XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение:

Программируемый логический контроллер

Программируемый контроллер — специальная разновидность электронной вычислительной машины. Чаще всего ПЛК используют для автоматизации технологических процессов. В качестве основного режима работы ПЛК выступает его длительное автономное использование, зачастую в неблагоприятных условиях окружающей среды, без серьёзного обслуживания и практически без вмешательства человека.[1]

Иногда на ПЛК строятся системы числового программного управления станков.

ПЛК — устройства, предназначенные для работы в системах реального времени.

ПЛК имеют ряд особенностей, отличающих их от прочих электронных приборов, применяемых в промышленности:

в отличие от микроконтроллера (однокристального компьютера) — микросхемы, предназначенной для управления электронными устройствами — ПЛК являются самостоятельным устройством, а не отдельной микросхемой.

в отличие от компьютеров, ориентированных на принятие решений и управление оператором, ПЛК ориентированы на работу с машинами через развитый ввод сигналов датчиков и вывод сигналов на исполнительные механизмы;

в отличие от встраиваемых систем ПЛК изготавливаются как самостоятельные изделия, отдельные от управляемого при его помощи оборудования.

В системах управления технологическими объектами логические команды, как правило, преобладают над арифметическими операциями над числами с плавающей точкой, что позволяет при сравнительной простоте микроконтроллера (шины шириной 8 или 16 разрядов), получить мощные системы, действующие в режиме реального времени. В современных ПЛК числовые операции в языках их программирования реализуются наравне с логическими. Все языки программирования ПЛК имеют лёгкий доступ к манипулированию битами в машинных словах, в отличие от большинства высокоуровневых языков программирования современных компьютеров.[1]

Виды ПЛК

Основные ПЛК,

Программируемое (интеллектуальные) реле,

Программные ПЛК на базе IBM PC-совместимых компьютеров

ПЛК на базе простейших микропроцессоров

Контроллер ЭСУД (Электронная система управления двигателем).[1]

Контроллер на базе персонального компьютера

Именно это направление существенно развивается в последнее время, и это обусловлено определенными причинами. Таковыми причинами являются:

Повышение надежности ПК.

Наличие разных модификаций ПК в обычном и промышленном исполнении.

Использование открытой архитектуры.

Возможность подключения любых модулей УСО, которые выпускаются другими компаниями.

Возможность использования широкой номенклатуры наработанного программного обеспечения.

Эти контроллеры используются для управления небольшими замкнутыми объектами в промышленности, в специализированных системах автоматизации в медицине и др. направлениях. Контроллер выполняет функции, которые предусматривают сложную обработку измерительной информации с расчетом нескольких управляющих воздействий, при этом общее число входов/выходов не превышает нескольких десятков. Основными достоинствами этих контроллеров является большой объем вычислений за достаточно малый отрезок времени. Схожесть с условиями работы офисных ПК, возможность программирования на языке высокого уровня. Аппаратная поддержка обеспечивается обычными контроллерами, обладающего функциями глубокой диагностикой и устранением неисправностей без остановки работы контроллера

Локальный программируемый контроллер

ЛПК подлежит следующей классификации:

Встраиваемый в оборудование и являющийся его неотъемлемой частью

Автономный, реализующий функции контроля и управления

Эти контроллеры имеют среднюю вычислительную способность, т. е. мощность. Она представляет собой комплексную характеристику, зависит от частоты и разрядности компьютера и объема оперативной памяти. Для реализации передачи информации с другими системами автоматизации локальные контроллеры имеют несколько физических портов. В этих контроллерах реализуются типовые функции обработки измерительной информации, блокировок, регулирования и программно-логического управления. В системах противоаварийной защиты используется специальный тип локальных контроллеров, так как они отличаются высокой надежностью, живучестью и быстродействием. Они также предусматривают полную диагностику неисправностей с локализацией их и резервирования компонентов и устройства в целом.

