Сегодня нашему аккаунту на Пикабу исполнился год. Мы, т.е. Московский завод тепловой автоматики – МЗТА, разрабатываем программируемые логические контроллеры и ПО автоматизации. Позвольте в качестве небольших именинников провести опрос:
В каких отраслях вы используете ПЛК и какие основные требования к ним предъявляете?
Ответы можно оставлять в комментариях. Помимо ответов, в свободной форме вы можете написать, что необходимо доработать в тех контроллерах и ПО, которые вы эксплуатируете контроллерах. Это поможет заложить в план нашего перспективного развития разработку именно того функционала, который будет использован в ваших проектах. (Поздравления с годиком на Пикабу тоже принимаются).
Журнал Control Engineering, освещающий тему промышленной автоматизации, провел опрос специалистов по АСУ ТП, в котором попросил их поделиться мнением по развитию отрасли на следующие 12 месяцев. Выборка была взята из числа квалифицированных подписчиков, занимающихся закупкой оборудования и ПО или составлением спецификаций проектов по категориям:
Респондентам был предоставлен список из 15 категорий программных и аппаратных средств, используемых в автоматизации. Всего было получено 158 ответов. Ниже приведены краткие данные, подготовленные Марком Т. Хоске (Mark T. Hoske).
Топ-10 наиболее востребованных автоматизированных технологических процессов
Респондентов спросили, в отношении каких автоматизированных технологий и сервисов вы ожидаете увеличение числа проектов в ближайшие 12 месяцев? Предлагалось дать несколько ответов, поэтому сумма результатов более 100%. Итак, в Топ-10 входят:
51 % – Автоматизация производства 37 % – Оптимизация процесса 36 % – Робототехника 29 % – Расширенный контроль процессов (APC) 21 % – Миграция DCS 19 % – Автоматическое испытательное оборудование 19 % – Модельный прогнозирующий контроль (MPC) 19 % – Автоматизация склада 19 % – Автоматизированные транспортные средства (AGV) 17 % – Автоматизированная сборка
Таким образом, автоматизация производства, оптимизация процессов и робототехника стали тремя ведущими технологиями, развитие которых респонденты ожидают увидеть в ближайшие 12 месяцев.
Топ-10 наиболее востребованных технологий систем управления
46 % – Контроллеры (PLC, PAC, выделенные системы управления, ПК и т.д.) 42 % – Дизайн управления 41 % – Панели управления 40 % – Человеко-машинный интерфейс (HMI) 31 % – Промышленные ПК (IPC) 27 % – Диспетчерское управление и сбор данных (SCADA) 26 % – Контроль температуры 24 % – Контроль мощности 23 % – Контроллеры движения 21 % – Система управления потоком
Контроллеры, схемы и панели управления, человеко-машинный интерфейс и интерфейс оператора являются ведущими технологиями систем управления, которые будут развиваться ближайший год.
В целом специалисты ожидают увеличение расходов в 14 категориях в течение следующих 12 месяцев. Среди списка из 39 категорий систем управления респонденты ожидают увеличение расходов, причем по всем 39 позициям.
На вопрос, какие факторы повлияли на ваши ответы, специалисты ответили следующим образом:
«Увеличивается значение цифровой трансформации»;
«Желание предложить заказчикам самые передовые технологии»;
«Производство требует более точного контроля, а системы 20-летней давности не отвечают новым требованиям»;
«Автоматизация помогает бороться с нехваткой кадров, образовавшейся в следствие пандемии».
=== Материал переведен и подготовлен Московским заводом тепловой автоматики (МЗТА), поэтому пользуясь случаем добавим, что в российских реалиях следует ожидать волну импортозамещения в связи с уходом таких производителей, как Siemens, Schneider Electric, Danfoss. Разработка промышленных контроллеров, способных заместить продуктовые линейки этих производителей – процесс не быстрый, поэтому прогноз по линии импортозамещения можно сделать не на 12 месяцев, а на существенно больший период.
Приводим статью из специализированного журнала Control Automation, в которой инженер-механик Дэвид Петерсон рассказывает о режимах работы центрального процессора ПЛК.
Программирование ПЛК – дело непростое, в этом нет никаких сомнений. Оставим в стороне релейную логику, адресацию памяти и протоколы связи и рассмотрим вопрос фактической загрузки и выполнения программы в Центральный Процессор (ЦП). При выполнении этих действий ПЛК может переключаться между режимами работы. В связи с этим зададимся вопросом – почему существуют эти режимы, а также почему и когда вам нужно вручную изменять режим самостоятельно?
ПЛК можно перевести в режим «Пуск» (Run) или «Стоп» (Stop), а иногда и в режим «Программирование» (Program) обычно с помощью физических или виртуальных методов. Но что означают эти режимы и когда их следует использовать?
Загрузка программ в память (режим остановки)
Загрузка и выполнение – это два совершенно разных процесса, даже если кажется, что они выполняются одновременно. При перезаписи существующей памяти ПЛК новой программой это можно сделать целиком (загружается вся программа, независимо от того, насколько малы ее версии), но более эффективный процесс сравнивает загруженную программу и новую программу, а затем производится только обновление файлов с изменениями. Но независимо от того, какой процесс используется, выполнение программы представляет собой нетривиальную задачу.
ПЛК только с режимами пуска и остановки
Рисунок. 1. ПЛК, имеющий только режимы «Пуск» (Run) и «Стоп» (Stop) в качестве опций физического переключателя
ПЛК выделяет свою рабочую память для выполнения трех задач: чтения входных регистров, сравнения и расчета логических процессов в текстовых или лестничных ступенях и, наконец, обновления выходных регистров. Чтобы загрузить программу, должна быть временная остановка чтения программы в промежуток загрузки новых данных – для выполнения этого процесса ЦП переходит в режим остановки.
Что на самом деле происходит в режиме "Стоп"?
Когда ЦП находится в режиме остановки он продолжает регистрировать входные сигналы. Вы по-прежнему увидите, что светодиоды входного модуля светятся, когда на датчик/кнопку подается питание. Вы также увидите все входные инструкции в релейной логике, отражающие их реальное состояние пока включена функция мониторинга. Однако в режиме остановки ЦП не выполняет логику и не обновляет выходные данные. Другими словами, он просто наблюдает и ждет, ничего не делая.
Не путайте режим «Стоп» с «Выкл» или «Пауза». ПЛК, безусловно, все еще работает, и при возвращении в режим работы он перезапустит логику и инициализирует любые переменные/теги, как если бы он был включен.
Неисправности (режим Стоп)
Ряд сбоев может привести к переводу ЦП в режим остановки. Не все неисправности могут инициировать остановку, но все серьезные неисправности, связанные с ЦП вызывают остановку. Если ЦП не обнаруживает модуль ввода-вывода, это может быть просто неисправность ввода-вывода, которая не приведет к принудительной остановке, но большинство событий, которые вызывают появление красного светодиода «неисправность» на процессоре, скорее всего также будут отражены как остановить событие. После устранения ошибок контроллеру может потребоваться ручной возврат в режим «Пуск» (Run), чтобы снова начать выполнение программы.
Выполнение логики в режиме Run
Если предыдущий раздел о режиме остановки был освоен, то понять следующий режим должно быть легко. Поскольку режим работы обычно можно переключать с помощью программного обеспечения, либо с помощью переключателя, важно понимать, когда вы можете, а когда нельзя выполнять каждое действие.
Ручное переключение на ЦП всегда переводит ПЛК в режим остановки, независимо от того, что говорит программное обеспечение – что-то вроде кнопки аварийной остановки. Возврат переключателя в режим выполнения будет эффективным, но только в том случае, если программное обеспечение также переводит программу в режим выполнения.
Выбор режима онлайн или режима работы
Рисунок 2. Подключения Online/Offline (выделено зеленым) полностью отличаются от выбора режима работы (выделено красным)
Могу ли я просто перейти в автономный режим, чтобы остановить ПЛК?
Для удаленного изменения режима из программного обеспечения требуется подключение к ПЛК в режиме онлайн. Если вы «отключитесь» от ПЛК, это НЕ переведет ПЛК в режим остановки. Более того, вы больше не сможете удаленно менять режимы, пока соединение не будет восстановлено. Переход в автономный режим абсолютно не помешает ПЛК выполнять команды.
Существует ли более трех режимов работы?
