write my essay for me cheap uk


Архитектура ПЛК

Автор: andrey245. Суббота 26 Сен 2015 в 17:23

Архитектурой контроллера называют набор его основных компонентов и связей между ними. Типовой состав ПЛК включает центральный процессор, память, сетевые интерфейсы и устройства ввода-вывода (рис. 6.1). Иногда эта конфигурация дополняется устройством для программирования и пультом оператора, устройствами индикации, реже — принтером, клавиатурой, мышью или трекболом.

Процессорный модуль включает в себя микропроцессор (центральное процессорное устройство — ЦПУ), запоминающие устройства, часы реального времени и сторожевой таймер. Термины «микропроцессор» и «процессор» в настоящее время стали синонимами, поскольку все вновь выпускаемые процессоры выполняются в виде СБИС, т.е. являются микропроцессорами.

Основными характеристиками микропроцессора являются разрядность (в ПЛК используются 8-ми, 16-ти и 32-разрядные микропроцессоры), тактовая частота, архитектура, наличие операций с плавающей точкой, типы поддерживаемых портов ввода-вывода, температурный диапазон работоспособности и потребляемая мощность.

Производительность микропроцессоров с одной и той же архитектурой пропорциональна тактовой частоте. Большинство контроллеров используют микропроцессоры с сокращенным набором команд (RISC — Reduced Instruction Set Computing), в которых используется небольшое количество команд одинаковой длины и большое количество регистров. Сокращенный набор команд позволяет строить более эффективные компиляторы и конвейер процессора, способный за каждый такт выдавать результат исполнения очередной команды [Корнеев].

Для контроллеров, выполняющих интенсивную математическую обработку данных, важно наличие математического сопроцессора (вспомогательного процессора, выполняющего операции с плавающей точкой) или сигнальных процессоров, в которых операции типа Y=A*B+X выполняются за один такт. Сигнальные процессоры позволяют ускорить выполнение операций свертки или быстрого преобразования Фурье.

Емкость памяти определяет количество переменных (тегов), которые могут быть обработаны в процессе функционирования ПЛК. В микропроцессорах время доступа к памяти является одним из существенных факторов, ограничивающих быстродействие. Поэтому память делят на несколько уровней иерархии, в зависимости от частоты использования хранящихся в ней данных и быстродействия. Иерархия памяти относится к существенным характеристиками архитектуры процессора, поскольку она позволяет снизить отрицательное влияние медленной памяти на быстродействие микропроцессора. Основными типами памяти является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и набор регистров. Регистры являются самыми быстродействующими элементами памяти, поскольку они используются арифметико-логическим устройством (АЛУ) для исполнения элементарных команд процессора. ПЗУ используют для хранения редко изменяемой информации, такой, как операционная система, драйверы устройств, загрузчик, исполняемый модуль программы пользователя. ОЗУ используется для хранения данных, которые многократно изменяются в процессе работы контроллера, например, значения тегов, результаты промежуточных вычислений, диагностическая информация, массивы, выводимые на графики, данные для отображения на дисплее.

image0021
Рис. 6.1. Типовая архитектура ПЛК

В качестве ПЗУ (или ROM — «Read Only Memory») обычно используется электрически стираемая перепрограммируемая память (EEPROM — «Electrically Erasable Programmable ROM». Разновидностью EEPROM является флэш-память, принцип действия которой основан на хранении заряда в конденсаторе, образованном плавающим затвором и подложкой МОП-транзистора. Особенностью флэш-памяти является ее энергонезависимость, т.е. сохраняемость данных при выключенном питании. Стирание и перезапись во флэш-памяти выполняется не отдельными ячейками, а большими блоками, поэтому она получила название, происходящее от английского «flash» — «вспышка» . Недостатком всех ПЗУ является низкое быстродействие.

Количество циклов записи информации во флэш-память ограничено и составляет несколько десятков тысяч раз. По конструктивному исполнению и интерфейсам флэш-память подразделяется на Compact Flash (CF), Memory Stick, Secure Digital (SD), MuliMediaCard (MMC), RS-MMC, SmartMedia Card (SMC), USB-flash. Флэш-память может быть впаяна в печатную плату или быть съемной.

В качестве ОЗУ современные микропроцессоры используют статическую память ( SRAM — Static Random Access Memory) и динамическую (DRAM — «Dynamic Random Access Memory»), SDRAM («Synchronous DRAM»). SRAM выполняется на триггерах, информация в которых сохраняется неограниченно долго при наличии питания. В динамической памяти информация хранится на конденсаторах и поэтому DRAM требует периодической регенерации (перезарядки конденсаторов). К недостаткам триггерной памяти относится ее высокая стоимость, связанная с низкой плотностью компоновки триггеров на кристалле, и малое отношение емкости к цене. Достоинством является высокое быстродействие, достигающее гигагерц, в то время как память на конденсаторах не может работать на частотах выше сотен герц. Оба типа памяти (DRAM и SRAM) не могут сохранять информацию при отключении питания ПЛК. Поэтому некоторые типы ПЛК используют батарейное питание памяти для сохранения работоспособности системы автоматизации после кратковременного прерывания питания.

Моноблочные и модульные контроллеры используют, как правило, параллельную шину для обмена данными с модулями ввода-вывода, что позволяет на порядок повысить быстродействие их опроса по сравнению с последовательной шиной. Параллельные шины могут быть стандартными (ISA, PC/104, PCI, ComactPCI, VME, CXM) или частнофирменными. Последовательная шина контроллера (на основе интерфейса RS-485) используется для подключения к нему удаленных (распределенных) модулей ввода-вывода.

Программирование контроллеров малой мощности выполняется с помощью кнопок, расположенных на лицевой панели или с помощью переносного пульта для программирования. В качестве пульта в последнее время используется компьютер формата «ноутбук». Программирование мощных контроллеров выполняется с помощью персонального компьютера, на котором устанавливается специальное программное обеспечение, например CoDeSys или ISaGRAF , выполняющее трансляцию технологического языка стандарта МЭК 61131-3 в исполняемый код процессора, который загружается в ПЗУ ПЛК, например, через порт Ethernet.

Сторожевой таймер (Watchdog Timer — WDT) представляет собой счетчик, который считает импульсы тактового генератора и в нормальном режиме периодически сбрасывается (перезапускается) работающим процессором. Если процессор «зависает», то сигналы сброса не поступают в счетчик, он продолжает считать и при достижении некоторого порога вырабатывает сигнал «Сброс» для перезапуска «зависшего» процессора.

Часы реального времени (РВ) представляют собой кварцевые часы, которые питаются от батарейки и поэтому продолжают идти при выключенном ПЛК. Часы РВ используются, например, для управления уличным освещением в зависимости от времени суток, в системах охраны объектов и других случаях, когда необходима привязка данных или событий к астрономическому времени.

Процессорный модуль

Процессорный модуль ПЛК выполняет следующие задачи:

  • собирает данные из модулей ввода в память и отсылает данные из памяти в модули вывода;
  • выполняет обмен данными с устройством для программирования контроллера;
  • выдает метки часов реального времени;
  • осуществляет обмен данными с промышленной сетью;
  • реализует стек протоколов промышленной сети (для этой цели могут использоваться вспомогательные коммуникационные процессоры);
  • выполняет начальную загрузку и исполнение операционной системы;
  • исполняет загрузочный модуль пользовательской программы системы автоматизации;
  • управляет актами обмена с памятью.

Одной из тенденций в развитии ПЛК является использование процессорных модулей разной мощности для одного конструктива контроллера. Это позволяет получить серию контроллеров разной мощности и тем самым покрыть больший сегмент рынка, а также выполнить модернизацию (upgrade) контроллеров, купленных потребителями, путем замены всего одного модуля.

К основным характеристикам процессорного модуля относятся:

  • тип операционной системы (Windows CE, Linux, DOS, OS-9, QNX и др.);
  • наличие исполнительной среды для стандартной системы программирования на языках МЭК 61131-3;
  • типы поддерживаемых интерфейсов (RS-232, RS-422, RS-485, CAN, USB, Ethernet и др.);
  • типы поддерживаемых сетей (Modbus RTU, Modbus TCP, Ethernet, Profibus, CANopen, DeviceNet и др.);
  • возможность подключения устройств индикации или интерфейса оператора (светодиодного или ЖКИ индикатора, клавиатуры, мыши, дисплея с интерфейсами VGA, DVI или CMOS, LVDS, трекбола и др.);
  • разрядность (8, 16, 32 или 64 бита);
  • тактовая частота микропроцессора и памяти;
  • время выполнения команд;
  • объем, иерархия и типы памяти (ОЗУ, кэш, ПЗУ — флэш, съемная флэш и др.);
  • типы встроенных функций (ПИД-регулятор, счетчики, ШИМ, алгоритмы позиционирования и управления движением и др.);
  • бренд производителя (Intel, AMD, Atmel, Motorola, RealLab! и др.).