Устройство ПЛК

Часто ПЛК состоит из следующих частей:

центральная микросхема (микроконтроллер, или микросхема FPGA), с необходимой обвязкой;

подсистема часов реального времени;

энергонезависимая память;

интерфейсы последовательного ввода-вывода (RS-485, RS-232, Ethernet)

схемы защиты и преобразования напряжений на входах и выходах ПЛК.

Обычно вход или выход ПЛК нельзя сразу же подключить к соответствующему выходу центральной микросхемы. Эти выходы характеризуются низкими уровнями напряжений, обычно от 3,3 до 5 вольт. Входы и выходы ПЛК обычно должны работать с напряжениями 24 В постоянного либо 220 В переменного тока. Поэтому между выходом ПЛК и выходом микросхемы необходимо предусматривать усилительные и защитные элементы.[1]

Структуры систем управления

Прямоуголный разъём DeviceNet на интерфейсном модуле SST 5136-DNS-200, осуществляющем функцию шлюза для SIEMENS SIMATIC S7 (ET 200S).

Централизованная: в корзину ПЛК, зачастую в объединительную панель, устанавливаются модули процессора(ов), ввода-вывода и связи. В случае необходимости расширения системы сверх ограничения существующей корзины, в неё ставят модули расширения, добавляющие возможность масштабирования в пределах одного шкафа. Датчики и исполнительные устройства подключаются отдельными проводами непосредственно к модулям ввода-вывода, при помощи модулей согласования к входам/выходам сигнальных модулей либо (в случае организации в устройстве интерфейса с шиной) через модуль связи (мост); в случае использования полевой шины типа AS-i возможно питание исполнительного механизма по шине с одновременной передачей сигналов управления.

Распределенная: удалённые от шкафа с ПЛК датчики и исполнительные устройства связаны с ПЛК посредством каналов связи (через модули или процессоры связи) и, возможно, корзин-расширителей с использованием связей типа «ведущий-ведомый» (англ. Master-Slave).[1]

Simatic S7-200 — программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности.[2] Основные особенности контроллера:

простота монтажа, программирования и обслуживания.

решение как простых, так и комплексных задач автоматизации.

возможность применения в виде автономных систем или в качестве интеллектуальных ведомых устройств систем распределённого ввода-вывода.

возможность использования в сферах, где применение контроллеров раньше считалось экономически нецелесообразным.

работа в реальном масштабе времени и мощные коммуникационные возможности (PPI, MPI (англ. Multi Point Interface), Industrial Ethernet, PROFIBUS-DP, AS интерфейс, модемнаясвязь).

компактные размеры, возможность установки в ограниченных объёмах.

Область применения

Микроконтроллеры Simatic S7-200 предназначены для решения задач управления и регулирования в небольших системах автоматизации. При этом, Simatic S7-200 позволяют создавать как автономные системы управления, так и системы управления, работающие в общей информационной сети. Область применения контроллеров Simatic S7-200 простирается от простейших задач автоматизации, для решения которых в прошлом использовались простые реле и контакторы, до задач комплексной автоматизации. Simatic S7-200 также используется при создании таких систем управления, для которых в прошлом из соображений экономии необходимо было разрабатывать специальные электронные модули.[2]

Примеры областей применения:

Управление пакетировочными прессами;

Системы очистки;

Управление деревообрабатывающими станками;

Управление автоматическими воротами;

Управление лифтами и подъёмниками;

Управление конвейерными линиями;

Пищевая промышленность;

Системы удаленного контроля.

Различные системы дозирования

Программируемый контроллер SIEMENS SIMATIC S7-1200 способен решать логические задачи, задачи автоматического регулирования и управления перемещением, выполнять математическую обработку информации. Он обладает широкими функциональными возможностями, отличается относительно невысокой стоимостью и может использоваться во всех секторах промышленного производства, а также в системах автоматизации зданий.[3]

Компактное модульное исполнение в сочетании с высокой вычислительной мощностью позволяют использовать S7-1200 для решения широкого круга задач автоматизации. Этот спектр задач простирается от замены простейших релейно-контактных схем до построения комплексных распределенных структур автоматизации, использующих интенсивный сетевой обмен данными.

