Преглед знања о ПЛЦ-у: Основно штиво за инжењере електротехнике!
Преглед знања о ПЛЦ-у: Основно штиво за инжењере електротехнике!
И. Дефиниција и класификација ПЛЦ-ова
ПЛЦ, или Програмабилни логички контролер, је нова генерација универзалних индустријских контролних уређаја. Заснован је на микропроцесорима и интегрише рачунарску технологију, технологију аутоматског управљања и комуникациону технологију. Дизајнирани за индустријска окружења, ПЛЦ-ови карактеришу лако разумљиво програмирање користећи "природни језик" оријентисан на процесе управљања и кориснике. Одликује их једноставност, лакоћа рада и висока поузданост.
Развијени из секвенцијалне контроле релеја, ПЛЦ-ови су усредсређени на микропроцесоре и служе као свестрани уређаји за аутоматску контролу. Хајде да се удубимо у специфичности:
1. Дефиниција
ПЛЦ је дигитални електронски систем дизајниран за индустријске примене. Користи програмабилну меморију за чување инструкција за операције као што су логичко рачунање, секвенцијална контрола, мерење времена, бројање и аритметика. Повезивањем са дигиталним и аналогним улазима и излазима, ПЛЦ-ови контролишу различиту механичку опрему и производне процесе. И ПЛЦ-ови и њихови периферни уређаји су дизајнирани да се неприметно интегришу са индустријским контролним системима и да олакшају функционално проширење.
2. Класификација
ПЛЦ производи долазе у великом броју са различитим спецификацијама и могућностима перформанси. Они су широко класификовани на основу структурног облика, функционалних разлика и броја И/О тачака.
2.1 Класификација према структурном облику
ПЛЦ-ови се могу категорисати у интегралне и модуларне типове на основу њиховог структурног облика.
(1) Интегрални ПЛЦ
Интегрисани ПЛЦ-ови садрже компоненте као што су напајање, ЦПУ и И/О интерфејси унутар једног ормарића. Познати су по својој компактној структури, малој величини и приступачности. ПЛЦ-ови мале величине обично усвајају ову интегралну структуру. Интегрални ПЛЦ се састоји од основне јединице (познате и као главна јединица) са различитим И/О тачкама и јединице за проширење. Основна јединица садржи ЦПУ, И/О интерфејсе, порт за проширење за повезивање са И/О јединицама проширења и интерфејсе за повезивање са програматором или ЕПРОМ писачем. Јединица за проширење, с друге стране, садржи само И/О и компоненте за напајање, без ЦПУ-а. Основна јединица и јединица за проширење се обично повезују преко равног кабла. Интегрални ПЛЦ-ови такође могу бити опремљени специјалним функционалним јединицама, као што су аналогне јединице и јединице за контролу положаја, како би се прошириле њихове могућности.
(2) Модуларни ПЛЦ
Модуларни ПЛЦ-ови имају засебне модуле за сваку компоненту, као што су ЦПУ модули, И/О модули, модули напајања (понекад интегрисани у ЦПУ модул) и различити функционални модули. Ови модули се монтирају на оквир или задњу плочу. Предност модуларних ПЛЦ-ова лежи у њиховој флексибилној конфигурацији, омогућавајући избор различитих системских скала по потреби. Такође их је лако саставити, проширити и одржавати. ПЛЦ средње и велике величине углавном усвајају модуларну структуру.
Поред тога, неки ПЛЦ комбинују карактеристике интегралног и модуларног типа, формирајући оно што је познато као наслагани ПЛЦ. У сложеним ПЛЦ-овима, компоненте као што су ЦПУ, напајање и И/О интерфејси су независни модули повезани преко каблова и могу се наслагати слој по слој. Овај дизајн не само да нуди флексибилну конфигурацију система већ омогућава и компактну величину.
2.2 Класификација према функцији
На основу својих функционалних могућности, ПЛЦ-ови се могу поделити у три категорије: лов-енд, мид-ранге и хигх-енд.
