5. Программируемые контроллеры

И ПРОМЫШЛЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ

5.1. Общие положения

Программируемый контроллер представляет собой микропроцессорное управляющее устройство, входы которого связаны с датчиками, а выходы – с исполнительными устройствами объекта управления. Контроллер изготавливают универсальным и приспосабливают к управле­нию конкретным объектом управления путем записи и хранения алгоритма управления в запоминающем устройстве. Сначала программи­руемые контроллеры создавали для замены громоздких и ненадежных релейно-контактных систем управления. Первый программируемый контроллер установили в 1969 г. на автоматизированном конвейере ав­тозавода в США. Его назвали «Модикон» (Modular Digital Controller –модульный цифровой контроллер). Необходимо было быстро перестраивать линию на выпуск разных моделей автомобилей и часто совершенствовать технологический процесс. Перестройка имеющейся релейно-контактной аппаратуры была долгой и дорогой. Требования устойчивости к промышленной среде, доступности обслуживания промышленным персоналом и низкой стоимости, множество разнообразных входов и выходов не позволяли применять для управления сущест­вовавшие ЭВМ.

Как и персональный компьютер, программируемый контроллер содержит микропроцессор, оперативное и постоянное запоминающие устройства, предназначенные для обработки информации по заданной программе. Отличия от персонального компьютера обусловлены тем, что программируемый контроллер предназначен для управления промышленным объектом в реаль­ном времени. Поэтому он должен иметь развитые устройства преобра­зования входных и выходных сигналов, доступное технологу программирование, удобство диагностики и контроля, повышенную надеж­ность. Программируемый контроллер может быть трех типов:

• логический контроллер для замены релейно-контактной логики при управлении дискретными процессами;

• регулирующий контроллер для управления непрерывными процессами;

• универсальный контроллер, выполняющий функции управляющего устройства как для дискретных, так и непрерывных процессов.

Первые два типа со временем объединились в третий, имеющий как логические, так и аналоговые входы и выходы для управления дискретными и непрерывными процессами.

В общем случае современный программируемый (промышленный) контроллер (рис. 5.1) содержит модули ввода МВ и вывода МВыв сигналов, центральный процессор ЦП, оперативное ОЗУ и постоянное ПЗУ запоминающие устройства, а так же интерфейсные модули ИМ, позволяющие использовать контроллер для работы в сетевых управляющих структурах.

Рис. 5.1. Обобщенная структура программируемого контроллера

Работа внутренних устройств синхронизируется тактовым генератором. Программу управления записывают в ПЗУ с помощью программатора, в качестве которого можно применять либо персональный компьютер со специальным программным обеспечением, либо специализированное устройство с дисплеем.

Программа сообщает процессору, какие операции, когда и с какими сигналами он должен выполнять. Команда управления процессором содержит код операции и адрес операнда. Код операции указывает, что надо делать. Адрес опе­ранда показывает, с чем надо выполнить операцию. Например, логиче­ская функция

реализуется в виде программы из четырех команд (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Команды программируемого контроллера

Адрес	Команда		Комментарий
	код операции	адрес операнда
0	Загрузить	U2	Переслать содержимое ячейки памяти с адресом U2 в аккумулятор А
1	И	U3	Выполнить операцию И с содержимым ячейки U3 и аккумулятора А; резуль­тат поместить в А
2	ИЛИ	U1	Выполнить операцию ИЛИ с содержимым ячейки U1 и А; результат поместить в А
3	Поместить	У	Переслать содержимое А в ячейку с адресом У, где в итоге должно быть У

В отличие от аппаратных устройств с параллельной обра­боткой входной информации контроллер опрашивает входы последова­тельно, а затем формирует на выходе команды управления объектом. Однако цикл последовательного опроса осуществляется во много раз быстрее изменений в объекте управления. Около половины стоимости контроллера приходится на устройства ввода и вывода. Один и тот же контроллер может применяться для тысяч разновидностей датчиков и исполнительных устройств. Для их подключения к контроллеру присоединяют разнообразные модули преобразования разных сигналов во внутренние сигналы контроллера.

В большинстве приложений число сигналов о состоянии объекта намного превышает число физических входов контроллера. Поэтому прибегают к поочередному подключению сигналов к одному входу контроллера с помощью мультиплексора.

Для увеличения числа команд на исполнительные устройства при ограниченном числе физических выходов контроллера прибегают к де­мультиплексированию – подключению разных исполнительных устройств к одному выходу контроллера.

По мере развития контроллеров их связывают высокоскоростными информационными линиями и объединяют в распределённую по объек­ту сеть управления. Особенностью такой сети является открытость – возможность подключения персональных компьютеров ПК, устройств распределенного ввода-вывода УВВ и программируемых контроллеров ПЛК в любом месте сети (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Открытая сеть программируемых контроллеров

Ввод алгоритма управления в выбранный контроллер сети осуще­ствляют с помощью специального программного комплекса, позво­ляющего дистанционно выбирать и перепрограммировать контроллеры с персонального компьютера или программатора. С его помощью пользователь может соз­давать и согласовывать программы работы контроллеров, интегриро­вать распределенные устройства в сеть автоматизации, вести учет рабо­ты и диагностику оборудования.

