Программируемые логические контроллеры (ПЛК)

1. История программируемых логических контроллеров
2. Лестничная логика и программирование ПЛК
3. Поведение системы управления
4. Отказоустойчивая конструкция в системах с ПЛК
5. Расширенная функциональность ПЛК
6. Удаленный мониторинг и управление ПЛК через цифровые компьютерные сети

До появления твердотельных логических схем логические системы управления проектировались и строились исключительно на электромеханических реле. Реле далеко не устарели в современном дизайне, но были заменены на многие из своих прежних ролей в качестве устройств управления на логическом уровне, чаще всего относящихся к тем приложениям, которые требуют переключения с высоким током и / или высоким напряжением.

Системы и процессы, требующие «вкл / выкл» управления, имеются в изобилии в современной торговле и промышленности, но такие системы управления редко создаются из электромеханических реле или дискретных логических элементов. Вместо этого цифровые компьютеры удовлетворяют потребности, которые могут быть запрограммированы для выполнения различных логических функций.

История программируемых логических контроллеров

В конце 1960-х годов американская компания Bedford Associates выпустила компьютерное устройство, которое они назвали MODICON . В качестве аббревиатуры это означало Modular Di gital Conroller, а позднее стало названием подразделения компании, занимающегося разработкой, производством и продажей этих специализированных управляющих компьютеров. Другие инженерные фирмы разработали свои собственные версии этого устройства, и в конечном итоге оно стало известно в непатентованных терминах как ПЛК или программируемый логический контроллер. Цель ПЛК состояла в том, чтобы непосредственно заменить электромеханические реле в качестве логических элементов, заменив вместо этого твердотельный цифровой компьютер хранимой программой, способной эмулировать взаимосвязь многих реле для выполнения определенных логических задач.

Лестничная логика и программирование ПЛК

ПЛК имеет много «входных» клемм, через которые он интерпретирует «высокое» и «низкое» логические состояния от датчиков и переключателей. Он также имеет множество выходных клемм, через которые он выводит сигналы «высокого» и «низкого» уровня на лампочки питания, соленоиды, контакторы, малые двигатели и другие устройства, обеспечивающие управление включением / выключением. Чтобы облегчить программирование ПЛК, их язык программирования был похож на лестничные логические схемы , Таким образом, промышленный электрик или инженер-электрик, привыкший к чтению лестничных логических схем, чувствовал бы себя комфортно при программировании ПЛК для выполнения тех же функций управления.

ПЛК являются промышленными компьютерами, поэтому их входные и выходные сигналы, как правило, имеют напряжение 120 В переменного тока, как и электромеханические реле управления, которые они были разработаны для замены. Хотя некоторые ПЛК имеют возможность вводить и выводить сигналы постоянного напряжения низкого уровня величины, используемой в схемах логического затвора, это исключение, а не правило.

Стандарты подключения сигналов и программирования несколько различаются в разных моделях ПЛК, но они достаточно схожи, чтобы дать здесь «общее» введение в программирование ПЛК. На следующем рисунке показан простой ПЛК, который может показаться спереди. Две винтовые клеммы обеспечивают подключение к переменному напряжению 120 В переменного тока для питания внутренней схемы ПЛК, обозначенной L1 и L2. Шесть винтовых клемм с левой стороны обеспечивают подключение к устройствам ввода, причем каждая клемма представляет отдельный входной «канал» с собственной меткой «X». Винтовая клемма в нижнем левом углу представляет собой «общее» соединение, которое обычно подключается к L2 (нейтрали) источника питания 120 В переменного тока.

Внутри корпуса ПЛК, подключенного между каждой входной клеммой и общей клеммой, находится оптоизолирующее устройство (светоизлучающий диод), которое подает электрически изолированный «высокий» логический сигнал на схему компьютера (фототранзистор интерпретирует свет светодиода). ) при подаче питания 120 В переменного тока между соответствующей входной клеммой и общей клеммой. Светодиодный индикатор на передней панели ПЛК визуально отображает вход под напряжением:

Выходные сигналы генерируются компьютерной схемой ПЛК, приводящей в действие переключающее устройство (транзистор, TRIAC или даже электромеханическое реле), соединяющее клемму «Источник» с любой из помеченных «Y-» выходных клемм. Терминал «Источник», соответственно, обычно подключается к стороне L1 источника питания 120 В переменного тока. Как и для каждого входа, индикатор на передней панели ПЛК дает визуальную индикацию «под напряжением» выхода:

Таким образом, ПЛК может взаимодействовать с реальными устройствами, такими как переключатели и соленоиды.

Фактическая логика системы управления устанавливается внутри ПЛК с помощью компьютерной программы. Эта программа определяет, какой выход запитывается и при каких условиях. Хотя сама программа выглядит как релейная логическая схема с символами переключателя и реле, в ПЛК нет действующих контактов реле или катушек реле для создания логических взаимосвязей между входом и выходом. Это воображаемые контакты и катушки, если хотите. Программа вводится и просматривается через персональный компьютер, подключенный к порту программирования ПЛК.

