке нефти. Задача адекватно и наглядно описывается системой булевых уравнений. Все языки стандарта, за исключением SFC, хорошо подходят для описания подобных задач, поскольку они или содержат в себе средство представления булевых функций (языки IL, ST), или являются графической формой их отображения (языки LD, FBD).
- Задачи управления процессом, проходящим в своем развитии через ряд состояний (шагов, стадий). Переход от одного состояния к другому происходит по событиям, формируемым по сигналам датчиков процесса. Такие задачи управления возникают, например, при управлении транспортно-складскими системами, агрегатными станками, робототехническими комплексами, характерны они и для объектов, перечисленных в п. 1, в частности, при пуске и останове турбины и др. Задачи данного типа наиболее наглядно представляются автоматными моделями. В стандарте такая модель строится с использованием языка SFC (разметка состоянии, логика управления) и любого другого языка (описание действии, связанных с состоянием, и событий, предписывающих смену состояний). Заметим, что подобные задачи могут быть полностью представлены с помощью других языков стандарта, например языка FBD с использованием элементов памяти — триггеров, но в этом случае автоматная модель будет выражена неявно.
- Задачи автоматического регулирования (ПИД-законы, нечеткое управление и т. д.) встречаются практически везде. Здесь как правило, используются библиотеки заранее разработанных компонентов — графических блоков для языков LD и FBD и под! программ для языков ST и PL.
- Задачи управления распределенными технологическими объектами, оптимизационные, а также задачи, связанные с интеллектуальным анализом данных. Задачи такого типа решаются в сложных технологических объектах типа химических производств. Здесь в качестве средств адекватного описания могут использоваться языки ST, универсальные типа С, С++, Паскаль, сценарные типа Visual Basic, объектно-ориентированные типа Java.
Мобильность языков, т. е. способность к переносу на различные аппаратные и операционные платформы, может поддерживаться для языков стандарта в случае использования пакета от одного разработчика. Это связано с невозможностью сосуществования в одной разработке программ на одинаковых языках от разных поставщиков, так как требования стандарта IЕС 61131-3 носят рекомендательный характер, а значит, приводят к различиям в реализации языков у разных производителей.
Эффективное исполнение в РВ дает ответ, насколько быстро сможет отреагировать система управления (ПЛК) на происшедшее событие. Обычно используется понятие «временной цикл», т. е. заранее задаваемый интервал времени, например, в диапазона 10. 300 мс, в течение которого ПЛК сможет гарантированно отреагировать на входное воздействие. Для обеспечения более быстрой реакции служат так называемые инициативные сигналы, которые обрабатываются по прерыванию (от десятков до сотен микросекунд).
Для широкого круга приложений задача обеспечения требуемого временного цикла решается достаточно легко благодаря высокому быстродействию процессоров, используемых в ПЛК. Haпример, в контроллерах Modicon применяются процессоры компании Intel от Intel 286 до Pentium. Тем не менее здесь есть одна проблема: неэффективное использование процессора при управление объектами, в которых осуществляется в основном обработка логической информации, при которой используется только один разряд из 32. Если найти решение этой проблемы, то по крайней мере можно будет понизить класс применяемого процессора, что выгодно по экономическим соображениям.
Согласно требованиям стандарта, не предопределенные объекты должны иметь имя и тип, объявленные программистом, предопределенные объекты распределяются на три зоны: зону памяти (%М), зону входов (%1) и зону выходов (%Q). Объектами могут быть: биты (X), байты (В), слова (W), двойные слова (D), «длинные» слова (L) — 64 бита
Ограничения стандарта: не фиксируется имя задач; размер графического редактора оставляется на выбор пользователя; нет минимального количества функций, готовых к реализации, но если используется имя по стандарту (функциональный блок и т. п.), то оно должно соответствовать стандарту; сервисные утилиты и средства разработки и отладки приложения (редакторы, языки, документирование и т. п.) не определены; нет точных правил выполнения программы (например, для функциональных блоков); не описана конвертируемость языков. Сертификат IЕС 61131-3 на сегодня не существует, нет определенного «класса соответствия». Каждый разработчик, объявивший свое соответствие норме, должен представить документацию таблиц соответствия, а также список дополнительных расширений.
Преимущества стандарта для конечных пользователей состоят в том, что уменьшается стоимость обучения, пользовательские приложения однородны, структура программ идентична, используются предопределенные объекты и т. п. Разнообразие стандартных языков позволяет каждую функцию приложения запрограммировать наиболее подходящим для данной задачи языком.
Следование стандарту позволяет разработчикам ПЛК обеспечить соответствие разработки техническим требованиям, предъявляемым потребителями, и даже ввести дополнительные функции, что не могут сделать мелкие поставщики ПО. [2].
4. Выбор комплекса и языка
Стандарт определяет языки программирования, синтаксис, вид объектов, структуру ПО, объявление переменных.
Программирование логики ведется с применением языков SFC, LD, FBD, PL, ST, а также дополнительных интерактивных редакторов для описания переменных, определений и конфигурации ввода/вывода.
Все языки программирования контроллеров взаимоувязаны — для них стандарт определяет единые модели ПО, связных функциональных блоков и модель собственно программирования. Стандартизированы общие элементы этих языков и, прежде всего, используемые символы, типы данных и переменные. Определены функции и функциональные блоки, их декларации, наборы стандартных функций и функциональных блоков, понятия программ на этих языках. Стандарт определяет и такие общие элементы, как конфигурации, ресурсы, пути доступа, задачи. Все это дает возможность программирования на любом из этих языков с обеспечением генерации кодов единой программы. Языки программирования определены в стандарте таким образом, что допускают разработку приложений на их смеси, которая впоследствии собирается в единую исполняемую программу. Кроме того, стандарт открыт для использования других языков программирования. И наконец, в стандарте рассмотрена специфика каждого из языков.
Ведущие изготовители ПЛК, опираясь на собственные фирменные наработки в плане инструментального программного обеспечения и поддержавшие стандарт МЭК 61131-3, используют с различными вариациями один или несколько комплексов. В каждом из них есть свои «плюсы» и «минусы». Поэтому предпочтение тому или иному инструменту программирования диктуется в основном предыдущим накопленным опытом.
Наибольшей популярностью все-таки пользуется комплекс CoDeSys, который насчитывает более 150 адаптации, не противоречащих стандарту МЭК, но учитывающий фирменные особенности.
CoDeSys (Controllers Development System) представляет проектировщику удобную среду для программирования контроллеров на языках МЭК. Используемые редакторы и отладочные средства базируются на широко известных принципах. [2].