Прогроммируемые логические контроллеры

   5. Языки  пакета CoDeSys  для ПЛК

   5.1. Язык LD

   Язык LD - графический язык, основанный на принципах релейно-контактных схем (элементами релейно-контактной логики являются: контакты, обмотки реле, вертикальные и горизонтальные перемычки и др.) с возможностью использования большого количества различных функциональных блоков.

Язык  релейных схем существует со времен Т. Эдисона и адаптирован к ПЛК  в начале 70-х годов прошлого века. Впервые появился в пакетах программирования ПЛК компаний Allen-Bradly и Modicon. Символика этого языка была заимствована из проектирования в области электротехники.

Достоинствами языка LD являются: представление программы в виде электрического потока (близок специалистам по электротехнике), наличие простых правил, использование только булевых выражений. Язык LD имеет большой круг пользователей, рационален для ручной оптимизации специфических критических мест кода. [2].

5.2. Язык FBD

Язык FBD - это полностью графический язык высокого уровня, обеспечивающий управление потоками данных, включающих все типы. Позволяет использовать очень мощные алгоритмы простым вызовом функций и функциональных блоков, имеет большую библиотеку блоков, удовлетворяет непрерывным динамическим процессами, хорош для сложных вещей подобно ПИД-регуляторам (ПИД - пропорционально-интегрально-дифференциальньш регулятор, PID-регулятор), массивам и т. д.

FBD заимствует символику булевой алгебры и, так как булевы символы имеют входы и выходы, которые могут быть соединены между собой, FBD более эффективен для редставления структурной информации, чем язык релейно-контактных схем.

FBD замечателен для небольших приложений. [2].

5.3 Язык IL

Язык IL является языком низкого (машинного) уровня, что существенно облегчает, например, условный или безусловный вызов функциональных блоков и функций, выполнение назначений и условных или безусловных переходов внутри секции, похож на Ассемблер. Язык IL позволяет создавать высокоэффективные и оптимизированные функции. Его можно рекомендовать для написания наиболее критических мест в программе.

Ассемблероподобные языки использовались для программирования компьютеров в 50-е годы XX века и все еще предлагаются некоторыми изготовителями ПЛК, особенно программистами, поддерживающими микроРС. Корни языка IL лежат в языке STEPS компании Siemens. IL можно программировать с помощью любого текстового редактора. [2].

5.4 Язык ST

Язык ST является языком высокого уровня (типа Паскаля). Был популярен в середине 70-х годов XX века для сложных компьютерных приложений. Служит для создания процедур со сложной логикой. Может использоваться как в главных программах, так и в теле функции или FBD, а также для описания действий внутри элементов редакторов SFC или Flow Chart. Обладает высокой читабельностью исходного кода: ключевые слова, такие, как AND, OR, NOT, ГЕ, THEN, ELSE, WHILE (и т. д.) легко понимаемы; прост в сопровождении, если имена переменных понятны, имеются комментарии, код хорошо структурирован. [2].

   5.5. Язык SFC

   Язык SFC предложен в 1979 году (его прототипом является язык brafcet компании Telemecanique, стандарт IЕС 848) как графический язык, предназначенный для описания функций последовательных операции и позволяющий ясное и однозначное определение желаемого поведения системы управления. Отличается строгим математическим определением, (каждое операционное состояние может быть декодировано с очень небольшим анализом). Удобен для описания как последовательных процессов, так и пакетных или параллельных процессов, легко комбинируется с другими языками (язык спецификаций). Обеспечивает улучшение понимания оборудования при формировании модели приложения. Обладает развитыми механизмами синхронизации. Использует простые динамические правила.

Диагностика языка SFC позволяет обнаружить ошибки проекта до того, как приложение тестируется в режиме Online. Интерактивно анимируемый язык SFC также служит для облегчения диагностики оборудования и ошибок системы управления и после ввода в действие. Использование языка SFC как диагностического инструмента может уменьшать среднее время устранения таких неполадок.

SFC широко принят как стандарт в Европе.

Языки SFC и ST, в паре составляющие полную и завершенную среду для программирования ПЛК, не всегда удовлетворяют пользователей, например, из-за быстродействия или невозможности доступа к системным ресурсам, что заставляет прибегать к использованию языков типа С, который не входит в стандарт IЕС 61131-3. [2].