(1) Лов-енд ПЛЦ
ПЛЦ-ови ниске класе поседују основне функције као што су логичке операције, мерење времена, бројање, померање, самодијагностика и надзор. Они такође могу укључивати ограничену количину аналогног улаза/излаза, аритметичких операција, преноса и поређења података и комуникационих функција. Ови ПЛЦ-ови се првенствено користе за управљачке системе са једном машином који укључују логичку контролу, секвенцијалну контролу или малу количину аналогне контроле.
(2) ПЛЦ средњег опсега
Поред функција ПЛЦ-ова ниже класе, ПЛЦ-ови средњег опсега нуде јаче могућности у аналогном улазу/излазу, аритметичким операцијама, преносу и поређењу података, конверзији бројевног система, удаљеном И/О-у, потпрограмима и комуникационом умрежавању. Неки такође могу имати функције контроле прекида и ПИД контроле, што их чини погодним за сложене системе управљања.
(3) Хигх-енд ПЛЦ
Врхунски ПЛЦ-ови, поред могућности ПЛЦ-а средњег опсега, укључују напредне функције као што су аритметичке операције са предзнаком, матричне прорачуне, битне логичке операције, израчунавања квадратног корена и друге операције специјалних функција. Такође имају могућност креирања табеле и преноса табеле. ПЛЦ-ови високог квалитета могу се похвалити побољшаним комуникационим и мрежним функционалностима, омогућавајући контролу процеса великих размера или формирање дистрибуираних мрежних контролних система, чиме се постиже аутоматизација фабрике.
2.3 Класификација према И/О тачкама
У зависности од броја И/О тачака, ПЛЦ-ови се могу класификовати у мале, средње и велике категорије.
(1) Мали ПЛЦ
Мали ПЛЦ-ови имају мање од 256 И/О тачака, имају један ЦПУ и користе 8-битне или 16-битне процесоре. Капацитет њихове корисничке меморије је обично испод 4 КБ.
(2) Средњи ПЛЦ
Средњи ПЛЦ-ови имају између 256 и 2048 И/О тачака, користе двоструке процесоре и имају капацитет корисничке меморије у распону од 2КБ до 8КБ.
(3) Велики ПЛЦ
Велики ПЛЦ-ови имају преко 2048 И/О тачака, користе више ЦПУ-а и опремљени су 16-битним или 32-битним процесорима. Капацитет њихове корисничке меморије креће се од 8КБ до 16КБ.
Широм света, ПЛЦ производи се могу категорисати у три главна регионална типа: амерички, европски и јапански. Америчке и европске ПЛЦ технологије су развијене независно, што је резултирало изразитим разликама између њихових производа. Јапанска ПЛЦ технологија, уведена из Сједињених Држава, наслеђује одређене карактеристике од америчких ПЛЦ-ова, али се фокусира на мале ПЛЦ-ове. Док су амерички и европски ПЛЦ-ови познати по својој понуди средње и велике величине, јапански ПЛЦ-ови су познати по својим колегама мале величине.
ИИ. Функције и поља примене ПЛЦ-ова
ПЛЦ-ови комбинују предности контроле релејног контактора и флексибилност рачунара. Овај јединствени дизајн 赋予了ПЛЦ има бројне карактеристике без премца у поређењу са другим контролерима.
1. Функције ПЛЦ-а
Као универзални индустријски аутоматски контролни уређај усредсређен на микропроцесоре и који интегрише рачунарску технологију, технологију аутоматске контроле и комуникациону технологију, ПЛЦ-ови нуде мноштво предности. То укључује високу поузданост, компактну величину, снажну функционалност, једноставан и флексибилан дизајн програма, свестраност и лако одржавање. Сходно томе, ПЛЦ-ови налазе широку примену у областима као што су металургија, енергија, хемикалије, транспорт и производња електричне енергије, појављујући се као један од три стуба модерне индустријске контроле (поред робота и ЦАД/ЦАМ). На основу карактеристика ПЛЦ-ова, њихови функционални облици се могу сажети на следећи начин:
(1) Преклопна логичка контрола
ПЛЦ-ови поседују снажне логичке рачунске способности, омогућавајући им да постигну различите једноставне и сложене логичке контроле. Ово је најосновнији и најшире примењени домен ПЛЦ-а, који замењује традиционалну контролу релеј-контактора.