Не все ПЛК имеют одинаковые два режима работы; некоторые имеют три опции выбора режима на физическом переключателе ЦП: Prog, Run и Rem (дистанционное управление). Однако, например, среда разработки Logix Designer имеет другой набор из трех режимов (рис. 3): «Программирование», «Выполнение» и «Тест» … но что означает переключение этих действий?
Режим работы в отличие от режима удаленного запуска
Рисунок 3. Run, Rem и Prog позволяют пользователю блокировать или разрешать онлайн-редактирование, а также переводить ПЛК в режим остановки
До сих пор мы называли режим остановки программным режимом. Это позволяет ПЛК загрузить программу, но также останавливает выполнение программы внутри ЦП. Другими словами, Prog – это то же самое, что и Stop для других марок.
В чем разница между режимами запуска и удаленного управления?
Переключив тумблер (CompactLogix) или ключ (ControlLogix) на передней панели ЦП, системные инженеры могут определить, заблокирован ли ЦП от любых удаленных изменений или онлайн-редактирования. Режим выполнения (Run) ограничивает ЦП и не позволяет редактировать программу в режиме онлайн. Чаще всего ПЛК следует оставить в режиме Rem, который по-прежнему будет выполнять программу, но позволит вносить изменения через онлайн-соединение. Мониторинг тегов и логики по-прежнему можно выполнять в режиме Run.
Если ПЛК работает правильно через установленное онлайн соединение, но вы не можете вносить какие-либо изменения в программу, убедитесь, что переключатель находится в режиме Rem.
Этот функционал может использоваться в другой терминологии. Например, на некоторых ПЛК Direct Logic переключатель позволяет использовать положение Term или «удаленный терминал», которое позволяет редактировать данные в режиме онлайн, тогда как Run обеспечивает режим только чтения для мониторинга, но без внесения изменений.
Term или терминальный режим для программирования онлайн
Рисунок 4. Терминальный режим означает то же, что и Rem, позволяет ПЛК принимать онлайн-редактирование
В чем разница между программным и тестовым режимами?
Тестовый режим можно рассматривать как комбинацию программного режима (когда на выходы не подается питание, а смешивается с режимом работы), где фактически выполняется логика. Если вы подаете питание на реальные устройства ввода, ступени релейной схемы будут выполняться, но на выходы не будет подавать питание.
Этот режим отличается от режима симулятора, поскольку любые последующие цепочки, требующие включения выхода, не будут выполняться должным образом, поскольку на эти выходы фактически никогда не подается питание. Это удобно для тестирования и проверки по одной цепочке за раз перед запуском машины.
Другие режимы и функции ПЛК
Некоторые ПЛК предлагают третий вариант, при котором переключатель на ЦП сам по себе является не режимом работы, а скорее функцией сброса для устранения ошибок или установки параметров после крупных обновлений оборудования. Обычно это обозначается кнопкой Reset в качестве положения переключателя.
Сброс положения переключателя на некоторых ПЛК
Рисунок 5. Третья позиция сброса, как показано на некоторых ПЛК
Хотя это руководство по режимам ПЛК не является исчерпывающим в плане описания всех режимов работы, доступных для ПЛК, его должно быть достаточно для определения основных режимов работы, обычно используемых ПЛК. В любом случае, владея этими основами, системные инженеры и операторы могут применять лучшие практики для устранения неполадок и предотвращения простоев, возникающих в результате правильного программирования ПЛК с первого раза.
Комментарий МЗТА
В ПЛК линейки Комега Basic переключение режимов Старт/Стоп осуществляется с помощью дисплея и кнопок управления:
Кроме этого имеется возможность сбросить контроллер до заводских настроек и посмотреть текущие переменные. Причем эти функции работают «из коробки», не требуя дополнительных настроек со стороны пользователя.
Разберем термины PLC (ПЛК), PAC (ПАК), RTU, DCS (РСУ) и SCADA, объяснения которых приводятся в материале специализированного портала Control Automation, объединяющего опыт инженеров в области АСУТП.
ПЛК / PLC
ПЛК – аббревиатура программируемого логического контроллера (Programmable Logic Controller – PLC). Это «мозги» множества различных промышленных процессов и, по сути, компьютеры промышленного назначения, используемые для управления на уровне оборудования.
Первоначально ПЛК был изобретен для замены блоков релейной автоматики в качестве систем управления промышленной автоматизацией, что позволило снизить затраты на управление этими реле за счет уменьшения количества оборудования и устранения потребности в физической перекоммутации реле всякий раз, когда требовалось внести изменения в систему управления. Это стало возможным, поскольку ПЛК можно просто перепрограммировать, как и любой современный компьютер.
Лестничная логика похожа на устаревший чертеж управления реле
Большинство ПЛК используют для программирования некоторую форму релейной логики, которая имитирует логику физической релейной системы управления. Программа на языке лестничной логикой выглядит как лестница из реле и других электрических компонентов со «ступенями», расположенными между источниками питания, изображенными по бокам. Все это можно отобразить в цифровом виде и перепрограммировать на компьютере или иногда (особенно в старых системах) через специальный интерфейс.
ПЛК находят применение во многих различных процессах автоматизации, управляя от систем освещения до различных видов приводов. Но ПЛК, согласно формальному определению, выполняет только логические манипуляции с битами, он изначально не обеспечивал расширенную связь и обмен данными с сетями более высокого и низкого уровня. Когда эти функции начали появляться, стало формироваться новое название для этих устройств.
ПАК / PAC
ПАК означает программируемый контроллер автоматизации (Programmable Automation Controller – PAC) и его можно рассматривать как «продвинутый» ПЛК с большей функциональностью и более высоким уровнем вычислительной мощности. ПЛК довольно просты по своим возможностям, в то время как PAC обычно имеют доступ к гораздо большему объему памяти и значительно более высокой вычислительной мощности, чем стандартный простой ПЛК.
Они часто используются для выполнения задач, связанных с ПИД-регулированием (пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор – Proportional-Integral-Derivative - PID), а также, со связью, SCADA, регистрацией данных и другими задачами, которые традиционно выходили за рамки базовых ПЛК.
Пример PAC
ПЛК обычно недостаточно мощны для использования в приложениях управления движением, поэтому ПАК становится идеальным устройством управления для этого типа автоматизации. У ПАК есть преимущество, поскольку они построены на базе более чем одного процессорного чипа и могут выполнять более одной операции одновременно. Кроме того, они как правило содержат объединительную плату с высокой пропускной способностью, обеспечивающую быстрый сбор данных для скоростного управления и их эффективной обработки.
Хотя в наши дни большинство компаний фактически производят ПАК, мы почти всегда по-прежнему называем их ПЛК, поскольку они выполняют задачи логического управления.
Кроме того, концепция IPC (промышленного ПК – Industrial PC) достаточно успешна и потенциально может стать следующим этапом процессора управления.
Удаленный терминальный блок / RTU
Удаленный терминальный блок (Remote Terminal Unit – RTU) представляет собой устройство управления, расположенное отдельно от более крупного блока, обычно как часть гораздо более крупной системы. Во многих случаях они являются частью системы DCS или SCADA и включают в себя отдельные компоненты, для мониторинга которых применяется SCADA. RTU часто используются для контроля отдельных групп оборудования, таких как датчики, клапаны, вентиляторы и приводы.
Удаленные терминальные блоки со временем совершенствовались и стали способны выполнять программируемую логику, аналогичную логике современного ПЛК. Существуют разные методы передачи информации в основную систему управления, но большинство современных RTU используют Ethernet или подобную форму связи. Фактически, один из самых популярных сетевых протоколов всех времен, Modbus RTU, был разработан просто для взаимодействия с этими устройствами.
RTU часто являются частью SCADA-системы и могут использоваться для управления отдельными компонентами, такими как клапаны
Данные устройства обычно состоят из нескольких общих компонентов, которые вместе образуют независимый блок управления. Обычно они содержат своего рода базовый процессор для анализа входных данных и последующего принятия решений для системы или передачи информации в качестве выходных данных. Они также содержат некоторую форму локального или удаленного интерфейса ввода-вывода для получения информации об их работе и лучшего понимания состояния устройства, которое они контролируют.
Подводя итог, RTU подобен очень простому ПЛК, используемому для управления некоторым внешним изолированным устройством ввода-вывода или сетью, являющийся частью системы управления более высокого уровня.
РСУ / DCS
Распределенная система управления (Distributed Control System – DCS) – это ступень к системе более высокого уровня, используемая для управления и мониторинга нескольких системам одновременно. Они во многих случаях имеют встроенный уровень резервирования, помогающий снизить риск простоя в случае сбоя РСУ. Распределенные системы управления используются для мониторинга ряда систем в масштабах предприятия и управления выходными данными.