При переходе от аппаратных к программным устройствам управления потребовалось описание алгоритмов управления объектами на языке, понятном как технологу, так и специалисту по автоматике. Стали создавать универсальные языки программирования, пригодные для описания, как для непрерывных, так и дискретных процессов. Появились компиляторы, переводя­щие программу с универсального языка на язык программируемого контроллера. В универсальный язык вводились «входы» и «выходы» контроллера и подпрограммы с типовыми алгоритмами управления. Однако само программирование оставалось сложным для технолога, знающего все особенности управления процессом, но не владеющего языками программирования.

В 1998 году Международная электротехническая комиссия МЭК ввела стандарт программирования управляющих систем IEC 61131-3, включающий пять языков: два вербальных, два графических и один комбинированный (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Языки программирования Международного

стандарта IЕС 61131-3

При программировании контроллера технолог выбирает удобный для себя язык стандарта IEC 61131-3 и записывает на нем алгоритм управления объектом автоматизации. Работа ускоряется, если использовать специальное программное обеспечение, например Concept 2.0. После выбора языка технолог строит и редактирует желаемый алгоритм управления, выбирая из библиотеки элементы и соединяя их линиями на экране. Он может вводить комментарии к работе алгоритма. Логические противоречия и другие ошибки выявляются встроенным редактором. Записанный алгоритм с помощью транслятора переводят на язык применяемого контроллера. В Concept 2.0 встроены имитаторы программируемых логических контроллеров, на которых могут отраба­тываться алгоритмы управления. После отладки алгоритма на имитаторе программу записывают в реальный контроллер.

Соединение контроллеров в распределенную сеть управления, к которой присоединен персональный компьютер, позволяет реализовать дистанционное программирование любого удаленного контроллера.

Процесс дистанционного программирования на языке FBD состо­ит из этапов:

• Выбор функциональных блоков из встроенной библиотеки и их размещение на экране;

• Соединение входов и выходов блоков;

• конфигурация входов и выходов контроллера по условиям технологического процесса;

• Проверка программы на встроенном имитаторе контроллера;

• Корректировка алгоритма;

• Пересылка программы к выбранному контроллеру.

Распространенный инструментальный пакет UltraLogic предназна­чен для программирования логических контроллеров, обеспечивающих сбор данных и управление технологическими процессами. В нем ис­пользуется стандартный язык функциональных блочных диаграмм (FBD). Пакет состоит из системы программирования на персональном компьютере и системы исполнения на программируемых контроллерах.

В UltraLogic входят: библиотека модулей ввода/вывода контрол­леров, библиотека алгоритмов сбора данных и управления, средства выхода в сети Archnet, Ethernet, RS-485, отладчик-осциллограф. UltraLogic использует взаимодействие ведущих и ведомых устройств управления через сеть с протоколом RS-485 с числом узлов до 255 (рис. 5.4).

Устройства визуализации отображают управление исполнительными устройствами, осуществляемое с помощью контроллеров. Они присоединены к сети через преобразователь протоколов RS-485/232 и могут отображать текущие данные с любых устройств.

Создание программы осуществляется в семь этапов.

1. Заполнение таблиц переменных величин

Переменные делят на 4 вида:

• константа – устанавливается один раз;

• входная – привязана к входу контроллера;

• выходная – привязана к выходу контроллера;

• сетевая – передаётся другим контроллерам или на верхний уровень.

Рис. 5.4. Структура сетевого взаимодействия контроллеров

и средств визуализации данных

Через эти переменные выполняются команды: включить/выключить, принять сигнал датчика, передать информацию на верхний уровень и т.п.

2. Конфигурирование контроллера

Осуществляется подобно заполнению анкеты. В появляющихся окнах пользователь отмечает то, что ему требуется от контроллера: тип модуля, наличие локальной сети и сторожевого таймера, номенклатуру модулей ввода/вывода.

3. Привязка переменных к входам и выходам контроллера

Проектировщик присваивает имена переменных входам и выходам контроллера.

4. Разработка алгоритмов управления

С помощью графического редактора пользователь вызывает из библиотеки и соединяет между собой функциональные блоки на языке FBD из IEC 61131-3. Предусмотрено отображение последовательности работы функциональных блоков в виде иерархического дерева.

5. Компиляция проекта

Кнопкой на панели инструментов запускают компилятор, который преобразует соединение функциональных блоков в объектный файл. Одновременно компилятор проверяет наличие ошибок в написанной программе.

6. Отладка программы

Система имитирует работу контроллера в пошаговом и непрерывном режимах. Режим используется для первоначальной отладки алгоритма или обучения без реального объекта. Объект заменяется его моде­лью в виде программы. Модель принимает сигналы управления и имитирует поведение объекта.

7. Загрузка программы в контроллер

Если контроллеры соединены в сеть, подключенную к компьютеру, то включается режим удалённой загрузки программ.

Далее рассматриваются устройство и принципы работы наиболее распространенных на российском рынке автоматизации микропроцессорных контроллеров.