Программируемые промышленные контроллеры. Основные принципы организации работы PLC. Области памяти ПЛК. Рабочий цикл ПЛК. Обмен данными между модулем центрального процессора и модулями ввода-вывода. Режимы работы ПЛК (горячий рестарт, теплый рестарт старт, стоп и т.д)
Программируемые логические контроллеры — это специальные микрокомпьютеры, предназначенные для выполнения операции переключения в промышленных условиях. Современные PLC помимо простых логических операций способны выполнять цифровую обработку сигналов, управление приводами, регулирование, функции операторского управления для управления исполнительными механизмами — электродвигателями, клапанами, лампочками и т. п., которые являются неотъемлемой частью систем автоматизации во всех отраслях промышленности.
Основные операции PLC соответствуют комбинационному управлению логическими схемами. Кроме того, современные PLC могут выполнять другие операции, например функции счетчика и интервального таймера, обрабатывать задержку сигналов и т. д. Основное преимущество PLC заключается в том, что одиночная компактная схема может заменить сотни реле. Другое преимущество — функции PLC реализуются программно, а не аппаратно, поэтому его поведение можно изменить с минимальными усилиями.
ПЛК (PLC) – это программно-управляемый дискретный автомат, имеющий некоторое множество входов, подключенных посредством датчиков к объекту управления, и множество выходов, подключенных к исполнительным устройствам. ПЛК контролирует состояния входов и вырабатывает определённые последовательности программно заданных действий, отражающихся в изменении выходов.
Емкость памяти определяет количество переменных (тегов), которые могут быть обработаны в процессе функционирования ПЛК. В микропроцессорах время доступа к памяти является одним из существенных факторов, ограничивающих быстродействие. Поэтому память делят на несколько уровней иерархии, в зависимости от частоты использования хранящихся в ней данных и быстродействия.
Основными типами памяти является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и набор регистров. Регистры являются самыми быстродействующими элементами памяти, поскольку они используются арифметико-логическим устройством (АЛУ) для исполнения элементарных команд процессора. ПЗУ используют для хранения редко изменяемой информации, такой, как операционная система, драйверы устройств, загрузчик, исполняемый модуль программы пользователя. ОЗУ используется для хранения данных, которые многократно изменяются в процессе работы контроллера, например, значения тегов, результаты промежуточных вычислений, диагностическая информация, массивы, выводимые на графики, данные для отображения на дисплее.
Задачи управления требуют непрерывного циклического контроля. В любых цифровых устройствах непрерывность достигается за счет применения дискретных алгоритмов, повторяющихся через достаточно малые промежутки времени. Таким образом, вычисления в PLC всегда повторяются циклически. Одна итерация, включающая замер, обсчет и выработку воздействия, называется рабочим циклом PLC. Выполняемые действия зависят от значения входов контроллера, предыдущего состояния и определяются пользовательской программой. По включению питания PLC выполняет самотестирование и настройку аппаратных ресурсов, очистку оперативной памяти данных (ОЗУ), контроль целостности прикладной программы пользователя. Если прикладная программа сохранена в памяти, PLC переходит к основной работе, которая состоит из постоянного повторения последовательности действий, входящих в рабочий цикл.
Рабочий цикл PLC состоит из нескольких фаз.
1. Начало цикла.
2. Чтение состояния входов.
3. Выполнение кода программы пользователя.
4. Запись состояния выходов.
5. Обслуживание аппаратных ресурсов PLC.
6. Монитор системы исполнения.
7. Контроль времени цикла.
8. Переход на начало цикла.
Обмен данными между модулем центрального процессора и модулями ввода-вывода
При организации обмена данными между узлами ПЛК используются те же принципы, что и в ЭВМ с шинной организацией. Центральный процессор под управлением операционной системы опрашивает входы ПЛК, размещает полученные данные в специальных областях, исполняет программу и передаёт новые значения на выходы ПЛК. Каждый модуль ввода-вывода, входящий в состав ПЛК, есть не что иное, как периферийное устройство, конкретные характеристики и способы работы с которым задаются на этапе конфигурирования контроллера. Обмен данными с периферийными устройствами осуществляется с помощью портов ввода-вывода.
Каждому модулю ввода-вывода назначается свой уникальный диапазон портов ввода-вывода. Таким образом, центральный процессор ПЛК может обратиться к любому модулю ввода-вывода с запросом на чтение (модули ввода) или записи данных (модули вывода). В состав каждого модуля входит один или несколько регистров данных – локальная память модуля. При обращении к модулю ввода-вывода центральный процессор передаёт по шине адреса адрес соответствующего порта ввода-вывода, а по шине управления – тип операции (чтение из порта или запись в порт). Данные передаются по шине данных. Таким образом, центральный процессор и модули ввода-вывода работают асинхронно: модули ввода непрерывно опрашивают свои входы, постоянно поддерживая в актуальном состоянии локальную память модуля, а центральный процессор периодически считывает значения из локальной памяти каждого модуля ввода во время фазы опроса входов (первая фаза рабочего цикла ПЛК). Модули вывода постоянно удерживают на выходах значения из своей локальной памяти. Поэтому, как только значение локальной памяти модуля вывода изменяется центральным процессором во время фазы установки выходов (третья фаза рабочего цикла ПЛК), на выходах модуля вывода устанавливаются новые значения.
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 таким образом, чтобы после восстановления напряжения питания при случайном его прерывании или в аварийном режиме системы исполнительные устройства находились в безопасном для персонала или системы состоянии
Способность контроллера переводить свои выходы в заранее определенное состояние сразу после обнаружения снижения напряжения питания или после внутреннего отказа называется отказоустойчивым отключением.
Если повторный запуск ПЛК выполняется после того, как все динамические данные (переменные входов-выходов, состояние внутренних регистров, таймеров, счетчиков, программные контексты) были возвращены в заранее определенное состояние, то такой запуск называется холодным рестартом. Холодный рестарт может быть как ручным, так и автоматическим.
Горячим рестартом называют повторный запуск ПЛК, который выполняется настолько быстро после пропадания питания, что все динамические переменные не успевают измениться и поэтому работоспособность восстанавливается таким образом, будто питания не пропадало.
Теплым рестартом называют повторный запуск после обнаружения неисправности питания с заранее определенным и программируемым пользователем множеством динамических данных и системным контекстом прикладной программы. Теплый рестарт характеризуется сигнализацией состояния или эквивалентными средствами, позволяющими убедиться в том, что прикладная программа зарегистрировала прекращение неисправности питания, обнаруженное конфигурацией ПЛК в режиме пуска.
Основные характеристики модулей центральных процессоров. Оценки производительности промышленных контроллеров.
Основные характеристики модулей центральных процессоров во многом определяются принципами функционирования ПЛК:
· память. Измеряется в байтах, словах или инструкциях. Для памяти указывают следующие характеристики:
1. объём рабочей, загрузочной и системной памяти;
2. возможность использования карт расширения памяти, как загрузочной, так и рабочей;
3. возможность защиты данных рабочей памяти – наличие буферной батареи;
4. объём побитно адресуемой памяти (флаговой памяти);
· быстродействие. Указывается либо время выполнения различных операций (логических, операций со словами, операций с вещественными числами и т.д.) как это делает Siemens, либо характеристики используемого процессора (например, Intel 80186, 20 МГц), как это делают Schneider Electric, PEP Modular Computers.
· средства программирования и особенности реализации пользовательской программы:
1. пакет или среда программирования;
2. используемые языки программирования;
3. максимальный размер и количество программных блоков (секций), блоков данных;
4. максимальная глубина вложения вызова процедур и функций;
5. способы исполнения программы (циклический, периодический, по событию);
6. максимальное количество счётчиков, таймеров;
7. наличие сторожевого таймера;
8. наличие часов реального времени;
· система ввода-вывода:
1. адресное пространство ввода-вывода (в байтах или словах). Размер адресного пространства позволяет определить максимальное количество обслуживаемых контроллером входов и выходов. Так для подключения одного аналогового сигнала требуется два байта или одно слово. Эти же два байта могут использоваться для подключения 16-ти дискретных сигналов;
2. максимальное количество модулей ввода-вывода, которые можно подключить локально;
3. максимальное количество модулей ввода-вывода, которые можно подключить к станции расширения;
4. максимальное количество станций расширения, подключаемых удалённо или распределённо;
5. максимальное количество сетей удалённого и распределённого вводавывода;
· реализация коммуникационных функций – встроенная поддержка интерфейсов промышленных сетей;
· технические характеристики:
1. напряжение питания:
2. номинал, допустимый диапазон;
3. потребляемый ток: при включении, во время работы;
4. потребляемая мощность;
5. габариты;
6. масса;
7. диапазон рабочих температур;
8. относительная влажность.
Производительность ПЛК оценивается по следующим параметрам:
· длительность контроллерного цикла (период считывания значений из каналов ввода, обработки в процессоре и записи в каналы вывода);
· время выполнения команд (отдельно логических, с фиксированной и с плавающей точкой);
· пропускная способность шины между контроллером и модулями ввода-вывода;
· пропускная способность промышленной сети;
· время цикла опроса всех контроллеров в одномастерной сети или цикл обращения маркера для многомастерных сетей с маркером;
· время реакции.