Назначение и устройство промышленных контроллеров, комплектных шкафов автоматики, исполнительных механизмов

Назначение и устройство промышленных контроллеров

 

Автоматизированное  управление современными предприятиями осуществляется посредством ПТК, программно-технических комплексов. Они основаны на применении специальных аппаратно-программных средств, а именно исполнительных механизмов и средств контроля и измерения. Всё это связано локальной сетью, а управляется комплекс промышленными программируемыми контроллерами.

Промышленные логические контроллеры обеспечивают максимально быстрое, безопасное и эффективное управление производственными процессами, оптимизируют работу предприятия. Основное назначение промышленных программируемых логических контроллеров –  сбор информации с датчиков, логическая первичная обработка полученных данных, и выдача управляющих команд на исполнительные устройства. Работа контроллера определяется программой, которая может быть изменена пользователем в среде разработки.

ПЛК находят применение в различных отраслях промышленности, транспорта, в инженерных системах зданий и сооружений,

Черная и цветная металлургия. Особое значение здесь имеют требования безопасности. Программируемые контроллеры применяются для управления операциями на коксовых батареях, управления доменными печами, для автоматизации литейного производства, для анализа газов, для задач контроля качества.

Металлообработка и автомобильная промышленность. В этих отраслях ПЛК нашли широкое применение. Они управляют сборочными конвейерами, испытательными стендами, прессами, токарными, шлифовальными и другими станками, процессами сварки и раскроя металла.

Химическая и нефтехимическая промышленность. Здесь ПЛК используются для управления технологическими аппаратами и установками, устройствами дозирования и смешивания, процессами очистки води атмосферы от отходов химического производства.

Нефте- и газодобыча, транспортировка нефти и газа. Промышленные контроллеры используются на перекачивающих и распределительных станциях, следят за составом продукта на  магистральных трубопроводах, управляют работой узлов учета.

Другие области применения. Все примеры использования ПЛК перечислить трудно. В последнее  время программируемые контроллеры находят применение в системах пожаротушения, охраны и наблюдения, управления освещением. Их используют как основу для создания «умных домов», систем климат-контроля и вентиляции.

 

Устройство промышленных контроллеров

ПЛК – программируемый логический контроллер, представляют собой микропроцессорное устройство, предназначенное для сбора, преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления, имеющий конечное количество входов и выходов, подключенных к ним датчиков, ключей, исполнительных механизмов к объекту управления, и предназначенный для работы в режимах реального времени.

Принцип работы ПЛК несколько  отличается от «обычных» микропроцессорных  устройств. Программное обеспечение  универсальных контроллеров состоит  из двух частей. Первая часть это  системное программное обеспечение. Проводя  аналогию с компьютером можно сказать, что это операционная система, т.е. управляет работой узлов контроллера, взаимосвязи составляющих частей, внутренней диагностикой. Системное программное обеспечение ПЛК расположено в постоянной памяти центрального процессора и всегда готово к работе. По включению питания, ПЛК готов взять на себя управление системой уже через несколько миллисекунд. ПЛК работают циклически по методу периодического опроса входных данных.  
Рабочий цикл ПЛК включает 4 фазы:  
   1. Опрос входов 
   2. Выполнение пользовательской программы 
   3. Установку значений выходов 
   4. Некоторые вспомогательные операции (диагностика, подготовка данных для отладчика, визуализации и т. д.).

Выполнение 1 фазы обеспечивается системным программным  обеспечением. После чего управление передается прикладной программе, той  программе, которую вы сами записали в память, по этой программе контроллер делает то что вы пожелаете, а по ее завершению управление опять передается системному уровню. За счет этого обеспечивается максимальная простота построения прикладной программы – ее создатель не должен знать, как производится управление аппаратными ресурсами. Необходимо знать с какого входа приходит сигнал и как на него реагировать  на выходах

Очевидно, что время реакции на событие  будет зависеть от времени выполнения одного цикла прикладной программы. Определение времени реакции  – времени от момента события  до момента выдачи соответствующего управляющего сигнала – поясняется на рисунке:

Обладая памятью, ПЛК в зависимости от предыстории  событий, способен  реагировать по-разному на текущие события. Возможности перепрограммирования, управления по времени, развитые вычислительные способности, включая цифровую обработку сигналов, поднимают ПЛК на более высокий уровень в отличие от простых комбинационных автоматов.

Рассмотрим  входа и выхода ПЛК. Существует три  вида входов  дискретные, аналоговые и специальные 
Один дискретный вход ПЛК способен принимать один бинарный электрический сигнал, описываемый двумя состояниями – включен или выключен. Все дискретные входы (общего исполнения) контроллеров обычно рассчитаны на прием стандартных сигналов с уровнем 24 В постоянного тока. Типовое значение тока одного дискретного входа (при входном напряжении 24 В) составляет около 10 мА.

Аналоговый  электрический сигнал отражает уровень  напряжения или тока, соответствующий  некоторой физической величине, в  каждый момент времени. Это может  быть температура, давление, вес, положение, скорость, частота и т. д.

Поскольку ПЛК  является цифровой вычислительной машиной, аналоговые входные сигналы обязательно  подвергаются аналого-цифровому преобразованию (АЦП). В результате, образуется дискретная переменная определенной разрядности. Как правило, в ПЛК применяются 8 - 12 разрядные преобразователи, что  в большинстве случаев, исходя из современных требований по точности управления технологическими процессами, является достаточным. Кроме этого  АЦП более высокой разрядности  не оправдывают себя, в первую очередь  из-за высокого уровня индустриальных помех, характерных для условий  работы контроллеров.

Практически все модули аналогового ввода  являются многоканальными. Входной  коммутатор подключает вход АЦП к  необходимому входу модуля.

Стандартные дискретные и аналоговые входы ПЛК  способны удовлетворить большинство  потребностей систем промышленной автоматики. Необходимость применения специализированных входов возникает в случаях, когда  непосредственная обработка некоторого сигнала программно затруднена, например, требует много времени.

Наиболее  часто ПЛК оснащаются специализированными  счетными входами для измерения  длительности, фиксации фронтов и  подсчета импульсов.

Например, при  измерении положения и скорости вращения вала очень распространены устройства, формирующие определенное количество импульсов за один оборот – поворотные шифраторы. Частота  следования импульсов может достигать  нескольких мегагерц. Даже если процессор  ПЛК обладает достаточным быстродействием, непосредственный подсчет импульсов  в пользовательской программе будет  весьма расточительным по времени. Здесь  желательно иметь специализированный аппаратный входной блок, способный  провести первичную обработку и  сформировать, необходимые для прикладной задачи величины.  
Вторым распространенным типом специализированных входов являются входы способные очень быстро запускать заданные пользовательские задачи с прерыванием выполнения основной программы – входы прерываний.

Дискретный  выход также имеет два состояния  – включен и выключен. Они нужны  для управления: электромагнитных клапанов, катушек, пускателей, световые сигнализаторы  и т.д. В общем сфера их применения огромна, и охватывает почти всю  промышленную автоматику.

Конструктивно ПЛК  подразделяются на моноблочные, модульные и распределенные. Моноблочные имеют фиксированный набор входов выходов

 

В модульных  контроллерах модули входов – выходов  устанавливаются в разном составе  и количестве в зависимости от предстоящей задачи

 

В распределенных системах модули или даже отдельные  входа-выхода, образующие единую систему управления, могут быть разнесены на значительные расстояния

Языки программирования ПЛК

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

Стандарт специфицирует 5 языков программирования:

Sequential Function Chart (SFC) – язык  последовательных функциональных  блоков;

Function Block Diagram (FBD) – язык  функциональных блоковых диаграмм;

Ladder Diagrams (LАD) – язык релейных  диаграмм;

Statement List (STL) – язык структурированного  текста, язык высокого уровня. Напоминает  собой Паскаль

Instruction List (IL) – язык инструкций., это типичный ассемблер с аккумулятором  и переходам по метке.

Язык LAD или KOP (с немецкого Kontaktplan) похожи на электрические схемы  релейной логики. Поэтому инженерам  не знающим мудреных языков программирования, не составит труда написать программу. Язык FBD напоминает создание схем на логических элементах. В каждом из этих языков есть свои минусы и плюсы. Поэтому  при выборе специалисты основываются в основном на личном опыте. Хотя большинство  программных комплексов дают возможность  переконвертировать уже написанную программу из одного языку в другой. Так как некоторые задачи изящно и просто решаются на одном языке, а на другом придется столкнуться с некоторыми трудностями

Наибольшее распространение  в настоящее время получили языки LAD, STL и FBD.

Большинство фирм изготовители ПЛК традиционно имеют собственные  фирменные наработки в области  инструментального программного обеспечения. Например такие как «Concept» Schneider Electric, «Step 7» Siemens.

Программный комплекс CoDeSys

Открытость МЭК стандартов привели к созданию фирм занимающихся исключительно инструментами программирования ПЛК.

Наибольшей популярностью  в мире пользуются комплекс CoDeSys. CoDeSys разработан фирмой 3S. Это универсальный  инструмент программирования контроллеров на языках МЭК, не привязанной к какой-либо аппаратной платформе и удовлетворяющим  всем современным требованиям.

Основные особенности: 
- полноценная реализация МЭК языков 
- встроенный эмулятор контроллера позволяет проводить отладку проекта без аппаратных средств. Причем эмулируется не некий абстрактный контроллер, а конкретный ПЛК с учетом аппаратной платформы 
- встроенные элементы визуализации дают возможность создать модель объекта управления и проводить отладку, т.е. дает возможность создавать человеко-машинного интерфейса (HMI) 
- очень широкий набор сервисных функции, ускоряющий работу программиста 
- существует русская версия программы, и русская документация

Комплексные шкафы автоматики

В большинстве случаев  использование контроллеров на объектах требует их размещения в шкафах-конструктивах, обеспечивающих необходимую степень  защиты и подключение внешних  кабелей.

Шкафы предназначены для  размещения:

- контроллеров;

- панелей оператора;

- блоков питания дискретных  входных и выходных сигналов  типа "сухой контакт";

- блоков питания аналоговых  датчиков (при необходимости");

- клеммных соединителей  или панелей клемных колодок;

- умощнителей дискретных  сигналов;

- другого оборудования

 

Устройство КША

КША представляет собой металлический  шкаф с передней дверью и односторонним  обслуживанием. На передней панели двери  шкафа установлен блок управления и  индикации БУИ. На передней панели блока  БУИ расположены пульт оператора  ПО, кнопки контроля сигнализации и  отключения светозвуковой сигнализации, кнопки ПУСК и СТОП и единичные  индикаторы (светодиоды) с нанесенными  около них надписями. 
 
Открытие двери шкафа обеспечивает доступ к монтажу и приборам (изделиям), установленным внутри шкафа. Внутри шкафа на монтажных рейках установлены: блок контроллера, блок резервной защиты, блок коммутации и связи БКС, блок питания БП, блок бесперебойного питания ББП (устанавливается по индивидуальному заказу), клеммно-блочные соединители, выключатели автоматические, блоки питания, выходные клеммные блоки. Внутри шкафа также устанавливаются автоматические выключатели для отключения питания устройств в соответствии с надписями. Интеллектуальные устройства шкафа обеспечивают выполнение подготовленных в предоставляемых в составе 
КША инструментальных средств технологических программ пользователя.

Шкафы могут устанавливаться как  на горизонтальной плоскости с помощью  четырех болтов, так и крепиться  на вертикальные поверхности. Внешний  электрический монтаж осуществляется в соответствии с «Правилами устройства электроустановок» и схемой электрической  подключения комплектного шкафа  автоматики, приведенной в проектной  и эксплуатационной документации.

Назначение и область применения КША

Комплектные шкафы автоматики (КША) целевого назначения высокой заводской  готовности, состоящие из современных  компонентов микропроцессорного и другого оборудования, предназначены для построения АСУТП, АСКУЭ и АСОДУ в различных отраслях промышленности, тепло- и электроэнергетики, ЖКХ. 
КША имеют базовые конфигурации в зависимости от решаемых задач в составе различных программно-технических комплексов. 
Последующее расширение числа обслуживаемых каналов и увеличение функциональности КША должна быть предусмотрена при выборе размеров шкафной оболочки.