При проектуванні системи програмованого логічного контролера (ПЛК) першим кроком є визначення стратегії керування; наступний крок включає інженерний вибір конкретного обладнання ПЛК. Характеристики технологічного процесу та конкретні вимоги до застосування служать основною основою для цього процесу вибору. ПЛК та пов’язане з ним обладнання мають бути інтегровані та стандартизовані, вибрані відповідно до принципів безперебійної інтеграції в загальну промислову систему управління та простоти функціонального розширення. Обрана система ПЛК має бути зрілим і надійним рішенням із підтвердженим досвідом успішної роботи у відповідному промисловому секторі. Крім того, апаратна конфігурація системи, можливості програмного забезпечення та функціональні характеристики повинні відповідним чином відповідати масштабу об’єкта та конкретним вимогам до контролю. Знайомство з ПЛК, функціональними схемами та відповідними мовами програмування допомагає значно скоротити час програмування. Таким чином, на етапах інженерного вибору та оцінки важливо провести детальний аналіз характеристик процесу та вимог до контролю; це передбачає чітке визначення контрольних завдань і обсягу, а також визначення необхідних операцій і дій. Згодом-на основі цих вимог до керування-можна оцінити необхідну кількість точок вводу/виводу (I/O) і обсяг пам’яті, а також визначити необхідні функції ПЛК і характеристики зовнішнього пристрою. Нарешті, мета полягає в тому, щоб вибрати ПЛК, який пропонує найкраще співвідношення ціни-продуктивності, і розробити відповідну систему керування.
Оцінка точки введення/виведення
При оцінці кількості точок вводу/виводу дуже важливо врахувати відповідний запас. Як правило, приблизну кількість вводів-виводів отримують шляхом взяття статистично обчисленої кількості необхідних точок і додавання запасу розширення від 10% до 20%. Під час розміщення фактичного замовлення може знадобитися округлити приблизну кількість вводів/виводів, щоб узгодити з конкретними специфікаціями продукту та конфігураціями модулів, запропонованими виробником ПЛК.
Ємність пам'яті
«Об’єм пам’яті» означає загальний розмір апаратних одиниць зберігання, наданих самим ПЛК, тоді як «об’єм програми» означає певну частину цієї пам’яті, яка використовується прикладною програмою користувача. Отже, ємність програми завжди менша або дорівнює загальній ємності пам'яті. На етапі проектування, оскільки прикладна програма користувача ще не написана, точна потужність програми залишається невідомою і може бути визначена лише після повного налагодження програми. Щоб полегшити процес вибору, надаючи розумну оцінку необхідної пам’яті, загальний обсяг пам’яті зазвичай використовується як проксі для обсягу програми на етапі проектування. Немає фіксованої формули для оцінки необхідного обсягу пам'яті; незважаючи на те, що в літературі з’являються різноманітні формули, вони, як правило, дотримуються загального підходу: обчислюють від 10 до 15 разів кількість точок цифрового вводу/виводу, додають у 100 разів кількість точок аналогового вводу/виводу та використовують цю суму як загальну кількість слів (де одне слово дорівнює 16 бітам) для пам’яті. Крім того, необхідно врахувати запас міцності, еквівалентний 25% цього розрахункового значення.
Вибір функцій керування
Цей процес відбору передбачає вибір конкретних характеристик, таких як арифметичні функції, функції керування, комунікаційні можливості, функції програмування, інструменти діагностики та швидкість обробки.
1. Арифметичні функції
Арифметичні функції простих програмованих логічних контролерів (ПЛК) зазвичай включають основні логічні операції, функції синхронізації та підрахунку. Стандартні ПЛК розширюють це й включають такі операції, як перенесення та порівняння даних. Більш складні арифметичні можливості охоплюють алгебраїчні операції та функції передачі даних. Великі-ПЛК додатково містять аналогові алгоритми ПІД-регулювання та інші передові математичні функції. З появою відкритих систем сучасні ПЛК повсюдно оснащені комунікаційними можливостями; певні продукти можуть запропонувати зв’язок із пристроями нижчого-рівня, одноранговий--зв’язок з іншими ПЛК, зв’язок із хост-системами вищого-рівня або можливості обміну даними з мережами-підприємства чи підприємства. Вибираючи модель на етапі проектування, слід ґрунтуватися на конкретних вимогах реального застосування, вибираючи лише ті арифметичні функції, які дійсно необхідні. У більшості прикладних сценаріїв достатньо основних логічних операцій, функцій синхронізації та підрахунку; деякі програми можуть вимагати можливості передачі даних і порівняння; в той час як алгебраїчні операції, числові перетворення та алгоритми ПІД-регулювання зазвичай зарезервовані для програм, що включають виявлення та керування аналоговим сигналом. Такі операції, як декодування та кодування, потрібні, коли потрібні можливості відображення даних.
