Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Бийский технологический институт (филиал)

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения Высшего профессионального образования

"Алтайский государственный технический университет им.И. И. Ползунова"

Кафедра "Методов и средств измерений и автоматизации"

Реферат

на тему: "Программируемые логические микроконтроллеры, их назначение и область применения.

Выполнил

студент гр. ПС-24 Р.А. Титов

проверил

преподаватель каф. МСИА Д.С. Абраменко

Бийск 2014

Содержание

• Введение
• 1. Понятие программируемого логического контроллера
• 2. Назначение и применение контроллеров
• 3. Сравнительный анализ рыночных моделей
• 5. Программирование ПЛК
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

Слово "контроллер" произошло от английского " control" (управление), а не от русского "контроль" (учет, проверка). Контроллером в системах автоматизации называют устройство, выполняющее управление физическими процессами по записанному в него алгоритму, с использованием информации, получаемой от датчиков и выводимой в исполнительные устройства.

Первые контроллеры появились на рубеже 60-х и 70-х годов в автомобильной промышленности, где использовались для автоматизации сборочных линий. В то время компьютеры стоили чрезвычайно дорого, поэтому контроллеры строились на жесткой логике (программировались аппаратно), что было гораздо дешевле. Однако перенастройка с одной технологической линии на другую требовала фактически изготовления нового контроллера. Поэтому появились контроллеры, алгоритм работы которых мог быть изменен несколько проще - с помощью схемы соединений реле. Такие контроллеры получили название программируемых логических контроллеров (ПЛК), и этот термин сохранился до настоящего времени.

Немного позже появились ПЛК, которые можно было программировать на машинно-ориентированном языке, что было проще конструктивно, но требовало участия специально обученного программиста для внесения даже незначительных изменений в алгоритм управления. С этого момента началась борьба за упрощение процесса программирования ПЛК, которая привела сначала к созданию языков высокого уровня, затем - специализированных языков визуального программирования, похожих на язык релейной логики. В настоящее время этот процесс завершился созданием международного стандарта IEC (МЭК) 1131-3 [Bertocco], который позже был переименован в МЭК 61131-3 [IEC].

Широкое применение средств автоматизации производственных процессов, напрямую влияющее на сокращение издержек и повышение качества продукции, становится главным фактором развития российского промышленного производства. Лучшее доказательство этому - растущее влияние на мировом рынке российских металлургов, нефтяников, предприятий оборонного комплекса. Инвестируя в автоматизацию, модернизацию и развитие производства, сегодня именно эти отрасли становятся локомотивом всей отечественной промышленности.

Современное предприятие наряду с полностью автоматизированными или роботизированными линиями включает в себя и отдельные полуавтономные участки - системы блокировки и аварийной защиты, системы подачи воды и воздуха, очистные сооружения, погрузочно - разгрузочные и складские терминалы и т.п. Функции автоматизированного управления для них выполняют программно - технические комплексы (ПТК). Они строятся с использованием аппаратно - программных средств, к которым относятся средства измерения и контроля и исполнительные механизмы, объединенные в промышленные сети и управляемые промышленными компьютерами с помощью специализированного ПО. При этом, в отличие от компьютерных сетей, центральным звеном ПТК является не главный процессор, а программируемые логические контроллеры, объединенные в сеть.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) объединяют различные объекты и устройства, локальные и удаленные, в единый комплекс и позволяют контролировать и программировать их работу как в целом, так и по отдельности. Этим обеспечивается максимальная эффективность и безопасность производства, возможность оперативной наладки и переналадки, строгий учет и планирование показателей операционной деятельности, оптимизация бизнес - процессов [1].

программируемый логический контроллер автоматизация

1. Понятие программируемого логического контроллера

Программируемый логический контроллер (сокращенно, ПЛК) - электронный компонент, применяемый в современных системах автоматизации. Программируемые логические контроллеры используются главным образом при автоматизации промышленных и производственных процессов. ПЛК различных типов также применяются для организации автоматизированного управления системами вентиляции и кондиционирования, для поддержания заданного температурного режима в помещении и т.д. Применение логических контроллеров позволяет создать практически полностью автономную систему управления, осуществляющую свою деятельность с учетом свойств, характеристик и состояния контролируемого объекта. Участие оператора сводится к общему наблюдению за процессом управления и, при необходимости - изменению заданной программы работы.

