Projektējot programmējamo loģisko kontrolieru (PLC) sistēmu, pirmais solis ir definēt vadības stratēģiju; nākamais solis ietver konkrētās PLC aparatūras inženierijas atlasi. Procesa plūsmas raksturlielumi un īpašās pielietojuma prasības kalpo par šī atlases procesa primāro pamatu. PLC un ar to saistītajām iekārtām jābūt integrētām un standartizētām, atlasītām saskaņā ar principiem, kas nodrošina netraucētu integrāciju kopējā rūpnieciskās vadības sistēmā un funkcionālās paplašināšanas vieglumu. Izvēlētajai PLC sistēmai jābūt nobriedušam un uzticamam risinājumam ar pierādītu veiksmīgas darbības pieredzi attiecīgajā rūpniecības nozarē. Turklāt sistēmas aparatūras konfigurācijai, programmatūras iespējām un funkcionālajām funkcijām ir jābūt atbilstoši saskaņotām ar iekārtas mērogu un īpašajām kontroles prasībām. PLC, funkciju diagrammu un atbilstošo programmēšanas valodu pārzināšana palīdz ievērojami samazināt programmēšanas laiku. Tāpēc inženiertehniskās atlases un novērtēšanas fāzēs ir svarīgi veikt detalizētu procesa raksturlielumu un kontroles prasību analīzi; tas ietver kontroles uzdevumu un darbības jomas skaidru definēšanu, kā arī nepieciešamo darbību un darbību noteikšanu. Pēc tam-balstoties uz šīm vadības prasībām-var noteikt nepieciešamo ievades/izvades (I/O) punktu skaitu un atmiņas ietilpību, kā arī noteikt nepieciešamās PLC funkcijas un ārējo ierīču specifikācijas. Visbeidzot, mērķis ir izvēlēties PLC, kas piedāvā izcilu cenu{10}}veiktspējas attiecību, un izstrādāt atbilstošu vadības sistēmu.
I/O punkta novērtējums
Novērtējot I/O punktu skaitu, ir ļoti svarīgi iekļaut atbilstošu rezervi. Parasti aptuvenais I/O skaits tiek iegūts, ņemot statistiski aprēķināto nepieciešamo punktu skaitu un pievienojot paplašināšanas rezervi no 10% līdz 20%. Veicot faktisko pasūtījumu, var būt nepieciešams noapaļot aptuveno I/O skaitu, lai tas atbilstu konkrētajām produkta specifikācijām un PLC ražotāja piedāvātajām moduļu konfigurācijām.
Atmiņas ietilpība
"Atmiņas ietilpība" attiecas uz paša PLC nodrošināto aparatūras atmiņas vienību kopējo lielumu, savukārt "programmas ietilpība" attiecas uz konkrēto šīs atmiņas daļu, ko izmanto lietotāja lietojumprogramma. Līdz ar to programmas ietilpība vienmēr ir mazāka vai vienāda ar kopējo atmiņas ietilpību. Projektēšanas posmā, tā kā lietotāja lietojumprogramma vēl nav uzrakstīta, precīza programmas ietilpība joprojām nav zināma, un to var noteikt tikai pēc programmas pilnīgas atkļūdošanas. Lai atvieglotu atlases procesu, sniedzot saprātīgu vajadzīgās krātuves aprēķinu, kopējā atmiņas ietilpība parasti tiek izmantota kā programmas jaudas aizstājējs projektēšanas posmā. Nav noteiktas formulas nepieciešamās atmiņas ietilpības novērtēšanai; lai gan literatūrā parādās dažādas formulas, tās parasti izmanto vienotu pieeju: aprēķina 10 līdz 15 reižu lielāku digitālo I/O punktu skaitu, pievieno 100 reižu analogo I/O punktu skaitu un izmanto šo summu kā kopējo vārdu skaitu (kur viens vārds ir vienāds ar 16 bitiem) atmiņā. Turklāt ir jāņem vērā drošības rezerve, kas līdzvērtīga 25% no šīs aprēķinātās vērtības.
Vadības funkciju izvēle
Šis atlases process ietver īpašu raksturlielumu izvēli, piemēram, aritmētiskās funkcijas, vadības funkcijas, komunikācijas iespējas, programmēšanas funkcijas, diagnostikas rīkus un apstrādes ātrumu.