S7-1200 может использоваться в областях, где применение контроллеров ранее считалось экономически не выгодным и для решения задач автоматизации использовались специализированные электронные устройства.

Контроллеры серии S7-1200 пришли на замена популярной недорогой линейке ПЛК S7-200 снятой с прозводства в 2015 году.[3]

Контроллер ориентирован на построение систем автоматизации:

Складского хозяйства.

Конвейерных систем.

Элеваторов и эскалаторов.

Систем транспортировки материалов.

Металлообрабатывающих машин.

Упаковочных машин.

Печатающих машин.

Текстильных машин.

Смешивающих установок.

Опреснительных установок.

Установок по очистке сточных вод.

Внешних дисплеев.

Станций распределения электроэнергии.

Регулирования температуры в помещениях.

Нагревательных/ охладительных установок.

Противопожарных систем.

Установок кондиционирования воздуха.

Осветительных установок.

Насосных станций.

Установок обеспечения безопасности/ защиты доступа и
т.д.

ОВЕН ПЛК150 – моноблочный программируемый логический контроллер с дискретными и аналоговыми входами/выходами. Осуществляет измерения входных аналоговых и дискретных сигналов, формирует аналоговые и цифровые управляющие сигналы. Предназначен для построения систем управления малыми и средними объектами автоматизации, а также создания систем диспетчеризации.[4]

Напряжение питания:

220 В переменного тока

24 В постоянного тока;

Тип встроенных аналоговых выходных элементов:

И – цифроаналоговый преобразователь "параметр – ток 4...20 мА"

У– цифроаналоговый преобразователь "параметр – напряжение 0..10 В"

А– цифроаналоговый преобразователь "параметр – ток 4...20 мА или напряжение 0...10 В"

Размер лицензионного ограничения на область ввода-вывода:

L – ограничение в 360 байт

M – без ограничения

Примеры условного обозначения контроллера при заказе:

ПЛК150-24.И-L – контроллер с номинальным напряжением питания 24 В постоянного тока, оснащенный встроенными цифроаналоговыми преобразователями "параметр – ток 4...20 мА" и имеющий лицензионное ограничение на размер области ввода-вывода в 360 байт.

ПЛК150-220.А-М – контроллер с номинальным напряжением питания 220 В переменного тока, оснащенный встроенными цифроаналоговыми преобразователями "параметр – ток 4...20 мА или напряжение 0...10 В" и не имеющий лицензионного ограничения на размер области ввода-вывода.

Особенности контроллера ПЛК150

Компактный пластиковый корпус с креплением для монтажа на DIN-рейку.

Наличие дискретных входов/выходов.

Наличие аналоговых входов/выходов.

Последовательные порты обмена данными RS-485 и RS-232.

Наличие порта Ethernet.

Увеличение количества дискретных и аналоговых входов и выходов осуществляется посредством подключения внешних модулей ввода/вывода через любой из интегрированных интерфейсов.[4]

Конкурентные преимущества ОВЕН ПЛК150

Отсутствие операционной системы, повышающее надёжность работы контроллера.

Скорость срабатывания дискретных входов достигает 10 кГц (при использовании подмодулей счётчика).

Поддерживается работа с широким спектром аналоговых датчиков, включая термопары.

Независимые друг от друга интерфейсы на борту: Ethernet, последовательные порты, USB Device (для программирования устройства).

Расширенный рабочий диапазон температур окружающей среды: от –20 до +70 ⁰С.[4]

Встроенная аккумуляторная батарея, обеспечивающая резервное питание для корректного сохранения данных при внезапном пропадании напряжения питания. При работе от батареи запускается алгоритм, переводящий выходные элементы в «безопасное состояние».

Встроенные часы реального времени, работающие от батареи.

Возможна работа с нестандартными протоколами обмена данными по любому из портов, что даёт возможность подключать к контроллеру счётчики электричества, воды и газа, считыватели штрих-кодов и т.п.