Контроллеры ПЛК относятся к категории устройств реального времени и обладают целым рядом существенных отличий от оборудования со сходными назначением и архитектурой. В частности, главным отличием программируемых логических контроллеров от обычных компьютеров является развитая система обработки входящих и исходящих сигналов исполнительных механизмов и различных датчиков; главным отличием от встраиваемых систем управления - схема монтажа, отдельного от объекта управления.

Первые логические контроллеры представляли собой достаточно крупногабаритные системы, состоящие из соединенных между собой контактов и реле. Схема функционирования этих устройств задавалась еще на стадии проектирования и впоследствии не могла быть изменена.

Контроллеры, программируемые с помощью особого языка Ladder Logic Diagram ("лестничной логики"), стали следующим поколением и заменили собой устройства с жестко заданной логикой. Внутренняя физическая коммутация (то есть, контакты и реле) была заменена в них виртуальной и представляла собой программу, исполняемую микроконтроллером устройства. Современной разновидностью контроллеров, программируемых после проектирования и сборки, являются так называемые свободно программируемые контроллеры. Для изменения рабочих параметров, диагностики и обслуживания этих устройств используются специальные устройства - программаторы, или ПК, оснащенные соответствующими интерфейсами для подключения и программным обеспечением. Кроме того, для управления свободно программируемыми контроллерами применяются различные системы человеко-машинного интерфейса, в частности - операторские панели. Важнейшими элементами комплексов автоматизированного управления являются также датчики и исполнительные устройства, подсоединяемые к ПЛК централизованно или по методу распределенной периферии.

Для программирования ПЛК контроллеров был разработан ряд стандартизированных языков, описанных в международном стандарте МЭК 61131 [2].

2. Назначение и применение контроллеров

Программируемые логические контроллеры (ПЛК), являются широко распространенными средствами автоматизации в составе локальных и распределенных систем контроля и управления.

Термином ПЛК обозначают устройства, осуществляющие преобразование, обработку, хранение информации и выработку команд управления или управляющих регулирующих воздействий, реализованные на базе микропроцессорной техники и являющиеся, по сути, специализированными управляющими вычислительными комплексами для работы в локальных и распределенных системах управления в реальном масштабе времени.

Программируемые логические контроллеры предназначены для создания систем автоматизированного управления технологическим оборудованием в энергетике, на транспорте, в т. ч. железнодорожном, в различных областях промышленности, жилищно-коммунального и сельского хозяйства (рисунок 1).

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) в основном ориентированы на реализацию логических функций, а не арифметических операций в реальном масштабе времени и используются вместо релейных схем управления, т.е. для управления полупроводниковыми схемами электроавтоматических устройств технологических объектов.

ПЛК реализуют всевозможные функции командоаппаратов и микроконтроллеров и создаются на базе микро - ЭВМ. Данные микро - ЭВМ можно рассматривать как универсальную программно - настраиваемую модель цифрового управляющего автомата. Возможность применения ПЛК в качестве универсального локального устройства управления всевозможными технологическими процессами достигается путем внесения в ПЛК программы, определяющей алгоритм работы конкретного объекта управления без изменения его электрической структуры [3].

Таким образом, ориентация ПЛК, как устройства общего назначения, в какой - либо области применения, достигается благодаря соответствующему программированию.

ПЛК может представлять собой либо целый, неделимый продукт, поставляемый одним производителем, либо несколько продуктов - составных частей, поставляемых одним или разными производителями.

По функциональному назначению в ПЛК можно выделить следующие основные части:

а) процессор, осуществляющий прием, обработку и выдачу информации,

б) устройство сопряжения процессора с объектом (УСО),

в) устройство сопряжения процессора с человеком - оператором,

г) программное обеспечение (ПО) (рисунок 1).

Рисунок 1 - Архитектура ПЛК

Требования, предъявляемые к ПЛК, разнообразны, так как ПЛК используются для всевозможных видов деятельности (рабочими, технологами, инженерами) [4].

Рисунок 2 - Возможные схемы работы контроллеров в промышленности

3. Сравнительный анализ рыночных моделей

На данный момент существует много фирм, производящие ПЛК. Однако наличие различных ПЛК ставит следующий вопрос: как выбрать из этого обилия необходимый контроллер? Большинству потребителей требуется не превосходство одной какой-то характеристики, а некая интегральная оценка, позволяющая сравнить ПЛК по совокупности характеристик и свойств. А это уже отдельная проблема. Так при маркетинге выяснилось, что многие фирмы не приводят данные по надежности (MTBF и MTTR). Однако там, где эти параметры есть, разброс идет на порядки.

Один из самых важных параметров ПЛК быстродействие в каталогах фирм указывается в совершенно разных вариантах. Могут фигурировать время выполнения бинарных команд, время опроса 1К дискретных входов, время выполнения смешанных команд и т.д.

Спектр контроллеров, предлагаемых сегодня, чрезвычайно широк. Все они построены по магистрально - модульному принципу, монтируются на панель или DIN-рейку, работают от напряжения +24 В, поддерживают протоколы обмена Fieldbus, имеют широкий набор модулей:

· модули дискретных входов / выходов;

· коммуникационные модули;

· модули аналогового ввода / вывода;

· модули терморегуляторов;

· модули позиционирования;

· модули ПИД - регулятора;

· модули контроля движения.

Контроллеры имеют равные функциональные возможности, близкие технические и эксплуатационные характеристики и даже почти одинаковые размеры. В такой ситуации необходимо определить критерии оценки и выбора ПЛК, удовлетворяющего поставленной задаче.

Учитывая специфику устройств, критерии оценки можно разделить на три группы:

· технические характеристики;

· эксплуатационные характеристики;

· потребительские свойства.

При этом критериями выбора считать потребительские свойства, т.е. соотношение показателей затраты / производительность / надежность, а технические и эксплуатационные характеристики ограничениями для процедуры выбора.

Кроме того, необходимо разделить характеристики на прямые (для которых положительным результатом является её увеличение) и обратные (для которых положительным результатом является её уменьшение).

Так как характеристики между собой конфликтны, т.е. улучшение одной характеристики почти всегда приводит к ухудшению другой, необходимо для каждой характеристики определить весовой коэффициент, учитывающий степень влияния данной характеристики на полезность устройства.

Ниже приведены несколько компаний, производящих ПЛК.

Advantech. Контроллеры и модули ввода / вывода

Тайваньская компания Advantech предлагает производит широкую линейку контроллеров и модулей ввода / вывода. Многофункциональные PC-совместимые устройства этой компании имеют широкие возможности и могут быть использованы как для простых задач автоматизации, так и для высокоответственных приложений с высоким быстродействием.

Рисунок 3 - Внешний вид контроллеров Advantech Launches its BAS - 3000 Series

Существуют две основные серии контроллеров Advantech - это APAX - 5000 и ADAM - 5000. APAX - 5000 с открытой архитектурой, позволяющей использовать различные приложения и имеет высокоскоростной вычислительный процессор (APAX5570XPE/5571XPE), обеспечивая при этом гибкие функции ввода / вывода, повышающие масштабируемость системы. ADAM - 5000 оснащены широким набором интерфейсов для связи, обеспечивающих гибкость коммуникационных соединений.

ICP DAS

Компания ICP DAS выпускает ПЛК и модули ввода-вывода широко известных в России серий I - 7000, I - 8000, uPAC, WinCon, WinPAC, XPAC, iPAC и т.д.

Рисунок 4 - Внешний вид контролеров WinCon, uPAC, XPAC

Компания ICP DAS выпускает ПЛК и модули ввода-вывода широко известных в России серий I - 7000, I - 8000, uPAC, WinCon, WinPAC, XPAC, iPAC и т.д.

Возможность применения более дешевых, отработанных и быстро развивающихся открытых архитектур на базе РС - совместимой платформы позволяет широко использовать изделия компании ICP DAS для задач, где раньше применялись только обычные PLC.

Достоинствами контроллеров ICP DAS являются:

· невысокая цена PLC;

· использование открытых протоколов;

· простота программирования и доступность широкого спектра программного обеспечения;

· простота интеграции с системами управления более высокого уровня.

Контроллеры ОВЕН (ПЛК ОВЕН)

Компания ОВЕН уже более 15 лет производит широкий ряд приборов первичной автоматики. Компания ОВЕН в 2005 году начала разработку управляющих контроллеров для широкого применения. В них использовалась современная элементная база и с самого начала закладывались мощные аппаратные ресурсы и широкие программные возможности.

Рисунок 5 - Внешний вид ПЛК ОВЕН

Для их программирования используется среда CoDeSys, разработанной немецкой компанией 3S-Software. Кроме того, контроллеры ОВЕН могут программироваться с помощью интегрированной SCADA и SoftLOGIC системы MasterSCADA [5].

Контроллеры Сегнетикс

Российская компания "Сегнетикс" (Segnetics) производит три линейки контроллеров. Первая линейка - SMH2010 - универсальные панельные контроллеры для автоматизации широкого спектра объектов в области ЖКХ, автоматизации зданий и промышленности. Вторая линейка предназначена для автоматизации систем вентиляции - Pixel.

Рисунок 6 - Внешний вид ПЛК Сегнетикс

Третья линейка - SMH 2G - второе поколение панельных ПЛК, предназначенных для автоматизации инженерных систем зданий и технологических процессов в промышленности [6].

5. Программирование ПЛК

Использование ПЛК характеризуется:

а) наглядное описание автоматизируемых технологических процессов и дальнейшая отладка в терминах исходного описания;

б) мобильность - способность к переносу на различные аппаратные и операционные платформы, эффективное исполнение программы в реальном времени;

в) наглядность описания определяется характером объекта и следующими задачами по управлению объектом:

1) задачи параллельной обработки большого числа логических контуров (сотен и тысяч) с обработкой исполнительных действий при наступлении тех или иных событий. В основе логического контура лежит проверка истинности логической функции от нескольких переменных, а событие равнозначно истинности этой функции. Задачи такого рода характерны, например, для таких технологических объектов, как электростанции, химические производства и производства по переработке нефти. Задача адекватно и наглядно описывается системой булевых уравнений. Все языки стандарта, за исключением SFC, хорошо подходят для описания подобных задач, поскольку они или содержат в себе средство представления булевых функций (языки IL, ST), или являются графической формой их отображения (языки LD, FBD).

2) задачи управления процессом, проходящим в своем развитии через ряд состояний (шагов, стадий). Переход от одного состояния к другому происходит по событиям, формируемым по сигналам датчиков процесса. Такие задачи управления возникают, например, при управлении транспортно-складскими системами, агрегатными станками, робототехническими комплексами, характерны они и для объектов, перечисленных в п.1, в частности, при пуске и останове турбины и др. Задачи данного типа наиболее наглядно представляются автоматными моделями. В стандарте такая модель строится с использованием языка SFC (разметка состоянии, логика управления) и любого другого языка (описание действии, связанных с состоянием, и событий, предписывающих смену состояний). Заметим, что подобные задачи могут быть полностью представлены с помощью других языков стандарта, например языка FBD с использованием элементов памяти - триггеров, но в этом случае автоматная модель будет выражена неявно.

3) задачи автоматического регулирования (ПИД - законы, нечеткое управление и т.д.) встречаются практически везде. Здесь как правило, используются библиотеки заранее разработанных компонентов - графических блоков для языков LD и FBD и подпрограмм для языков ST и PL.

4) задачи управления распределенными технологическими объектами, оптимизационные, а также задачи, связанные с интеллектуальным анализом данных. Задачи такого типа решаются в сложных технологических объектах типа химических производств. Здесь в качестве средств адекватного описания могут использоваться языки ST, универсальные типа С, С++, Паскаль, сценарные типа Visual Basic, объектно-ориентированные типа Java.

Мобильность языков, т.е. способность к переносу на различные аппаратные и операционные платформы, может поддерживаться для языков стандарта в случае использования пакета от одного разработчика. Это связано с невозможностью сосуществования в одной разработке программ на одинаковых языках от разных поставщиков, так как требования стандарта IЕС 61131 - 3 носят рекомендательный характер, а значит, приводят к различиям в реализации языков у разных производителей.

