Что управляет вами? Нет, я не говорю о вашем начальнике, супруге или правительстве. Вместо этого представьте, что ваш организм – это промышленная система управления. Итак, что управляет вами? Надеюсь, вы ответили “мозг”, хотя иногда приемлемым ответом может быть и “сердце”. Но пока давайте сосредоточимся на мозге и нервной системе. Ваше тело получает сигналы от органов чувств или нервов, которые по спинному мозгу поступают в головной мозг. Точно так же работает и система ПЛК, в которой есть мозг (центральный процессор), позвоночник (база или объединительная плата) и органы чувств (модули ввода/вывода). Теперь давайте рассмотрим каждый из них более подробно, обсудим функции, возможности и соображения.
Базовое оборудование
Начнем с позвоночника. В системе ПЛК существуют различные варианты подключения модулей ввода-вывода к центральному процессору. Некоторые системы имеют фиксированный стиль, когда центральный процессор поставляется с уже установленным фиксированным набором точек ввода/вывода и уже определенными специальными соединениями.
Другие системы ПЛК построены по принципу стекирования, когда модули ЦПУ и ввода/вывода являются отдельными, но имеют встроенные разъемы, с помощью которых компоненты соединяются между собой. Эти разъемы образуют одну непрерывную шину данных во всей системе. Эта внутренняя шина данных часто называется объединительной панелью.
Другим вариантом аппаратного обеспечения ПЛК является модульная базовая конфигурация. Для такого типа ПЛК требуется отдельный базовый блок, на котором размещаются модульные компоненты. Каждый модуль устанавливается в слот на базовом блоке, который используется для подключения модуля к объединительной панели, уже установленной в базе. Эти базы имеют различное количество слотов, а некоторые из них оснащены встроенными источниками питания. Как правило, первые два крайних левых слота предназначены для блока питания и процессора.
При использовании внутренних соединений ПЛК следует помнить об одном вопросе: “Насколько легко их менять?”. Другими словами, после установки всех модулей, насколько легко их извлечь? При использовании фиксированного стиля вы просто фиксированы, так что здесь вам никто не поможет. Компоненты штабелируемых ПЛК можно менять, но для этого необходимо разорвать соединение объединительной платы для всех модулей, расположенных ниже по потоку от модуля, который требуется извлечь. Это может стать проблемой. Модульная базовая конфигурация, безусловно, наиболее проста в замене. Достаточно просто вынуть модуль и вставить новый. В некоторых ПЛК предусмотрена даже “горячая” замена, т.е. замена модуля может производиться при включенном питании ПЛК и без прерывания процесса управления.
Основные принципы
Теперь обратимся к органам чувств, поставщикам информации, или, в случае ПЛК, модулям ввода/вывода. Модули ввода/вывода и соответствующие им конечные устройства позволяют ПЛК узнавать текущее состояние управляемого процесса и влиять на него. Существует множество типов модулей ввода и вывода, но все они могут быть классифицированы как аналоговые, дискретные или специализированные модули ввода/вывода.
Дискретные входы/выходы являются самыми простыми и обеспечивают ПЛК управление включением/выключением. Они используются как с переменным, так и с постоянным напряжением и обеспечивают процессору индикацию “да/нет”, “истина/ложь”, а также простые ответы типа “полностью включено” или “полностью выключено”. Что касается входных сигналов, то дискретные входы/выходы используются для решения таких простых задач, как “Есть ли ящик?”, “Заполнен ли бак?”, “Могу ли я запустить этот двигатель?”. Эти входные сигналы обеспечиваются такими устройствами, как фотоглазки, бесконтактные датчики, кнопки E-stop, поплавковые выключатели и т.д. Дискретные выходы обеспечивают выбор команды “ВКЛ” или “ВЫКЛ” без промежуточных значений и обычно используются для освещения стека, сигнализации, реле, соленоидов и т.д.
При работе с дискретными входами/выходами следует учитывать, какая конфигурация необходима – “тонущая”, “источающая” или “релейная”. При использовании входов/выходов с поглощением ПЛК обеспечивает опорное напряжение (обычно 0 В) при завершении цепи. При использовании входов/выходов с источником все наоборот: ПЛК выдает напряжение источника, будь то 12 В постоянного тока, 24 В постоянного тока, 240 В переменного тока и т.д. Релейные типы не обеспечивают ни того, ни другого. Они работают так же, как и контакты реле, используя внешний источник и подключая его к нагрузке после активации. Более подробно о концепциях “сток/источник” можно прочитать в этой к сожалению англоязычной статье.
Далее следует аналоговый ввод/вывод. Аналоговый ввод/вывод имеет дело с серой зоной между полным включением и полным выключением, которую дискретный ввод/вывод игнорирует. Он обеспечивает ПЛК данными, необходимыми для точного управления процессом. Если вы хотите узнать точный уровень жидкости в резервуаре или открыть клапан на 1/3 хода, аналоговый сигнал – это то, что вам нужно. Аналоговые сигналы имеют различные диапазоны, включая: 0-20 мА, 4-20 мА, 0-10 В и т.д. Модули RTD и термопар – это два аналоговых модуля, которые специализируются на преобразовании низковольтных сигналов от температурных датчиков в пригодные для использования данные. Важным фактором, который следует помнить при использовании аналоговых модулей, является их разрешение. Чем выше разрешение, тем выше точность входного измерения или выходного отклика. Подробнее о дискретном и аналоговом вводе/выводе читайте в этом блоге.
Остается специализированный ввод/вывод. Этот тип входов/выходов включает в себя такие специальные функции, как высокоскоростные и коммуникационные. Высокоскоростные модули необходимы в тех случаях, когда входные/выходные данные состоят из высокочастотных импульсов. Эти модули могут отслеживать входные данные, например, сигналы энкодера, независимо от развертки процессора, что гарантирует более точный результат.
сканирования процессора, что гарантирует более точный подсчет импульсов. А высокоскоростные выходы могут обеспечить прецизионное управление шаговыми двигателями, используемыми в системах перемещения или позиционирования. Коммуникационные модули обеспечивают дополнительные коммуникационные порты/протоколы, которые могут потребоваться системе: RS232, RS485, Ethernet и т.д. Они также позволяют при необходимости удаленно расширить локальную систему ПЛК.
Питание ПЛК
Теперь, прежде чем мы коснемся “мозга” системы, я хотел бы немного отвлечься и обсудить блок питания. Как уже говорилось, блок питания ПЛК может входить в комплект поставки базы или быть отдельным устройством. Они имеют различные диапазоны напряжений, включая 12-24 В постоянного тока и 110/220 В переменного тока, и выдают ограниченное количество ампер. Очень важно, чтобы выбранный источник питания был способен обеспечить питание процессора и модулей ввода-вывода в необходимом объеме. Для этого необходимо провести анализ бюджета мощности и рассчитать необходимый ток для вашего приложения. Пример показан ниже.
Процессор ПЛК
Итак, связи установлены, внешние данные получены, теперь нужно понять, что с ними делать. Этим занимается центральный процессор (ЦП). Центральный процессор содержит микропроцессор, память и другие интегральные схемы, которые используются для выполнения управляющей программы, хранения логических данных и связи с внешними устройствами. Что же должно включать в себя аппаратное обеспечение ЦПУ? Прежде всего, процессору необходим способ обмена данными, для чего обычно используются порты Ethernet, последовательные или USB. Последовательные порты важны, поскольку многие существующие сети используют эти стандарты, но Ethernet стал предпочтительным методом связи в современных промышленных приложениях. Порт USB появился недавно и очень полезен при подключении к центральному процессору для программирования или мониторинга его логики. Не менее важным, чем наличие портов, является то, какие протоколы поддерживает процессор: EtherNet/IP, Modbus TCP и т.д… Некоторые ПЛК используют проприетарные протоколы связи, другие – открытые стандарты. В любом случае необходимо убедиться, что выбранный процессор обладает необходимыми коммуникационными возможностями. Более подробное описание протоколов связи ПЛК приведено в теме “Коммуникации ПЛК – вступление в эпоху”.
протоколы связи, см. тему “Коммуникации ПЛК – становление”.
Другим важным аспектом аппаратной части процессора является объем памяти. Процессор должен иметь достаточно места для хранения данных, чтобы справиться с тем объемом задач, который вы собираетесь на него возложить, и не помешает иметь небольшой запас для будущих нужд. Объем памяти процессора увеличился с течением времени, и сегодня некоторые процессоры могут иметь 50 Мб и более памяти, доступной пользователю. Большой объем памяти в этих процессорах позволяет практически безгранично программировать, иметь достаточно места для программной документации и впечатляюще быстрое время сканирования. Поддержка съемных карт памяти – еще одна популярная сегодня функция. Карты памяти объемом от 1 до 32 ГБ позволяют вести обширную регистрацию данных и легко загружать программы без использования ПК. Среди других аппаратных опций, доступных для процессоров, – резервный аккумулятор, встроенные устройства ввода/вывода и индикаторы состояния/OLED-дисплеи.
И последнее…
Теперь, когда мы обсудили отдельные аппаратные компоненты ПЛК, я хотел бы упомянуть еще несколько моментов, связанных с аппаратным обеспечением ПЛК в целом.
- При установке ПЛК может возникнуть проблема с размерами, поэтому, если она актуальна, следует обратить внимание на компактные или тонкие конструкции. Также следует обратить внимание на высокую плотность ввода/вывода. Проверьте максимальное количество точек на модуль и модулей на базу. Большее количество точек ввода/вывода на модуль означает меньшее количество модулей и, следовательно, большее пространство.
- Варианты подключения – для модулей ввода/вывода наиболее распространены разъемы винтового типа и пружинные зажимы. Также могут использоваться системы проводных соединений, например, решение ZipLinkswiring.
- Варианты монтажа – Узнайте, какие варианты имеются в наличии и какие вам требуются: DIN-рейка, крепление на панель или оба варианта.
- Экологические сертификаты – убедитесь, что используемое аппаратное обеспечение сертифицировано для той среды, в которой оно будет находиться. Например, опасные места могут потребовать дополнительных мер предосторожности.
- Сертификаты контроля качества – посмотрите, какие испытания проводились для проверки долговечности оборудования. В качестве примера можно привести испытания на воздействие экстремальных температур, электрошока и вибрации. Кстати, если вы когда-либо задавались вопросом, что такое вибротестирование, то больше не задавайтесь. Посмотрите тест на вибрацию Productivity2000 в действии ниже или нажмите здесь:Сертификаты контроля качества – посмотрите, какие испытания проводились для проверки долговечности оборудования. В качестве примера можно привести испытания на воздействие экстремальных температур, электрошока и вибрации. Кстати, если вы когда-либо задавались вопросом, что такое вибротестирование, то больше не задавайтесь. Посмотрите тест на вибрацию Productivity2000 в действии ниже или нажмите здесь: