Программируемые логические контроллеры. 2

1 ПЛК - программируемый логический контроллер. Общие сведения

Программи́руемый логи́ческий контро́ллер (ПЛК) (англ. Programmable Logic Controller, PLC) или программируемый контроллер — электронная составляющая промышленного контроллера, специализированного (компьютеризированного) устройства, используемого для автоматизации технологических процессов.

В качестве основного режима длительной работы ПЛК, зачастую в неблагоприятных условиях окружающей среды, выступает его автономное использование, без серьёзного обслуживания и практически без вмешательства человека.

Иногда на ПЛК строятся системы числового программного управления станком (ЧПУ, англ. Computer numerical control, CNC).

ПЛК являются устройствами реального времени в отличие от микроконтроллера (однокристального компьютера), микросхемы предназначенной для управления электронными устройствами, областью применения ПЛК обычно являются автоматизированные процессы промышленного производства, в контексте производственного предприятия. Также в отличие от компьютеров, ПЛК ориентированы на работу с машинами и имеют развитый 'машинный' ввод-вывод сигналов датчиков и исполнительных механизмов в противовес возможностям компьютера, ориентированного на человека (клавиатура, мышь, монитор и т. п.);

В первых ПЛК, пришедших на замену обычным логическим контроллерам, логика соединений программировалась схемой соединений LD (Ladder logic Diagram). Устройство имело тот же принцип работы, но реле и контакты (кроме входных и выходных) были виртуальными, то есть существовали в виде программы, выполняемой микроконтроллером ПЛК. Современные ПЛК являются «свободно программируемыми».

В системах управления технологическими объектами логические команды преобладают над числовыми операциями, что позволяет при сравнительной простоте микроконтроллера (шины шириной 8 или 16 бит), получить мощные системы действующие в режиме реального времени. В современных ПЛК числовые операции реализуются наравне с логическими. В то же время, в отличие от большинства процессоров компьютеров, в ПЛК обеспечивается доступ к отдельным битам памяти.

Интерфейсы ПЛК

ПЛК в своём составе не имеют интерфейса для человека, типа клавиатуры и дисплея. Их программирование, диагностика и обслуживание производится подключаемыми для этой цели программаторами — специальными устройствами или устройствами на базе более современных технологий — персонального компьютера или ноутбука, со специальными интерфейсами и со специальным программным обеспечением (например, SIMATIC STEP 7 в случае ПЛК SIMATIC S7-300 или SIMATIC S7-400). В системах управления технологическими процессами ПЛК взаимодействуют с различными компонентами систем человеко-машинного интерфейса (например операторскими панелями) или рабочими местами операторов на базе ПК, часто промышленных, обычно через промышленную сеть.

Датчики и исполнительные устройства подключаются к ПЛК:

- централизованно: в корзину ПЛК устанавливаются модули ввода-вывода и датчики и исполнительные устройства подключаются отдельными проводами непосредственно, либо при помощи согласовательных модулей, к входам/выходам сигнальных модулей;

- или по методу распределённой периферии, когда удалённые от ПЛК датчики и исполнительные устройства связаны с ПЛК посредством каналов связи и, возможно, корзин-расширителей с использованием связей типа «ведущий-ведомый» (англ. Master-Slave).

Специальное использование

Для увеличения надёжности системы управления, построенной на ПЛК, применяется резервирование разных компонентов: шасси, источников питания, самих контроллеров.

Также, выпускаются специальные линейки продуктов: например Siemens, или Allen-Bradley выпускает всю линейку (ввод-вывод, интерфейсные модули и т.д. дополнительно к самим CPU).

Первые логические контроллеры появились в виде шкафов с набором соединённых между собой реле и контактов. Эта схема задавалась жёстко на этапе проектирования и не могла быть изменена далее.

Первый в мире ПЛК — MOdular DIgital CONtroller (Modicon) 084, имеющий память 4 кБ, произведен в 1968 году.

1.1 Виды ПЛК

      - Siemens — SIMATIC S5 и S7;

- Segnetics — Pixel 2511 и SMH 2Gi;

- Omron;

- Mitsubishi — серия Melsec (FX, Q);

- Schneider Electric — Modicon серий Twido, M340, TSX Premium, TSX Quantum;

- Beckhoff

- Allen-Bradley

1.2 Siemens

ПЛК малого класса S7-200

Simatic S7-200 — семейство программируемых логических контроллеров фирмы Siemens AG из семейства устройств автоматизации Simatic S7. Позиционируются как микро-ПЛК для решения простых задач промышленной автоматизации.

