Реализация систем управления на базе программируемых логических контроллеров

Традиционно управление автоматическими циклами работы технологического оборудования осуществлялось с помощью схем релейно-контактной автоматики. Такое решение обеспечивает выполнение всех требуемых функций, что подтверждается всей многолетней практикой автоматизации. В то же время такое решение обладает и рядом принципиальных недостатков.

Основными из этих недостатков являются:

• необходимость разработки для каждого объекта автоматизации своей особенной принципиальной релейно-контактной схемы;

• необходимость разработки полной конструкторской документации на релейно-контактное устройство, реализующее данную принципиальную схему, включая выбор нужного числа типовых конструктивов (шкафов, монтажных субблоков, панелей, пультов, разъемов, коробов и т.п.), а также серийно выпускаемых и доступных электрических аппаратов, определяемых данной принципиальной схемой, выпуск соответствующих сборочных и рабочих чертежей и спецификаций;

• необходимость разработки полной технологической документации на данное конкретное релейно-контактное устройство, включая разработку маршрутной и операционной технологии изготовления и сборки, составление спецификаций и заказ стандартного режущего и вспомогательного инструмента, конструирование специального режущего и вспомогательного инструмента;

• необходимость подготовки и организации производства данного релейно-контактного устройства, включая выбор и организацию отношений с поставщиками, создание необходимых запасов сырья и комплектующих изделий, планирование и организацию производственного процесса;

• необходимость выполнения всего производственного цикла данного конкретного устройства, включая изготовление специальных и комплектацию типовых компонентов, сборку и подсборку данного конкретного устройства, осуществление всего объема монтажных работ;

• необходимость проведения для реализованного таким образом данного конкретного устройства полного объема его испытаний на функциональное соответствие, надежность (определительных и контрольных), эргономичность, включая разработку программы и методики испытаний, а также проектирование, изготовление и проверку испытательных стендов;

• значительные габаритные размеры и энергопотребление реализованного таким образом конкретного устройства;

• отсутствие формализованных методов и средств для диагностирования и локализации неисправностей в реализованном таким образом конкретном устройстве;

• потенциальная ненадежность, связанная с большим числом электрических контактов в реализованном таким образом конкретном устройстве.

Первым шагом на пути перехода к более высокому техническому уровню систем управления автоматическими циклами стали попытки прямой замены элементов релейно-контактных схем их бесконтактными эквивалентами. Однако при этом исключался лишь один, хотя и очень важный, недостаток релейно-контактных схем, а именно их потенциальная ненадежность, обусловленная большим числом задействованных контактов. При этом возникали дополнительные трудности наладки и диагностирования, связанные с отсутствием наглядной визуализации срабатывания или несрабатывания элементов, а также трудности в «размножении» сигналов, которое в традиционных релейно-контактных схемах обеспечивалось наличием нескольких пар контактов у одного реле.

Поэтому наряду с использованием новой элементной базы оказалось необходимым применить и новые принципы построения систем управления автоматическими циклами. Создание современных систем управления стало возможным с появлением специального универсального устройства: программируемого логического контроллера (ПЛК) {англ. PLC — Programmable Logical Controller).

Программируемый логический контроллер представляет собой комплектующее универсальное цифровое устройство, которое потребители, а не изготовители, настраивают на управление конкретным циклом путем занесения в его память соответствующей рабочей программы (совокупности операторов) и соответствующей реализации его адресов с входными и выходными сигналами объекта управления, являющимися операндами.

Программируемый логический контроллер построен по тем же принципам, что и универсальная цифровая вычислительная машина, поэтому с созданием ПЛК у изготовителя оказалась решенной проблема серийности и номенклатуры. Указанная проблема заключается в том, что изделие, выпускаемое по заказу для управления тем или иным конкретным объектом управления, не может изготовляться большой серией. Решением подобной проблемы является выпуск изготовителем большой серии универсальных устройств, которые «привязываются» к тому или иному конкретному объекту силами самих потребителей, автоматизирующих этот конкретный объект управления.

Конструктивно ПЛК выпускаются либо в приборном исполнении, предусматривающем установку данного ПЛК на столе, либо в консольном в исполнении, предусматривающем установку данного ПЛК на стене.

Являясь универсальным цифровым вычислительным устройством, ПЛК содержит все характерные для персонального компьютера функциональные блоки, а именно: процессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), устройство ввода-вывода и индицирующее устройство.

Вместе с тем ПЛК по своим архитектурным принципам характеризуется и существенными структурными особенностями, отличающими его от персонального компьютера:

• разрядная сетка ПЛК содержит в принципе лишь один разряд. Это значит, что в таком контроллере предусматривается обработка не заданных пакетами сигналов в том или ином цифровом коде чисел, а отдельных дискретных сигналов о срабатывании или несрабатывании предельных датчиков состояния тех или иных рабочих органов. Результатом произведенной обработки этих сигналов являются также дискретные сигналы типа «включить» или «выключить», адресованные соответствующему исполнительному механизму;

• минимально необходимая система команд ПЛК может быть ограничена лишь несколькими логическими операциями. Таковыми в случае использования так называемого нормального логического базиса являются три операции: дизъюнкция (соответствующая параллельному соединению), конъюнкция (соответствующая последовательному соединению) и отрицание (соответствующее инвертирующему контакту). Наличие в системе команд ПЛК этих операций позволяет создавать программные эквиваленты любых релейно-контактных структур;

• входной язык программирования ПЛК основан на представлении реализуемых им команд в виде булевых операторов (операторов алгебры логики) либо в виде соответствующих им графических символов релейно-контактных схем. Фразы такого входного языка являются традиционными для проектировщиков принципиальных релейно-контактных схем автоматики;

• входными и выходными данными процесса вычислений являются не массивы алфавитно-цифровой информации, вводимой и редактируемой персоналом до начала либо по окончании процесса вычислительной обработки этих массивов и вне связи с объектом управления, а дискретные одноразрядные сигналы обмена данными с объектом управления, которые либо поступают в контроллер по мере их возникновения в объекте управления, либо генерируются самим контроллером в процессе вычислений.

Существенной и неотъемлемой особенностью всякого ПЛК является наличие в его составе устройств ввода-вывода сигналов. Указанные устройства на каналах связи с объектом должны иметь параметры, используемые в данном конкретном объекте управления, а на каналах связи с ПЛК — параметры, используемые в данном ПЛК.

На входы ПЛК, как и в случае заменяемых им релейно-контактных схем, сигналы могут поступать от конечных выключателей, контролирующих положение подвижных рабочих органов; различного рода оперативных устройств, используемых персоналом; реле давления, контролирующих давление рабочей среды в соответствующих полостях гидро- и пневмосистем; блок-контактов пускателей, коммутирующих силовые цепи питания электродвигателей; внутренних запоминающих элементов и др. Все эти источники входных сигналов ПЛК являются электрическими контактными или бесконтактными устройствами.

Выходные сигналы от ПЛК поступают на исполнительные элементы объекта управления такие, как усилители мощности, управляемые коммутирующие ключи, электромагнитные реле, контакторы и пускатели, электроуправляемые пневмо- и гидрозолотники, тормозные и зажимные механизмы, муфты, а также на различные устройства индикации и светосигнализации типа светодиодов, сигнальных лампочек, светофоров, транспарантов, табло и др.

Устройство занесения программы в ПЛК для управления конкретным объектом не обязательно должно быть конструктивно неотъемлемой частью данного ПЛК. Оно может быть также переносным или возимым и подсоединяться к ПЛК только на время занесения в него программы управления.

Для индикации текущего хода процесса управления в случае использования ПЛК может быть спроектировано специальное табло, соединяемое с этим ПЛК, но может использоваться и универсальный монитор, входящий в состав комплектующего ПЛК.

Комплекты устройств связи с объектом (входных и выходных устройств ПЛК) компонуются по агрегатно-модульному принципу. Они состоят из нескольких блоков, каждый из которых представляет собой ряд зажимов для подводов входных и выходных сигналов.

Чтобы заказать тот или иной ПЛК, нужно предварительно проанализировать объект управления и определить суммарное число входов и выходов. В зависимости от этого числа различают малые ПЛК, у которых это число лежит в пределах от 16 до 64, средние ПЛК — от 128 до 512 и большие ПЛК — от 1 024 до 2 048 и более.

Самым широко применяемым типоразмером ПЛК является средний ПЛК, используемый на агрегатных станках и наиболее распространенных автоматических линиях. Малые ПЛК обычно применяются для управления простыми промышленными роботами, а также работают в составе систем числового программного управления станками типа «обрабатывающий центр», где они управляют циклами автоматического поиска и смены режущего инструмента. Использование больших ПЛК обычно лимитируется принятой организацией производственного процесса.

Процедура «привязки» к конкретному объекту полученного в виде комплектующего изделия ПЛК сводится к следующему:

• по конструктивным соображениям производят распределение источников и адресатов по входным и выходным модулям ПЛК и им присваиваются внутрисистемные номера, под которыми они будут фигурировать в булевых или графических соотношениях, связывающих входы и выходы данного ПЛК;

• составляют написанные на входном языке данного ПЛК программы, определяющие требуемые причинно-следственные зависимости между выходами и входами данного ПЛК;

• производят установку ПЛК на объекте управления, включая трассирование его входных и выходных кабельных соединений;

• заносят в память ПЛК его рабочую программу;

• запускают занесенную в память ПЛК рабочую программу в стартстопном режиме, просматривая и проверяя реакцию ПЛК на совершение объектом управления тех или иных операций автоматического рабочего цикла;

• после редактирования и отладки рабочей программы ПЛК ее запускают в автоматическом цикле.

Аргументы булевых соотношений, соответствующие входам ПЛК, однозначно определяют сигналы, поступающие с объекта управления. Обозначим их X_к, где К — внутрисистемный номер данного аргумента.

Функции, получаемые в результате применения булевых соотношений к этим аргументам, соответствуют выходам ПЛК, т.е. сигналам, передающимся для исполнения на объект управления, и обозначаются Ys, где S — внутрисистемный номер данного выходного сигнала.

Сигнал на выход ПЛК поступает не от объекта, а порождается самим ПЛК. Этот сигнал существует, пока рабочей программой ПЛК не будет выработан другой сигнал, который вызовет его снятие. Поэтому все сигналы на выходе ПЛК следует считать потенциальными и не нужно оговаривать это специально, хотя сигналы на входах ПЛК могут быть как потенциальными, так и импульсными.

Следует заметить, что современные ПЛК помимо логических функций, минимально необходимых для управления автоматическими циклами, в ряде случаев выполняют функции, позволяющие осуществлять также и арифметические операции, и обработку текстов. Они бывают снабжены устройствами внешней памяти и различными устройствами печати, позволяющими документировать ход производства.

Тема 9

Поиск по сайту: