Функциональное проектирование программируемого логического контроллера

Функциональное проектирование программируемого логического контроллера Гусев И. П.

Гусев Илья Павлович / Gusev Ilya Pavlovich - бакалавр, кафедра вычислительной техники, факультет микроприборов и технической кибернетики,

Национальный исследовательский университет,

Московский институт электронной техники, г. Зеленоград

Аннотация: в работе исследованы основные принципы работы программируемых логических контроллеров и проведено функциональное проектирование такого устройства.

Abstract: this article contains basic principles of programmable logic controllers operation and functional design of such a device.

Ключевые слова: программируемый логический контроллер, функциональная схема, автоматизированная система управления.

Keywords: programmable logic controller, functional diagram, automatic control system.

1. Понятие о программируемом логическом контроллере

Любое устройство, способное работать автоматически, имеет в своем составе управляющий контроллер -модуль, определяющий логику работы устройства.

Программируемый логический контроллер (сокращенно ПЛК) - электронная составляющая промышленного контроллера, специализированного (компьютеризированного) устройства, используемого для автоматизации технологических процессов.

Физически типичный ПЛК представляет собой блок, имеющий определенный набор выходов и входов для подключения датчиков и исполнительных механизмов. Логика управления описывается программно на основе микрокомпьютерного ядра. Абсолютно одинаковые ПЛК могут выполнять совершенно разные функции. Причем для изменения алгоритма работы не требуется каких-либо переделок аппаратной части. Аппаратная реализация входов и выходов ПЛК ориентирована на сопряжение с унифицированными приборами и мало подвержена изменениям [1, с. 12].

2. Роль и место ПЛК в системе управления предприятием

Контроллеры традиционно работают в нижнем звене автоматизированных систем управления предприятием (АСУ) — систем, непосредственно связанных с технологией производства. ПЛК обычно являются первым шагом при построении систем АСУ. Это объясняется тем, что необходимость автоматизации отдельного механизма или установки всегда наиболее очевидна. Она дает быстрый экономический эффект, улучшает качество производства, позволяет избежать физически тяжелой и рутинной работы. Контроллеры по определению созданы именно для такой работы [1, с. 17].

3. Актуальность новой разработки

Каждое предприятие имеет свою специфику и, несмотря на большое количество готовых решений, не всегда можно найти устройство, удовлетворяющее всем требованиям.

На основе предъявленных требований к устройству были отобраны существующие на рынке решения. В Таблице 1 представлены результаты этой выборки.

Таблица 1.

Производитель Модель Недостатки Стоимость, тыс. руб.

Owen ПЛК160-24.И-Ь Стоимость, функциональная избыточность 26,2

ABB AC500-ECO, PM554-T-ETH + AX561 Малая память программ, недостаточная функциональность 40,9

Omron CP1E-N30DR-D + CP1W-MAD42 Функциональная избыточность, специфическое ПО для программирования 48,3

Schneider Electric TWDLMDA20DRT + TM2AMM6HT Специфическое ПО, только 2 языка программирования 29,4

Таблица 1 - соответствующие требованиям программируемые логические контроллеры, имеющиеся на рынке [2], [3], [4], [5].

В результате анализа можно сделать вывод, что готовые решения имеют высокую цену и обладают при этом некоторыми недостатками.

4. Требования к устройству

К разрабатываемому программируемому логическому контроллеру были предъявлены технические требования, они изображены на рисунке 1.

8 Сухих контактов

Датчики

Интегрированная среда управления

8 Сухих

COM-порт контактов

/

/

Исполняющие

устройства

4 Аналоговых входа 4-20мА

2 Аналоговых выхода 4-20мА

Рис. 1. Технические требования к ПЛК

Устройство должно иметь:

• 8 дискретных входов. Они реализуются в виде сухих контактов. Эти контакты позволят принимать сигналы с таких устройств как: кнопки, датчики закрытия дверей, реле и др.

• 8 дискретных выходов. Реализуются также в виде сухих контактов, на которые генерируется сигнал. Позволяют передавать дискретные сигналы типа лог. 0 или 1. Можно использовать для передачи сигнала запуска или остановки некоторого процесса/устройства: включить/выключить свет, активировать сигнализацию и т. п.

• 4 аналоговых входа 4-20 мА. Возможность принимать с таких контактов уровень сигнала предоставляет достаточно широкие технологические возможности. В частности, можно сопоставить некоторые уровни сигнала различным командам или информационным сообщениям. Например: сигнал 4мА означает, что нужно подать сигнал на 1-ый дискретный выход, 6 мА - на 2-ой, 8мА - на 3-ий и так далее. Также зачастую сигналы такого типа применяются для передачи информации о значении некоторой переменной. Например, по таким линиям можно передавать информацию о температуре с термостата или о положении заслонки в трубе и многое другое.