РСУ – это не отдельный блок, который вы можете приобрести, как ПЛК или удаленный терминал, а скорее целый набор продуктов уровня предприятия, от локальных устройств ввода-вывода до контроллеров и программного обеспечения мониторинга и планирования производства.
Как правило, большинство РСУ состоят из компонентов управления одного производителя, поэтому все компоненты могут легко взаимодействовать друг с другом. Например, в новой системе имеет смысл использовать ПЛК, устройства ввода-вывода и программное обеспечение одного производителя, чтобы гарантировать совместимость всего оборудования и иметь возможность взаимодействия как РСУ. Устаревшее оборудование можно адаптировать для работы в РСУ, но обычно это более сложная и дорогостоящая задача, чем проектирование с нуля.
SCADA
Диспетчерский контроль и сбор данных – SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) – это термин, используемый для описания типа системы мониторинга и управления оборудованием, применяемой в различных производственных процессах. Эти системы используются для управления аппаратным и программным обеспечением многих систем, позволяя повысить эффективность производственных процессов всего предприятия.
Системы SCADA содержат HMI (Human Machine Interface – человеко-машинный интерфейс) как часть своей инфраструктуры, которая помогает оператору в диспетчерской принимать решения о состоянии системы и при необходимости вносить изменения по мере обновления информации о состоянии оборудования.
SCADA система обычно является центром диспетчерской предприятия
SCADA позволяет контролировать множество различных систем на предприятии, передавая данные на центральный пункт управления. Эти данные либо автоматически отслеживаются и обрабатываются заложенным алгоритмом автоматизации, либо отображаются на мониторе, где оператор может самостоятельно принимать решения и вносить изменения через HMI. Этот тип системы управления полезен в тех случаях, когда требуется обеспечить согласованную работа многих различных процессов.
Хорошим примером использования SCADA может послужить крупный технологический завод, где продукт перемещается с места на место с обработкой по пути. Например, на заводе по производству цемента оператор должен контролировать температуру и химический состав продукта по мере его перемещения по производственной линии. Если в какой-то момент продукт не соответствует техническим характеристикам, оператор может внести изменения с техпроцесс, чтобы привести его в соответствие со спецификациями.
Профессиональный сленг
По мере развития технологий границы между различными компонентами стираются. Некоторые устройства устаревают, в то время как другие развиваются и объединяются со смежными устройствами для создания единого, более эффективного решения. Поэтому не столь важно тратить время на запоминание формальных определений, так как они обязательно изменятся, сколько стоит разбираться в оборудовании и ПО, на котором работает предприятие.
Материал подготовлен Московским заводом тепловой автоматики (МЗТА)
Рынок аппаратных средств автоматизации постоянно растет и в этой связи представляют интерес данные по объему и тенденциям рынка программируемых логических контроллеров (ПЛК), опубликованных в отчете аналитического агентства Mordor Intelligence.
Объем рынка ПЛК
Объем рынка ПЛК оценивается в $12,83 млрд в 2024 году и, как ожидается, достигнет $15,07 млрд к 2029 году при среднегодовом темпе роста в 4,23%.
Факторы, влияющие на рост рынка ПЛК
Простои оборудования существенно снижают эффективность производства – на их долю приходится от 5 до 20% всех потерь. Применение ПЛК позволяет выявлять и исправлять ошибки техпроцессов и обеспечить быструю реакцию по устранению простоев даже без вмешательства человека, что в итоге гарантирует устойчивое развитие рынка ПЛК.
Предприятия давно осознали надежность процессов с использованием контроллеров и долгосрочную прибыль, которые можно извлечь, используя АСУТП. Контроллеры помогают управлять роботизированными устройствами на сборочных линиях, в упаковке и любых других операциях, требующих надежного соблюдения алгоритмов, простого программирования и диагностики ошибок. Масштабируемость, больший объем памяти, малые размеры, скоростной (гигабитный) Ethernet и беспроводная связь входят в число возможностей ПЛК, которая позволяет им оставаться лучшим выбором для приложений промышленной автоматизации. Таким образом растущее проникновение автоматизации в промышленном секторе будет и дальше способствовать росту рынка ПЛК.
Из-за запроса потребителей в персонализированных продуктах, отрасли переходят от модели массового производства к индивидуальному. ПЛК традиционно широко используются в процессах, которые редко меняются. Однако растущая потребность предприятий в подстройке своих продуктов к запросам конечных потребителей сделала производственные процессы более сложными и приводит к частой перенастройке оборудования. Всё это побуждает производителей инвестировать и внедрять более гибкие системы, такие как контроллеры на базе ПК и облачных технологий, а не применение традиционных ПЛК, что затрудняет рост данного рынка.
Макроэкономические и политические факторы, региональные войны и конфликты играют решающую роль в изменениях темпа роста промышленности, поскольку они влияют на объем инвестиций и возможности по расширению промышленного сектора. В этой связи рынок ПЛК существенно зависит от геополитического состояния того или иного региона.
Тенденции рынка ПЛК
Ожидается, что автомобильная промышленность станет самой быстрорастущей отраслью для пользователей ПЛК.
Исторически ПЛК использовались в качестве замены реле в автомобилестроении и позволили заводам работать быстрее и надежнее. Автоматизированные процессы уменьшили возникновение узких мест, что снизило эксплуатационные расходы и продолжительность производственных процессов.
В мире растет спрос на автомобили – по данным Scotiabank, мировые продажи автомобилей вышли на отметку 69,9 миллионов в 2023 году и, как ожидается, в ближайшие годы будут еще больше.
Автомобильные компании интегрируют всё более новые технологии для повышения производительности. Например, компания ATS Applied Tech Systems Ltd разработала систему отслеживания качества подушек безопасности с использованием ПЛК InTrack, InTouch и GE-Fanuc с тем, чтобы гарантировать полную защиту от ошибок. Используя настройки системы при обнаружении неисправности можно отследить, как происхождение подушки безопасности, так и состояние оборудования на момент производства, причем с использованием архивов с глубиной просмотра данных за 10-летний период.
Автоматизация значительно повысила эффективность сборки. Наблюдается увеличение производства автомобилей во всем мире при одновременном сокращении затрат, что открывает в этом секторе путь к росту умных заводов. Роботы более гибкие, эффективные, точные и надежные в применении именно к этой отрасли. В результате автомобильная промышленность остается одним из наиболее значительных потребителей ПЛК.
Ожидается, что развитие парка автономных автомобилей и постоянно растущая доля электрификации всех транспортных средств окажут существенное влияние на рост рынка автоматики, поскольку на электротранспорте обычно используется большое количество электронных блоков и блоков управления, в которых ПЛК играют решающую роль.
Мировые продажи автомобилей в 2019-2023 годах, в $ млрд
Ожидается, что в Азиатско-Тихоокеанском регионе будет наблюдаться ускоренный рост рынка ПЛК.
За последние несколько десятилетий в Азиатско-Тихоокеанском регионе виден значительный рост в различных секторах экономики, включая автомобильную отрасль, обрабатывающую промышленность и другие производства. Ожидается, что в течение прогнозируемого периода рост рынка ПЛК продолжится. Например, производственный сектор составляет значительную часть экономики Китая, которая переживает быструю трансформацию в связи с ростом в мире Интернета вещей и расширением Индустрии 4.0 в целом. Эта масштабная конверсия вывела страну на одну из лидирующих позиций на рынке ПЛК.
Индию стимулирует рост технологий роботизированной автоматизации (RPA – Robotic Process Aautomation) и искусственного интеллекта. По данным RPA Automation Anywhere, в настоящее время Индия в этом секторе является вторым по величине источником формирования доходов после США. Глобальные центры энергетических компаний, поставщики услуг и промышленные предприятия являются наиболее значимыми заказчиками индийского рынка. Сектор промышленной автоматизации Индии был преобразован за счет интеграции цифровых и физических производственных компонентов. Акцент на безотходном производстве и росте стартапов также способствовал росту рынка ПЛК.
Япония занимает наибольшую долю рынка в индустрии производства роботов. Согласно отчету международной федерации робототехники (IFR) за март 2022 года, Япония является крупнейшим в мире производителем промышленных роботов, осуществляя 45% поставок во всем мире. Ожидается, что это повысит спрос на автоматизацию и повлечет развитие ПЛК в этом регионе.