Дополнительное оборудование В корпусе контроллера расположен маломощный звуковой излучатель, управляемый из пользовательской программы как дополнительный дискретный выход. Звуковой излучатель может быть использован для функций аварийной или иной сигнализации или при отладке программы. Частота звукового сигнала излучателя фиксированная и не подлежит изменению. Контроллер ПЛК150 оснащен встроенными часами реального времени, имеющими собственный аккумуляторный источник питания. Энергии полностью заряженного аккумулятора хватает на непрерывную работу часов реального времени в течение 6 месяцев (при температуре +15 … +35 °С).

В случае износа аккумулятора, не полной его зарядки, а также при работе при более низких или более высоких температурах время работы часов реального времени может сократиться.[4]

Маркировка

При изготовлении на прибор наносятся:

– наименование прибора;

– степень защиты корпуса по ГОСТ 14254;

– напряжение и частота питания;

– потребляемая мощность;

– класс защиты от поражения электрическим током по ГОСТ 12.2.007.0;

– знак утверждения типа средств измерений;

– единый знак обращения продукции на рынке государств-членов Таможенного союза (ЕАС);

– страна-изготовитель;

– заводской номер прибора и год выпуска.

На потребительскую тару наносятся:

− наименование прибора;

− единый знак обращения продукции на рынке государств-членов Таможенного союза (ЕАС);

− страна-изготовитель;

− заводской номер прибора и год выпуска.

CoDeSys - это современный инструмент для программирования контроллеров (CoDeSys образуется от слов Controllers Development System).[5]

CoDeSys предоставляет программисту удобную среду для программирования контроллеров на языках стандарта МЭК 61131-3. Используемые редакторы и отладочные средства базируются на широко известных и хорошо себя зарекомендовавших принципах, знакомых по другим популярным средам профессионального программирования (такие, как Visual C++)[5]

Проект включает следующие объекты: POU, типы данных, визуализации, ресурсы, библиотеки. Каждый проект сохраняется в отдельном файле.

К программным компонентам (POU) относятся функциональные блоки, функции и программы. Отдельные POU могут включать действия (подпрограммы).[5]

Каждый программный компонент состоит из раздела объявлений и кода. Для написания всего кода POU используется только один из МЭК языков программирования (IL, ST, FBD, SFC, LD или CFC).

CoDeSys поддерживает все описанные стандартом МЭК компоненты. Для их использования достаточно включить в свой проект библиотеку standard.lib.

POU могут вызывать другие POU, но рекурсии недопустимы. Функция

Функция – это POU, который возвращает только единственное значение (которое может состоять из нескольких элементов, если это битовое поле или структура). В текстовых языках функция вызывается как оператор и может входить в выражения.

При объявлении функции необходимо указать тип возвращаемого значения. Для этого после имени функции нужно написать двоеточие и тип.

Правильно объявленная функция выглядит следующим образом:

FUNCTION Fct: INT;

Имя функции используется как выходная переменная, которой присваивается результат вычислений.

Объявление функции должно начинаться с ключевого слова FUNCTION и заканчиваться ключевым словом END_FUNCTION. Вот пример функции, написанной на IL, которая использует три входных переменных и возвращает результат деления произведения первых двух на третью.

Функциональный блок

Функциональный блок - это POU, который принимает и возвращает произвольное число значений. В отличие от функции функциональный блок не формирует возвращаемое значение. Объявление функционального блока начинается с ключевого слова FUNCTION_BLOCK и заканчивается ключевым словом END_FUNCTION_BLOCK.

Определение функционального блока подобно определению типа данных. Для работы с функциональным блоком необходимо объявить (создать) его экземпляр. Один функциональный блок может иметь произвольное число экземпляров, каждый из которых имеет собственные независимые данные (память).

Каждый экземпляр функционального блока получает свой собственный идентификатор (имя экземпляра) и свои данные, содержащие входные, выходные и внутренние переменные. Экземпляры функционального блока объявляются глобально или локально как переменные, имеющие тип соответствующего функционального блока.[5]

Пример объявления экземпляра с идентификатором INSTANCE функционального блока FUB:

INSTANCE: FUB;

Вызов экземпляра функциональный блока происходит с помощью его имени. Входные и выходные переменные доступны вне функционального блока, а внутренние переменные доступны только в самом блоке.