• 2 аналоговых выхода 4-20 мА. Позволяет передавать различные уровни сигнала. Аналогично приему эти контакты можно использовать для передачи логических уровней или управлять значением какой-либо переменной в заданных пределах.

• COM-порт, то есть интерфейс стандарта RS-232. Позволит ПЛК связывать с ПК или другими устройствами. Через этот порт будет осуществляться программирование ПЛК, а также доступ с ПК к памяти контроллера. Возможна организация связи с другими устройствами, например, SCADA системами, другими контроллерами.

5. Алгоритм работы устройства

При проектировании системы необходимо отчетливо представлять алгоритм её работы. Алгоритм работы разрабатываемого контроллера представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Алгоритм работы устройства

6. Структурная схема контроллера

Проектирование любой системы начинается с разработки структурной схемы. Она включает в себя набор элементарных звеньев объекта и связей между ними. Структурная схема разрабатываемого ПЛК представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Структурная схема ПЛК

Разрабатываемое устройство состоит из 7 блоков.

МК:

Основной блок. Содержит в себе микропроцессор, ПЗУ в виде флеш-памяти и ОЗУ, АЦП и ЦАП. Исполняет заданную пользователем программу и осуществляет управление интерфейсом RS-232, принимает сигналы с портов ввода, формирует воздействия для передачи сигналов через порты вывода. АЦП преобразует входные аналоговые сигналы в цифровые для передачи на процессор. ЦАП преобразует цифровые сигналы процессора в аналоговые для передачи на контакты аналоговых выходов.

Сухие контакты:

Это контакты, не имеющие гальванической связи с цепями электропитания и «землёй», то есть контакт гальванически развязан от управляющего сигнала. Требует питания 24В, 2А.

Контакты аналогового сигнала:

Контакт передаёт уровень сигнала с помощью тока 4-20 мА. Отсутствие тока (0 мА) означает отсутствие подключения к контакту. Для передачи сигнала на процессор требуется АЦП. Для передачи сигнала с процессора на контакты требуется ЦАП.

Блок питания:

Подключается к внешнему питанию 24В. Осуществляет фильтрацию и преобразование входного напряжения до уровней, необходимых элементам схемы.

Интерфейс RS-232:

Порт RS-232 необходим для связи с ПК. С его помощью осуществляется программирование ПЛК и снятие данных с его памяти.

7. Функциональная схема контроллера

Функциональная схема разъясняет процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях изделия или установки в целом.

Рис. 4. Функциональная схема ПЛК

Функциональная схема на рисунке 4 дополняет структурную схему, раскрывая принципы построения контактов ввода/вывода.

Дискретные сигналы - контакты типа «сухой контакт». Для приема сигнала с таких контактов требуется компаратор и выработка опорного напряжения для него. При наличии на входной линии напряжения больше опорного, компаратор подает сигнал на микроконтроллер. Сухой контакт требует питания, которое реализуется линией от блока питания с напряжением 24 В.

Для передачи сигнала на сухой контакт используется твердотельное реле. МК формирует управляющее воздействие и при его подаче, реле передает сигнал с напряжением 24В и током 2А с источника питания на контакт. Использование именно твердотельного реле обуславливается их небольшими размерами, которые позволяют свободно монтировать их на платы. Также они имеют много других преимуществ: высокое быстродействие, отсутствие акустического шума, дребезжания и искрения, энергопотребление.

Аналоговые входы - пара контактов, по которым течет ток 4-20 мА. Уровень сигнала передается силой тока. Для регистрации этого уровня контакты подключаются к прецизионным резисторам 250 Ом, и значение снимается уже по напряжению 1-5 В. Оно передается на АЦП для оцифровки и передачи в МК.

Аналоговые выходы - на МК с помощью ЦАП генерируется сигнал 1-5 В. Он подается на прецизионный резистор 250 Ом для генерации на контактах сигнала 4-20 мА.

Литература

1. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования. И. В. Петров. Под редакцией проф. В. П. Дьяконова. Москва СОЛОН-Пресс, 2004, c 17.

2. [Электронный ресурс] Официальный сайт компании Овен: http://www.owen.ru/ (дата обращения

16.06.2015 г.).

3. [Электронный ресурс] Официальный сайт компании ABB: http://new.abb.com/ (дата обращения

16.06.2015 г.).

4. [Электронный ресурс] Официальный сайт компании OMRON IA: www.ia.omron.com (дата обращения

16.06.2015 г.).

5. [Электронный ресурс] Официальный сайт компании Schneider Electric: http://www.schneider-electric.com/ (дата обращения 16.06.2015 г.).