Эффективное исполнение в РВ дает ответ, насколько быстро сможет отреагировать система управления (ПЛК) на происшедшее событие. Обычно используется понятие "временной цикл", т.е. заранее задаваемый интервал времени, например, в диапазона 10…300 мс, в течение которого ПЛК сможет гарантированно отреагировать на входное воздействие. Для обеспечения более быстрой реакции служат так называемые инициативные сигналы, которые обрабатываются по прерыванию (от десятков до сотен микросекунд).

Для широкого круга приложений задача обеспечения требуемого временного цикла решается достаточно легко благодаря высокому быстродействию процессоров, используемых в ПЛК. Haпример, в контроллерах Modicon применяются процессоры компании Intel от Intel 286 до Pentium. Тем не менее здесь есть одна проблема: неэффективное использование процессора при управление объектами, в которых осуществляется в основном обработка логической информации, при которой используется только один разряд из 32. Если найти решение этой проблемы, то по крайней мере можно будет понизить класс применяемого процессора, что выгодно по экономическим соображениям.

Согласно требованиям стандарта, не предопределенные объекты должны иметь имя и тип, объявленные программистом, предопределенные объекты распределяются на три зоны: зону памяти (%М), зону входов (%1) и зону выходов (%Q). Объектами могут быть: биты (X), байты (В), слова (W), двойные слова (D), "длинные" слова (L) - 64 бита

Ограничения стандарта:

а) не фиксируется имя задач;

б) размер графического редактора оставляется на выбор пользователя;

в) нет минимального количества функций, готовых к реализации, но

если используется имя по стандарту (функциональный блок и т.п.), то

оно должно соответствовать стандарту;

г) сервисные утилиты и средства разработки и отладки приложения

(редакторы, языки, документирование и т.п.) не определены;

д) нет точных правил выполнения программы (например, для

функциональных блоков);

е) не описана конвертируемость языков.

Сертификат IЕС 61131 - 3 на сегодня не существует, нет определенного "класса соответствия". Каждый разработчик, объявивший свое соответствие норме, должен представить документацию таблиц соответствия, а также список дополнительных расширений.

Преимущества стандарта для конечных пользователей состоят в том, что уменьшается стоимость обучения, пользовательские приложения однородны, структура программ идентична, используются предопределенные объекты и т.п. Разнообразие стандартных языков позволяет каждую функцию приложения запрограммировать наиболее подходящим для данной задачи языком.

Следование стандарту позволяет разработчикам ПЛК обеспечить соответствие разработки техническим требованиям, предъявляемым потребителями, и даже ввести дополнительные функции, что не могут сделать мелкие поставщики ПО [2].

Заключение

Первое и главное преимущество ПЛК, обусловившее их широкое распространении, заключается в том, что одно компактное электронное устройство может заменить десятки и сотни электромеханических реле.

Второе преимущество в том, что функции логических контроллеров реализуются не аппаратно, а программно, что позволяет постоянно адаптировать их к работе в новых условиях с минимальными усилиями и затратами.

Применение ПЛК обеспечивает высокую надёжность, простое тиражирование и обслуживание систем управления, ускоряет монтаж и наладку оборудования, обеспечивает возможность быстрого обновления алгоритмов управления (в том числе и на работающем оборудовании) [1].

Список использованных источников

1. И.Г. Минаев, В.В. Самойленко "Программируемые логические контроллеры. Практическое руководство для начинающего инженера". - Москва.: "Аргус", 2009.

2. И.В. Петров "Программируемые логические контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного программирования". - М.: "Солон-Пресс", 2004.

3. Энциклопедия [Электронный ресурс]. - Форма доступа - http://wikipedia.

4. Овен [Электронный ресурс]. - Форма доступа - http://www.owen.ru.

5. Техническая коллекция Schneider Electric. Выпуск №16. "Системы автоматического управления на основе программируемых логических контроллеров". - "Schneider Electric Publisher", 2008.

6. Segnetics [Электронный ресурс]. - Форма доступа - http://www.segnetics.com.

Размещено на Allbest.ru