6. Функции ПЛК.

Процесс выбора ПЛК не так прост. Тем не менее, некоторые свойства и функции были названы очень  важными при определении, рекомендации и/или покупке ПЛК. На первое место  в своем хит-параде участники  опроса поставили встроенные коммуникационные возможности. Другими характеристиками, выстроенными в порядке убывания значимости, являются: возможности ПИД-регулирования, малое время цикла, объем доступной памяти, поддержка функций управления перемещением, съемные картриджи памяти и беспроводные технологии.

Какие же функции должно реализовывать приобретаемое оборудование? Важнейшие указаны ниже (в порядке  убывания значимости):

• Универсальная среда программирования для различных аппаратных платформ
• ПЛК с системами распределенного ввода/вывода
• ПЛК со встроенными модулями ввода /вывода
• Связь ПЛК с ПК
• Дублирование процессора и модулей ввода/вывода
• Микро ПЛК
• ПЛК с поддержкой web-технологий, включая оповещение по телефону/электронной почте
• ПЛК со встроенными микропроцессорами PC
• нано ПЛК
• высоконадежные PC-контроллеры с открытой архитектурой
• Переносные устройства программирования

Применение  контроллера обеспечивает: 
· высокую надёжность; 
· простое тиражирование и обслуживание устройств управления; 
· ускоряет монтаж и наладку оборудования; 
· обеспечивает быстрое обновление алгоритмов управления (в том числе и на работающем оборудовании). [1].

7. Сферы использования.

Сферы использования ПЛК в полной мере отражают отрасли применения систем автоматизации. Как и ожидалось, управление станками (82 %) все еще  самая распространенная сфера применения. Управление процессом (74 %), управление движением (55 %), управление периодическими процессами (31 %), диагностические приложения (25 %). Реже всего PLC используются для обеспечения безопасности производства (1 %).

Методы коммуникации с другими  системами управления являются главным  показателем гибкости современного ПЛК. Как говорят участники, сетевые  протоколы используются в 69 % установленных ПЛК, оставшиеся 31 % используются как автономные приборы. Большинство подключенных к сети контроллеров обменивается информацией с персональными компьютерами и PAC-контроллерами и столько же связано с другими ПЛК. Чуть больше 5 % устройств используется в распределенных системах управления. [3].

Разработка САУ с использованием ПЛК SIMATIC S7-300  и SCADA-системы WinCC.

Данная разработка была заказана филиалом ОАО «Концерн Росэнергоатом» Курская  АЭС.

Требования заказчика:

Создание АСУТП  турбохолодильных машин с целью  выполнения следующих

функций:

•повышение  уровня автоматизации оборудования за счет применения современных промышленных контроллеров и использования современных  методов контроля, управления и регулирования;

•обеспечение  надежной работы технологического оборудования II  категории сейсмостойкости  за счет автоматического обнаружения  неисправностей, локализации и предотвращения развития аварийных ситуаций;

•обеспечение  удобства и безошибочности работы оперативного персонала в процессе контроля и  управления технологическим оборудованием,  снижение “человеческого фактора”.

Решение, предоставленное Партнером:

Система управления 2-х уровневая.

Нижний уровень (щиты управления МТХМ)  обеспечивает управление турбохолодильными машинами МТХМ1-25Р и их механизмами,  регулирование производительности,  контроль параметров работы,  обработку неисправностей,  предаварийных и аварийных ситуаций, аварийные блокировки, передачу данных на верхний уровень.

Верхний уровень  АСУ ТП (АРМ оператора)  обеспечивает выдачу персоналу информации о ходе технологического процесса,  оповещение оперативного персонала о нештатных событиях,  ведение архивов,  управление технологическим оборудованием в дистанционном режиме.

Преимущества для заказчика:

Разработана АСУТП турбохолодильных машин МТХМ1-25Р.

Внедрение АСУТП позволит получить следующие преимущества:

•снижение энергетических потерь;

•увеличение технического ресурса оборудования;

•обеспечение оптимальных  режимов эксплуатации;

•снижение числа незавершенных  запусков и аварийных остановов. [4].

8. Классификация.