(2) Аналогно управљање
ПЛЦ-ови су опремљени А/Д и Д/А модулима за конверзију. А/Д модул конвертује аналогне величине са терена – као што су температура, притисак, проток и брзина – у дигиталне величине. Ове дигиталне количине затим обрађује микропроцесор унутар ПЛЦ-а (пошто микропроцесори могу да рукују само дигиталним количинама) и затим се користе за контролу. Алтернативно, Д/А модул конвертује дигиталне величине назад у аналогне величине да контролише контролисани објекат, омогућавајући тако ПЛЦ-овима да врше контролу над аналогним величинама.
(3) Контрола процеса
Модерни ПЛЦ средње и велике величине обично имају ПИД управљачке модуле, омогућавајући контролу процеса у затвореној петљи. Када променљива одступи током контролног процеса, ПЛЦ израчунава исправан излаз користећи ПИД алгоритам, чиме прилагођава производни процес и одржава променљиву на задатој тачки. Тренутно, многи ПЛЦ-ови мале величине такође имају функцију ПИД контроле.
(4) Контрола времена и бројања
ПЛЦ-ови се могу похвалити јаким могућностима мерења времена и бројања, способним да обезбеде десетине, стотине или чак хиљаде тајмера и бројача. Временско трајање и вредности бројања може произвољно да подеси корисник приликом писања корисничког програма или оператери на лицу места преко програматора. Ово омогућава контролу времена и бројања. Ако корисници треба да броје високофреквентне сигнале, могу се одлучити за модуле за брзо бројање.
(5) Секвенцијална контрола
У индустријској контроли, секвенцијална контрола се може постићи путем ПЛЦ корака инструкција или програмирања регистра померања.
(6) Обрада података
Савремени ПЛЦ-ови нису само способни да изводе аритметичке операције, пренос података, сортирање и тражење у табели, већ могу и да врше поређење података, конверзију података, комуникацију података, приказ података и штампање. Поседују снажне могућности обраде података.
(7) Комуникација и умрежавање
Већина модерних ПЛЦ-ова укључује комуникационе и мрежне технологије, са РС-232 или РС-485 интерфејсима за даљинску И/О контролу. Више ПЛЦ-ова може бити умрежено и међусобно комуницирати. Јединице за обраду сигнала екстерних уређаја могу да размењују програме и податке са једним или више програмабилних контролера. Пренос програма, пренос датотека са подацима, праћење и дијагностика се могу постићи преко комуникационих интерфејса или комуникационих процесора, који користе стандардне хардверске интерфејсе или власничке комуникационе протоколе да би олакшали пренос програма и података.
2. Поља примене ПЛЦ-ова
Тренутно, ПЛЦ-ови су широко коришћени и у земљи и на међународном нивоу у различитим индустријама, укључујући гвожђе и челик, нафту, хемикалије, енергију, грађевинске материјале, механичку производњу, аутомобиле, лаки текстил, транспорт, заштиту животне средине и културну забаву. Њихове примене се могу широко категорисати на следећи начин:
(1) Преклопна логичка контрола
Ово је најосновнији и најшире примењени домен ПЛЦ-а, који замењује традиционална релејна кола да би се постигла логичка и секвенцијална контрола. ПЛЦ-ови се могу користити за контролу са једном машином, као и за групно управљање са више машина и аутоматизоване производне линије, као што су машине за бризгање, машине за штампање, машине за хефтање, комбиноване машине алатке, машине за млевење, производне линије за паковање и монтажне линије за галванизацију.
(2) Аналогно управљање
У индустријским производним процесима, бројне константно променљиве величине – као што су температура, притисак, проток, ниво течности и брзина – су аналогне величине. Да би се омогућило ПЛЦ-овима да рукују аналогним величинама, А/Д и Д/А конверзије између аналогних и дигиталних величина морају бити реализоване. Произвођачи ПЛЦ-а производе пратеће А/Д и Д/А модуле за конверзију да би олакшали апликације аналогног управљања за ПЛЦ-ове.
