2. Характеристики плк
В первом приближении в качестве характеристик контроллеров можно выделить пять обобщенных показателей:
характеристика процессора;
характеристика каналов ввода/вывода, поддерживаемых
контроллерами;
коммуникационные возможности;
эксплуатационные характеристики;
программное обеспечение.
Рассмотрим эти показатели.
Характеристика процессора.
наличие и объем различных видов памяти: ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, EPROM, EEPROM, Flash;
тип и разрядность основной процессорной платы;
рабочая частота;
поддержка математики с плавающей запятой, позволяющая выполнять
эффективную обработку данных;
наличие функции ПИД-регулирования.
Производительность ПЛК оценивается по следующим параметрам:
длительность контроллерного цикла (период считывания значений из каналов ввода, обработки в процессоре и записи в каналы вывода);
время выполнения команд (отдельно логических, с фиксированной и с плавающей точкой);
пропускная способность шины между контроллером и модулями ввода-вывода;
пропускная способность промышленной сети;
время цикла опроса всех контроллеров в одномастерной сети или цикл обращения маркера для многомастерных сетей с маркером;
время реакции.
Контроллер в системах автоматизации выполняет циклический алгоритм, включающий ввод данных и размещение их в ОЗУ, обработку данных и вывод. Длительность контроллерного цикла (его еще называют рабочим циклом) зависит от количества модулей ввода-вывода и наличия в них замаскированных (исключенных из процедуры обмена) входов-выходов, поэтому рассчитывается для каждой конфигурации автоматизированной системы отдельно. При интенсивной математической обработке данных (например, при цифровой фильтрации, интерполяции или идентификации объекта управления в режиме нормального функционирования системы) длительность контроллерного цикла существенно зависит от быстродействия процессорного модуля. В контроллерный цикл входит также обслуживание аппаратных ресурсов ПЛК (обеспечение работы системных таймеров, оперативное самотестирование, индикация состояния), контроль времени цикла, сетевой обмен, управление многозадачностью, отображение процесса выполнения программы на дисплее и т. п.
Перед началом работы ПЛК выполняет загрузку операционной системы и программы пользователя в ОЗУ и ПЗУ, начальное тестирование аппаратуры. ПЛК обычно может работать в режиме отладки, пошагового выполнения программы, просмотра и редактирования значений переменных и т. п.
В процессе функционирования ПЛК данные, введенные из устройств ввода, располагаются в ОЗУ и в течение рабочего цикла контроллера не изменяются. Прямое чтение входа во время выполнения одного цикла не выполняется. Это ускоряет процесс обработки данных и исключает непредвиденные ситуации.
В системах с распределенными по объекту модулями ввода-вывода длительность контроллерного цикла может определяться пропускной способностью промышленной сети, что в ряде случаев является ограничением на предельное количество модулей ввода-вывода.
Требования к длительности контроллерного цикла существенно зависят от области применения ПЛК. При управлении тепловыми процессами длительность цикла может составлять единицы и десятки секунд, в задачах для управления станками она измеряется миллисекундами, при опросе датчиков температуры на элеваторе контроллерный цикл измеряется сутками.
Время реакции контроллера - это интервал времени от момента появления воздействия на систему (со стороны модулей ввода или оператора) до момента выработки соответствующей реакции. Время реакции зависит от длительности рабочего цикла контроллера, которое определяется быстродействием модулей ввода-вывода и производительностью процессора.
Характеристика каналов ввода/вывода
Параметры контроллера с точки зрения поддерживаемых им каналов ввода/вывода часто могут быть определяющими при выборе. Важно не только количество каналов ввода/вывода, поддерживаемое контроллером, но и разнообразие модулей ввода/вывода по количеству и уровням коммутируемых сигналов (ток/напряжение), способы подключения внешних цепей к модулям ввода/вывода, количество каналов локального, удаленного и распределенного ввода/вывода.
Дискретные сигналы ввода/вывода могут иметь различный уровень напряжения переменного и постоянного тока. Это и 12, 24, 48 В постоянного тока, 120 и 240 В переменного тока с различными нагрузками по току.
Уровни коммутируемых сигналов модулями аналогового ввода/вывода могут быть самыми разнообразными. Это 0-5В, 0-10В, 5В, 10В по напряжению и 0-20мА, 4-20мА по току. Есть и специальные модули для ввода в контроллеры сигналов от термопар и термометров сопротивления различных градуировок.
Различаются модули ввода/вывода и по способу подключения внешних цепей. К одним модулям внешние цепи подключаются с помощью клемм с винтовыми зажимами. Возможно также подключение внешних цепей через съемные терминальные блоки или фронтальные соединители, что позволяет производить замену модулей без демонтажа внешних цепей. Некоторые производители ПТК предлагают системы ввода/вывода, в которых внешние низковольтные цепи подключаются посредством пружинных зажимов.
Коммуникационные возможности контроллеров
К параметрам контроллеров, характеризующим их способность взаимодействовать с другими устройствами системы управления, относятся:
количество и разнообразие портов в процессорных модулях;
широта набора интерфейсных модулей и интерфейсных процессоров;
поддерживаемые протоколы;
скорость обмена данными и протяженность каналов связи.
Эксплуатационные характеристики
Надежность контроллеров характеризуется наработкой на отказ, которая определяется как отношение суммарного времени работоспособного состояния контроллера к математическому ожиданию числа его отказов в течение этого времени или наработкой до отказа - временем от начала эксплуатации до первого отказа. Надежность связана с допустимыми механическими перегрузками - амплитудой вибрации в требуемом диапазоне частот, допустимым ускорением при ударе.
Для повышения безопасности систем автоматизации в контроллерах используются команды для установки начального состояния выходов сразу после подачи питания или в аварийном режиме. Эти состояния выбираются таким образом, чтобы после восстановления напряжения питания при случайном его прерывании или в аварийном режиме системы исполнительные устройства находились в безопасном для персонала или системы состоянии. Например, в системах с нагревом безопасным будет состояние отключенного нагревателя, в подъемных механизмах - состояние торможения. Наличие команд управление безопасными состояниями позволяет реализовать операцию автоматического рестарта автоматизированной системы после прерывания питания или после восстановления работоспособного состояния. Способность контроллера переводить свои выходы в заранее определенное состояние сразу после обнаружения снижения напряжения питания или после внутреннего отказа называется отказоустойчивым отключением.
Если повторный запуск ПЛК выполняется после того, как все динамические данные (переменные входов-выходов, состояние внутренних регистров, таймеров, счетчиков, программные контексты) были возвращены в заранее определенное состояние, то такой запуск называется холодным рестартом. Холодный рестарт может быть как ручным, так и автоматическим.
Горячим рестартом называют повторный запуск ПЛК, который выполняется настолько быстро после пропадания питания, что все динамические переменные не успевают измениться и поэтому работоспособность восстанавливается таким образом, будто питания не пропадало.
Теплым рестартом называют повторный запуск после обнаружения неисправности питания с заранее определенным и программируемым пользователем множеством динамических данных и системным контекстом прикладной программы. Теплый рестарт характеризуется сигнализацией состояния или эквивалентными средствами, позволяющими убедиться в том, что прикладная программа зарегистрировала прекращение неисправности питания, обнаруженное конфигурацией ПЛК в режиме пуска.
Глубина самодиагностики
В контроллерах для ответственных применений могут быть предусмотрены следующие функции самодиагностики:
обнаружение ошибок центрального процессора;
сигнализация о срабатывании сторожевого таймера;
обнаружение отказа батареи или источника питания;
обнаружение сбоя памяти;
проверка программы пользователя;
обнаружение выхода из строя предохранителя;
обнаружение обрыва или к. з. в цепи датчика и нагрузки.
В контроллерах для систем противоаварийной защиты (ПАЗ) и сигнализации, а также для опасных промышленных объектов может быть предусмотрена возможность резервирования отдельных частей системы: промышленной сети, процессорного модуля или контроллера, источника питания, сетевого сервера, замкнутых контуров автоматического регулирования, модулей ввода-вывода.
Возможность горячей замены элементов системы (т.е. без отключения питания) достигается одновременно аппаратными и программными средствами. Аппаратно предусматривается независимость начального состояния устройства от очередности подачи сигналов на его клеммы в процессе замены; программно обеспечивается возможность временного отсутствия компонента системы без ее зависания или перехода в аварийные режимы.
Условия эксплуатации:
диапазоны температур и влажности окружающей среды;
наибольшие вибрации и ударные нагрузки;
допускаемые электрические и магнитные помехи и т. п.
Помехоустойчивость контроллера обычно оценивается по его соответствию комплексу стандартов по электромагнитной совместимости.
Степень защиты от воздействия окружающей среды, обеспечиваемая корпусом контроллера, классифицируется ГОСТ 14254-96. Для обозначения степени защиты используются две буквы "IP", за которыми следуют две цифры. Первая цифра обозначает степень защиты изделия от попадания внутрь твердых посторонних тел, вторая цифра обозначает степень защиты изделия от попадания воды.
Таблица 2.1 - Значения цифр в обозначении IP степени защиты |
|
Первая цифра |
Степень защиты. Краткое описание |
0 |
Защита отсутствует |
1 |
Защита от твердых тел размером более 50 мм |
2 |
Защита от твердых тел размером более 12 мм |
3 |
Защита от твердых тел размером более 2,5 мм |
4 |
Защита от твердых тел размером более 1 мм |
5 |
Защита от пыли. Проникновение пыли исключено не полностью, однако пыль не должна проникать в количестве, достаточном для нарушения нормальной работы оборудования или снижения его безопасности |
6 |
Пыленепроницаемость. Пыль не проникает в оболочку |
Вторая цифра |
|
0 |
Защита отсутствует |
1 |
Защита от капель воды |
2 |
Защита от капель воды при наклоне до 15º |
3 |
Защита от дождя |
4 |
Защита от брызг |
5 |
Защита от водяных струй |
6 |
Защита от волн воды |
7 |
Защита при погружении в воду |
8 |
Защита при длительном погружении в воду |
При выборе контроллера желательно оценивать степень его соответствия идеологии "открытых систем" чтобы не попасть в зависимость от одного поставщика и иметь возможность модифицировать систему по мере необходимости.