1. Aritmētiskās funkcijas
Vienkāršu programmējamo loģisko kontrolleru (PLC) aritmētiskās funkcijas parasti ietver pamata loģiskās darbības, laika noteikšanas un skaitīšanas funkcijas. Standarta PLC to paplašina, iekļaujot tādas darbības kā datu pārvietošana un salīdzināšana. Sarežģītākas aritmētiskās iespējas ietver algebriskās darbības un datu pārsūtīšanas funkcijas. Liela mēroga PLC ietver arī analogos PID vadības algoritmus un citas uzlabotas matemātiskas funkcijas. Līdz ar atvērto sistēmu parādīšanos mūsdienu PLC ir universāli aprīkoti ar komunikācijas iespējām; konkrēti produkti var piedāvāt saziņu ar zemāka-līmeņa ierīcēm, vienādranga-līdz-saziņu ar citiem PLC, saziņu ar augstāka-līmeņa resursdatora sistēmām vai datu apmaiņas iespējas ar rūpnīcas-platuma vai uzņēmuma tīkliem. Izvēloties modeli projektēšanas posmā, izvēle jābalsta uz konkrētā pielietojuma prasībām, izvēloties tikai tās aritmētiskās funkcijas, kas patiešām ir nepieciešamas. Lielākajā daļā lietojumprogrammu scenāriju pietiek ar pamata loģiskām operācijām, laika noteikšanas un skaitīšanas funkcijām; dažām lietojumprogrammām var būt nepieciešamas datu pārsūtīšanas un salīdzināšanas iespējas; savukārt algebriskās darbības, skaitliskās konversijas un PID vadības algoritmi parasti ir rezervēti lietojumprogrammām, kas saistītas ar analogā signāla noteikšanu un vadību. Ja ir nepieciešamas datu attēlošanas iespējas, ir nepieciešamas tādas darbības kā dekodēšana un kodēšana.
2. Vadības funkcijas
Vadības funkcijas ietver tādus algoritmus kā PID vadība, plūsmas{0}}forward kompensācija un attiecību kontrole; konkrētās izvēlētās funkcijas jānosaka, pamatojoties uz precīzām lietojumprogrammas kontroles prasībām. Tā kā PLC galvenokārt ir paredzēti secīgai loģikai vadībai, analogās vadības uzdevumi vairumā gadījumu parasti tiek veikti, izmantojot īpašus vienas-cilpas vai vairāku{3}}cilpu kontrollerus. Alternatīvi, dažkārt tiek izmantoti specializēti viedie I/O moduļi, lai veiktu noteiktas vadības funkcijas{5}}stratēģija, kas palīdz uzlabot PLC kopējo apstrādes ātrumu un saglabāt iekšējās atmiņas ietilpību. Šādu specializētu moduļu piemēri ir PID vadības bloki, ātrgaitas skaitītāji, analogās ievades moduļi ar ātruma kompensāciju un ASCII konvertēšanas vienības.
3. Sakaru funkcijas
Vidēja{0}}līdz-liela-mēroga PLC sistēmām jāatbalsta dažādas lauka kopnes un standarta sakaru protokoli (piemēram, TCP/IP). Turklāt, ja to pieprasa lietojumprogramma, šīm sistēmām jāspēj izveidot savienojumus ar iekārtas pārvaldības tīklu (izmantojot TCP/IP). Sakaru protokoli atbilst ISO/IEEE sakaru standartiem un veido atvērtu sakaru tīklu.
Programmējamā loģiskā kontrollera (PLC) sistēmas sakaru saskarnēs jāietver seriālās un paralēlās komunikācijas saskarnes, RIO sakaru porti, kopējās DCS saskarnes un tamlīdzīgi. Vidēja-līdz-liela mēroga-PLC sistēmām sakaru kopnes (tostarp interfeisa ierīces un kabeļi) jākonfigurē ar 1:1 dublēšanu; šīm sakaru kopnēm jāatbilst starptautiskajiem standartiem, un to sakaru diapazonam jāatbilst konkrētā objekta faktiskajām prasībām.