(3) Контрола кретања
ПЛЦможе се користити за ротационо или линеарно управљање кретањем. У погледу конфигурације контролног система, ране апликације су директно повезивале сензоре положаја и актуаторе за пребацивање И/О модула. Данас се углавном користе специјализовани модули за контролу кретања. Ови модули могу покретати једноосну или вишеосну контролу положаја за корачне моторе или серво моторе. Almost all major PLC manufacturers' products worldwide feature motion control capabilities, which are widely used in various machinery, machine tools, robots, elevators, and other applications.
(4) Контрола процеса
Контрола процеса се односи на контролу аналогних величина у затвореној петљи као што су температура, притисак и проток. Има широку примену у областима као што су металургија, хемијско инжењерство, топлотна обрада и контрола котлова. Као индустријски управљачки рачунари, ПЛЦ-ови се могу програмирати са различитим контролним алгоритмима да би се постигла контрола у затвореној петљи. ПИД контрола је уобичајена метода регулације у системима управљања затвореном петљом. ПЛЦ-ови средње и велике величине опремљени су ПИД модулима, а тренутно многи ПЛЦ-ови малих димензија такође имају овај функционални модул. ПИД обрада генерално укључује покретање наменске ПИД потпрограма.
(5) Обрада података
Modern PLCs are equipped with mathematical operations (including matrix computation, function computation, logical operations), data transfer, data conversion, sorting, table look-up, and bit manipulation functions. Они могу да врше прикупљање, анализу и обраду података. These data can be compared with reference values stored in memory to carry out specific control operations or transmitted to other intelligent devices via communication functions. Такође се могу одштампати и приказати у табели. Data processing is typically used in large-scale control systems, such as unmanned flexible manufacturing systems, and in process control systems, such as those in papermaking, metallurgy, and the food industry.
(6) Комуникација и умрежавање
ПЛЦ комуникација обухвата комуникацију између ПЛЦ-ова и између ПЛЦ-а и других интелигентних уређаја. Са развојем компјутерског управљања, мреже фабричке аутоматизације су брзо напредовале. Сви произвођачи ПЛЦ-а стављају велики нагласак на комуникационе могућности ПЛЦ-ова и увели су своје мрежне системе. Недавно произведени ПЛЦ-ови су опремљени комуникационим интерфејсима, што комуникацију чини веома погодном.
ИИИ. Основна структура и принцип рада ПЛЦ-а
Као индустријски управљачки рачунар, ПЛЦ-ови деле сличности у структури са обичним рачунарима. Међутим, разлике настају због различитих сценарија употребе и циљева.
1. Хардверске компоненте ПЛЦ-ова
Основни дијаграм структуре ПЛЦ хоста је приказан на слици испод: [Слика]
In the diagram, the PLC host consists of a CPU, memory (EPROM, RAM), input/output units, peripheral I/O interfaces, communication interfaces, and a power supply. За интегралне ПЛЦ-ове, све ове компоненте су смештене у истом орману. У модуларним ПЛЦ-овима, свака компонента је независно упакована као модул, а модули су повезани преко сталка и каблова. Сви делови унутар хоста су међусобно повезани преко енергетских магистрала, контролних магистрала, адресних магистрала и магистрала података. У зависности од захтева стварног контролног објекта, различити спољни уређаји су конфигурисани да формирају различите ПЛЦ системе управљања.
Уобичајени спољни уређаји укључују програмере, штампаче и ЕПРОМ писце. PLCs can also be equipped with communication modules to communicate with higher-level machines and other PLCs, thereby forming a distributed control system for PLCs.
Below is an introduction to each component of the PLC and its role, to help users better understand the control principles and working processes of PLCs.
(1) ЦПУ
ЦПУ је контролни центар ПЛЦ-а. Под контролом ЦПУ-а, ПЛЦ координира и ради уредно како би постигао контролу над различитом опремом на лицу места. Састављен од микропроцесора и контролера, ЦПУ може да обавља логичке и математичке операције и да координира рад различитих унутрашњих компоненти система управљања. Контролер управља уредним радом свих делова микропроцесора. Његова примарна функција је читање инструкција из меморије и њихово извршавање.
(2) Меморија
ПЛЦ-ови су опремљени са два типа меморије: системском и корисничком меморијом. Системска меморија чува програме за управљање системом, којима корисници не могу да приступе или да их мењају. Корисничка меморија чува компајлиране апликативне програме и стања радних података. Део корисничке меморије који чува стања радних података познат је и као област за складиштење података. Укључује области слике улазних/излазних података, области података унапред подешених и тренутних вредности за тајмере/бројаче и бафер зоне за чување међурезултата.
ПЛЦ меморија првенствено укључује следеће типове:
Меморија само за читање (РОМ)
Програмабилна меморија само за читање (ПРОМ)
Програмабилна меморија само за читање (ЕПРОМ)
Програмабилна меморија само за читање (ЕЕПРОМ) која се може електрично избрисати
Меморија са случајним приступом (РАМ)
(3) Улазно/излазни (И/О) модули
① Пребацивање улазног модула
Улазни уређаји за пребацивање укључују различите прекидаче, дугмад, сензоре итд. Типови ПЛЦ улаза могу бити ДЦ, АЦ или оба. Напајање за улазно коло може бити обезбеђено екстерно, или у неким случајевима, интерно напајано од стране ПЛЦ-а.
② Преклопни излазни модул
Излазни модул конвертује контролне сигнале ТТЛ-нивоа које емитује ЦПУ приликом извршавања корисничког програма у сигнале потребне на производном месту за погон специфичне опреме, чиме се покреће извршни механизам.
(4) Програмер
Програматор је суштински екстерни уређај за ПЛЦ-ове. Омогућава корисницима да уносе програме у меморију корисничких програма ПЛЦ-а, отклањају грешке у програмима и надгледају извршавање програма. Програмски, програмери се могу категорисати у три типа:
Хандхелд Программер
Грапхицал Программер
Општи компјутерски програмер
(5) Напајање
Јединица за напајање претвара спољашњу снагу (нпр. 220В АЦ) у унутрашњи радни напон. Споља повезано напајање трансформише се у радни напон који захтевају унутрашња кола ПЛЦ-а (нпр. ДЦ 5В, ±12В, 24В) преко наменског регулатора напона прекидача у ПЛЦ-у. Такође обезбеђује напајање од 24В ДЦ за спољне улазне уређаје (нпр. прекидаче близине) (само за улазне тачке). Напајање за погон ПЛЦ оптерећења обезбеђује...
(6) Периферни интерфејси
Кола периферног интерфејса повезују ручне програмере или друге графичке програмере, текстуалне дисплеје и могу да формирају ПЛЦ контролну мрежу преко периферног интерфејса. ПЛЦ-ови се могу повезати са рачунарима помоћу ПЦ/ППИ кабла или МПИ картице преко РС-485 интерфејса, омогућавајући програмирање, надгледање, умрежавање и друге функције.
2. Софтверске компоненте ПЛЦ-а
ПЛЦ софтвер се састоји од системских и корисничких програма. Системске програме дизајнирају и пишу произвођачи ПЛЦ-а и чувају их у системској меморији ПЛЦ-а. Корисници не могу директно да их читају, пишу или мењају. Системски програми обично укључују системске дијагностичке програме, програме за обраду улаза, програме за компилацију, програме за пренос информација и програме за праћење, између осталог.
Усер програме компајлирају корисници користећи ПЛЦ програмске језике на основу контролних захтева. У ПЛЦ апликацијама, најкритичнији аспект је коришћење ПЛЦ програмских језика за писање корисничких програма за постизање контролних циљева. Пошто су ПЛЦ-ови посебно развијени за индустријско управљање, њихови примарни корисници су електротехничари. Да би задовољили своје традиционалне навике и могућности учења, ПЛЦ првенствено користе наменске језике који су једноставнији, разумљивији и интуитивнији у поређењу са компјутерским језицима.
