Программируемые контроллеры и их применение в автоматизированных системах управления технологическими процессами

Современные программируемые контроллеры (ПК) по своим характеристикам и техническим возможностям приближаются к микро - и мини- ЭВМ и, по сути, обеспечивают решение задач нижних уровней управления в системах комплексной автоматизации – от управления отдельными элементами и устройствами технологического оборудования до управления производственными участками и линиями. Это обеспечивается как функциональными возможностями и производительностью аппаратных средств ПК, так и программными и сетевыми средствами, которыми оснащены ПК, выпускаемые фирмами-производителями ПК – Siemens, AEG, Omron и др

Программируемый контроллер (ПК) представляет собой вычислительное управляющее устройство, построенное на основе микропроцессора или однокристальной ЭВМ, доступное для программирования неспециалисту в области информатики и предназначенное для работы в условиях промышленной среды в реальном масштабе времени.

По функциональным признакам в ПК можно, выделить следующее элементы (рис. 1):

1. Центральный процессор, предназначенный для выполнения команд (инструкций) управляющей программы и обработки данных, размещенных в памяти.

2. Память контроллера с жестким распределением областей для размещения различных типов данных.

3. Процессоры ввода/вывода, обеспечивающие обмен информацией между модулями ввода/вывода и соответствующими областями памяти.

4. Процессоры связи, предназначенные для обслуживания каналов связи ПК с программаторами, с ведущей ЭВМ, с другими контроллерами или локальными вычислительными сетями. Информация, принятая по каналам связи, размещается непосредственно в памяти.

5. Модули ввода, обеспечивающие прием и первичное преобразование информации от датчиков объекта управления.

6. Модули вывода, предназначенные для выдачи управляющих сигналов на исполнительные устройства объектов управления.

Для различных по сложности и быстродействию контроллеров процессоры ввода/вывода и связи могут быть реализованы как аппаратными средствами, так и программно на одном микропроцессоре или однокристальной ЭВМ.

Контролер представляет собой микропроцессорную систему, адаптированную к задачам управления объектом. Контроллер содержит те же узлы, что и ЭВМ, но отличие состоит в более развитых устройствах ввода-вывода, представляющих собой средства сопряжения с объектом и требующих большого числа каналов ввода-вывода (или портов). Выделим ряд отличительных особенностей, которыми должна обладать ЭВМ для осуществления функций контроллера:

• Наличие ограниченного набора четко сформулированных задач; иными словами, при проектировании контроллеров учитывается их функциональное назначение осуществлять конкретные задачи управления;

• Работа в реальном масштабе времени, т.е. обеспечение минимального времени реакции на изменение внешних условий;

• Наличие развитой системы внешних устройств ввода-вывода, связанных с большим разнообразием характеристик датчиков, исполнительных механизмов и их количеством;

• Решение основных функциональных задач и выработка управляющих воздействий;

• Высокие требования по надежности и живучести, связанные с продолжительностью работы и сложными условиями эксплуатации;

• Обеспечение автоматического режима работы или режима с участием человека;

• Реализация функций диагностирования и тестирования, как самого контроллера, так и состояния объекта управления.

Для ЭВМ в качестве контроллера не предъявляются, как правило, жесткие требования к объему используемой оперативной памяти, нежели для ЭВМ в обычном её назначении. Объясняется это тем, что контроллер – устройство хотя и универсальное, но свойство универсальности проявляется исключительно в области управления. На контроллер не возлагаются требования к работе под управлением операционной системы, использованию системных программ, разработки и отладки программного обеспечения и другие, характерные для ЭВМ более высокой организации. Кроме того, объем обрабатываемой входной информации не так велик и ограничен поставленной задачей в каждом конкретном случае, поскольку контроллер является в основном устройством местного управления. Для этих целей достаточно использования памяти небольшого объема.

Контроллеры могут проектироваться как самостоятельное устройство и как элементы в составе иерархической структуры, на высшем уровне которой располагается ЭВМ более высокой организации. Примером может служить ПЭВМ, процессорный модуль которой управляет всеми операциями на высшем уровне, а интерпретацию его команд для отдельных устройств осуществляют местные контроллеры. Этим достигается распределение функций между процессорным модулем и контроллерами, освобождая первый от выполнения лишней работы, обеспечивая наибольшее быстродействие системы.

По конструктивному исполнению ПК делятся:

• на мини-контроллеры, у которых все элементы размещаются в одном корпусе;

• модульные контроллеры с функциональными устройствами, выполненные в виде отдельных модулей, из которых компонуется требуемая конфигурация контроллера.

Мини контроллеры предназначены для управления относительно простыми объектами и выпускаются многими фирмами, например: Omron C20, Modicon-Micro (AEG-Modicon), Simatic S5-90U (Siemens), КПС (ЧЭАЗ, Россия).

Модульные контроллеры обладают более широкими возможностями, большей гибкостью структурного построения и с экономической точки зрения обеспечивают более эффективную организацию системы автоматизированного управления промышленным оборудованием. Фактически, это не конкретное изделие, а набор модулей и соединительных элементов, из которых создается система, необходимая для реализации требуемых функций управления. К модульным контроллерам относится большинство ПК, выпускаемых ведущими фирмами Omron, Modicon, Siemens, Telemecanique, Festo и др. В России такие контроллеры разрабатываются и выпускаются предприятиями ВАЗ (С100, С200, С300), НИИэлектропривод (КП2).

При работе контроллера все его элементы участвуют в следующих процессах:

• проверка и тестирование устройств контроллера;

• ввод и вывод данных;

• выполнение инструкций управляющей программы;

• обслуживание периферийных устройств и систем связи.

Выполнение этих процессов циклически повторяется. На рис. 2 показан примерный алгоритм работы типового контроллера. Период повторения процессов работы контроллера называется временем сканирования и является важной характеристикой, определяющей время реакции контроллера на изменение состояния входных сигналов.

Рисунок 2. Упрощенный алгоритм работы типового контроллера

Каждый из этих процессов по-своему важен, но все они одновременно выполняться не могут. Поэтому, работа контроллера построена по принципу их многократно исполнения. При включении в работу, системная программа запускает сторожевой таймер (WDT), с помощью которого постоянно контролируется время цикла, для предотвращения потери управления в случае «зависания» ПЛК. После этого происходит считывание состояния входов и запись информации в память контроллера. По окончании процесса записи управляющая программа опрашивает состояние входных битов и в соответствии с заданным алгоритмом устанавливает в 1 или 0 выходные биты в памяти. После исполнения программы ПЛК проводит самодиагностику и обмен данными, и, наконец, на выходные устройства подаются сигналы в соответствии с состоянием связанных с ними битов. Однократный цикл работы называется сканом, а характеристика «время скана», определяет время реакции системы на входное воздействие.

Для предотвращения аварийных ситуаций с серьезными последствиями в контроллере составляется и запоминается таблица ввода/вывода, в которой отражены размещение и адреса модулей ввода/вывода. При каждом включении ПК проводится проверка соответствия имеющейся в памяти таблицы ввода/вывода и фактического размещения установленных в контроллере модулей. Если имеется отличие, то контроллер останавливается, сообщая о возникшей аварийной ситуации.

Для контроля работоспособности ПК и исправности электрических цепей подключения датчиков и исполнительных устройств объекта управления контроллеры имеет светодиодную индикацию состояния входов и выходов, режимов контроллера и его отдельных модулей. Для этих целей в составе периферийных устройств ПК имеются ручные отладочные пульты и консоли, с которых можно осуществить полный контроль за состоянием ПК и значениями всех обрабатываемых данных.