Вызов функционального блока

Для обращения к входным и выходным переменным функционального блока извне необходимо указать имя экземпляра функционального блока, следующей за ней точкой и именем переменной: .

<Имя экземпляра>.<Имя переменной>

Присваивание параметров при вызове:

В текстовых языках (IL, ST) задать актуальные параметры и считать значения выходов можно непосредственно при вызове экземпляра функционального блока. Для входных переменных применяется присваивание ":=", выходы считываются при помощи "=>". Этот процесс упрощается, если использовать ассистент ввода () с включенной опцией вставки с аргументами (With arguments).[5]

Пример:

Допустим, FBINST - это локальная переменная типа функциональный блок, имеющий входную переменную xx и выходную переменную yy. При вставке FBINST в ST с помощью ассистента ввода получается следующая заготовка:

FBINST1(xx:= , yy=> );

Программа

Программа – это POU, способный формировать произвольное значение во время вычислений. Значения всех переменных программы сохраняются между вызовами. В отличие от функционального блока экземпляров программы не существует. Программа является глобальной во всем проекте.

PLC_PRG Программа PLC_PRG – это специальный POU, который должен быть в каждом проекте. Эта программа вызывается один раз за цикл управления. При создании нового проекта автоматически открывается диалог "Project" "Object Add", предлагающий создать новый POU - программу с именем PLC_PRG.

Не следует менять предложенные установки.

Если определить последовательность выполнения задач в Task Configuration, то проект может не содержать PLC_PRG.

Действие

Программы или функциональные блоки могут быть дополнены действиями. Фактически действия - это дополнительный набор встроенных в POU подпрограмм. Действия могут описываться на языке, отличном от того, на котором выполняется соответствующий функциональный блок или программа.

Действие оперирует с теми же данными, что и функциональный блок или программа, к которой оно принадлежит.

Ресурсы

Ресурсы отвечают за конфигурацию проекта, включая:

- Глобальные переменные, используемые во всем проекте;

- Менеджер библиотек (Library manager) для подключения необходимых библиотек к проекту;

- Журнал записи действий во время исполнения;

- Конфигуратор тревог (Alarm Configuration) для конфигурирования обработки тревог в проекте;

- Конфигуратор ПЛК (PLC Configuration) для конфигурирования аппаратуры контроллера;

- Конфигуратор задач (Task Configuration) для управления задачами;

- Менеджер рецептов (Watch and Receipt Manager) для просмотра и заказа наборов значений переменных;

- Опции целевой системы (Target Settings).

- Рабочая область для отображения опций проекта;

Библиотеки

Проект может использовать несколько библиотек, в которые входят POU, необходимые им типы данных и глобальные переменные. Библиотечные POU можно использовать точно так же, как и определенные пользователем.

Библиотеки "standard.lib" и "util.lib" обязательно входят в стандартный комплект поставки.[5]

Типы данных

Кроме стандартных типов данных, вы можете использовать определяемые пользователем типы данных.

Ими могут быть структуры, перечисления и ссылки.

Визуализация

С помощью визуализации пользователь может создать графическое представление проекта. Форма и цвет графических элементов будут изменяться при работе программы в зависимости от значений переменных. Визуализация может исполнятся в системе программирования, в отдельном приложении CoDeSys HMI или как Web или целевая (в ПЛК) визуализация.[5]

Список литературы

Программируемый логический контроллер (ПЛК). (URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Программируемый_логический_контроллер) (Дата обращения: 17.11.2022)

Simatic S7-200 (URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Simatic_S7-200) (Дата обращения: 17.11.2022)

Simatic S7-1200 (URL: https://www.compel.ru/lib/95591) (Дата обращения: 17.11.2022)

ОВЕН ПЛК 150 (URL: http://tdla.ssau.ru/uop/aseu/lectures4.pdf) (Дата обращения: 17.11.2022)

CoDeSys (URL: https://owen-prom.ru/files/re_plk150_2982.pdf) (Дата обращения: 17.11.2022)

Код для цитирования: Скопировать