Графичка структура инструкција
Експлицитне променљиве и константе
Поједностављена структура програма
Поједностављени процес генерисања апликативног софтвера
Побољшани алати за отклањање грешака
3. Основни принцип рада ПЛЦ-ова
Процес ПЛЦ скенирања је углавном подељен у три фазе: узорковање улаза, извршавање корисничког програма и освежавање излаза. Као што је приказано на слици: [Слика]
Фаза узорковања улаза
Током фазе узорковања улаза, ПЛЦ секвенцијално чита све улазне статусе и податке на начин скенирања и чува их у одговарајућим јединицама И/О области слике. Након што је узорковање улаза завршено, процес прелази на извршавање корисничког програма и фазе освежавања излаза. У ове две фазе, чак и ако се статуси улаза и подаци промене, статуси и подаци у одговарајућим јединицама И/О области слике неће бити промењени. Стога, ако је улаз импулсни сигнал, ширина импулса мора бити већа од једног циклуса скенирања како би се осигурало да се улаз може очитати под било којим околностима.
Фаза извршења корисничког програма
Током фазе извршења корисничког програма, ПЛЦ увек скенира кориснички програм (мердевинасти дијаграм) у низу одозго надоле. Приликом скенирања сваког лествичастог дијаграма, прво скенира контролно коло формирано од контаката на левој страни лествичастог дијаграма. Логичке операције се изводе на контролном колу по редоследу с лева на десно, одозго на доле. Затим се, на основу резултата логичких операција, освежава статус одговарајућег бита у системској РАМ меморији за логичку завојницу, или се освежава статус одговарајућег бита у области И/О слике за излазни калем, или се одређује да ли да се изврше инструкције специјалне функције које су наведене у лествичастом дијаграму.
Односно, током извршавања корисничког програма остају непромењени само статуси и подаци улазних тачака у области И/О слике, док се статуси и подаци других излазних тачака и меких уређаја у области И/О слике или области системске РАМ меморије могу променити. Ладер дијаграми постављени више ће утицати на резултате извршења нижих мердевина дијаграма који упућују на ове калемове или податке. Супротно томе, освежени статуси или подаци логичких калемова у нижим лествичастим дијаграмима ће утицати само на дијаграме више лествице у следећем циклусу скенирања.
Фаза освежавања излаза
Када је скенирање корисничког програма завршено, ПЛЦ улази у фазу освежавања излаза. Током ове фазе, ЦПУ ажурира сва кола излазне резе у складу са статусима и подацима у области И/О слике и покреће одговарајуће периферне уређаје преко излазних кола. Ово означава прави излаз ПЛЦ-а.
Феномен кашњења улаза/излаза
Из процеса рада ПЛЦ-а могу се извући следећи закључци:
Програми се извршавају на начин скенирања, што резултира инхерентним кашњењем у логичком односу између улазних и излазних сигнала. Што је дужи циклус скенирања, то је заостајање веће.
Поред времена које заузимају три главне радне фазе – узорковање улаза, извршавање корисничког програма и освежавање излаза – циклус скенирања такође укључује време које троше операције управљања системом. Време потребно за извршење програма је повезано са дужином програма и сложеношћу инструкцијских операција, док остали фактори остају релативно константни. Циклуси скенирања су обично реда величине милисекунди или микросекунди.
Током н-тог извршавања скенирања, улазни подаци на које се ослања су узоркована вредност Кс добијена током фазе узорковања тог циклуса скенирања. Излазни подаци И(н) заснивају се и на излазној вредности И(н-1) из претходног скенирања и на тренутној излазној вредности Ин. Сигнал послат на излазни терминал представља коначни резултат Ин након што су сви прорачуни извршени током овог циклуса.
Кашњење улазно/излазног одговора није повезано само са методом скенирања већ и са уређењем дизајна програма.