PLC sistēmas sakaru tīklā augšējā -līmeņa tīkla sakaru ātrums nedrīkst pārsniegt 1 Mb/s, un sakaru slodze nedrīkst pārsniegt 60%. Galvenās PLC sistēmu sakaru tīklu formas ir šādas:
1) PC darbojas kā galvenā stacija, savukārt vairāki viena modeļa PLC darbojas kā pakārtotās stacijas, veidojot vienkāršu PLC tīklu;
2) viens PLC darbojas kā galvenā stacija, bet citi tā paša modeļa PLC darbojas kā pakārtotās stacijas, veidojot galveno-pakalpojumu PLC tīklu;
3) PLC tīkls savienojas ar liela mēroga DCS, izmantojot īpašu tīkla interfeisu, kas darbojas kā DCS apakštīkls;
4) Patentēts PLC tīkls (sakaru tīkls, kas raksturīgs konkrēta ražotāja PLC produktiem).
Lai atvieglotu CPU{0}}saziņas slodzi un, pamatojoties uz faktiskajām tīkla konfigurācijas- prasībām, ir jāizvēlas sakaru procesori, kas aprīkoti ar dažādām komunikācijas iespējām (piem., no punkta-līdz-punktam, lauka kopne).
4. Programmēšanas funkcijas
Bezsaistes programmēšanas režīms: šajā režīmā PLC un programmēšanas ierīce koplieto vienu centrālo procesoru. Kad programmēšanas ierīce ir "programmēšanas režīmā", centrālais procesors savus pakalpojumus velta tikai programmēšanas ierīcei un nekontrolē lauka ierīces. Kad programmēšana ir pabeigta, programmēšanas ierīce pārslēdzas uz "darba režīmu", un šajā brīdī centrālais procesors atsāk vadību pār lauka ierīcēm, un programmēšanas darbības nevar veikt. Bezsaistes programmēšanas režīms var samazināt sistēmas izmaksas, lai gan tas var būt mazāk ērts lietošanai un atkļūdošanai. Tiešsaistes programmēšanas režīms: šajā režīmā centrālajam procesoram un programmēšanas ierīcei katram ir savs CPU. Uzņēmēja CPU ir atbildīgs par lauka kontroles darbībām un apmainās ar datiem ar programmēšanas ierīci viena skenēšanas cikla laikā; programmēšanas ierīce pārsūta jaunizveidotos vai modificētos programmas datus uz resursdatora CPU, un nākamajā skenēšanas ciklā resursdatora CPU izpilda sistēmas loģiku, pamatojoties uz tikko saņemto programmu. Lai gan šis režīms rada augstākas izmaksas, tas piedāvā lielākas ērtības sistēmas atkļūdošanai un darbībai, un to bieži izmanto vidēja{6}}līdz-liela mēroga{8}}PLC sistēmās. Ir piecas standartizētas programmēšanas valodas: trīs grafiskās valodas-secīgās funkciju diagrammas (SFC), kāpņu diagrammas (LD) un funkciju bloku diagrammas (FBD)-un divas uz tekstu{12} balstītas valodas-instrukciju saraksti (IL) un strukturētais teksts (ST). Izvēlētajai programmēšanas valodai ir jāatbilst attiecīgajam standartam (IEC 61131-3); turklāt tai jāatbalsta dažādas alternatīvas programmēšanas formas, piemēram, C, Basic utt., lai atbilstu īpašajām kontroles prasībām specializētiem lietojumiem.
5. Diagnostikas funkcijas
Programmējamā loģiskā kontrollera (PLC) diagnostikas iespējas ietver gan aparatūras, gan programmatūras diagnostiku. Aparatūras diagnostika izmanto aparatūras{1}}loģiku, lai precīzi noteiktu aparatūras kļūdu atrašanās vietu, savukārt programmatūras diagnostika tiek iedalīta iekšējā un ārējā diagnostikā. Iekšējā diagnostika ietver programmatūras izmantošanu, lai novērtētu PLC iekšējo veiktspēju un funkcionalitāti; ārējā diagnostika ietver programmatūras izmantošanu, lai novērtētu datu apmaiņas iespējas starp PLC CPU un ārējiem komponentiem, piemēram, ievades/izvades (I/O) moduļiem.
PLC diagnostikas funkciju noturība tieši ietekmē ekspluatācijas un apkopes personāla tehnisko kompetenci, kā arī vidējo remonta laiku (MTTR).
