Программируемые контроллеры предназначены для управления сложными технологическими установками и регулирования как отдельных технологических параметров, так и их целого комплекса. Программируемый контроллер – это электронная вычислительная машина, доступная для программирования последовательных логических процессов управления и регулирования в условиях промышленной среды в реальном времени. Причем процедуру программирования может производить любой инженер-технолог, не являющийся специалистом в области программирования вообще. Обычно программируемый контроллер выполняет три функции:
- получение информации о состоянии технологического процесса;
- принятие решения по управлению на основе проведения необходимых расчетов;
- выдачу управляющих сигналов, позволяющих корректировать течение технологического процесса.
Простейший программируемый контроллер включает в себя блок процессора и комплект модулей связи контроллера с объектом управления. К процессору могут быть приданы дополнительные блоки оперативной и постоянной памяти, накопители на магнитных дисках, CD-привод, манипулятор (мышь) и другие атрибуты персонального компьютера. Далее, в зависимости от условий использования контроллера и его сложности, контроллер может быть снабжен клавишным устройством, монитором и другими периферийными устройствами, используемыми для работы с обычными персональными вычислительными машинами. Но чаще всего из всех атрибутов персонального компьютера ограничиваются лишь накопителем на магнитном диске, накопителем на гибких дисках или CD-приводом для ввода рабочей программы и простейшим съемным клавишным устройством. Общая схема программируемого контроллера представлена на рис. 3, на котором процессор, оперативная память, контроллеры и адаптеры КУ1…КУn вместе с периферийными устройствами У1…Уn - это обычные элементы любой вычислительной машины, в том числе и персональной, а уже контроллер связи КСО, магистраль модулей связи с объектом, включая и сами модули связи М1…Мn, превращают данную электронную вычислительную машину в программируемый контроллер.
У современных контроллеров достаточно широкий ряд различных типов модулей связи, основными из которых являются следующие.
Модули ввода дискретных величин постоянного или переменного тока позволяют программируемому контроллеру анализировать состояние отдельных агрегатов управляемых технологических установок: включены или выключены они, какие режимы управления включены и другие, им подобные. Для этой цели могут использоваться электрические контакты пусковой аппаратуры, концевые выключатели, различные включатели и переключатели. На вход такого контакта подается электрическое напряжение постоянного или переменного тока, а другой конец контакта соединен с входной клеммой модуля. Таким образов, если электрический контакт замкнут, то на соответствующей входной клемме будет напряжение, равное поданному на упомянутый электрический контакт, а если он разомкнут, то на соответствующей входной клемме напряжение будет отсутствовать. Вместо электрического контакта может использоваться и бесконтактное устройство, на выходе которого может либо быть напряжение, либо нет, в зависимости от состояния контролируемого объекта. Количество входных клемм одного модуля обычно кратно 8, это 8, 16, 24 или 32. Столько же может контролироваться и объектов управления.
Рис. 3. Общая схема программируемого контроллера:
У1…Уn – периферийные устройства ЭВМ контроллера;
КУ1…КУn – контроллеры и адаптеры периферийных устройств;
КСО – контроллер связи с объектом управления;
М1…Мn – модули связи с объектом управления
Модули вывода дискретных величин постоянного или переменного тока позволяют включать, выключать или переключать различные агрегаты технологических установок. На выходных клеммах по заданной программе программируемый контроллер формирует напряжение, с помощью которого и производится управление. Если модуль предназначен для формирования управляющего напряжения переменного тока, то этим напряжением можно непосредственно включать магнитный пускатель или пусковое электромагнитное реле. Обычно формируется напряжение величиной 110 или 220 В. Если же модуль формирует постоянное напряжение (обычно 24 В), то в этом случае можно использовать для управления объектом бесконтактные элементы, такие, как тиристоры, семисторы и оптронные тиристоры. Использование этих элементов значительно повышает надежность управления технологических установок. Как и в модулях ввода, модули вывода имеют 8, 16 или 24 выходные клеммы. Разумеется, программируемый контроллер может управлять и таким же количеством независимых управляемых агрегатов.