Рисунок 1. Внешний вид S7-200

Simatic S7-200 — программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности.

Основные особенности контроллера:

- простота монтажа, программирования и обслуживания.

- решение как простых, так и комплексных задач автоматизации.

- возможность применения в виде автономных систем или в качестве интеллектуальных ведомых устройств систем распределенного ввода-вывода.

- возможность использования в сферах, где применение контроллеров раньше считалось экономически нецелесообразным.

- работа в реальном масштабе времени и мощные коммуникационные возможности (PPI, MPI (англ. Multi Point Interface), Industrial Ethernet, PROFIBUS-DP, AS интерфейс, модемная связь).

- компактные размеры, возможность установки в ограниченных объемах.

Модификации контроллеров

Контроллеры выпускаются в виде двух семейств:

- Simatic S7-200: программируемые контроллеры стандартного исполнения для общепромышленного применения.

- Siplus S7-200: функциональные аналоги Simatic S7-200 для более жестких условий эксплуатации. Диапазон рабочих температур от −20 до +70 °C, более высокая стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам.

Программное обеспечение для S7-200

Необходимый набор для выполнения всех функций проектирования систем управления (программирование, конфигурирование и настройка параметров аппаратуры и систем связи, управление процессом, архивирование проектных данных) с помощью SIMATIC S7-200 включает следующее программное обеспечение:

- STEP 7-Micro/WIN;

- WinCC flexible Micro;

- S7-200 PC-Access.

Область применения

Микроконтроллеры Simatic S7-200 предназначены для решения задач управления и регулирования в небольших системах автоматизации. При этом, Simatic S7-200 позволяют создавать как автономные системы управления, так и системы управления, работающие в общей информационной сети. Область применения контроллеров Simatic S7-200 простирается от простейших задач автоматизации, для решения которых в прошлом использовались простые реле и контакторы, до задач комплексной автоматизации. Simatic S7-200 также используется при создании таких систем управления, для которых в прошлом из соображений экономии необходимо было разрабатывать специальные электронные модули.

Примеры областей применения:

- управление пакетировочными прессами;

- системы очистки;

- управление деревообрабатывающими станками;

- управление автоматическими воротами;

- управление лифтами и подъемниками;

- управление конвейерными линиями;

- пищевая промышленность;

- системы удаленного контроля.

Simatic S7-300 — семейство контроллеров средней производительности фирмы Siemens AG из семейства устройств автоматизации Simatic S7. В линейке контроллеров этого семейства по своей производительности занимает промежуточное положение между семействами S7-200 и S7-400. Количество поддерживаемых логических входов и выходов до 65536 дискретных/4096 аналоговых каналов. Конструкция контроллера модульная, модули монтируются на профильной шине (рельсе).

Рисунок 2. Siemens Simatic S7-300

Simatic S7-300 — программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности.

Основные особенности контроллера:

- модульная конструкция, монтаж модулей на профильной шине (рельсе);

- естественное охлаждение;

- применение локального и распределенного ввода -вывода;

- возможности коммуникаций по сетям MPI, Profibus Industrial Ethernet/PROFInet, AS-i, BACnet, MODBUS TCP;

- поддержка на уровне операционной системы функций, обеспечивающих работу в реальном времени;

- поддержка на уровне операционной системы аппаратных прерываний;

- поддержка на уровне операционной системы обработки аппаратных и программных ошибок;

- свободное наращивание возможностей при модернизации системы;

- возможность использования распределенных структур ввода-вывода и простое включение в различные типы промышленных сетей.

Типы модулей  Simatic S7-300

Основные типы применяемых модулей:

- Источники питания (PS), служащие для преобразования переменного напряжения 120/230 В или постоянного тока напряжением 24/48/60/110 В в постоянное напряжение 24 В, не обязательны, так как контроллер может запитываться от любого источника постоянного напряжения +24 в.

- центральные процессоры (CPU), отличающиеся производительностью, объёмом памяти, наличием встроенных входов-выходов и специальных функций, встроенными коммуникационными интерфейсами и т .д .

- сигнальные модули (SM) для ввода и вывода дискретных и аналоговых сигналов

- коммуникационные процессоры (CP) для включения в различные типы промышленных сетей

- функциональные модули (FM), решающие отдельные типовые задачи автоматизации, позволяют разгрузить центральный процессор, или решают задачи, с которыми тот не может справиться из-за недостаточного быстродействия. Функциональные модули снабжены встроенным микропроцессором и способны выполнять возложенные на них функции даже в случае остановки центрального процессора программируемого контроллера.