Другие страны Азиатско-Тихоокеанского региона, включая Южную Корею, Сингапур, Индонезию, Австралию, Таиланд и Малайзию, благодаря доступности сырья и более низким ценам на землю постепенно превращаются в крупные промышленные центры, создавая альтернативу Китаю. Ожидается, что эта тенденция также будет способствовать росту рынка ПЛК в данном регионе.
Совокупный среднегодовой темп роста рынка ПЛК по регионам (Market CAGR)
Производители ПЛК
Рынок программируемых логических контроллеров относительно умеренно фрагментирован, на нем присутствуют такие крупные игроки, как ABB Ltd, Mitsubishi Electric Corporation, Schneider Electric SE, Rockwell Automation Inc и Siemens AG. Данные компании используют такие стратегии, как партнерство, слияния и поглощения с тем, чтобы улучшить предложение своих продуктов и получить конкурентное преимущество.
Лидеры рынка ПЛК и концентрация производства
ABB Ltd.
Mitsubishi Electric Corporation
Schneider Electric SE
Rockwell Automation, Inc.
Siemens AG
Некоторые события, произошедшие за последние два года на рынке ПЛК
Siemens выпустила полноценный виртуальный программируемый логический контроллер – Simatic S7-1500V, который расширяет существующее портфолио Simatic в соответствии с особыми требованиями рынка, включая виртуальный хостинг вычислений ПЛК. По данным компании, Simatic S7-1500V является частью Industrial Operations X, в рамках которой производитель уделяет особое внимание интеграции в среду автоматизации ИТ возможностей и программного обеспечения.
Arduino анонсировала свой первый микро-ПЛК Opta – устройство, разработанное в сотрудничестве с Finder с учетом промышленного Интернета вещей (IIoT). Оно использует двухъядерный микроконтроллер STMicro STM32H747XI, который содержит ядро Arm Cortex-M7 и ядро Cortex-M4 с меньшим энергопотреблением, а также блок распределенных вычислений с плавающей запятой, ускоритель Chrom-ART, аппаратный ускоритель JPEG, флэш-память 2 МБ.
Omron создала ПЛК CP2E Micro для компактного оборудования с поддержкой межмашинной связи. CP2E – одно из решений для серийного производства, где важны эффективность затрат, гибкая настройка и мониторинг оборудования.
В портфолио продуктов Toshiba появились программируемые логические контроллеры, созданные в партнерстве с дистрибьютором электронных компонентов Farnell. Данное сотрудничество позволяет распространить решения Toshiba для автомобилестроения, Интернета вещей (IoT), управления движением, телекоммуникаций, сетевого оборудования, производства потребительских товаров и бытовой техники и многих других отраслей и производств.
Emerson Electric Co. объявила о выпуске программируемых контроллеров автоматизации PACSystem RSTi-EP CPE 200. Компактные PAC помогут OEM-производителям удовлетворить потребности клиентов за счет снижения требований к специалистам в области разработки ПО. Контроллеры CPE 200 предлагают все возможности ПЛК, но в небольшом и экономичном форм-факторе, готовом к использованию в сфере IIoT – таким образом производителям оборудования не придется жертвовать производительностью ради цены.
Материал подготовлен Московским заводом тепловой автоматики
Приводим материал Стивена Гейтса (Stephen Gates), который на страницах портала Myplctraining доходчиво рассказал о принципах работы программируемых логических контроллеров. Благодарим за популяризацию темы автоматизации в целом и ПЛК, в частности и знакомим вас с переводом статьи.
Введение
Программируемые логические контроллеры (ПЛК) – это небольшие промышленные компьютеры с модульными компонентами, предназначенные для автоматизации процессов управления. ПЛК часто используются на заводах и иных объектах для управления двигателями, насосами, освещением, вентиляторами, автоматическими выключателями и другим оборудованием.
История ПЛК
Промышленная автоматизация началась задолго до появления ПЛК. В первой половине XX века автоматизация обычно осуществлялась с использованием сложных электромеханических релейных схем. Однако количество реле и проводов, и соответственно занимаемого ими места было слишком большим. Например, для автоматизации даже простого производственного процесса могут потребоваться тысячи реле! А если в логической схеме нужно было что-то изменить, то это вызывало серьезные проблемы.
Примечание. На базовом уровне электромеханические реле функционируют путем магнитного размыкания или замыкания электрических контактов при подаче напряжения на катушку реле. Эти устройства не вышли из обихода и до сих пор играют важную роль в промышленной автоматизации.
В 1968 году появился первый программируемый логический контроллер, который на промышленных предприятиях заменил сложные релейные схемы. ПЛК был разработан таким образом, чтобы его могли легко программировать инженеры и технические специалисты, уже знакомые с логикой реле и схемами управления. Поэтому с самого начала ПЛК можно было программировать с использованием релейной логики, которая была разработана для имитации схем цепей управления. Релейная логика или лестничные диаграммы выглядят как схемы управления, в которых поток энергии течет слева направо через закрытые контакты для подачи питания на катушку реле.
Пример языка релейной логики – LD (Ladder diagram)
Как видите, релейная логика выглядит как простая схема управления, где источники входного сигнала, такие как переключатели, кнопки, датчики и т. д., показаны слева, а источники вывода – справа. Возможность программирования сложных автоматизированных процессов с помощью интуитивно понятного интерфейса, такого как релейная логика, значительно упростила переход от релейной логики к ПЛК. И хотя первые ПЛК были очень ограничены в возможностях, в объеме памяти и скорости, с годами они значительно улучшили свои характеристики. В результате ПЛК помогли упростить проектирование и внедрение промышленной автоматизации.
Как работают ПЛК?
ПЛК можно охарактеризовать как небольшие промышленные компьютеры с модульными компонентами, предназначенными для автоматизации процессов управления. Контроллеры присутствуют практически во всей современной промышленной автоматизации. ПЛК состоит из множества компонентов, но большинство из них можно отнести к следующим трем укрупненным категориям:
Процессор
Входы
Выходы
Попробуем описать функцию ПЛК простыми словами. ПЛК принимает входные данные, выполняет логические операции на основе входных значений ЦП (центральный процессор), а затем включает или выключает выходы на основе этой логики. Позже мы углубимся в подробности, а сейчас подумайте об этом так:
ЦП контролирует состояние входов (например, включение, выключение датчика приближения, открытия клапана на 40 % и т. д.).
ЦП принимает информацию, которую он получает от входов и выполняет логические операции.
ЦП устанавливает значения выходов (например, выключение двигателя, открытие клапана и т. д.).
Блок-схема функций ПЛК
Процессор (ЦП), входы и выходы – эти три компонента работают вместе с тем, чтобы принимать входные данные, выполнять логику на входах, а затем активировать/деактивировать выходы.
Воспользуемся примером с тем, чтобы проиллюстрировать, как работают ПЛК. Рассмотрим работу посудомоечных машин, которые оснащены микропроцессорами, аналогичными ПЛК. У посудомоечной машины есть входы, выходы и, конечно же, процессор. Входами контроллера посудомоечной машины могут быть кнопки на передней панели, датчики воды и выключатель загрузочной дверцы. Выходы посудомоечной машины – это водяные клапаны, нагревательные элементы и насосы. Как посудомоечная машина использует эти компоненты:
Пользователь нажимает кнопку режима цикла (вход обнаружен)
Нагревательный элемент включается для нагрева воздуха внутри посудомоечной машины и сушки посуды (выход активирован)
ЦП ждет пока не будет достигнута необходимая внутренняя температура (вход активирован)
ЦП начинает отсчет времени (логический таймер активирован)
Нагревательный элемент выключен (выход активирован/деактивирован)
Схема управления посудомоечной машиной
Дискретный и аналоговый ввод/вывод
Входы и выходы часто обозначаются термином «I/O». В приведенном выше примере с посудомоечной машиной мы рассматривали каждый вход и выход как дискретный или цифровой сигнал.
Дискретные сигналы – это сигналы, которые могут характеризовать только состояние включено или выключено. Это самый простой и распространенный тип ввода-вывода. В нашем примере мы не использовали аналоговый ввод-вывод. Хотя в системе управления посудомоечной машиной может использоваться аналоговый ввод-вывод. Пример: при использовании аналоговых сигналов вместо включения/выключения или открытия/закрытия вы можете оперировать такими данными, как 0 – 100 %, 4 – 20 мА, 0 – 100 градусов Цельсия или что-то еще, что вы измеряете и берете в качестве входного сигнала и управляющего сигнала – в качестве выходного сигнала.