Страна-производитель 

Некоторое время назад  это был очень важный классификационный  признак. Считалось, что контроллеры, произведённые в Европе, Америке  и Японии, гораздо надежнее, обладают гораздо большим функционалом, чем их «коллеги» из Юго-Восточной Азии и России. В настоящее время этот классификационный признак, скорее всего, потерял актуальность. Российские предприятия набрались опыта и схемотехнические решения у нас подчас даже лучше, чем у западных аналогов. По характеристикам контроллеры-аналоги различных стран-производителей почти не отличаются. Системное и прикладное программное обеспечение либо очень похоже, либо вообще используются стандартизированные продукты (к примеру OS Linux широко используется как на отечественных контроллерах, так и на импортных). Элементная база и в импортных, и в российских контроллерах применяется одна и та же. Кроме того, и отечественные, и европейские, и американские разработчики контроллеров (да и не только контроллеров) в последние годы все чаще размещают производство на одних и тех же площадках в Юго-Восточной Азии. По сути, границы между производителями электроники постепенно исчезают вообще. Вывод: страну производитель, как серьезный фактор классификации рассматривать не стоит. [3].

9. Мощность

Под обобщённым термином «мощность» понимается разрядность и быстродействие центрального процессора, объём разных видов памяти, число портов и сетевых  интерфейсов. Очень часто основным показателем, косвенно характеризующим  мощность контроллера и, одновременно, являющимся важнейшей его характеристикой, является число входов и выходов (как аналоговых, так и дискретных), которые могут быть подсоединены к контроллеру. По этому показателю контроллеры подразделяются на следующие классы: наноконтроллеры (часто с встроенными функциями), имеющие до 15 входов/выходов;  
малые контроллеры, рассчитанные на 15-100 входов/выходов;  
средние контроллеры, рассчитанные примерно на 100-300 входов/выходов;  
большие контроллеры, рассчитанные примерно на 300-2000 входов/выходов;  
сверхбольшие контроллеры, имеющие примерно от 2000 и более входов/выходов.  
Очень важно отметить, что с ростом мощности контроллера растёт его цена. Причем при переходе разница по цене между различными классами контроллеров очень значительна. Одна из задач при разработке системы управления – это чётко зафиксировать число входных и выходных сигналов объекта управления, чтобы избежать лишних затрат при выборе контроллера. [1].

10. Область применения

Область применения – один из наиболее важных признаков классификации. Область применения контроллера  накладывает целый ряд требований к контроллерам и очень сильно сужает круг поиска при разработке систем управления. Специализированный контроллер со встроенными функциями. Обычно им является минимальный по мощности контроллер, программа действия которого заранее прошита в его  памяти, а изменению при эксплуатации подлежат только параметры программы. Число и набор модулей ввода/вывода определяется реализуемыми в нем  функциями. Часто такие контроллеры  реализуют различные варианты функций  регулирования. Основные области применения: локальное управление какой-либо малой технологической установкой или механизмом. [3].

11. Контроллер для реализации логических зависимостей

Главные сферы применения такого контроллера: станкостроение, машиностроение, замена релейно-контактных шкафов во всех отраслях промышленности. Он характеризуется  прошитой в его памяти развитой библиотекой  логических функций и функций  блокировки типовых исполнительных механизмов. Для его программирования используются специализированные языки  типа релейно-контактных схем. Набор  модулей ввода/вывода у такого контроллера  рассчитан, в основном, на разнообразные  дискретные каналы. Наиболее простыми представителями данного класса контроллеров являются интеллектуальные реле. [1].

12. Контроллер, реализующий любые вычислительные и логические функции

Наиболее распространённый универсальный контроллер, не имеющий  ограничений по области применения. Центральный процессор контроллера  имеет достаточную мощность, разрядность, память, чтобы выполнять как логические, так и математические функции. Иногда, для усиления его вычислительной мощности, он снабжается ещё и математическим сопроцессором (во многих современных  процессорах математический сопроцессор  интегрирован в сам кристалл). Инструментальные средства для программирования таких  контроллеров, как правило, поддерживают несколько языков программирования, таких как язык релейно-контактных схем, функционально-блоковых диаграмм, язык С, Basic, Pascal и тому подобные. Как правило, также предоставляется большая библиотека уже реализованных логических, математических и коммуникационных функций. В состав модулей ввода/вывода входят модули на всевозможные виды и характеристики каналов (аналоговых, дискретных, импульсных и т. д.). [1].