Быстродействие процессорного модуля ПЛК обычно оценивают по времени выполнения логических команд, поскольку они наиболее распространены при реализации алгоритмов управления.

Огромное разнообразие задач, возлагаемых на ПЛК, и сильная зависимость цены от мощности контроллера явились причиной большого разнообразия используемых микропроцессоров, от простых и дешевых 8-разрядных Atmel и Microchip до самых высокопроизводительных микропроцессоров серии Intel Pentium, включая двухъядерные и четырехъядерные процессоры.

Восьмиразрядные микропроцессоры пользуются большим успехом в автономных ПИД-контроллерах и микро-ПЛК для несложного алгоритмического управления станками, теплицами, небольшими технологическими аппаратами, в качестве межсетевых шлюзов. Их достоинством является высокая надежность, связанная с предельной простотой программного обеспечения.

Обычно микропроцессоры, используемые в ПЛК, на несколько поколений отстают от процессоров офисных персональных компьютеров (ПК) в связи с относительно малым объемом рынка ПЛК, который не обеспечивает окупаемость разработки нового контроллера за период смены поколений микропроцессоров.

Источник питания

Стандартными напряжениями питания ПЛК являются напряжения 12 В, 24 и 48 В. Источником электрической энергии обычно является промышленная сеть 220В, 50 Гц. В случае распределенных систем автоматизации источник питания может быть расположен вдали от ПЛК, поэтому напряжение на клеммах ПЛК или модулей ввода-вывода может сильно отличаться от напряжения источника питания вследствие падения напряжения на сопротивлении кабеля. Для решения этой проблемы каждый ПЛК или каждый модуль удаленного ввода снабжаются встроенным стабилизатором напряжения, который обеспечивает нормальное их функционирование в диапазоне напряжений от 10 до 30 В.

Низкое напряжение питания позволяет питать контроллеры от аккумуляторов бортовых сетей транспортных средств или переносных аккумуляторов.

В ПЛК иногда используют батарею для питания часов реального времени (которые должны функционировать при выключенном ПЛК) и для сохранения информации в ПЗУ на время аварийных перерывов питания.

Время реакции контроллера — это интервал времени от момента появления воздействия на систему (со стороны модулей ввода или оператора) до момента выработки соответствующей реакции. Время реакции зависит от длительности рабочего цикла контроллера, которое определяется быстродействием модулей ввода-вывода и производительностью процессора.

В контроллерах для ответственных применений могут быть предусмотрены следующие функции самодиагностики :

  • обнаружение ошибок центрального процессора;
  • сигнализация о срабатывании сторожевого таймера;
  • обнаружение отказа батареи или источника питания;
  • обнаружение сбоя памяти;
  • проверка программы пользователя;
  • обнаружение выхода из строя предохранителя;
  • обнаружение обрыва или к. з. в цепи датчика и нагрузки.

В контроллерах для систем противоаварийной защиты (ПАЗ) и сигнализации, а также для опасных промышленных объектов может быть предусмотрена возможность резервирования отдельных частей системы: промышленной сети, процессорного модуля или контроллера, источника питания, сетевого сервера, замкнутых контуров автоматического регулирования, модулей ввода-вывода. Объектом резервирования обычно является наиболее ответственная или наиболее ненадежная часть системы .

Возможность горячей замены элементов системы (т.е. без отключения питания) достигается одновременно аппаратными и программными средствами. Аппаратно предусматривается независимость начального состояния устройства от очередности подачи сигналов на его клеммы в процессе замены; программно обеспечивается возможность временного отсутствия компонента системы без ее зависания или перехода в аварийные режимы.

Надежность контроллеров характеризуется наработкой на отказ, которая определяется как отношение суммарного времени работоспособного состояния контроллера к математическому ожиданию числа его отказов в течение этого времени (ГОСТ 27.002-89) или наработкой до отказа — временем от начала эксплуатации до первого отказа. Надежность связана с допустимыми механическими перегрузками — амплитудой вибрации в требуемом диапазоне частот, допустимым ускорением при ударе.

Табл. 6.30. Значения цифр в обозначении IP степени защиты
Первая цифра Степень защиты. Краткое описание
0 Защита отсутствует
1 Защита от твердых тел размером более 50 мм
2 Защита от твердых тел размером более 12 мм
3 Защита от твердых тел размером более 2,5 мм
4 Защита от твердых тел размером более 1 мм
5 Защита от пыли. Проникновение пыли исключено не полностью, однако пыль не должна проникать в количестве, достаточном для нарушения нормальной работы оборудования или снижения его безопасности
6 Пыленепроницаемость. Пыль не проникает в оболочку
Вторая цифра
0 Защита отсутствует
1 Защита от капель воды
2 Защита от капель воды при наклоне до 15º
3 Защита от дождя
4 Защита от брызг
5 Защита от водяных струй
6 Защита от волн воды
7 Защита при погружении в воду
8 Защита при длительном погружении в воду

Для повышения безопасности систем автоматизации в контроллерах используются команды для установки начального состояния выходов сразу после подачи питания или в аварийном режиме. Эти состояния выбираются таким образом, чтобы после восстановления напряжения питания при случайном его прерывании или в аварийном режиме системы исполнительные устройства находились в безопасном для персонала или системы состоянии. Например, в системах с нагревом безопасным будет состояние отключенного нагревателя, в подъемных механизмах — состояние торможения. Наличие команд управление безопасными состояниями позволяет реализовать операцию автоматического рестарта автоматизированной системы после прерывания питания или после восстановления работоспособного состояния. Способность контроллера переводить свои выходы в заранее определенное состояние сразу после обнаружения снижения напряжения питания или после внутреннего отказа называется отказоустойчивым отключением [ГОСТ].

Если повторный запуск ПЛК выполняется после того, как все динамические данные (переменные входов-выходов, состояние внутренних регистров, таймеров, счетчиков, программные контексты) были возвращены в заранее определенное состояние, то такой запуск называется холодным рестартом [ГОСТ]. Холодный рестарт может быть как ручным, так и автоматическим.

Горячим рестартом [ГОСТ] называют повторный запуск ПЛК, который выполняется настолько быстро после пропадания питания, что все динамические переменные не успевают измениться и поэтому работоспособность восстанавливается таким образом, будто питания не пропадало.

Теплым рестартом называют повторный запуск после обнаружения неисправности питания с заранее определенным и программируемым пользователем множеством динамических данных и системным контекстом* прикладной программы. Теплый рестарт характеризуется сигнализацией состояния или эквивалентными средствами, позволяющими убедиться в том, что прикладная программа зарегистрировала прекращение неисправности питания, обнаруженное конфигурацией ПЛК в режиме пуска [ГОСТ].

Помехоустойчивость контроллера обычно оценивается по его соответствию комплексу стандартов по электромагнитной совместимости (см. раздел «Защита от помех»).

Промышленные контроллеры используют гальваническую изоляцию [Денисенко] для устранения паразитных связей по общему проводу, земле и для защиты оборудования от высоких напряжений.

Степень защиты от воздействия окружающей среды, обеспечиваемая корпусом контроллера, классифицируется ГОСТ 14254-96. Для обозначения степени защиты используются две буквы «IP», за которыми следуют две цифры. Первая цифра обозначает степень защиты изделия от попадания внутрь твердых посторонних тел, вторая цифра обозначает степень защиты изделия от попадания воды. Расшифровка обозначений приведена в табл. 6.30, примеры корпусов показаны на рис. 6.2.

При выборе контроллера желательно оценивать степень его соответствия идеологии «открытых систем»  чтобы не попасть в зависимость от одного поставщика и иметь возможность модифицировать систему по мере необходимости.

Важным параметром ПЛК является время от заказа до поставки и наличие нескольких независимых поставщиков. Для России этот параметр имеет особое значение, поскольку большую долю рынка занимают контроллеры иностранного производства, для которых длительность поставки и гарантийной замены исчисляется месяцами. Большие сроки поставки объясняются как удаленностью производителя от потребителя, так и стремлением производителей и поставщиков минимизировать внутренние издержки за счет уменьшения складских запасов.