2. Функції контролю
Функції керування включають такі алгоритми, як ПІД-регулювання,-пряма компенсація та керування співвідношенням; конкретні вибрані функції слід визначати на основі точних вимог керування додатком. Оскільки ПЛК в основному призначені для послідовного логічного керування, завдання аналогового керування в більшості сценаріїв зазвичай обробляються за допомогою спеціальних одно-контурних або багато-контурних контролерів. Крім того, інколи використовуються спеціалізовані інтелектуальні модулі вводу/виводу для виконання певних функцій керування-стратегія, яка служить для підвищення загальної швидкості обробки ПЛК і збереження об’єму внутрішньої пам’яті. Прикладами таких спеціалізованих модулів є блоки ПІД-регулювання, високо-швидкісні лічильники, модулі аналогового введення з компенсацією швидкості та блоки перетворення ASCII.
3. Комунікаційні функції
Системи ПЛК від- до -великого- масштабу мають підтримувати різноманітні польові шини та стандартні протоколи зв’язку (такі як TCP/IP). Крім того, якщо це вимагається програмою, ці системи повинні мати можливість встановлювати з’єднання з мережею керування заводом (через TCP/IP). Протоколи зв'язку повинні відповідати стандартам зв'язку ISO/IEEE і становити відкриту мережу зв'язку.
Інтерфейси зв’язку системи програмованого логічного контролера (ПЛК) повинні включати послідовні та паралельні інтерфейси зв’язку, порти зв’язку RIO, загальні інтерфейси DCS тощо. Для середніх---великих- систем ПЛК комунікаційні шини (включно з інтерфейсними пристроями та кабелями) мають бути налаштовані з резервуванням 1:1; ці шини зв'язку повинні відповідати міжнародним стандартам, а дальність їх зв'язку - реальним вимогам конкретного об'єкта.
У мережі зв’язку системи ПЛК швидкість зв’язку мережі верхнього-рівня має перевищувати 1 Мбіт/с, а навантаження на зв’язок не має перевищувати 60%. Основні форми комунікаційних мереж для систем ПЛК:
1) ПК діє як головна станція, тоді як кілька ПЛК однієї моделі діють як підлеглі станції, утворюючи просту мережу ПЛК;
2) один ПЛК діє як головна станція, тоді як інші ПЛК тієї ж моделі діють як підлеглі станції, утворюючи головну-мережу підлеглого ПЛК;
3) Мережа ПЛК підключається до -масштабної DCS через спеціальний мережевий інтерфейс, функціонуючи як підмережа DCS;
4) Власна мережа PLC (комунікаційна мережа, специфічна для продуктів PLC конкретного виробника).
Щоб полегшити комунікаційне робоче навантаження на ЦП-та на основі фактичних вимог конфігурації мережі-слід вибрати комунікаційні процесори, оснащені різними можливостями зв’язку (наприклад, точка--точка, польова шина).
4. Функції програмування
Режим автономного програмування: у цьому режимі ПЛК і пристрій програмування спільно використовують один ЦП. Коли програмуючий пристрій перебуває в «режимі програмування», ЦП надає свої послуги виключно програмному пристрою та не контролює польові пристрої. Після завершення програмування пристрій програмування переходить у «режим роботи», після чого ЦП відновлює керування польовими пристроями, і операції програмування не можуть бути виконані. Режим автономного програмування може зменшити витрати на систему, хоча він може бути менш зручним для використання та налагодження. Режим онлайн-програмування: у цьому режимі ЦП і пристрій програмування мають власні виділені ЦП. Центральний процесор відповідає за операції керування полем і обмінюється даними з пристроєм програмування протягом одного циклу сканування; пристрій програмування передає щойно створені або змінені дані програми до центрального процесора, і в наступному циклі сканування центральний процесор виконує системну логіку на основі нової отриманої програми. Хоча цей режим вимагає вищих витрат, він забезпечує більшу зручність для налагодження та роботи системи та часто застосовується в системах ПЛК середнього-–-великого- масштабу. Існує п’ять стандартизованих мов програмування: три графічні мови-Послідовні функціональні діаграми (SFC), сходові діаграми (LD) і функціональні блок-схеми (FBD)-і дві текстові-мови-Списки інструкцій (IL) і структурований текст (ST). Вибрана мова програмування має відповідати відповідному стандарту (IEC 61131-3); крім того, він повинен підтримувати різні альтернативні форми програмування, такі як C, Basic тощо, щоб відповідати конкретним вимогам керування спеціалізованих програм.
5. Діагностичні функції
Діагностичні можливості програмованого логічного контролера (ПЛК) охоплюють діагностику апаратного та програмного забезпечення. Діагностика апаратного забезпечення використовує-апаратну логіку для точного визначення місця несправності апаратного забезпечення, тоді як діагностика програмного забезпечення поділяється на внутрішню та зовнішню діагностику. Внутрішня діагностика передбачає використання програмного забезпечення для оцінки внутрішньої продуктивності та функціональності ПЛК; зовнішня діагностика передбачає використання програмного забезпечення для оцінки можливостей обміну даними між центральним процесором ПЛК і зовнішніми компонентами, такими як модулі введення/виведення (I/O).
Надійність діагностичних функцій ПЛК безпосередньо впливає на технічну кваліфікацію, необхідну для експлуатаційного та обслуговуючого персоналу, а також на середній час до ремонту (MTTR).
6. Швидкість обробки
Програмовані логічні контролери працюють за допомогою механізму сканування-. З точки зору-вимог продуктивності в реальному часі, швидкість обробки має бути якомога вищою; якщо тривалість вхідного сигналу менша за час сканування ПЛК, контролер може не виявити сигнал, що призведе до втрати даних.
На швидкість обробки впливають такі фактори, як тривалість програми користувача, обчислювальна потужність центрального процесора та якість програмного забезпечення. ПЛК відрізняються швидким часом відгуку на контакт і високою робочою швидкістю, причому час виконання кожної двійкової інструкції зазвичай становить від 0,2 до 0,4 мікросекунди (мкс); отже, вони добре-підходять для застосувань, які вимагають суворого контролю та можливостей швидкого реагування. Цикл сканування (час сканування процесора) має відповідати таким критеріям: для малих-ПЛК час сканування не має перевищувати 0,5 мс на 1000 команд (0,5 мс/К); для середніх--великих-ПЛК час сканування не має перевищувати 0,2 мс на 1000 інструкцій (0,2 мс/К).
Типи контролерів
За своєю фізичною структурою ПЛК поділяються на дві категорії: інтегральні (моноблочні) типи та модульні типи. Залежно від робочого середовища їх поділяють на дві категорії: блоки, що монтуються-в полі, і блоки, що монтуються-в кімнаті-контролю. Крім того, на основі довжини слова ЦП вони поділяються на 1-біт, 4-біт, 8-біт, 16-біт, 32-біт і 64-біт системи. З точки зору застосування-, ПЛК зазвичай вибирають на основі їхніх конкретних функцій керування або необхідної кількості точок введення/виведення. Програмовані логічні контролери (ПЛК)-інтегрованого типу мають фіксовану кількість точок введення/виведення; отже, користувачі мають обмежену гнучкість у виборі, що робить їх придатними для невеликих систем керування. ПЛК модульного типу, навпаки, пропонують широкий вибір плат вводу/виводу або модулів, що підключаються, що дозволяє користувачам раціонально вибирати та налаштовувати конкретну кількість точок вводу/виводу, необхідних для їхніх систем керування. Ця модульність сприяє зручному та гнучкому функціональному розширенню, що робить їх загалом придатними для середніх та великих систем керування.