Рассмотрим следующую схему и программу ПЛК:

Когда кнопочный переключатель не активирован (не нажат), на вход X1 ПЛК не подается питание. В соответствии с программой, которая показывает нормально разомкнутый контакт X1, включенный последовательно с катушкой Y1, на катушку Y1 не подается «питание». Таким образом, выход Y1 ПЛК остается обесточенным, а индикаторная лампа, подключенная к нему, остается темной.

Однако, если нажать кнопку, питание будет отправлено на вход X1 ПЛК. Любые и все контакты X1, появляющиеся в программе, примут активированное (ненормальное) состояние, как если бы они были контактами реле, активированными под напряжением катушки реле с именем «X1». В этом случае подача питания на вход X1 приведет к тому, что нормально разомкнутый контакт X1 «замкнется», посылая «питание» на катушку Y1. Когда на катушку Y1 программы подается напряжение, реальный выход Y1 станет активным, и загорится подключенная к нему лампа:

Следует понимать, что контакт X1, катушка Y1, соединительные провода и «питание», отображаемые на дисплее персонального компьютера, являются виртуальными . Они не существуют как настоящие электрические компоненты. Они существуют в виде команд в компьютерной программе - только в программном обеспечении - это просто похоже на реальную схему реле.

Не менее важно понять, что персональный компьютер, используемый для отображения и редактирования программы ПЛК, не является необходимым для продолжения работы ПЛК. Как только программа загружена в ПЛК с персонального компьютера, персональный компьютер может быть отключен от ПЛК, и ПЛК продолжит следовать запрограммированным командам. Я включил отображение персонального компьютера в эти иллюстрации только для вашего удобства, чтобы помочь понять взаимосвязь между реальными условиями (замыкание переключателя и состояние лампы) и состоянием программы («питание» через виртуальные контакты и виртуальные катушки).

Поведение системы управления

Истинная мощь и универсальность ПЛК раскрывается, когда мы хотим изменить поведение системы управления. Поскольку ПЛК является программируемым устройством, мы можем изменить его поведение, изменив команды, которые мы ему даем, без необходимости перенастраивать электрические компоненты, подключенные к нему. Например, предположим, что мы хотим, чтобы эта схема переключателя и лампы работала в перевернутом виде: нажмите кнопку, чтобы выключить лампу, и отпустите ее, чтобы включить. «Аппаратное» решение потребовало бы замены нормально замкнутого кнопочного переключателя вместо нормально разомкнутого переключателя, установленного в настоящее время. «Программное» решение намного проще: просто измените программу так, чтобы контакт X1 был нормально замкнутым, а не нормально разомкнутым.

На следующем рисунке измененная система показана в состоянии, когда кнопка не активирована ( не нажата):

На следующем рисунке переключатель показан активированным (нажатым):

Одним из преимуществ реализации логического управления в программном обеспечении, а не в аппаратном обеспечении, является то, что входные сигналы могут повторно использоваться в программе столько раз, сколько необходимо. Например, возьмите следующую схему и программу, предназначенную для подачи питания на лампу, если одновременно задействованы как минимум два из трех кнопочных переключателей:

Чтобы построить эквивалентную схему с использованием электромеханических реле, необходимо использовать три реле с двумя нормально разомкнутыми контактами, каждое для обеспечения двух контактов на каждый входной переключатель. Однако используя ПЛК, мы можем запрограммировать столько контактов, сколько пожелаем, для каждого входа «X» без добавления дополнительного оборудования, поскольку каждый вход и каждый выход - это не более чем один бит в цифровой памяти ПЛК (0 или 1). и может быть вызван столько раз, сколько необходимо.

Кроме того, поскольку каждый выход в ПЛК также является не чем иным, как битом в его памяти, мы можем назначить контакты в программе ПЛК, «активизированные» состоянием выхода (Y). Возьмем, к примеру, следующую систему, схему управления запуском и остановкой двигателя:

Кнопочный переключатель, подключенный к входу X1, служит переключателем «Пуск», а переключатель, подключенный к входу X2, служит «Стопом». Другой контакт в программе, названный Y1, использует состояние выходной катушки в качестве контактного контакта, непосредственно, так что контактор двигателя будет оставаться под напряжением после отпускания кнопочного переключателя «Пуск». Вы можете видеть, что нормально замкнутый контакт X2 появляется в цветном блоке, показывая, что он находится в закрытом («электропроводящем») состоянии.

Если бы мы нажали кнопку «Пуск», вход X1 включился бы, таким образом «замкнув» контакт X1 в программе, послав «питание» на «катушку Y1», запитав выход Y1 и подав 120-вольтовое питание переменного тока на реальная катушка контактора двигателя. Параллельный контакт Y1 также «замкнется», замкнув таким образом «цепь» во включенном состоянии:

Теперь, если мы отпустим кнопку «Пуск», нормально разомкнутый «контакт» X1 вернется в свое «разомкнутое» состояние, но двигатель продолжит работать, потому что «контакт» уплотнения Y1 продолжает обеспечивать «непрерывность» подать питание на катушку Y1, поддерживая выход Y1 включенным:

Чтобы остановить двигатель, мы должны кратковременно нажать кнопку «Стоп», которая запитает вход X2 и «разомкнет» нормально замкнутый «контакт», нарушая непрерывность цепи «Y1»:

Когда кнопка «Стоп» отпущена, вход X2 обесточится, вернув «контакт» X2 в его нормальное «замкнутое» состояние. Однако двигатель не запустится снова до тех пор, пока не будет нажата кнопка «Пуск», потому что «запечатывание» Y1 потеряно:

Отказоустойчивая конструкция в системах с ПЛК

Здесь важно отметить, что отказоустойчивая конструкция так же важна в системах с ПЛК, как и в электромеханических системах с релейным управлением. Всегда следует учитывать влияние неисправной (разомкнутой) проводки на устройство или контролируемые устройства. В этом примере схемы управления двигателем у нас есть проблема: если входная проводка для X2 (переключатель «Стоп») не будет разомкнута, не будет никакого способа остановить двигатель!

Решением этой проблемы является изменение логики между «контактом» X2 внутри программы ПЛК и фактическим кнопочным переключателем «Стоп»:

Когда нормально замкнутый кнопочный переключатель «Стоп» не активирован (не нажат), на вход X2 ПЛК будет подано питание, таким образом «замыкая» «контакт» Х2 внутри программы. Это позволяет запускать двигатель, когда на вход X1 подается напряжение, и позволяет ему продолжать работать, когда кнопка «Пуск» больше не нажата. Когда нажимается кнопка «Стоп», вход X2 обесточивается, таким образом «размыкая» «контакт» X2 внутри программы ПЛК и отключая двигатель. Итак, мы видим, что между этим новым дизайном и предыдущим дизайном нет никакой разницы.

Однако, если входная разводка на входе X2 не открылась, вход X2 обесточился бы так же, как и при нажатии кнопки «Стоп». Таким образом, в результате сбоя проводки на входе X2 двигатель немедленно отключится. Это более безопасная конструкция, чем та, что была показана ранее, когда отказ проводки переключателя «Стоп» привел бы к невозможности выключить двигатель.

В дополнение к входным (X) и выходным (Y) программным элементам, ПЛК предоставляют «внутренние» катушки и контакты без внутренней связи с внешним миром. Они используются почти так же, как «реле управления» (CR1, CR2 и т. Д.), Используемые в стандартных релейных цепях: для обеспечения инверсии логического сигнала при необходимости.

Чтобы продемонстрировать, как можно использовать одно из этих «внутренних» реле, рассмотрим следующую примерную схему и программу, разработанную для эмуляции функции с тремя входами. NAND ворота , Так как программные элементы ПЛК обычно создаются отдельными буквами, я буду называть реле внутреннего управления «С1», а не «CR1», как обычно в схеме управления реле:

В этой схеме лампа будет гореть до тех пор, пока какая-либо из кнопок не будет нажата (не нажата). Чтобы выключить лампу, нам нужно будет активировать (нажать) все три переключателя, например:

Расширенная функциональность ПЛК

Этот раздел о программируемых логических контроллерах иллюстрирует лишь небольшую часть их возможностей. Как компьютеры, ПЛК могут выполнять функции синхронизации (для реле с временной задержкой), последовательности барабанов и других расширенных функций с гораздо большей точностью и надежностью, чем это возможно при использовании электромеханических логических устройств. Большинство ПЛК имеют емкость для более чем шести входов и шести выходов. На следующей фотографии показано несколько модулей ввода и вывода одного ПЛК Allen-Bradley.

Поскольку каждый модуль имеет шестнадцать «точек» ввода или вывода, этот ПЛК имеет возможность мониторинга и управления десятками устройств. Встраиваемый в шкаф управления, ПЛК занимает мало места, особенно учитывая эквивалентное пространство, которое потребуется электромеханическим реле для выполнения тех же функций:

Удаленный мониторинг и управление ПЛК через цифровые компьютерные сети

Одно из преимуществ ПЛК, которое просто не может быть дублировано электромеханические реле это дистанционный мониторинг и управление через цифровые компьютерные сети. Поскольку ПЛК является не чем иным, как специализированным цифровым компьютером, он имеет возможность довольно легко общаться с другими компьютерами. На следующей фотографии показан персональный компьютер с графическим изображением реального процесса на уровне жидкости (насосная или «подъемная» станция для муниципальной системы очистки сточных вод), управляемая ПЛК. Фактическая насосная станция расположена за несколько миль от дисплея персонального компьютера:

Похожие

Комментарии