- интерфейсные модули (IM) позволяют объединить несколько стоек, составляющих одну станцию

Модификации контроллеров

- Simatic S7-300 — модульный программируемый контроллер для решения задач автоматизации различного уровня сложности.

- Simatic S7-300C — готовые решения для некоторых типовых задач автоматизации на базе испытанной технологии S7-300 при сохранении возможности расширения модулями S7-300. Поддержка функций скоростного счета, ПИД-регулирования и позиционирования на уровне операционной системы центрального процессора.

- Simatic S7-300T — с интегрированными технологическими функциями для задач управления перемещением.

- Simatic S7-300F — программируемый контроллер для построения распределённых систем автоматики повышенной безопасности.

- Siplus S7-300 — программируемый контроллер для эксплуатации в тяжёлых условиях (Расширенный диапазон рабочих температур (-25 … +60 °C), более высокая стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам, работа в средах, содержащих агрессивные примеси и газы.

Области применения

S7-300 находит применение для автоматизации машин специального назначения, текстильных и упаковочных машин, машиностроительного оборудования, оборудования для производства технических средств управления и электротехнического оборудования, в системах автоматизации судовых установок и систем водоснабжения и т.д.

Simatic S7-400 - это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации средней и высокой степени сложности.

Simatic S7-400 является универсальным контроллером. Он отвечает самым жестким требованиям промышленных стандартов, обладает высокой степенью электромагнитной совместимости, высокой стойкостью к ударным и вибрационным нагрузкам. Установка и замена модулей контроллера может производиться без отключения питания ("горячая замена").

Рисунок 3. Siemens Simatic S7-400

При необходимости в составе S7-400 могут быть использованы:

- интерфейсные модули (IM): для связи базового блока контроллера со стойками расширения. К одному базовому блоку контроллера SIMATIC S7-400 может подключаться до 21 стойки расширения.

- модули SIMATIC S5: все модули ввода-вывода контроллеров SIMATIC S5-115U/-135U/-155U могут устанавливаться в соответствующие стойки расширения SIMATIC S5. Кроме того, модули специального назначения IP и WF могут использоваться как в стойках SIMATIC S5, так и в базовом блоке контроллера SIMATIC S7-400. В последнем случае подключение модулей к внутренней шине контроллера S7-400 выполняется через адаптер.

Модификации

-  Simatic S7-400H разработан для построения систем автоматического управления, отличающихся повышенной надежностью функционирования.

-  S7-400F/FH предназначены для построения систем безопасного управления, в которых возникновение отказов не влечет за собой появление опасности для жизни обслуживающего персонала и не приводит к загрязнению окружающей природной среды.

Области применения

Благодаря своей высокой надежности SIMATIC S7-400H может использоваться:

- в системах с высокими затратами на перезапуск производства в случае отказа контроллера.

- в системах с высокой стоимостью простоя.

- в процессах обработки ценных материалов (например, в фармацевтической промышленности).

- в системах без постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала.

- в системах с небольшим количеством обслуживающего персонала.

1.3  Mitsubishi

Mitsubishi Melsec

MELSEC — зарегистрированная торговая марка промышленных программируемых логических контроллеров (ПЛК), производимых корпорацией Mitsubishi Electric.

Аббревиатура MELSEC расшифровывается как Mitsubishi ELectric SEquenCer. Впервые аббревиатура MELSEC была использована для обозначения модели серийного ПЛК Mitsubishi Electric в 1978 году.

В настоящее время под торговой маркой MELSEC корпорация Mitsubishi Electric производит следующие семейства промышленных ПЛК:

-  компактные промышленные ПЛК MELSEC FX для задач автоматизации низкой и средней сложности;

-  модульные промышленные ПЛК MELSEC L для задач автоматизации средней сложности;

-  модульные промышленные ПЛК MELSEC System Q для задач автоматизации высокой сложности.

Компактные контроллеры Melsec FX используются во всех отраслях, от систем управления единичных машин до распределенных сетевых систем передачи команд и данных. Известные контроллеры серии Melsec FX являются одними из наиболее успешных приборов подобного класса в мире, что подтверждает статистика о десятках миллионов отгруженных устройств по всей планете.

Такие миниатюрные контроллеры конструктивно объединяют в одном корпусе ввод и вывод, память, электропитание и центральный процессор. Область применения этих PLC можно расширить, подключая различные опции, например аналоговые интерфейсы, дополнительные входы и выходы или модули мониторинга и регулировки температуры. Одной из самых часто выбираемых модульных опций является коммуникационный интерфейс, благодаря которому контроллеры линейки Melsec FX можно подключить ко всем наиболее распространенным сетям, например Ethernet, Profibus-DP, CC-Link, DeviceNet, CANopen и AS-interface.