Качество пользовательской документации, наличие группы технической поддержки, скорость реакции на запросы, наличие курсов для обучения потребителей играют также важную роль при выборе контроллера из огромного их многообразия.

Технические параметры широкого спектра контроллеров различных производителей можно найти в книге [Анашкин].

Устройства сбора данных

Автоматизированные системы сбора данных [Денисенко] в настоящее время являются общедоступным средством получения экспериментальной информации и связано это, в первую очередь, с широким распространением персональных компьютеров. Системы сбора данных находят применение для научных исследований, управления производственными процессами, мониторинга в промышленности, медицине, метеорологии, космонавтике и других областях человеческой деятельности. Автоматизированный сбор данных позволяет получить данные нового качества, которые невозможно получить иными средствами. Это результаты статистической обработки огромного числа измерений, полученных в цифровой форме, возможность регистрации случайно появляющихся событий с недостижимой ранее разрешающей способностью по времени и амплитуде, регистрация быстроизменяющихся процессов. Благодаря резкому удешевлению систем сбора данных по сравнению со стоимостью человеческого труда появилось большое количество областей применения, где ранее использовалась ручная регистрация данных: в теплицах, элеваторах, на метеостанциях, в процессе приемо-сдаточных и сертификационных испытаний продукции, на складах, в промышленных холодильниках, при автоматизации научного эксперимента и т. п.

Основным отличием систем сбора данных от ПЛК является отсутствие в них алгоритма управления, т.е. отсутствие необходимости в мощном контроллере и языке МЭК 61131-3, а также наличие большого объема памяти для ведения архива. Хотя системы сбора данных можно построить на любом ПЛК, но в связи с указанными выше особенностями они занимают отдельный сегмент рынка и их выделяют в отдельную группу средств автоматизации.

Системы сбора данных могут применяться в реальном времени, например, для мониторинга (наблюдения) различных процессов, идентификации аварийных ситуаций в технологических процессах, а также могут применяться для архивирования данных, когда их обработка отделена от процесса сбора неопределенным интервалом времени. В системах реального времени текущие данные сохраняются в течение некоторого заданного времени в кольцевом буфере, откуда устаревшие данные вытесняются вновь поступившими. В архивирующих системах используются накопители информации большой емкости и данные обрабатываются после завершения сбора.

Архивирующие системы сбора данных (логгеры, самописцы) могут быть автономными устройствами, построенными на основе микроконтроллера (например, бортовые самописцы самолетов, электронные счетчики тепла или электроэнергии, портативные электрокардиографы). Данные, собранные логгерами, для обработки переносятся в компьютер с помощью, например, USB флэш-памяти или через последовательный интерфейс.

Системы сбора данных, построенные на основе компьютера, обычно являются стационарными и используют универсальное программное обеспечение, такое как Matlab, LabView, MS Excel [Денисенко], которое позволяет не только собрать данные, но и обработать их.

Для регистрации быстропротекающих процессов (с требуемой частотой отсчетов более 1 МГц) используются системы с параллельной шиной, в том числе платы для шины PCI компьютера. Компьютерные платы имеют ограниченное количество входов, что определяется компьютерным конструктивом, и требуют внешних клеммных блоков для подсоединения источников сигнала, создавая неудобства при монтаже системы.

Для регистрации медленных процессов удобнее внешние устройства, подключаемые к компьютеру через СОМ, USB или Ethernet порт. Внешние устройства отличаются также меньшим уровнем шумов, в то время как платы, вставляемых в компьютер, подвержены влиянию наводок от цифровых цепей компьютера.

Система сбора данных может быть распределенной, когда устройства ввода распределены территориально по объекту сбора данных, а полученные данные сходятся к единому накопителю и обработчику данных с помощью сетевых технологий. Сетевые (распределенные) системы сбора данных имеют свойство практически неограниченной наращиваемости числа каналов, однако имеют ограничение на скорость передачи данных по сети.