Модули ввода непрерывных сигналов постоянного тока позволяют измерять и вводить в контроллер в числовом виде величину напряжения как функцию измеряемого технологического параметра. Для этой цели в модуле имеются преобразователи напряжение-код, которые преобразует величину напряжения в двоичный позиционный числовой код, воспринимаемый самим контроллером. Точность восприятия величины сигнала определяется числом двоичных разрядов. Восьмиразрядные преобразователи воспринимают измеряемую величину с погрешностью примерно 0,4%, а 12-разрядные – 0,025%, больше чем достаточно для целей управления. Количество входов модуля ввода зависит от конструкции модуля, оно различное для разных типов контроллера.
Модули вывода непрерывных сигналов выводят на выходную клемму напряжение постоянного тока, изменяющееся в некотором интервале, заданном для данного модуля. Обычно диапазон выходного напряжения лежит в пределах от нуля до 24 В. Применяется такой модуль для управления объектами, работа которых зависит от величины напряжения. Примером таких объектов может служить частотный силовой преобразователь для частотно-регулируемого электропривода, в этом случае скорость вращения электропривода зависит от величины управляющего напряжения Это напряжение как раз и формирует модуль вывода непрерывных сигналов, которое рассчитывается самим контроллером. Количество выводных клемм также зависит от конструкции модуля и контроллера.
В некоторых типах контроллеров могут быть специальные модули для организации сети контроллеров при многоуровневом управлении сложным комплексом технологического оборудования, а также могут быть и модули для непосредственной связи с персональным компьютером общего назначения через так называемые последовательные или параллельные порты. Если же операционной системой ЭВМ контроллера уже предусмотрена возможность связи с персональным компьютером или организации сети, то в применении таких модулей нет необходимости, и в номенклатуре модулей таких контроллеров эти модули отсутствуют.
Среди многочисленного ряда программируемых контроллеров можно отметить следующие контроллеры.
Программируемые контроллеры системы МикроДАТ: МБ57.01 на 4 модуля связи, МБ57.02 на 8 модулей связи, МБ57.03 на 16 модулей и МУ58 на 32 модуля связи с объектом управления. Среди модулей связи можно отметить модуль ввода дискретных сигналов постоянного тока на 12 и 24 В, модуль вывода дискретных сигналов постоянного тока на 24 В, модуль ввода дискретных сигналов переменного тока на 110 В, модуль вывода дискретных сигналов переменного тока на 110 В, модуль ввода и модуль вывода непрерывных сигналов постоянного тока в разных диапазонах: (0 – 5) В, (-5 – +5) В, (-10 – +10) В по напряжению и (0 – 5) мА, (-5 – +5) мА, (-10 – +10) мА по току. Каждый модуль имеет по 8 или 16 входов или выходов. Кроме того, в номенклатуре имеется модуль согласователь интерфейсов для связи с другими персональными ЭВМ и модуль последовательного ввода-вывода связи контроллеров друг с другом при организации многоуровневых систем управления комплексами технологического процесса.
У программируемого контроллеар ФК 5001 в списке выпускаемых модулей предусмотрены: модуль ввода дискретных сигналов постоянного тока на 5, 12 и 24 В, модуль вывода сигналов постоянного тока 24 В, модуль ввода дискретных сигналов переменного тока на 110 и 220 В, модуль вывода дискретных сигналов переменного тока 110 В, модуль последовательного ввода-вывода для организации связи контроллеров друг с другом, модули ввода и модули вывода непрерывных сигналов постоянного тока и др. Общее количество входов и выходов может достигать 1024.
Программно-техническое средство УНИКОНТ выпускает широкий спектр контроллеров в разных исполнениях и на различное количество модулей связи, от 4 до 16, а с блоком расширения – до 32. Среди модулей связи можно отметить: модуль ввода дискретных сигналов постоянного тока 24 В на 32 входа, модуль формирования дискретных сигналов вывода постоянного тока 24 В на 24 выхода, модуль ввода и модуль вывода дискретных сигналов переменного тока 110 В на 16 входов-выходов, аналого-цифровой преобразователь на 60 12- разрядных сигналов ввода, адаптер связи до 64 подобных комплексов друг с другом и ряд других специальных модулей. В одном комплексе с блоком расширения количество входных и выходных сигналов может быть до 10 000.