6. Apstrādes ātrums
Programmējamie loģiskie kontrolleri darbojas, izmantojot skenēšanas{0}}mehānismu. No reāllaika veiktspējas-prasību viedokļa apstrādes ātrumam ir jābūt pēc iespējas ātrākam; ja ievades signāla ilgums ir īsāks par PLC skenēšanas laiku, kontrolieris var neizdoties noteikt signālu, kā rezultātā tiek zaudēti dati.
Apstrādes ātrumu ietekmē tādi faktori kā lietotāja programmas garums, CPU apstrādes jauda un programmatūras kvalitāte. PLC ir ātrs kontakta reakcijas laiks un liels darbības ātrums, katras binārās instrukcijas izpildes laikam parasti ir no 0,2 līdz 0,4 mikrosekundēm (µs); līdz ar to tie ir labi-piemēroti lietojumprogrammām, kurām nepieciešama stingra kontrole un ātras reaģēšanas iespējas. Skenēšanas ciklam (procesora skenēšanas laikam) jāatbilst šādiem kritērijiem: maza-mēroga PLC skenēšanas laikam nevajadzētu pārsniegt 0,5 ms uz 1000 instrukcijām (0,5 ms/K); vidējiem{10}}līdz-lieliem{12}}PLC skenēšanas laiks nedrīkst pārsniegt 0,2 ms uz 1000 norādījumiem (0,2 ms/K).
Kontrolieru veidi
Pamatojoties uz to fizisko struktūru, PLC plaši iedala divās kategorijās: integrālie (monobloku) veidi un moduļu veidi. Pamatojoties uz to darbības vidi, tie ir iedalīti divās kategorijās: uz lauka-uzmontētas vienības un vadības-telpā-montētas vienības. Turklāt, pamatojoties uz CPU vārda garumu, tie tiek iedalīti 1-bitu, 4-bitu, 8-bitu, 16-bitu, 32-bitu un 64{20}}bitu sistēmās. No lietojumprogrammas -perspektīvas PLC parasti tiek atlasīti, pamatojoties uz to īpašajām vadības funkcijām vai nepieciešamo ievades/izvades punktu skaitu. Integrētajiem -tipa programmējamiem loģiskiem kontrolieriem (PLC) ir noteikts I/O punktu skaits; līdz ar to lietotājiem ir ierobežota izvēles elastība, padarot tos piemērotus maza mēroga vadības sistēmām. Savukārt moduļu tipa PLC piedāvā plašu I/O karšu vai spraudņu moduļu klāstu, ļaujot lietotājiem racionāli izvēlēties un konfigurēt viņu vadības sistēmām nepieciešamo I/O punktu skaitu. Šī modularitāte atvieglo ērtu un elastīgu funkcionālo paplašināšanos, padarot tās parasti piemērotas vidēja līdz liela mēroga vadības sistēmām.
Ievades/izvades veidi
Diskrētie signāli (pārslēgšanas daudzumi): tie galvenokārt attiecas uz diskrētām ieejām un diskrētajām izejām,{0}}konkrēti, palīgkontaktiem, kas saistīti ar dažādām ierīcēm. Piemēri ietver releja palīgkontaktus transformatora temperatūras regulatorā (kas maina stāvokli, kad transformators pārkarst), vārsta izciļņa slēdža palīgkontaktus (kas maina stāvokli, kad vārsts atveras vai aizveras), kontaktora palīgkontakti (kas maina stāvokli, kad kontaktors iedarbojas) un releja pārslodzes stāvokļa maiņas palīgkontakti. Šie signāli parasti tiek pārraidīti uz PLC vai visaptverošu aizsardzības ierīci. Strāvas padevi šiem kontaktiem parasti nodrošina pati PLC vai aizsardzības ierīce; tā kā kontaktiem nav sava iekšējā strāvas avota, tie tiek saukti par "pasīviem kontaktiem" (vai "sausajiem kontaktiem") un tiek klasificēti kā diskrēti ievadi PLC vai aizsardzības ierīces kontekstā.
1. Digitālie daudzumi
Fizikālie lielumi, kas ir diskrēti-gan laika, gan lieluma ziņā-, tiek saukti par digitālajiem daudzumiem. Signālus, kas attēlo šos digitālos lielumus, sauc par digitālajiem signāliem. Elektroniskās shēmas, kas paredzētas darbam, izmantojot ciparu signālus, ir pazīstamas kā digitālās shēmas.