Процессор ПЛК – логика
ЦП является домом для логики ПЛК, памяти и коммуникаций. ЦП – это место, где хранится созданная разработчиком программа автоматизации.
На примере посудомоечной машины мы рассмотрели, как может выглядеть логика программы. Она обнаруживает различные состояния входа и активирует/деактивирует действия выхода. Логику ЦП ПЛК можно также сравнить с мозгом, который принимает входные сигналы (зрение, ощущение, обоняние, вкус, звук) и производит выходные действия (идти, тянуть, брать, говорить и т. д.).
Примечание. Традиционно ПЛК программируются исключительно с использованием релейной логики (LD). Большинство новых программируемых контроллеров автоматизации – PAC (описание ПАК дано чуть ниже) также позволяют программировать на других языках, таких как структурированный текст (ST), последовательная функциональная схема (SFC), функциональная блок-схема (FBD) и список инструкций (IL). Международная электротехническая комиссия (IEC) включила эти пять языков программирования в стандарт IEC 61131-3.
Память ПЛК
Память процессора обычно находится в ЦП, и в ней временно или постоянно хранятся данные и программы ПЛК. Это похоже на память компьютера (ОЗУ или ПЗУ).
Коммуникации ПЛК
Связь, осуществляемая центральным процессором, обычно включает в себя одно или несколько действий:
Связь через последовательный порт или порт USB модуля ЦП с компьютером программиста;
Связь с модулями ввода-вывода (I/O) через объединительную плату шасси;
Связь с другими ПЛК и другими устройствами промышленной автоматизации через Ethernet и другие типы сетей.
Продолжая аналогию с человеческим мозгом, связь ПЛК можно сравнить связью мозга с различными частями тела (глазами, носом, руками, ноги и т. д.) и общение с другими людьми. Давайте воспользуемся примером. Логика нашего мозга может выглядеть примерно так:
Мозг получает от глаз информацию о том, что, допустим на полу лежит мешающая проходу коробка.
Мозг принимает логические решения относительно того, почему коробку следует взять в руки и переместить.
Мозг приказывает ногам согнуться, рукам – дотянуться, взять коробку и убрать ее с дороги.
Хотя человеческий мозг намного сложнее, мощнее и гибче, чем ПЛК, тем не менее можно увидеть сходство между ПЛК и системой управления человека. Обратите внимание, как ПЛК можно запрограммировать для работы с механическим оборудованием для выполнения многих задач, которые в противном случае пришлось бы выполнять людям вручную.
Ввод-вывод ПЛК
Ввод-вывод – это часть ПЛК, которая соединяет мозг (ЦП), с внешним миром, механизмами и машинами. В системе ПЛК обычно имеются выделенные модули для входов и модули для выходов. Модуль входа определяет состояние входных сигналов, таких как кнопки, переключатели, датчики температуры и т. д. Модуль вывода управляет такими устройствами, как реле, пускатели двигателей, освещение и т. д.
Дискретный ввод/вывод
Наиболее распространенным типом ввода-вывода ПЛК является дискретный ввод-вывод. Иногда дискретный ввод-вывод называют цифровым вводом-выводом. Концепция проста: дискретный ввод-вывод – это сигналы, которые либо включены, либо выключены. Некоторыми примерами устройств дискретного ввода могут быть такие вещи, как выключатели света, кнопки и бесконтактные переключатели.
Примерами устройств дискретного вывода являются фонари, реле и пускатели двигателей. В нашем примере с посудомоечной машиной некоторые из дискретных входов – это кнопка запуска, выключатель дверцы и переключатель уровня воды. Некоторыми из дискретных выходов могут быть клапан наполнения воды, клапан слива воды и нагревательный элемент.
Примерами дискретных входов для ПЛК могут быть разомкнутые или замкнутые автоматические выключатели, генераторы, датчик положения конвейерной ленты или датчик уровня воды в резервуаре. Дискретные выходы могут отвечать за включение или размыкание автоматических выключателей, запуск или остановку генераторов, открытие или закрытие водяных клапанов или включение и выключение сигнальных ламп.
Дискретный ввод-вывод всегда либо включен, либо выключен. Между ними нет никакого промежутка. Благодаря этому дискретные сигналы легко обрабатывать на компьютере или ПЛК. Другие способы описания дискретного сигнала: он либо истинен, либо ложен, 1 или 0, открыт или закрыт.
Аналоговый ввод/вывод
Другой распространенной формой ввода-вывода ПЛК является аналоговый ввод-вывод. Например, аналоговый сигнал может создавать напряжение в диапазоне 0 – 10 В постоянного тока, допустим 2, 3 или 8,25 вольт. В мире ПЛК модули аналогового ввода обычно измеряют аналоговые входы в одном из следующих диапазонов: от -10 до 10 В постоянного тока, 0 – 10 В постоянного тока, от 1 до 5 В постоянного тока, 0 – 1 мА или 4 – 20 мА. По сути, модуль аналогового ввода измеряет либо напряжение, либо ток. Существуют и другие типы аналоговых сигналов, но перечисленные выше, безусловно, наиболее распространены.
Аналоговый сигнал, с которым большинство из нас знакомо – это регулятор освещенности. Когда вы поворачиваете регулятор или ползунок диммера, свет становится либо ярче, либо тусклее. Так же и аналоговый входной сигнал в ПЛК может увеличиваться или уменьшаться с очень небольшими приращениями, и ПЛК схожим образом формирует аналоговый выходной сигнал.
Реальные примеры аналоговых входов в промышленной среде: датчики температуры двигателя (RTD, термопары и т. д.), датчики давления масла, весы. Датчик температуры может, например, работать в диапазоне температур от -50 до 150 градусов Цельсия, что соответствует току 4 – 20 мА. Весы могут работать в диапазоне от 0 до 500 кг, соответствующий напряжению от 0 до 10 В. И так далее. Аналоговые выходы можно использовать для управления выходной мощностью генератора, положением стрелки аналогового измерителя давления и многого другого. Аналоговый выход 0 – 3 В постоянного тока можно использовать для управления генератором мощностью 0 – 2000 кВт, а аналоговый выход 4 – 20 мА – для управления датчиком температуры от -30 до 100 градусов Цельсия.
ПЛК и ПАК
Вероятно, вы слышали о программируемом контроллере автоматизации – ПАК (Programmable Automation Controller – PAC). Этот термин был впервые придуман исследовательской фирмой ARC в 2001 году, чтобы отличить обычные ПЛК (programmable logic controller – PLC) от появившихся на рынке новых, более мощных и гибких контроллеров. Существуют разногласия по поводу различий в определениях между PAC и PLC, и часто эти термины используются в отрасли как синонимы и взаимозаменяемые. PAC вероятно являются лучшим выбором, если только система не очень проста и минимизация стоимости проекта не является жизненно важной. Современный пользовательский интерфейс, дополнительная мощность и память большинства PAC делают их превосходящими большинство ПЛК.
Промышленные коммуникации
Необходимо рассказать также и о данных ввода-вывода, которые можно передавать или получать от других контроллеров и устройств через промышленные протоколы связи. Существует множество протоколов промышленной связи: Modbus, DNP, BACnet, ControlNet, EtherNet/IP и многие другие. Одним из старейших протоколов промышленной связи является Modbus. Modbus до сих пор широко используется во многих устройствах и ПЛК из-за своей простоты и широкого распространения.
Modbus – это протокол типа «главный-подчиненный», в котором одно устройство является главным, а все остальные устройства в сети Modbus – подчиненными. Ведущее устройство Modbus может считывать данные с устройства или записывать на него в зависимости от возможностей ведомого устройства.
Как это связано с вводом-выводом ПЛК? Многие устройства, такие как ПЛК, цифровые счетчики, системы SCADA, частотно-регулируемые приводы и контроллеры генераторных установок, были разработаны с внутренней картой данных точек входа и выхода. Разработчик устройства решает, как распределяются данные. Например, данные Modbus поступают в систему ПЛК/ПАК с измерителей мощности с тем, чтобы узнать мощность в киловаттах, напряжение, силу тока и т. д. в цепи или генераторе. В этом случае ПЛК действует как ведущее устройство Modbus, а измеритель мощности – ведомое. Каждый производитель устройства упорядочивает данные в карте Modbus своего устройства по-разному, но протокол связи остается тем же.
Ведущие устройства также могут записывать данные на ведомые устройства. Например, ПЛК можно настроить как ведущее устройство Modbus, которое записывает данные для запуска, остановки или изменения скорости частотно-регулируемого привода (ЧРП).
Таким образом вы можете не только подключать входы и выходы к вашему ПЛК, но также считывать входные данные и записывать выходные данные на устройства через Modbus и другие протоколы промышленной связи. Эта универсальность позволяет большинству ПЛК/ПАК взаимодействовать практически с любым устройством в промышленной среде.
Релейная логика ПЛК
Программирование ПЛК отличается от обычного компьютерного программирования, хотя бы потому, что для автоматизации промышленного оборудования в ПЛК используется язык графического программирования под названием Ladder Logic. Этот же раздел посвящен программированию ПЛК с помощью релейной логики.
Релейная логика была разработана с тем, чтобы сделать интуитивно понятным программирование ПЛК, которые заменили большую часть аппаратной релейной логики, используемой в промышленных средах. Логика управления реле отображалась на рисунках, обычно называемых релейными или «лестничными» диаграммами.
Следует отметить, что, поскольку ПАК (PAC) включает в себя другие языки, такие как ST, FBD, SFC и IL, релейная логика – не единственный язык, который люди используют для ПЛК. Тем не менее, он по-прежнему довольно популярен. Одним из больших преимуществ релейной логики является простота устранения неполадок в логике.
Поскольку язык основан на визуальном представлении, то удается относительно легко определять, где в цепочке/схеме могут быть неточности в логике. Кроме того, благодаря своему сходству со схемами релейного управления, релейная логика дает электрикам, инженерам и техническим специалистам преимущество, заключающееся в возможности легкого перехода между программируемой релейной логикой и проводными цепными схемами.
Краткий материал с описанием "Что такое ПЛК?" опубликован в рубрике "Автоматизация" ранее, с ним вы можете ознакомиться по ссылке.
Программируемые логические контроллеры (ПЛК) являются основным устройством, с помощью которого производится управление оборудованием дискретного производства. В дискретном производстве происходит переработки материала из заготовки в конечный продукт. Такой техпроцесс требует гибкой настройки оборудования, необходимой для изготовления изделий с индивидуальными требованиями.
Приводим материал журнала Control Engineering, в котором даются базовые знания о применении ПЛК и ПО автоматизации в техпроцессах.
Используемые в производстве промышленные контроллеры фактически являются компьютерами, управляющими электромеханическими устройствами, и осуществляют функции дискретного и непрерывного управления. Однако они отличаются от обычных компьютеров по нескольким важным признакам:
ПЛК имеет физические и электрические входы и выходы (I/O), которые передают в систему информацию и управляют внешними устройствами.
ПЛК обрабатывает и реагирует на информацию в определенных временных интервалах.
ПЛК часто имеет модульное исполнение и расширяется модулями ввода/вывода, сетевыми модулями и модули специального назначения.
ПЛК программируется с использованием нескольких языков, некоторые из которых позволяют изменять программу во время исполнения алгоритма.
Программное и аппаратное обеспечение обычно зависит от платформы производителя и не может использовать разными производителями.
ПЛК отличается повышенной надежностью для использования в промышленной среде.
В отличие от компьютеров, промышленные контроллеры предназначены для работы 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, могут работать в суровых условиях эксплуатации, противостоять вибрации и электромагнитным помехам. Некоторые модели модульных ПЛК показаны на рисунке 1.
Рисунок 1. Модульные ПЛК
Физическое компоновка элементов ПЛК
Блок-схема физического устройства ПЛК показана на рисунке 2. Не все элементы, показанные на этой схеме, присутствуют в каждом ПЛК, но эта схема дает представление о типичной конфигурации программируемого контроллера.
Процессор (ЦП). ЦП содержит операционную систему и обрабатывает всю логику, загруженную в контроллер. Обычно в него встроены часы реального времени. Системная память также тесно связана с процессором.
Память ПЛК. Память ПЛК состоит из операционной системы и встроенного ПО процессора (иногда называемого системной памятью), встроенного ПО модуля (если имеется), а также программы и данных, которые используются программистом. Существуют энергозависимые и энергонезависимые области памяти. Энергозависимой части памяти нужна батарея, «суперконденсатор» или другой перезаряжаемый модуль для хранения программы и/или данных.
Рисунок 2. Схема ПЛК и его компонентов
Хотя программу можно сохранить на флэш-картах или картах SD RAM без использования батареи, скорость обмена данными у них слишком низкая, чтобы использовать ее для фактического взаимодействия программы с ее данными.
При включении ПЛК программа загружается из энергонезависимой карты ОЗУ в пользовательскую память контроллера. Не все платформы ПЛК резервируют пользовательскую память с помощью батареи или другого устройства хранения энергии, данные в памяти могут быть потеряны при отключении питания процессора. Однако некоторые платформы гарантируют, что данные сохранятся даже при отключении питания за счет использования оперативной памяти с батарейным питанием. Это означает, что значения в регистрах данных будут сохранены, и программа запустится в своем последнем состоянии. Некоторые платформы ПЛК назначают отдельные части ОЗУ «сохраняемыми», а другие – несохраняемыми.
Сама операционная система на процессоре хранится в энергонезависимой системной памяти, называемой «прошивкой». Для изменения прошивки необходимо использовать программу или «прошивальщик» для ее загрузки, обычно входящий в ПО для программирования.
Модули ввода/вывода, связи и другие модули также часто имеют встроенное ПО. Инструменты обновления встроенного ПО также могут обновлять и модули, а сами прошивки обычно доступны на веб-сайте производителя. Необходимо иметь программное обеспечение, которое не менее актуально, чем устанавливаемая прошивка.
Оперативная часть памяти в ПЛК может быть разделена на две основные области: память программ и память данных.
Память программ состоит из всех списков инструкций и программного кода. Это то, что отправляется в процессор. Процесс отправки программных инструкций в большинстве ПЛК называется «загрузкой» («download»).
Память данных включает таблицы входных и выходных изображений, а также числовые и логические значения данных. Большая часть данных, используемых в программе ПЛК, находится во внутренней памяти и не связана напрямую с вводом/выводом.
Во время выполнения программы она отслеживает, включены или выключены биты (BOOLS), а также числовые значения в памяти данных. На разных платформах используются разные способы организации этих данных.
Входы и выходы ПЛК (I/O)
Физические вводы/выводы могут быть дискретными, которые либо включены, либо выключены, или аналоговыми сигналами, которые изменяют амплитуду напряжения или тока.
Рисунок 3. Дискретный сигнал
На рисунке 3 показан цифровой (дискретный) сигнал. Типичные уровни сигналов для дискретных входов и выходов составляют 24 В постоянного тока и 120 В переменного тока, но могут быть и другие уровни в зависимости от типа устройства или карты ввода. Помимо обозначения единицы и нуля или включения и выключения, дискретные сигналы могут описываться как истинные или ложные. На рисунке 4 показаны устройства дискретного ввода/вывода.
Рисунок 4. Устройства дискретного ввода/вывода (I/O)
Аналоговые сигналы (рисунок 5) различаются либо по напряжению, либо по току. Диапазоны обычно составляют от 0 до 10 В или от -10 до +10 В постоянного тока или от 0 до 20 мА или от 4 до 20 мА. Электрический сигнал затем преобразуется в число для использования в программе ПЛК. Аналоговые устройства ввода/вывода показаны на рисунке 6.
Рисунок 5. Аналоговый сигнал
Рисунок 6. Аналоговые устройства ввода/вывода
Методы связи ПЛК
Как упоминалось ранее, существует множество методов для связи с ПЛК и их устройствами. Последовательная связь, Ethernet и различные протоколы полевых шин (fieldbus) – это лишь некоторые из них.
Таблица 1. Типы коммуникационных платформ ПЛК
Обратите внимание (Таблица 1), что некоторые из этих протоколов одинаковы для разных производителей, но даже в этом случае они могут не взаимодействовать должным образом без изменения параметров. Последовательный порт и Ethernet являются двумя наиболее распространенными способами подключения к ПЛК, а протоколы полевых шин обычно используются для связи с удаленными или распределенными устройствами ввода/вывода. Ethernet используется для программирования ПЛК и для распределенных устройств, но важно, чтобы связь ввода/вывода была заранее определена.
Данные ПЛК
В зависимости от платформы ПЛК обрабатывают данные по-разному. Старые ПЛК обычно работали либо на основе байтов, либо слов или целых чисел. Это оказало большое влияние на то, как хранилась и использовалась память. Некоторые ПЛК имеют регистры, назначенные для определенных типов данных, то есть битовых, целых или вещественных, тогда как другие бренды могут разделять данные в зависимости от того, являются ли они сохраняемыми или размещают все данные вместе.
При изучении платформы программирования нового ПЛК важно сначала понять, как организована его память. Например, в некоторых старых ПЛК память данных и ввод/вывод занимают одно и то же пространство. Может возникнуть довольно неприятная ситуация, если вы заставите приводы двигаться, намереваясь просто сохранить целое число в регистре.
Таблица 2. Типы структур данных ПЛК
В Таблице 2 показано расположение областей памяти нескольких ПЛК. Первый список - семейства SLC и MicroLogix Allen-Bradley, показывает, что данные разделены на пронумерованные файлы O0, I1, S2…F8. Каждый файл данных можно расширить до 255 слов, но после этого необходимо добавить новые номера файлов, например, N9, B10 и т.д.
В следующей таблице показан Siemens S7. Ввод/вывод назначается во время конфигурации оборудования, а не по номеру слота, как в случае с Allen-Bradley. Общая область памяти «М» имеет фиксированный размер, тогда как блоки памяти или блоки данных (DB) содержат разные типы данных и могут иметь размер до 64 КБ.
Адресация ввода/вывода варьируется от бренда к бренду (Таблица 3). Входы могут быть адресованы как I или X, выходы – как O, Q или Y, а обозначения аналоговых входов/выходов могут использовать совершенно другой формат, чем цифровые. Некоторые бренды обозначают ввод/вывод на основе номера слота, которому назначается карта при настройке оборудования и это невозможно изменить. На других платформах, есть местоположение по умолчанию, где входы/выходы назначаются во время конфигурации, но это может быть изменено программистом. Адресация также может быть восьмеричной, десятичной или даже шестнадцатеричной.
Таблица 3. Примеры адресации ввода/вывода ПЛК
Просмотр типов данных: программное обеспечение ПЛК позволяет пользователю просматривать числа во многих перечисленных здесь форматах, устраняя необходимость в калькуляторе. Не всегда может быть понятно, в каком формате просматриваются данные, но часто присутствуют обозначения. Могут использоваться целое число со знаком (десятичное или по основанию 10) и не иметь указателя. Однако шестнадцатеричное число будет иметь префикс W#16, указывающий на основание 16. REAL будет иметь десятичную точку или выражаться экспонентой, тогда как двоичное представление может иметь префикс или выглядеть как строка из единиц и нулей.
Точечные поля и разделители. если обозначен один бит целого числа, его можно отобразить с помощью разделителя, например, косой чертой или точкой (N7:5/3 или Q3.2). Поля с точками также часто используются для обозначения элемента сложного типа данных, например, таймера (Timer1.ACC обозначает накопленное значение Таймера №1). Перед запуском программы важно понять, как память адресуется для вашего конкретного ПЛК.
Теги. многие современные платформы ПЛК вообще не используют регистры числовых данных. Вместо этого они позволяют пользователям создавать объекты памяти по мере необходимости в виде текстовых строк. Большинство крупных производителей создают ПЛК с данными на основе тегов. На некоторых платформах теги также называются символами (Symbols), но символ не обязательно является тегом – это может быть просто мнемонический адрес или ярлык для адреса регистра. Имена тэгов загружаются в ПЛК и используются вместо адреса.
Теги обычно создаются в таблице данных по мере необходимости. Вместо числовых адресов, таких как «B3:6/4» или «DB2.DBW14», в качестве ячеек памяти создаются символические имена, такие как «InfeedConv_Start_PB» или «Drive1402.ActualSpeed». При создании тегов необходимо выбрать такие детали, как тип данных (BOOL, Таймер, REAL) и стиль отображения (шестнадцатеричный, десятичный).
Преимущество тегов состоит в том, что они более информативны, чем числовые номера регистров. Кроме того, описания и символы из адресов регистров присутствуют только в компьютере и не загружаются в ПЛК. Программу на основе тегов обычно можно загрузить прямо из ПЛК, поскольку адрес является фактическим местоположением регистра.
Рисунок 7. Пример псевдонимов
Кроме того, те же теги из программы ПЛК можно напрямую использовать в программе человеко-машинного интерфейса (HMI) или диспетчерского управления и сбора данных (SCADA). Это экономит время и избавляет от необходимости сопоставлять адреса ПЛК с тегами HMI. Конечно, адреса ввода/вывода по-прежнему создаются на основе аппаратной конфигурации ПЛК, но производители создали различные способы соединения адресов ввода/вывода с помощью тегов. Один из самых удобных вариантов - платформа ControlLogix, где любой тег или адрес может быть "привязан" к любому другому, и оба отображаются в лестничной логике (Рисунок 7).
Группы данных. в дополнение к «атомарным» или элементарным типам данных, таким как BOOL, Byte, Integer или REAL, описанных в разделе «Данные», можно группировать отдельные элементы в общую структуру.
Массив. массив – это группа схожих типов данных. Например, можно определить массив, содержащий 10 Integer или 50 REAL, или 32 BOOL значений. Типы данных нельзя смешивать в массиве. Сложные типы данных, такие как таймеры, счетчики или пользовательские типы данных (UDT), также могут быть помещены в массив. Обычно массив отображается в квадратных скобках, например, Delay_Tmr[6]. Это обозначает 7-й элемент массива, если массив начинается с 0.
Некоторые платформы позволяют определять многомерные массивы, например, Integer[2,4,5]. Это означает целое число в 5-м слое 4-й строки 2-го столбца.
Элементы, состоящие из более чем одного типа данных, называются структурами. Структура может быть определена программным обеспечением, например, инструкциями или программистом.
Пользовательские типы (UDT). UDT – это группа различных типов данных или структура, например, таймеры и счетчики состоят из двух целых или двойных целых чисел и нескольких битов, объединенных в структурированный тип данных, называемый «таймер» или «счетчик».
UDT можно использовать только с символами или тегами, потому, что UDT не является данными. После определения UDT необходимо создать тег или символ с использованием нового типа данных.
Распространенной причиной создания UDT является описание объекта, более сложного, чем простой элемент данных. Например, преобразователь частоты имеет множество фрагментов данных, которые могут быть связаны с ним. К примеру, двигатель должен запускаться и останавливаться, он имеет различные числовые параметры для описания своего движения, такие как заданная скорость, фактическая скорость, ускорение и замедление. Мы также можем захотеть узнать его статус: произошел ли сбой, и если да, то какой был тип неисправности.
Таблица 4. Пользовательский тип (UDT) слева и тег, созданный на основе UDT (справа)
Слева находится пользовательский тип с именем «Drive», определенный в программном обеспечении, а справа – тег «Drive_5207», созданный на основе пользовательского типа (Таблица 4). Определение не загружается в процессор – его можно изменить только на программирующем устройстве.
Вложенные элементы тега представляют собой пример точечных полей, описанных ранее. Создав UDT, в программу можно добавить множество приводов без лишнего ввода текста. UDT являются важным элементом быстрой разработки кода.
В системах, не основанных на тегах, UDT могут вызвать проблемы, если прокомментированная программа недоступна. Помните: описания и символы без тегов не сохраняются в процессоре. Вот почему трудно восстановить программу Siemens S7, если у вас нет исходного кода – загруженные блоки данных не содержат названий элементов.
ПО автоматизации и конфигурация ПЛК
Первым шагом в запуске новой программы ПЛК является настройка аппаратного обеспечения. Это связано с тем, что разные процессоры имеют разный объем памяти, а адреса ввода/вывода определяются конфигурацией. По мере добавления модулей генерируются новые адреса или теги, которые доступны для выбора в программе. Вы не сможете написать программу, пока не будете знать адреса ввода/вывода и конфигурацию памяти.
Рисунок 8. Конфигурация аппаратного обеспечения ПЛК
Некоторые платформы назначают адреса ввода/вывода по местоположению в стойке (номеру слота), в то время как другие позволяют программисту назначать адреса. Обычно указывается адрес по умолчанию, который можно изменить в свойствах карты, что отображено на рисунке 8. Распределение памяти некоторых производителей может перекрывать область ввода/вывода, поэтому важна тщательная настройка и планирование. Выбор оборудования часто также включает ввод номера оборудования или прошивки для каждого модуля. Если используется стойка (шасси), перед вставкой модуля необходимо выбрать ее размер.
