Режим реального времени и ограничения на применение ПЛК

Программируемые контроллеры

Определение ПЛК

Любая машина, способная автоматически выполнять некоторые операции, имеет в своем составе управляющий контроллер — модуль, обеспечивающий логику работы устройства.

Технически контроллеры реализуются по-разному. Это может быть механическое устройство, пневматический или гидравлический автомат, релейная или электронная схема или даже компьютерная программа.

Контроллеры, выполненные на основе реле или микросхем с жесткой логикой, невозможно научить делать другую работу без существенной переделки. Очевидно, что такой возможностью обладают только программируемые логические контроллеры (ПЛК). Идея создания ПЛК родилась практически сразу с появлением микропроцессора, т. е. 30 лет назад.

Физически, типичный ПЛК представляет собой блок, имеющий определенный набор выходов и входов, для подключения датчиков и исполнительных механизмов (рис. 1.1).

Логика управления описывается программно на основе микрокомпьютерного ядра. Абсолютно одинаковые ПЛК могут выполнять совершенно разные функции. Причем для изменения алгоритма работы не требуется каких-либо переделок аппаратной части. Аппаратная реализация входов и выходов ПЛК ориентировала на сопряжение с унифицированными приборами и мало подвержена изменениям.

Задачей прикладного программирования ПЛК является только реализация алгоритма управления конкретной машиной. Опрос входов и выходов контроллер осуществляет автоматически, вне зависимости от способа физического соединения. Эту работу выполняет системное программное обеспечение, В идеальном случае прикладной программист совершенно не интересуется, как подсоединен и где расположены датчики и исполнительные механизмы. Мало того, его работа не зависит от того, с каким контроллером и какой фирмы он работает. Благодаря стандартизации языков программирования прикладная программа оказывается переносимой. Это означает, что ее можно использовать в любом ПЛК, поддерживающем данный стандарт.

Программируемый контроллер — 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 определенные последовательности программно заданных действий, отражающихся в изменении выходов.

ПЛК предназначен для работы в режиме реального времени в условиях промышленной среды и должен быть доступен для программирования неспециалистом в области информатики.

Изначально предназначались для управления последовательными логическими процессами что и обусловило слово логический в названии ПЛК. Современные ПЛК помимо простых логических операций способны выполнять цифровую обработку сигналов, управление приводами, регулирование, функции операторского управления и т. д.

Конструкция ПЛК может быть самой разнообразной — от стойки, заполненной аппаратурой, до миниатюрных ПЛК.

Впервые ПЛК были применены в США для автоматизации конвейерного сборочного производства в автомобильйой промышленности (фирма Модикон, 1969 г.). Сегодня ПЛК работают во всех отраслях промышленности, в системах обеспечения безопасности, в коммунальном хозяйстве и т. д.

Входы-выходы

На заре своего появления ПЛК имели только бинарные входы, т. е. входы, значения сигналов на которых способны принимать только два состояния — логического нуля и логической единицы. Так, наличие тока (или напряжения) в цепи входа считается обычно логической единицей. Отсутствие тока (напряжения) означает логический 0. Датчиками, формирующими такой сигнал, являются кнопки ручного управления, концевые датчики, датчики движения, контактные термометры и многие другие.

Бинарный выход также имеет два состояния — включен и выключен. Сфера применения бинарных выходов очевидна: электромагнитные реле, силовые пускатели, электромагнитные клапаны, световые сигнализаторы и т. д.

В современных ПЛК широко используются аналоговые входы и выходы. Аналоговый или непрерывный сигнал отражает уровень напряжения или тока, соответствующий некоторой физической величине в каждый момент времени. Этот уровень может от носиться к температуре, давлению, весу, положению, скорости, частоте и т. д. Словом, к любой физической величине.

Аналоговые входы контроллеров могут иметь различные параметры и возможности. Так, к их параметрам относятся: разрядность АЦП, диапазон входного сигнала, время и метод преобразования, несимметричный или дифференциальный вход, уровень шума и нелинейность, возможность автоматической калибровки, программная или аппаратная регулировка коэффициента усиления, фильтрация. Особые классы аналоговых входов представляют входы, предназначенные для подключения термометров сопротивления и термопар. Здесь требуется применение специальной аппаратной поддержки (трехточечное включение, источники образцового тока, схемы компенсации холодного спая, схемы линеаризации и т. д.).

В сфере применения ПЛК бинарные входы и выходы называют обычно дискретными. Хотя, конечно, это не точно. Аналоговые сигналы в ПЛК обязательно преобразуются в цифровую, т. е. заведомо дискретную форму представления. Но в технических документах ПЛК любой фирмы вы встретите именно указание количества дискретных и аналоговых входов

Помимо “классических” дискретных и аналоговых входов – выходов многие ПЛК имеют специализированные входы – выходы. Они ориентированны на работу с конкретными специфическими датчиками, требующими определенных уровней сигналов, питания и специальной обработки. Например, квадратурные шифраторы, блоки управления шаговыми двигателями, интерфейсы дисплейных модулей и т. д.

Входы-выходы ПЛК не обязательно должны быть физически сосредоточены в общем корпусе с процессорным ядром. В последние годы все большую популярность приобретают технические решения, позволяющие полностью отказаться от прокладки кабелей для аналоговых цепей. Входы-выходы выполняются в виде миниатюрных модулей, расположенных в непосредственной близости от датчиков и исполнительных механизмов. Соединение подсистемы ввода - вывода с ПЛК выполняется посредством одного общего цифрового кабеля. Например, для передачи данных и питания всего по двум проводам.

 

Режим реального времени и ограничения на применение ПЛК

Для математических систем характеристикой качества работы является правильность найденного решения. В системах реального времени помимо правильности решения определяющую роль играет время реакции. Логически верное решение, полученное с задержкой более допустимой, не является приемлемым.

Принято различать системы жесткого и мягкого реального времени. В системах жесткого реального времени существует выраженный временной порог. При его превышении наступают не обратимые катастрофические последствия. В системах мягкого реального времени характеристики системы ухудшаются с увеличением времени управляющей реакции. Система может работать плохо или еще хуже, но ничего катастрофического при этом не происходит.

Классический подход для задач жесткого реального времени требует построения событийно управляемой системы. Для каждого события в системе устанавливается четко определенное время реакции и определенный приоритет. Практическая реализация таких систем сложна и всегда требует тщательной проработки и моделирования.

Для ПЛК существенное значение имеет не только быстродействие самой системы, но и время проектирования, внедрения и возможной оперативной переналадки.    

Абсолютное большинство ПЛК работают по методу периодического опроса входных данных (сканирования). ПЛК опрашивает входы, выполняет пользовательскую программу и устанавливает необходимые значения выходов. Специфика применения ПЛК обусловливает необходимость одновременного решения нескольких задач. Прикладная программа может быть реализована в виде множества логически независимых задач, которые должны работать одновременно.

На самом деле ПЛК имеет обычно один процессор и выполняет несколько задач псевдопараллельно, последовательными порциями. Время реакции на событие оказывается зависящим от числа одновременно обрабатываемых событий. Рассчитать минимальное и максимальное значения времени реакции, конечно, можно, но добавление новых задач или увеличение объема программы приведет к увеличению времени реакции. Такая модель более подходит для систем мягкого реального времени. Современные ПЛК имеют типовое значение времени рабочего цикла, измеряемое единицами миллисекунд и менее. Поскольку время реакции большинства исполнительных устройств значительно выше, с реальными ограничениями возможности использования ПЛК по времени приходится сталкиваться редко.

В некоторых случаях ограничением служит не время реакции на событие, а обязательность его фиксации, например работа с датчиками, формирующими импульсы малой длительности. Это ограничение преодолевается специальной конструкцией входов. Так, счетный вход позволяет фиксировать и подсчитывать импульсы с периодом во много раз меньшим времени рабочего цикла ПЛК. Специализированные интеллектуальные модули в составе ПЛК позволяют автономно отрабатывать заданные функции, на пример модули управления сервоприводом.

Условия работы ПЛК

К негативным факторам, определяющим промышленную среду, относятся: температура и влажность, удары и вибрация, коррозионно-активная газовая среда, минеральная и металлическая пыль, электромагнитные помехи. Перечисленные факторы, весьма характерные для производственных условий, обусловливают жесткие требования, определяющие схемотехнические решения, элементную и конструктивную базу ПЛК. В процессе серийного производства ПЛК обязательным является технический прогон готовых изделий, включающий климатические, вибрационные и другие испытания.

ПЛК — это конструктивно законченное изделие физическое исполнение которого определяется требуемой степенью защиты, начиная от контроллеров в легких пластиковых корпусах, предназначенных для монтажа в шкафу (степень защиты IР20), и до герметичных устройств в литых металлических корпусах, предназначенных для работы в особо жестких условиях.

Правильно подобранный по условиям эксплуатации контроллер нельзя повредить извне без применения экстремальных методов. Штатными для ПЛК являются такие аппаратные решения, как полная гальваническая развязка
входов - выходов, защита по току и напряжению, зеркальные выходные каналы, сторожевой таймер задач и микропроцессорного ядра.