Принцип действия контроллера в системах автоматизации
Выполняет циклический или периодический алгоритм, включающий:
ввод данных из средств ввода и размещение их в ОЗУ;
обработку данных по записанному в ОЗУ коду программы;
вывод данных на средства вывода;
постоянный (фоновый) мониторинг состояния контроллера;
постоянное обеспечение обмена данными.
Основные характеристики
Производительность характеризуется:
длительность контроллерного цикла (продолжительность считывания значений из каналов ввода, обработки в процессоре и записи в каналы вывода);
продолжительность выполнения команд (отдельно логических, с фиксированной и с плавающей точкой);
пропускная способность шины между контроллером и средствами (модулями) в/в;
пропускная способность промышленной сети;
продолжительность цикла опроса всех контроллеров в одномастерной сети или цикл обращения маркера для многомастерных сетей с маркером (см. ХХХ);
время реакции.
Длительность контроллерного (рабочего) зависит от количества модулей в/в и наличия в них замаскированных (исключенных из процедуры обмена) в/в, поэтому рассчитывается для каждой конфигурации автоматизированной системы отдельно. При интенсивной математической обработке данных (например, 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.
В процессе функционирования контроллера данные, введенные из устройств в/в располагаются в его ОЗУ и в течение рабочего цикла не изменяются. Прямое чтение входа во время выполнения одного цикла не выполняется, что ускоряет процесс обработки данных и исключает непредвиденные ситуации.
В системах с распределенными модулями в/в, подключаемыми к общей промышленной сети, длительность контроллерного цикла может определяться пропускной способностью это сети, что в ряде случаев является ограничением на предельное количество таких модулей удаленного в/в.
Требования к длительности контроллерного цикла существенно зависят от области применения контроллера. При управлении тепловыми процессами длительность цикла может составлять единицы и десятки секунд и даже минуты, а в задачах управления станками она измеряется миллисекундами.При опросе датчиков температуры на элеваторе контроллерный цикл измеряется сутками.
Время реакции контроллера - интервал времени от момента появления воздействия на систему (со стороны модулей ввода или оператора) до момента выработки соответствующей реакции. Зависит от длительности рабочего цикла контроллера, которое определяется быстродействием модулей в/в и производительностью процессора.
В контроллерах для ответственных применений предусматриваются следующие функции самодиагностики (см. также ХХХ):
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 короткого замыкания (к.з.) в цепи датчика или 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 всего контроллера, источника питания, сетевого сервера, замкнутых контуров автоматического регулирования, модулей в/в.
Объектом резервирования обычно является наиболее ответственная или наиболее ненадежная часть системы (подробнее см. ХХХ).
Возможность горячей (без отключения питания) замены контроллера и его частей 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 (подробнее см. ХХХ).
Надежность контроллеров характеризуется
наработка на отказ, определяемая как отношение суммарного времени работоспособного состояния к математическому ожиданию числа его отказов в течение этого времени (ГОСТ 27.002-89), или
наработкой до отказа - временем от начала эксплуатации до первого отказа.
Надежность связана с допустимыми механическими перегрузками: амплитудой вибрации в требуемом диапазоне частот и допустимым ускорением при ударе.
Отказоустойчивое отключение - способность контроллера переводить свои выходы в заранее определенное состояние сразу после обнаружения снижения напряжения питания или после внутреннего отказа.
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 так, чтобы после восстановления напряжения питания или в аварийном режиме системы исполнительные устройства находились в безопасном для персонала или системы состоянии (например, в системах с нагревом безопасным является состояние отключенного нагревателя, в подъемных механизмах - состояние торможения). Наличие команд управления безопасными состояниями позволяет реализовать операцию автоматического рестарта автоматизированной системы после прерывания питания или после восстановления работоспособного состояния.
Контекст - минимальный набор значений счетчика команд и других регистров, которые должны быть сохранены для продолжения выполнения задачи после ее прерывания.
Холодный рестарт - повторный запуск контроллера после возвращения всех динамических данных (переменных в/в, состояний внутренних регистров, таймеров, счетчиков, программных контекстов) в заранее определенное состояние. Может быть как ручным, так и автоматическим.
Горячий рестарт - повторный запуск контроллера(например, после пропадания питания), выполняемый настолько быстро что все динамические переменные не успевают измениться и работоспособность восстанавливается будто останова и не было.
Теплый рестарт - повторный запуск после обнаружения неисправности питания с заранее определенным и программируемым пользователем множеством динамических данных и системным контекстом прикладной программы. Характеризуется сигнализацией состояния или эквивалентными средствами, позволяющими убедиться в том, что прикладная программа зарегистрировала прекращение неисправности питания, обнаруженное конфигурацией ПЛК в режиме пуска.
Помехоустойчивость контроллера обычно оценивается по его соответствию комплексу стандартов по электромагнитной совместимости (см. главу ХХХ).
Промышленные контроллеры используют гальваническую изоляцию для устранения паразитных связей по общему проводу, земле и для защиты оборудования от высоких напряжений.
Степень защиты от воздействия окружающей среды, обеспечиваемая корпусом контроллера и классифицируется ГОСТ 14254-96 Кодификация степеней защиты представлена в Приложении 2.1. Примеры корпусов показаны на рис. 1.2.
а) б)
Рис.1.2. Контроллеры в корпусах со степенью защиты IP20 (а) и IP66 (б)
При выборе контроллера желательно оценивать степень его соответствия идеологии «открытых систем» (см. главу ХХХ), чтобы не попасть в зависимость от одного поставщика и иметь возможность модифицировать систему по мере необходимости.
Важным параметром ПЛК является время от заказа до поставки и наличие нескольких независимых поставщиков. Для России этот параметр имеет особое значение, поскольку большую долю рынка занимают контроллеры иностранного производства, для которых длительность поставки и гарантийной замены исчисляется месяцами. Большие сроки поставки объясняются как удаленностью производителя от потребителя, так и стремлением производителей и поставщиков минимизировать внутренние издержки за счет уменьшения складских запасов.
Качество пользовательской документации, наличие группы технической поддержки, скорость реакции на запросы, наличие курсов для обучения потребителей играют также важную роль при выборе контроллера из огромного их многообразия.
Технические параметры широкого спектра контроллеров различных производителей можно найти в соответствующих каталогах. Ниже приведены примеры наиболее распространенных контроллеров и их краткие характеристики.