Piemēram: ja tiek izmantota elektroniskā shēma, lai saskaitītu automatizētās ražošanas līnijas izvadīto detaļu skaitu, ķēdei tiek nosūtīts signāls par katru piegādāto daļu, liekot tai reģistrēt skaitli "1". Un otrādi, ja netiek piegādātas nekādas daļas, ķēdei ievadītais signāls ir "0". Tādējādi signāls, kas atspoguļo daļu skaitu, ir pārtraukts-gan laika, gan kvantitatīvi-, padarot to par digitālu signālu. Mazākā daudzuma vienība šajā kontekstā ir viena vienība (1).
2. Analogie daudzumi
Fizikālie lielumi, kas ir nepārtraukti -laika vai lieluma ziņā-, tiek saukti par analogajiem daudzumiem. Signālus, kas attēlo šos analogos lielumus, sauc par analogajiem signāliem. Elektroniskās shēmas, kas paredzētas darbam, izmantojot analogos signālus, ir pazīstamas kā analogās shēmas.
Piemēram: sprieguma signāls, ko darbības laikā izvada termopāris, ir analogs signāls. Tā kā mērāmā temperatūra nekādos apstākļos nevar piedzīvot momentānu, pēkšņu lēcienu, iegūtais sprieguma signāls ir nepārtraukts{1}}gan laika, gan kvantitatīvi. Turklāt katrai konkrētajai vērtībai, ko ņem šis sprieguma signāls tā nepārtrauktas izmaiņas procesā, ir konkrēta fiziska nozīme,{3}}proti, tā atbilst noteiktam temperatūras rādījumam. Konversijas principi
1. Ciparu-uz-analogais pārveidotājs (DAC) ir sistēma, kas pārvērš ciparu signālus analogos signālos; to parasti panāk, izmantojot zemas caurlaides-filtrēšanu. Digitālais signāls vispirms tiek dekodēts,{5}}tas ir, digitālie kodi tiek pārveidoti atbilstošos sprieguma līmeņos, veidojot kāpnēm{6}}līdzīgu signālu-, pēc tam tas tiek pakļauts zemfrekvences filtrēšanai.
Saskaņā ar signālu un sistēmas teoriju digitālo kāpņu{0}}līdzīgo signālu var uzskatīt par ideāla impulsa{1}}iztverta signāla un taisnstūra impulsa signāla konvolūciju. Līdz ar to saskaņā ar konvolūcijas teorēmu digitālā signāla spektrs ir impulsa -iztvertā signāla spektra un taisnstūra impulsa spektra produkts (pazīstams kā Sa funkcija). Tādējādi, izmantojot Sa funkcijas apgriezto vērtību spektrālajai kompensācijai, sākotnējo parauga signālu var atgūt no digitālā signāla. Turklāt saskaņā ar paraugu ņemšanas teorēmu, izmantojot ideālu zemo frekvenču filtrēšanu izlases signāla spektram, tiek iegūts sākotnējā analogā signāla spektrs.
Praktiskajās realizācijās šie teorētiskie principi netiek tieši piemēroti, jo asu, ideālu paraugu signālu ģenerēšana ir tehniski sarežģīta. Tāpēc šie divi filtrēšanas posmi (Sa-funkcijas kompensācija un ideālā zemfrekvences{2}}filtrēšana) parasti tiek apvienoti (kaskādes). Turklāt, tā kā šai sistēmai nepieciešamie ideālie filtrēšanas raksturlielumi ir fiziski nerealizējami, faktiskās sistēmas var nodrošināt tikai šī procesa tuvinājumu.
2. Analogais-uz-digitālais pārveidotājs (ADC) ir sistēma, kas pārvērš analogos signālus ciparu signālos; šis process ietver filtrēšanu, paraugu ņemšanu un aizturēšanu, kā arī kodēšanu.
Analogajam signālam vispirms tiek veikta joslas-ierobežojoša filtrēšana, un tas iziet caur parauga-un-noturēšanas ķēdi, tādējādi pārveidojot par kāpnēm līdzīgu signālu. Pēc tam šis signāls iet caur kodētāju, kas katru atšķirīgo sprieguma līmeni kāpņu telpas signālā pārvērš atbilstošā binārajā kodā.