Типи вводу/виводу
Дискретні сигнали (кількості перемикання): вони передусім стосуються дискретних входів і дискретних виходів-зокрема, допоміжних контактів, пов’язаних із різними пристроями. Приклади включають допоміжні контакти реле в регуляторі температури трансформатора (які змінюють стан, коли трансформатор перегрівається), допоміжні контакти кулачкового перемикача клапана (які змінюють стан, коли клапан відкривається або закривається), допоміжні контакти контактора (які змінюють стан, коли контактор спрацьовує) і допоміжні контакти реле теплового перевантаження (які змінюють стан, коли естафетні поїздки). Ці сигнали зазвичай передаються на ПЛК або комплексний пристрій захисту. Джерело живлення для цих контактів, як правило, забезпечується ПЛК або самим захисним пристроєм; оскільки контакти не мають власного внутрішнього джерела живлення, вони називаються «пасивними контактами» (або «сухими контактами») і класифікуються як дискретні входи в контексті ПЛК або пристрою захисту.
1. Цифрові величини
Фізичні величини, які є дискретними-як за часом, так і за величиною-, називаються цифровими величинами. Сигнали, що представляють ці цифрові величини, називаються цифровими сигналами. Електронні схеми, призначені для роботи з використанням цифрових сигналів, відомі як цифрові схеми.
Наприклад: коли електронна схема використовується для підрахунку кількості деталей, випущених з автоматизованої виробничої лінії, сигнал надсилається до схеми для кожної доставленої частини, змушуючи її реєструвати кількість «1». І навпаки, коли не доставляються частини, сигнал, що подається на схему, дорівнює «0». Таким чином, сигнал, який представляє кількість частин, є переривчастим-як у часовому, так і в кількісному відношенні-, що робить його цифровим сигналом. Найменшою одиницею кількості в цьому контексті є одна одиниця (1).
2. Аналогові величини
Фізичні величини, які є безперервними-в термінах часу або величини-, називаються аналоговими величинами. Сигнали, що представляють ці аналогові величини, називаються аналоговими сигналами. Електронні схеми, призначені для роботи з використанням аналогових сигналів, відомі як аналогові схеми.
Наприклад: вихідний сигнал напруги термопари під час роботи є аналоговим сигналом. Оскільки температура, що вимірюється, не може зазнавати миттєвих різких стрибків за будь-яких обставин, результуючий сигнал напруги є безперервним-як у часовому, так і в кількісному відношенні. Крім того, кожне конкретне значення, отримане цим сигналом напруги під час процесу безперервної зміни, має конкретне фізичне значення-а саме, воно відповідає певному показанню температури. Принципи перетворення
1. Цифро--аналоговий перетворювач (ЦАП) — це система, яка перетворює цифрові сигнали в аналогові; зазвичай це досягається за допомогою низькочастотної-фільтрації. Цифровий сигнал спочатку проходить декодування-тобто цифрові коди перетворюються на відповідні рівні напруги для формування сходового{6}}сигналу-після чого він піддається-низькочастотній фільтрації.
Відповідно до теорії сигналу та системи, цифровий сходовий-сигнал можна розглядати як згортку ідеального імпульсного-сигналу вибірки та прямокутного імпульсного сигналу. Отже, згідно з теоремою згортки, спектр цифрового сигналу є добутком спектра імпульсного-сигналу вибірки та спектра прямокутного імпульсу (відомого як функція Sa). Таким чином, використовуючи зворотну величину функції Sa для спектральної компенсації, вихідний дискретизований сигнал можна відновити з цифрового сигналу. Крім того, згідно з теоремою вибірки, застосування ідеальної фільтрації низьких частот до спектра дискретизованого сигналу дає спектр вихідного аналогового сигналу.
У практичних реалізаціях ці теоретичні принципи не застосовуються безпосередньо, оскільки генерувати чіткі, ідеальні дискретизовані сигнали технічно складно. Тому ці два етапи фільтрації (компенсація функції Sa- та ідеальна фільтрація низьких частот) зазвичай поєднуються (каскадно). Крім того, оскільки ідеальні характеристики фільтрації, необхідні цій системі, фізично неможливі, реальні системи можуть лише наблизити цей процес.
2. Аналого-{1}}-цифровий перетворювач (АЦП) — це система, яка перетворює аналогові сигнали в цифрові; цей процес включає фільтрацію, дискретизацію та зберігання, а також кодування.
Аналоговий сигнал спочатку проходить-обмежувальну фільтрацію та проходить через схему-і-утримання, перетворюючись таким чином на сходовий-сигнал. Згодом цей сигнал проходить через кодер, який перетворює кожен окремий рівень напруги в сигналі сходів у відповідний двійковий код.