Что такое программируемые контроллеры (ПЛК): назначение, особенности и принцип их работы

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) Авангард-10 производства ООО "НТК  Приборэнерго" являются одним из наиболее важных инструментов в автоматизации технологических процессов в промышленности, энергетике, медицине и других отраслях. Они позволяют создавать и управлять сложными системами, которые могут обрабатывать большие объемы данных и принимать решения на основе этих данных. В этой статье мы рассмотрим, что такое ПЛК, как они работают, какие преимущества они предоставляют и как их можно использовать в различных отраслях промышленности.

Устройство и схема ПЛК

Устройство ПЛК можно разбить на 3 основные секции, независимо от их конструкции:

• входная;

• выходная;

• центральная.

1. Дискретные входы используются для получения информации о состоянии различных устройств или датчиков. Они могут принимать значения "0" или "1", что соответствует логическому состоянию "включено" или "выключено". Например, дискретный вход может использоваться для контроля включения/выключения освещения, открытия/закрытия двери или переключения режима работы оборудования.

2. Аналоговые входы используются для получения информации о какой-либо непрерывно изменяющейся физической величине, например для получения информации об уровне жидкости, давления, температуры и других физических параметров. Они могут быть преобразованы в цифровой формат с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Аналоговые входы позволяют получать более точную информацию о процессе, чем дискретные входы.

3. Специальные входы используются для передачи информации о специальных событиях, таких как аварийные сигналы, сигналы от внешних устройств или сигналы от других ПЛК. Они могут иметь различные форматы данных и протоколы связи.

Выбор правильного типа входа зависит от конкретной задачи, которую необходимо решить с помощью ПЛК. Дискретные входы обычно используются для простых задач управления, тогда как аналоговые входы и специальные входы могут использоваться для более сложных задач.

Выходная секция

Выходная секция программируемого логического контроллера (ПЛК) предназначена для управления исполнительными механизмами и устройствами. Она состоит из выходных портов, которые могут быть дискретными или аналоговыми. Дискретные порты используются для управления дискретными устройствами. Аналоговые порты позволяют управлять аналоговыми устройствами. В качестве нагрузки выходов могут быть подключены пускатели моторов, освещение, клапаны, смарт-устройства и т.д.

Выходная секция свободно программируемого контроллера ПЛК может быть реализована на различных типах микросхем, включая микроконтроллеры, специализированные микросхемы для управления двигателями или клапанами, а также программируемые драйверы для управления силовыми ключами.

Для управления исполнительными механизмами используются специальные алгоритмы, которые определяют, какие выходы должны быть активированы для достижения желаемого результата. Эти алгоритмы могут быть написаны пользователем на языке программирования ПЛК или загружены из внешней памяти.

Центральная секция

В центральную секцию входит процессор, память и интерфейсы для связи с другими устройствами. Она отвечает за выполнение программы, которая была написана на языке программирования ПЛК.

В качестве центрального процессора в ПЛК выступают микропроцессоры. Они выполняют основную обработку данных и управление системой. Микропроцессоры имеют высокую скорость работы и способны обрабатывать большое количество информации. Могут работать в режиме реального времени или в фоновом режиме. В режиме реального времени микропроцессор обрабатывает данные, поступающие от датчиков и других устройств, и принимает решения на основе этих данных. В фоновом режиме микропроцессор может выполнять задачи, не связанные с управлением процессом, такие как обновление прошивки или диагностика системы.

В зависимости от конкретных задач необходимо подбирать ПЛК с соответствующими системными характеристиками микропроцессора (CPU, RAM, ROM, RTC и т.д.).

Принцип работы PLC (Programmable Logic Controller)

Принцип работы свободно программируемых контроллеров ПЛК заключается в обработке входных сигналов, выполнении заданной программы и управлении выходами. Рабочий цикл ПЛК состоит из четырех основных фаз:

1. Опрос входов - на этой фазе ПЛК опрашивает все входные сигналы, которые были переданы на его входы. Это может быть информация от датчиков, кнопок, переключателей и других устройств.

2. Выполнение пользовательской программы - на этой фазе программа, написанная пользователем, выполняется на ПЛК. Программа может быть написана на специальном языке программирования.

3. Установка значений выходов - после выполнения программы ПЛК устанавливает значения на своих выходах. Выходы могут быть различными устройствами, такими как насосы, освещение, электродвигатели и т.д.

4. Некоторые вспомогательные операции - на этой фазе могут выполняться дополнительные операции, такие как проверка состояния входов, обновление программного обеспечения, визуализация и т.д.

Таким образом, принцип работы ПЛК основан на обработке входных данных, выполнении пользовательской программы и управлении выходными сигналами. Рабочий цикл ПЛК состоит из 4 фаз, которые обеспечивают его эффективную работу в различных производственных процессах.

Типы PLC

По конструктивному исполнению программируемые логические контроллеры могут быть разделены на:

• моноблочные;

• модульные.

Моноблочные

Моноблочные программируемые контроллеры представляют собой одно устройство, на котором расположены все необходимые компоненты для работы (входы, выходы и некоторые интерфейсы) . Такие контроллеры имеют компактный размер и просты в установке.

Их можно использовать без дополнительных модулей для автоматизации систем. Если входов/выходов не хватает можно использовать дополнительные модули ввода/вывода.

Модульные

Модульные программируемые контроллеры состоят из нескольких модулей, которые могут соединяться между собой через специальные разъемы. Это позволяет создавать более сложные системы,  так как можно добавлять новые модули и расширять функциональность систем, также могут быть добавлены и заменены модули в любой момент времени.

Ниже пример программируемого логического контроллера (ПЛК) Авангард-10 модуля ввода/вывода от российского производителя «Приборэнерго»:

Языки программирования ПЛК

Международной Электротехнической Комиссией разработан стандарт МЭК-61131-3, концентрирующий все передовое в области языков программирования для систем автоматизации технологических процессов. Этот стандарт требует от различных изготовителей ПЛК предлагать команды, являющиеся одинаковыми и по внешнему виду, и по действию.

• Sequential Function Chart (SFC) – «последовательность функциональных блоков». Можно последовательно управлять процессами на основе систем условий, передавая управление с одной операции на другую.;

• Function Block Diagram (FBD) – «функциональные блоковые диаграммы». Можно использовать наборы библиотечных или собственных блоков;

• Ladder Diagrams (LАD) – в основе лежат релейно-контактные системы.

• Statement List (STL) – сложный и продвинутый язык, который позволяет создавать более проработанные программы путем введения мнемонических обозначений команд. 

• Instruction List (IL) – текстовый язык программирования, с помощью которого можно добиться оптимизированного кода для реализации критических секторов программ.

В каждом из перечисленных языков программирования есть свои преимущества и недостатки, поэтому при выборе языка специалисты опираются на свой опыт и предпочтения. Но всегда можно переконвертировать уже написанную программу из одного языку в другой без особых трудностей.

Для программирования ПЛК используются специальная среда разработки, например программные комплексы CoDeSys и Beremiz.

Как выбрать нужный ПЛК?

Какой именно ПЛК выбрать зависит от конкретного случая. Решающим могут стать разнообразные факторы - это бюджет, надежность, требования кибербезопасности, доступность поставок, доступность технической поддержки, функциональность, внутренние регламенты заказчика, назначение (например для диспетчеризации ЖКХ), личные предпочтения программиста, ведь на одном контроллере он развернет систему за неделю, а на другом за 3 и иногда это очень критично. 

Рекомендуем выбирать программируемые логические контроллеры (ПЛК) не только исходя из бюджета, но и от того, где будет применяться устройство. В ответственных системах важно использовать только качественные и надежные PLC.