Семейство контроллеров SIMATIC фирмы SIEMENS позволяет включать до 32 различных модулей. Среди них можно отметить модуль ввода дискретных величин постоянного тока 24 В на 8 или 16 входов, модуль вывода дискретных величин постоянного тока 24 В на 8 выходов, модуль ввода-вывода дискретных величин постоянного тока 24 В на 16 входов и 8 или 16 выходов, 12-разрядный модуль ввода-вывода непрерывных сигналов постоянного тока ±10 В или ±20 мА на 4 входа и 2 выхода.
Контроллеры типа С60, С100, С200 и С300 тоже позволяют использовать до 16, а с блоком расширения – до 32 модулей связи. Среди них можно отметить модуль ввода-вывода дискретных сигналов постоянного тока напряжением 24 В на 16 входов и 8 выходов, 12-разрядный модуль ввода-вывода непрерывных сигналов постоянного тока на 16 входов и 2 выхода.
Программируемый контроллер называется программируемым, так как для управления технологическим оборудованием необходимо составлять соответствующую программу управления, представляющую собой последовательный набор инструкций управления. Эта программа помещается в память ЭВМ контроллера вместе с другими программными продуктами, необходимыми для работы этой программы. Распределение памяти в разных контроллерах организована по-разному, но в любом случае она состоит из оперативной памяти и памяти на магнитных дисках или ячейках твердой памяти. Во время включения контроллера и его работы все необходимые программные продукты располагаются в оперативной памяти ЭВМ контроллера. Структура оперативной памяти ЭВМ контроллера представлена на рис. 4, где ОС – операционная система для связи программных и физических объектов между собой, без чего невозможно нормальное функционирование контроллера как электронной вычислительной машины. Интерпретирующая программа производит расшифровку и выполнение инструкций рабочей программы путем ввода и вывода информации с модулей связи и соответствующей ее обработки.
 |
Рис 4. Структура оперативной памяти контроллера
Рабочая программа включает в себя список инструкции рабочей программы, таблицу данных и вспомогательные данные, которые определяют конфигурацию контроллера, порядок работы отдельных составляющих рабочей программы, а также диагностические данные работающих частей программы и отдельных устройств контроллера во время его нормальной работы и при аварийных остановах. Инструкции рабочей программы представлены на специальном алгоритмическом языке и указывают интерпретатору, какие необходимо произвести арифметические или логические операции с информацией, находящейся в таблице данных. Интерпретатор выбирает из списка инструкций по порядку отдельные инструкции, расшифровывает и выполняет их. По окончании просмотра всех инструкций производится обмен данных между соответствующими областями таблицы данных и всеми модулями ввода и вывода дискретных величин, после чего интерпретатор начинает снова просматривать все инструкции рабочей программы, начиная с первой.
 |
Таблица данных, структура которой приведена на рис. 5, включает в себя следующие составляющие:
Рис. 5. Структура таблицы данных
Арифметические аккумуляторы хранят результаты только что выполненной инструкции, связанной с арифметическими вычислениями. Это может быть одна или несколько ячеек памяти, которые могут быть поименованы или нет, в зависимости от типа программируемого контроллера. Логический аккумулятор хранит в себе результаты последней выполненной инструкции по обработке логических данных, обычно связанных с модулями ввода и вывода дискретных величин. Для отображения сигналов модулей ввода и вывода дискретных сигналов в таблице данных отведена отдельная область, с которой производится обмен данных в конце каждого цикла интерпретатора после просмотра всех инструкций рабочей программы. Также отводится отдельная область для обмена данными с модулями ввода и вывода непрерывных сигналов, а также для работы модулей последовательного ввода-вывода связи с другими контроллерами и вычислительными машинами. Для выполнения инструкций, связанных с таймерами и счетчиками, также выделяется отдельная область таблицы данных. Кроме того, предусмотрены отдельные области для хранения различного рода констант и промежуточных результатов выполнения инструкций рабочей программы.
Таким образом, в каждом цикле из непрерывного ряда их производятся вначале операции над числами и кодами в таблице данных, а затем опрос модулей ввода дискретных величин для анализа состояния технологического процесса и вывод на модуль вывода кодов дискретных или непрерывных величин для непосредственного управления отдельными агрегатами технологического оборудования.