Основные характеристики FX2N

- от 16 до 256 каналов ввода/вывода

- высокое быстродействие (0,08 мкс)

- большой объем программы (8000 шагов, с возможностью расширения до 16000 шагов)

- возможность подключения до восьми модулей из обширного выбора специальных модулей, например, для обработки аналоговых сигналов, измерения температуры, коммуникации или позиционирования до 16 осей.

- возможности подключения к сетям Profibus-DP, CC-Link, DeviceNet и AS-Interface

- удобное программирование в среде Microsoft Windows

- встроенное управление позиционированием

FX3G — компактный расширяемый контроллер для задач автоматизации малой и средней сложности. Производится с 2009 года. Предшествующая модель — FX1N (производится с 2000 г по сей день).

Основные характеристики  FX3G

- время выполнения одной бинарной инструкции — 210 нс.

- объем памяти программы — 32 000 шагов;

- адресное пространство локального ввода/вывода: 128 точек;

- адресное пространство удаленного ввода/вывода: 128 точек;

- функции встроенных входных каналов: дискретный ввод, счетный ввод (6 счетчиков);

- типы встроенных выходных каналов: дискретные транзисторные или релейные;

- типы модулей расширения: дискретный ввод/вывод, аналоговый ввод/вывод, ввод температурных сигналов, интерфейсные модули.

- поддерживаемые полевые шины: CC-Link; Profibus DP (Slave), Modbus RTU.

- поддерживаемые шины управления: Ethernet (MC Protocol);

- поддерживаемые последовательные интерфейсы: RS232, RS422, RS485.

- напряжение питания =24 В или ~220 В;

- поддерживаемые среды разработки: GX Developer, GX IEC Developer, GX Works 2.

FX3UC - это контроллер для достаточно сложных задач управления, обладающий достаточными резервами мощности для множества применений.

- время цикла - всего 0,065 мкс на логическую инструкцию

- до 40.768 регистров данных

- до 7.680 маркеров

- 210 команд

- память вмещает до 64 тысяч шагов программы контроллера

FX3U — компактный расширяемый контроллер для задач автоматизации средней и повышенной сложности. Производится с 2005 г. Предшествующая модель — FX2N (производилась с 1996 по 2010 г.)

Основные характеристики FX3U

- Время выполнения одной бинарной инструкции — 65 нс.

- Объем памяти программы — 64 000 шагов;

- Адресное пространство локального ввода/вывода: 256 точек;

- Адресное пространство удаленного ввода/вывода: 128 точек;

- Функции встроенных входных каналов: дискретный ввод, счетный ввод (8 счетчиков);

- Типы встроенных выходных каналов: дискретные транзисторные или релейные;

- Типы модулей расширения: дискретный ввод/вывод, аналоговый ввод/вывод, ввод температурных сигналов, высокоскоростной счетный ввод, модули регулирования температуры, модули позиционирования, интерфейсные модули.

- Поддерживаемые полевые шины: CC-Link; Profibus DP, Modbus RTU , DeviceNet.

- Поддерживаемые шины управления: Ethernet (MC Protocol, Modbus TCP, IEC-60870-5-104), CANopen;

- Поддерживаемые последовательные интерфейсы: RS232, RS422, RS485.

- Напряжение питания =24 В или ~220 В;

- Поддерживаемые среды разработки: GX Developer, GX IEC Developer, GX Works 2.

Также с 2001 года производится моноблочный нерасширяемый контроллер серии FX1S, расчитанный исключительно на дискретную логику.

Промышленные программируемые логические контроллеры серии  ПЛК Mitsubishi  MELSEC L

Данный контроллер предназначен для решения задач автоматизации, в которых возможностей моноблочных ПЛК семейства FX недостаточно, а возможности модульных контроллеров System-Q являются избыточными.

Контроллер оптимально подходит для систем управления технологическим оборудованием, в которых требуется работа с большим количеством каналов ввода-вывода, расширенные функции позиционирования и управления движением, а также удобная и простая в программировании система коммуникаций.

Процессорные модули на данный момент представлены двумя моделями: L02CPU, способный обслуживать до 1024 каналов ввода-вывода и L26CPU-BT, обслуживающий 4096 каналов и имеющий на борту встроенную CC-Link-V2.0 станцию.Для удобства обслуживания процессоры можно оснастить дисплейным модулем, позволяющим менять настроечные параметры и осуществлять базовые возможности мониторинга.

