Программируемые логические контроллеры
Первые ПЛК появились в 1967 г. и были предназначены для локальной автоматизации наиболее часто встречающихся в промышленности технологических задач, которые описывались преимущественно логическими уравнениями. ПЛК с успехом заменили блоки релейной автоматики и устройства жесткой логики на интегральных микросхемах малой и средней степени интеграции. Отсюда и название программируемый логический контроллер – ПЛК.
Структура ПЛК, подключенного к объекту управления, представлена на рис. 7.4. Центральный процессор (CPU) включает собственно микропроцессор, память программ и память данных, формирователи магистрали сопряжения с локальными модулями ввода-вывода (локальными модулями УСО называют модули, конструктивно расположенные в одном крейте с платами CPU и памяти ПЛК), адаптеры связи с удаленными модулями УСО, адаптеры связи с сервисным периферийным оборудованием (пульт оператора, дисплей, печатающее устройство).
Архитектура CPU ПЛК имеет следующие особенности:
память программ и память данных ПЛК разделены не только логически, но и физически. Специализация центральной памяти ПЛК является их особенностью. Причем область памяти выходных переменных обязательно выполнена энергонезависимой с целью поддержания рабочего состояния объекта при отключении питания;
CPU ПЛК имеет устройства контроля адресного пространства; при построении CPU используются методы структурного резервирования составных элементов. Например, CPU может включать два обрабатывающих блока, которые объединены блоками принятия решений. Сигналы выходных воздействий формируются только в том случае, если они одинаковы для обоих блоков. Отказавшая структура выявляется с помощью встроенных тестов;
CPU ПЛК имеют в своем составе несколько сторожевых таймеров, которые контролируют строго определенное время выполнения одного цикла управляющей программы и отдельных ее частей.
CPU средних и мощных ПЛК часто выполнены многопроцессорными. Интерфейс между датчиками, исполнительными устройствами и CPU ПЛК обеспечивается специальными электронными модулями ввода-вывода, в ПЛК их часто называют адаптерами ввода-вывода. Кроме собственно приема информации адаптеры дискретных входов производят предварительную обработку сигнала, выделение полезного сигнала из зашумленного, реализуют развязку сигналов с различными уровнями мощности. Уровни постоянного и переменного напряжения входного дискретного сигнала стандартизированы: постоянное напряжение 24 В, переменное 130 В и 240 В.
Адаптеры дискретных выходов должны кроме гальванической развязки обеспечивать определенную мощность сигнала, необходимую для управления исполнительным устройством. Стандартные параметры выходов следующие: постоянное напряжение 24 В, переменное напряжение 130 и 240 В при токе до 10 А. Память программ ПЛК состоит из двух сегментов. Первый сегмент – неизменяемая часть, которая содержит в себе операционную систему ПЛК. По существу, это интерпретатор инструкций программы пользователя, которые размещаются во втором сегменте памяти – сегменте программы управления. Второй сегмент – это изменяемая часть программы. Она заносится на этапе адаптации серийного изделия для управления конкретным объектом. Такая организация работы ПЛК имеет следующие преимущества:
время реакции программы управления на изменение входных сигналов строго определено. Если обратиться к классификации ОС вычислительных средств, то такая система носит название ОС реального времени с жестким режимом работы;
невозможность внесения изменений в интерпретатор инструкций гарантирует исключение ошибок программирования аппаратных средств на нижнем уровне;
интерпретатор инструкций содержит в себе аппаратно-ориентированные алгоритмы программной защиты от сбоев аппаратуры, которые, оставаясь практически незаметными для пользователя, значительно повышают надежность системы.
Рассмотренная модель функционирования ПЛК поясняет, почему быстродействие ПЛК принято оценивать эквивалентным временем «опроса» 1024(1 К) дискретных входов. Обычно указывается время выполнения одного цикла программы средней сложности для 1024 дискретных входов, включая этапы чтения регистров приема и загрузки данных из регистров в буферы.
Следует отметить, что рассмотренный исторически сложившийся способ опенки быстродействия в настоящее время используется преимущественно для малых ПЛК. Для средних и мощных ПЛК указывается время выполнения операций определенного типа. В табл. 7.1 представлены сведения о быстродействии некоторых ПЛК.
Придание ПЛК регулирующих функций потребовало введения в состав языков чисел в формате с фиксированной запятой и сейчас многие ПЛК имеют в системе команд библиотеки для работы с числами в формате с плавающей запятой. В первую очередь арифметические команды используются для реализации алгоритмов ПИД-регуляторов, причем не просто регуляторов, а с алгоритмами самонастройки и оптимизации переходных процессов. Для включения алгоритма ПИД-регулирования в его программу необходимо не только записать соответствующие команды, но и подключить специальный блок памяти в разъем на передней панели корпуса ПЛК. Пользователю при обращении к функции ПИД-регулирования следует задать только коэффициенты и постоянные времени к неизменяемому программному коду регулятора.
Таблица 7.1