В зависимости от платформы следующим шагом настройки новой программы является настройка областей данных. Новые системы на основе тегов позволяют добавлять теги по одному либо локально, либо глобально, но многие старые платформы требуют, чтобы размер таблицы данных создавался в автономном режиме.
Комментарий МЗТА
В статье говорится, что в ПЛК используется сочетание энергозависимой и энергонезависимой памяти, поэтому для хранения данных требуется резервная батарея. Но сейчас имеются решения, не требующие резервного питания, но и не приводящие к потере информации при отключении питания ПЛК.
Каждая платформа ПЛК организуют данные по-разному, что влияет на использование памяти и методы адресации. Контроллеры МЗТА используют стандартную для контроллеров на базе Codesys 3.5 организацию: сочетание энергозависимой и энергонезависимой памяти и символьную адресацию.
В статье на портале Control Automation разбираются различные виды кнопок и переключателей, а также их функции и варианты подсветки для шкафов управления.
Промышленные переключатели
Самый простой переключатель предназначен для управления электрической нагрузкой в замкнутой цепи. Этой нагрузкой может быть лампа, двигатель или нагревательный элемент. Переключающее устройство обычно состоит из металлической части, которая совершает некое движение и размыкает или замыкает контакты. Поскольку переключатель должен размыкать и замыкать свои контакты под нагрузкой, при выборе переключателя для каждого применения следует учитывать определенные конструктивные соображения.
Шкафы автоматики
Рис. 1. Шкафы автоматики почти всегда содержат комбинацию переключателей или кнопок
Типы переключателей
Переключатели бывают различных форм, размеров и номиналов тока. Использование переключателя, не рассчитанного на требуемую нагрузку сети, может привести к преждевременному выходу его из строя или даже к возгоранию.
Хотя существует множество видов устройств, коммутирующих сигнал, эту категорию часто называют поворотным или четверть-оборотным переключателем, в отличие от кнопок и датчиков. Иногда торговый жаргон может применять обозначение переключателя ко многим устройствам, что не возбраняется, но в этом обсуждении это понятие будет зарезервировано для поворотных механизмов.
Некоторые переключатели имеют только положение «выключено-включено» и предназначены для того, чтобы оставаться в этом состоянии до тех пор, пока переключатель не будет снова задействован. Они называются переключатели с фиксацией.
Существуют также переключатели с пружинным возвратом, называемые переключатели с самовозвратом, которые имеют нормальное положение покоя, а затем при срабатывании они требуют, чтобы оператор удерживал переключатель в этом положении. При отпускании переключатель вернется в исходное положение.
Некоторые разновидности переключателей имеют три положения с различными комбинациями функций фиксации и самовозврата по обе стороны от центрального положения. В случае переключателей, установленных непосредственно на печатных платах, поворотные переключатели могут иметь гораздо больше трех положений, но это редкость для традиционных промышленных переключателей.
Промышленные переключатели имеют сменные контактные блоки, что означает, что вы можете выбрать переключатель как с нормально разомкнутыми, так и с нормально замкнутыми контактами. В зависимости от модели переключателя контактные блоки могут иметь различные схемы переключения, которые могут управлять несколькими цепями. Обычными переключателями, используемыми для промышленной автоматизации, являются поворотные и кулисные переключатели, а тумблеры, как правило, используются в автомобильной промышленности.
Рис. 2. Пример типичных промышленных переключателей
Типы кнопок
Кнопка похожа на переключатель в том, что она предназначена для управления электрическими цепями путем размыкания или замыкания контактов с помощью движущейся части. Разница заключается в направлении перемещения.
При использовании кнопки осуществляется нажатие на лицевую панель внутрь по направлению к контактам. Движение осуществляется по канавкам в корпусе кнопки, что уменьшает количество движущихся элементов.
Как и переключатели, промышленные кнопки могут иметь различный набор контактов, что расширяет функциональность кнопки. Обычно действие кнопки бывает кратковременным, то есть до тех пор, пока кнопка нажата и не будет снято усилие.
Некоторые кнопки имеют функцию сохранения или фиксации, которая удерживает контакты закрытыми даже после нажатия и при повторном нажатии возвращается в разомкнутое состояние. Эти часто называемые кнопки включения-выключения имеют внутренние компоненты, которые удерживают контактные блоки во включенном состоянии до тех пор, пока кнопка не будет нажата снова.
Промышленная кнопка
Рис. 3. Промышленная кнопка в металлическом корпусе, хотя пластиковые корпусы также распространены
Индикация включения
Знание того, когда активирована кнопка или переключатель, часто является важным в автоматизации. Оператор должен иметь возможность узнать состояние кнопки, просто взглянув на нее. По этой причине некоторые переключатели и кнопки имеют функцию подсветки.
Каждый производитель кнопок или переключателей подходит к подсветке по-своему, но обычно промышленные кнопки и переключатели можно приобрести со светодиодом или лампочкой накаливания, установленной внутри корпуса переключателя. Эта подсветка совмещается с крышкой кнопки, и при подаче тока лицевая сторона кнопки загорается. Можно приобрести разные цветные поверхности кнопок с тем, чтобы подсветить их разными цветами.
Некоторые производители допускают легкую замену подсветки, в то время как другие (хотя и реже) предлагают только необслуживаемые устройства.
Выключатели с подсветкой работают по такому же принципу. Индикатор можно подключить последовательно с одним из контактов, чтобы сигнализировать о нажатии кнопки, или его можно подключить непосредственно к системе управления, если вы хотите, чтобы индикатор мигал или оставался под напряжением после отпускания кнопки.
Корпус и составные части кнопки с подсветкой
Рис. 4. Подсветка переключателя или кнопки обычно находится в основании модуля (слева), а верхняя крышка оператора содержит прозрачный или цветной блок лицевой панели
Кнопка с подсветкой в сборе
Рис. 5. Кнопка с контактным блоком подсветки
Особые случаи коммутации
В некоторых высоковольтных приложениях переключатель должен быстро перемещать контакты, чтобы предотвратить искрение. Выключатели панели работают таким образом: когда привод перемещается из выключенного положения во включенное, пружина помогает приводу и предотвращает частичное перемещение контактов.
Когда некое приложение требует перемещение источника питания из одной цепи в другую, используется специальный переключатель, называемый "замыкание до размыкания". Этот переключатель установит новое соединение, прежде чем разорвать исходное соединение. Эти переключатели обычно используются в энергетике, где необходимо подать питание на цепь и отключить ее от другой цепи.
Еще одним специальным переключателем является размыкание перед замыканием (незакорачивающий контакт). Этот переключатель выполняет функцию, противоположную функции вышеописанного переключателя. Такое соединение разрывается до того, как будет установлено второе соединение. Опять же, этот тип переключателя обычно встречается в энергетической промышленности, но могут быть приложения с низким или средним напряжением, где можно использовать этот тип переключателя.
Механический переключатель или панель оператора?
Некоторые могут возразить, что панель оператора (HMI) заменяют физические кнопки и переключатели цифровыми эквивалентами. В некоторых случаях в этом может быть доля правды, поскольку цена и общий размер HMI значительно снизились, но ряд клиентов по-прежнему предпочитают тактильное ощущение и надежность промышленного переключателя или кнопки панелям оператора.
Комментарий МЗТА
Коммутация электрических цепей в АСУТП осуществляется внушительным семейством устройств, насчитывающим тысячи модификаций кнопок и переключателей. Помимо указанных выше вариантов существуют: ползунковые, клавишные, тактильные (сенсорные) переключатели, DIP-переключатели и программируемые переключатели с ЖК-экраном. Существуют также различные тумблеры и широкая гамма кнопок – механические, электронные, электромагнитные, кнопки с ключом-фиксатором и проч.
Отметим, что виртуальные кнопки панелей оператора не могут полностью заменить физические устройства коммутации, а обычно дополняют их. Они позволяют в ряде случаев сократить число физических устройств. Но для коммутации ответственной нагрузки в шкафах автоматики всегда требуется дублирование виртуальных кнопок на панели физическими кнопками и переключателями. При этом, даже тех в случаях, когда панель «зависла» или отказала, обслуживающий персонал должен всегда иметь возможность воспользоваться физическими устройствами для коммутации нагрузки. Например, повернув рубильник, оператор может произвести экстренное отключение электродвигателя.