Для типовых задач сбора данных промышленностью выпускаются устройства с небольшим количеством входов (от нескольких десятков до нескольких сотен). Для больших систем (от единиц до сотен тысяч входов) разрабатываются специализированные системы. К ним можно, например, отнести систему «Грейн» [Бабенко] для температурного мониторинга элеваторов, которая собирает данные с нескольких тысяч датчиков температуры, или систему «COMPASS» [H. Fischer], собирающую данные с 250 тыс. датчиков в ядерном центре CERN со скоростью 160 Мбит/с.

Входы систем сбора данных могут быть универсальными (потенциальными и токовыми), или специализированными (например, для термопар, для термопреобразователей сопротивления или для тензодатчиков). Системы со специализированными входами экономически более эффективны для потребителя. Универсальные входы используются совместно с измерительными преобразователями физических величин в ток или напряжение. Существуют также системы с гибридными входами, например, когда несколько входов принимают сигналы термопар, другие входы — сигналы тензодатчиков, третьи — сигналы термометров сопротивления и т. д.

Входы могут быть дифференциальными, одиночными, цифровыми или дискретными (двоичными). Дифференциальные входы позволяют более эффективно подавлять внешние помехи, наводимые на кабель, передающий сигнал от датчика к модулю ввода [Денисенко]. Для передачи сигнала чаще всего используется напряжение в диапазоне 0…±5 В., 0…±10 В или ток 0…20 мА, 4…20 мА. Сигналы напряжения вырабатываются источниками напряжения и имеют высокую помехоустойчивость к емкостным наводкам, сигналы тока вырабатываются источниками тока и устойчивы к индуктивным наводкам [Денисенко]. Дискретные входы принимают логические сигналы («0» или «1»), которые поступают от концевых выключателей, датчиков охранной или пожарной сигнализации, электромагнитных реле, датчиков наличия напряжения и т. п. Цифровые входы принимают сигналы от устройств с цифровым выходом, например, от цифровых датчиков температуры.

Основными параметрами систем сбора данных являются количество каналов, погрешность, динамическая погрешность, время установления или полоса пропускания, разрешающая способность, эффективное число разрядов, частота дискретизации, наличие гальванической изоляции входов и интерфейса, наличие защит от небрежного использования, перегрузок и перегрева.

Системы сбора данных обычно имеют 4, 8, 16, 32, 64 … входа, которые опрашиваются по очереди или одновременно. Системы с одновременным опросом состоят из идентичных каналов, которые выполняют аналого-цифровое преобразование входной величины параллельно, т.е одновременно для всех каналов. Такие системы встречаются редко по причине высокой стоимости. Обычно опрос входов выполняется по очереди, с помощью коммутатора. Поэтому данные разных каналов оказываются сдвинутыми по времени на некоторую задержку, равную отношению периода опроса к количеству каналов.

Примером системы сбора данных может служить серия систем сбора данных RealLab! [Денисенко] построенная по модульному принципу, т.е. систему с необходимым количеством входов можно собрать из модулей — отдельных строительных блоков. Модули соединяются между собой с помощью промышленного интерфейса RS-485 и располагаются либо в общем монтажном шкафу, либо распределены по объекту сбора данных таким образом, чтобы уменьшить длину кабеля от датчика к модулю. Собранные данные в цифровой форме передаются по промышленной сети в центральный компьютер или контроллер. Модули RealLab! могут работать в стандартных сетях Modbus RTU или в стандартной де-факто сети DCON, имеют открытый протокол обмена. Каждый модуль в сети имеет свой адрес, поэтому для опроса модулей компьютер посылает им команду, содержащую адрес и код операции, которую необходимо выполнить.

Приближение модулей ввода к датчикам имеет несколько преимуществ. Во-первых, сокращается количество проводов, поскольку цифровой интерфейс RS-485 имеет только два провода, а передает данные от большого количества модулей. Это удобно при сборе данных с территориально распределенных объектов, например, при сборе данных о температуре и влажности в теплице, которая имеет площадь 10 Га, в многоэтажном здании или на элеваторе. Во-вторых, снижается мощность наведенных помех благодаря сокращению длины проводов с аналоговыми сигналами, упрощается техническое обслуживание и диагностика системы.

Благодаря применению стандартного протокола обмена в систему сбора данных на модулях RealLab! могут быть включены устройства ввода других производителей, например, вольтметр фирмы Hewlett-Packard или кассовый аппарат, счетчик электроэнергии или метеостанция.