Встроенный Ethernet порт теперь оснащен технологией, позволяющей подключиться к процессору, даже если его IP изначально не задан. При наличии нескольких процессоров в одной сети, программное обеспечение GX Works предоставит вам весь список подключенных устройств. Ethernet порт может быть использован для синхронизации времени по SNTP протоколу, что позволяет запускать связанные между собой процессы в разных ПЛК или вести запись временных меток аварийных событий.

На  процессорном модуле имеется слот для SD/SDHC-карт памяти, который служит для сохранения программ, параметров или логов пользовательских данных объёмом до 4832кБ. Лог данных может вестись непрерывно или по событию.

Скорость интегрированного USB порта программирования была увеличена и теперь соответствует спецификации USB2.0. Для работы с процессорами L-серии требуется программное обеспечение GX Works2 или пакет iQ Works.

В настоящее время для  MELSEC L выпускаются следующие процессорные модули:

L02CPU-P

• Время выполнения инструкции: 40 нс

• Память программы: 20 тыс. шагов

• Расширение: до 10 модулей

L02CPU-PBT

• Время выполнения инструкции: 9,5 нс

• Память программы: 260 тыс. шагов

• Расширение: до 40 модулей

• Встроенный интерфейс CC-Link

Промышленные программируемые логические контроллеры серии  ПЛК MELSEC SystemQ

Cерия MELSEC System Q - самый мощный и компактный модульный ПЛК с мультипроцессорной технологией для текущих и будущих запросов, производства компании Mitsubishi Electric.

Небольшой размер, коммуникационные возможности и высокопроизводительная мультипроцессорная обработка являются тремя важными характеристиками серии MELSEC System Q.

Компактность гарантирует, что контроллер займет меньше места в стойке коммутационного оборудования, а  разнообразные коммуникационные возможности обеспечивают гибкость и открытость. Этот контроллер особенно удобен для выполнения задач автоматизации, требующих средней или высокой производительности.

Отдельные системы могут быть инсталлированы в различных MELSEC-сетях и открытых сетях (например, MELSECNET, Ethernet или Profibus/DP), позволяющих им взаимодействовать друг с другом.

Благодаря уникальному объединению возможностей PLC, персонального компьютера (PC) и CPU движения, оказывается доступной платформа, которая отвечает всем требованиям задач автоматизации.

Платформу автоматизации MELSEC System Q можно использовать и в областях, требующих высокой надежности. Например, это могут быть резервные главные устройства в коммуникационных сетях, резервированные системы полевой шины (CC-Link) или резервируемые сетевые блоки для станций удаленного ввода/вывода. Кроме того, некоторые аналоговые модули и модули для измерения температуры способны распознавать обрыв линии, а также отличать реалистичное изменение сигнала от изменения, вызванного внешней неисправностью.

Модули серии MELSEC System Q

Рисунок 4. Модули серии MELSEC System Q

2 SCADA

SCADA (аббр. от англ. Supervisory Control And Data Acquisition, Диспетчерское управление и сбор данных) — программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления. SCADA может являться частью АСУ ТП, АСКУЭ, системы экологического мониторинга, научного эксперимента, автоматизации здания и т.д.. SCADA-системы используются во всех отраслях хозяйства, где требуется обеспечивать операторский контроль за технологическими процессами в реальном времени. Данное программное обеспечение устанавливается на компьютеры и, для связи с объектом, использует драйверы ввода-вывода или OPC/DDE серверы. Программный код может быть как написан на языке программирования (например на C++), так и сгенерирован в среде проектирования.

Иногда SCADA комплектуются дополнительным ПО для программирования промышленных контроллеров. Такие SCADA-системы называются интегрированными и к ним добавляют термин SoftLogic.

Термин SCADA имеет двоякое толкование. Наиболее широко распространено понимание SCADA как приложения, то есть программного комплекса, обеспечивающего выполнение указанных функций, а также инструментальных средств для разработки этого программного обеспечения. Однако, часто под SCADA-системой подразумевают программно-аппаратный комплекс. Подобное понимание термина SCADA более характерно для раздела телеметрия.

Значение термина SCADA претерпело изменения вместе с развитием технологий автоматизации и управления технологическими процессами. В 80-е годы под SCADA-системами чаще понимали программно-аппаратные комплексы сбора данных реального времени. С 90-х годов термин SCADA больше используется для обозначения только программной части человеко-машинного интерфейса АСУ ТП.

2.1 Разновидности наиболее популярных SCADA - систем

Программные продукты класса SCADA широко представлены на мировом рынке. Это несколько десятков SCADA - систем, многие из которых нашли свое применение и в странах СНГ. Наиболее популярные из них приведены ниже: