Контроллер Modicon TSX Quantum в системах автоматизации

В связи с  этим конкурентоспособными останутся  те ПЛК, которые обеспечивают сопряжение с открытыми промышленными сетями, такими как MODBUS, PROFIHUS, ETHERNET. Именно адаптацией к различным промышленным сетям обусловлено чрезвычайное разнообразие WG современных мощных ПЛК.

3. Мощные ПЛК

Рассматривая  современное состояние вычислительной техники, легко поддаться искушению, переложить функции интерпретатора на программные средства разработки прикладного программного обеспечения, оригинальные пакеты которых, работающие в среде Windows, имеет каждая фирма. Такое решение предполагает замену специализированного модуля ЦП универсальным программируемым контроллером с открытым программным обеспечением.

Это направление  сейчас активно развивается, и получило название «Soft PLC». Однако производители ПЛК не спешат полностью отказываться от специализированных ЦП. Весьма показательно, что разработчики мощного ПЛК SIMATIC S7-400 с целью повышения быстродействия пошли на выполнение ЦП мультипроцессорным, но не стали отходить от рассмотренного выше принципа построения ОС ПЛК. Достигнутое таким образом быстродействие сравнимо с быстродействием программ управления промышленных контроллеров, написанных на языке СИ.

Рассмотренная упрощенная ОС ПЛК является однозадачной. Если ПЛК заменяет несколько независимых  релейных схем, программные модули, реализующие каждую из схем, расположены в памяти последовательно. В связи с этим время реакции ПЛК на изменение входных сигналов определяется суммарным временем выполнения всех программных модулей. Если среди обслуживаемых устройств окажется такое, которое требует более быстрой реакции, то рассматриваемая однозадачная ОС этого сделать не позволит. Очевидно, мультипроцессорный путь повышения быстродействия применим только для мощных ПЛК (но для них он, конечно, не единственный).

Другой способ повышения быстродействия ПЛК —  переход к многозадачным ОС. Ранее многозадачные ОС были характерны только для мощных ПЛК. в настоящее время такая ОС — не редкость даже для ПЛК малого формата. Так, двухзадачную ОС имеет ПЛК среднего формата Telemecanique TSX 47-10/20. Программа управления, записываемая в этот ПЛК, должна быть разделена на две задачи. Инициализация выполнения «быстрой» задачи выполняется периодически с регулируемым разработчиком интервалом между обращениям (от 5 до 10 мс). Программа «медленной» задачи запускается на выполнение по сигналу сторожевого  таймера  каждые   150  мс.   Отдельные  части  этой программы выполняются с разделением по времени после окончания очередного цикла обработки «быстрой» задачи. В ПЛК малого формата Modicon TSXMicro реализована многозадачная ОС. Для создания многозадачных ОС используют механизм, прерывания по сигналам внешних устройств, которыми управляет ПЛК. Такой механизм используют все ПЛК фирмы Siemens.

Придание ПЛК  регулирующих функций неминуемо  потребовало введения в состав языков программирования ПЛК команд работы с двоичными словами. ПЛК стали выполнять сложные вычисления, причем арифметики в формате с фиксированной запятой оказалось недостаточно — сейчас многие ПЛК имеют в системе команд библиотеки для работы с числами в формате с плавающей запятой. В первую очередь арифметические команды используются для реализации алгоритмов ПИД-регуляторов, причем не просто регуляторов, а с алгоритмами самонастройки и оптимизации переходных процессов. Несмотря на такое существенное усложнение базового программного обеспечения, разработчики ПЛК не спешат уходить от проверенных временем принципов построения ПЛК. Весьма показателен пример с Telemecanique TSX 47-10/20. Для включения алгоритма ПИД-регулирование в его программу необходимо не только записать соответствующие команды, но и подключать специальный блок памяти в разъем на передней панели корпуса ПЛК. Пользователю при обращении к функции ПИД-регулирования следует задать только коэффициенты и постоянные времени программному коду регулятора.

4. ПЛК малого формата

ПЛК малого формата были и остаются наиболее многочисленной группой в семействе логических контроллеров. Этот факт в полной мере подтверждается числом строк следующей ниже таблице, в которой приведены характеристики ПЛК малого формата, имеющиеся на российском рынке.

 

 

 

 

 

Таблица 3

ПЛК малого формата (Micro PLC)

Модель ПЛК, Фирма, габариты	Выполняемые функции	Параметры ЦП	Параметры
			Ввод	Вывод
Simatic S7-200 Siemens
(197*80* 62)	Логические, временные, счетные, арифметические с фиксированной и плавающей запятой	CPU214 Память программ - 2К ОЗУ данных - 2К Быстродействие   - 0,8 мкс	=24В ~130В	Транзистор 24В/0,5А Реле +24В/2А
(218*80*62)	Логические, временные, счетные, арифметические           с фиксированной и плаващей запятой, ПИД-регулятора	CPU216 Память программ - 8К ОЗУ данных - 2,5К Быстродействие-0,8 мкс
Modicon-TSX Micro	Логические, временные, счетные, арифметические со словами одинарной и двойной длин ы, в формате с   плавающей запятой, работа с таблицами, ПИД-регулятора	Быстродействие- 0,3 мкс Память программ - 4,7К Память программ - 7,8К Память программ - 40К	=24В ~115В ~240В	Транзистор 24В/2А Реле 240В/2А
DL 205 PLK Direct By Koyo Inc.	Логические, временные, счетные, арифметические. Часы реального времени. Встроенный журнал самодиагностики 4 ПИД-регулятора с самонастройкой	DL250 Память программ 7К ОЗУ - 7К	=24В ~132В	Транзистор 24В, Триак  264В/0,5А Реле Вывод 264В/1А

 

Три фактора  определяют их столь прочное положение. Во-первых, в настоящее время наблюдается  стремление к автоматизации тех  объектов, которые ранее ей не подлежали-управление запорной арматурой различных трубопроводов и т.д. Во-вторых, «освоение» малыми ПЛК функций регулирования позволяет им в значительной мере заменить ПЛК среднего формата. В-третьих, средние и мощные ПЛК частично вытесняются промышленными компьютерами и контроллерами.

Анализ этих данных, позволяет выявить некоторые  тенденции развития малых ПЛК.

• Произошло  изменение элементной базы памяти программ. Энергонезависимое ОЗУ с блоком резервного питания на аккумуляторах заменили программируемые пользователем ПЗУ с электрическим стиранием (типа EEPROM или FLASH). Микросхемы этой элементной базы имеют большую информационную плотность при меньшем энергопотреблении. Это позволило существенно увеличить память программ малых ПЛК (до 64К) при уменьшении габаритов плат ЦП. Автономный резервный источник питания теперь может использоваться для поддержания работоспособности устройства в целом (контроллеры TeleSAFE).

• Общее совершенствование  микроэлектронной базы привело к  миниатюризации малых ПЛК. Максимальный линейный размер всех моделей лежит в пределах 20 см.

• Изменился  подход к конструктивному исполнению ПЛК малого формата. Почти полностью исчезли малые ПЛК модульного исполнения. Базовая модель ПЛК малого формата теперь имеет неизменяемую пользователем конфигурацию с фиксированным числом дискретных входов/выходов (их стали называть интегрированными). Базовая модель выполняется в нескольких модификациях, различающихся типом встроенного источника питания (+ 24В или 130/240 В), типом ЦП и электрическими параметрами дискретных входов/выходов. Это объясняется открывшейся в связи с микроминиатюризацией электронных компонентов возможностью повысить надежность ПЛК путем уменьшения числа плат в его конструктивном исполнении. Нередки одноплатные варианты. Несмотря на неизменяемую конфигурацию по числу входов/выходов базовой модели, практически все малые ПЛК имеют возможность подключения модулей расширения с адаптерами аналоговых и дополнительных дискретных входов/выходов. Подключение именно модулей расширения преследует две цели. Во-первых, обеспечить помехозащищенный ввод сигналов с удаленных датчиков, что достигается путем передачи данных от модуля расширения к базовой модели по специальной цифровой магистрали. Длина такой магистрали может достигать нескольких сотен метров, поэтому схемотехническое исполнение цифровой части адаптеров расширения значительно отличается от аналогичных по функциям интегрированных адаптеров. Иногда такие адаптеры называют модулями удаленного ввода. И только, во-вторых, модули расширения служат для увеличения числа входов/выходов. Как правило, малые ПЛК имеют два способа программирования: с помощью карманного программатора или через интерфейс последовательного обмена с использованием средств разработки, реализованных на персональном компьютере. Для простейших ПЛК четко прослеживается стремление к реализации режима программирования «на линии», при котором не требуется никаких дополнительных устройств.

Практически все  ПЛК малого формата поддерживают один или несколько протоколов обмена   локальных промышленных сетей.

Сетевые возможности  становятся одной из главных характеристик  изделий данного класса.

Рассмотрим  отдельные образцы малых ПЛК. Simatic S7-2OO и Modicon TSX Micro — самые быстродействующие и мощные среди малых ПЛК. Близок к ним, по функциональным возможностям DL205 PLC Direct. Удивительно органичен новый маленький LOGO фирмы Siemens. В электротехнике его даже называют не ПЛК, а универсальным логическим модулем.    Половину площади передней панели корпуса LOGO занимает графический ЖКИ дисплей, на котором с помощью шести клавиш можно «собрать» схему коммутации из 30 функциональных модулей. LOGO запомнит программу во FLASH памяти и будет реализовывать заданный алгоритм коммутации. При необходимости контроллер может быть перепрограммирован на месте установки. Устройство имеет защиту от несанкционированного доступа.

Особое внимание следует уделить ряду ПЛК TeleSAFE. Он представляет собой новую линию ПЛК — контроллеры для удаленных станций сбора данных и управления. Базовая модель ПЛК имеет всего от трех до пяти дискретных входов/выходов, но обязательно оснащена адаптерами аналоговых входов. Контроллеры имеют встроенные часы/календарь для составления архивов данных. Основная черта этих ПЛК — выдающаяся коммуникационная гибкость. TeleSAFE могут работать с коммутируемыми или выделенными телефонными линиями или радиолиниями. Программная поддержка TeleSAFE позволяет работать практически через любую сеть. ПЛК TeleSAFE всепогодные, они единственные среди предлагаемого списка могут эксплуатироваться при минусовой температуре.

5. Выбор ПЛК

ПЛК получили широкое  применение во всех областях промышленного  производства. Большая и часто  меняющаяся номенклатура ПЛК на рынке  производителей средств автоматизации вводит разработчиков АСУТП в затруднительную ситуацию по их выбору, исходя из экономической целесообразности определенного типа контроллера и его конкретного производителя.

Если первоначально  ПЛК сильно отличались по качеству изготовления компонентов (технология), функциональности (набор базовых и специальных функций), производительности, структуре локальной шины управления и данных для связи с УСО, системным программным средствам, инструментальным пакетам для разработки прикладного ПО и средствам диагностики, то в настоящее время есть тенденция к сближению всего спектра характеристик ПЛК.

На рынке  ПЛК любая представительная фирма (отечественная или зарубежная) может компетентно заявить о применении своих контроллеров в широкой области промышленной автоматизации.

По каким  же критериям выбираются ПЛК для  конкретной централизованной или распределенной АСУТП?

Предлагаются  разные варианты базовых критериев  при оценке выбора ПЛК:

• технические  характеристики;

• эксплуатационные характеристики;

• потребительские  свойства.

В разных вариациях  ПЛК оцениваются по быстродействию, производительности, объему памяти программ, количеству каналов ввода/вывода и функциональным свойствам.

Оценка ПЛК  по техническим и эксплуатационным характеристикам и по потребительским  свойствам является естественной, но ее нельзя назвать всеобъемлющей. Например, не учитываются коммуникационные возможности, место в иерархии систем АСУТП и другие характеристики.

Предлагаются  следующие требования, которым могут  удовлетворять ПЛК:

• адекватность     функционально-технологической     структуре объекта;

• оптимальное  соотношение цена-производительность;

• широкая номенклатура специализированных модулей (сетевые  модули, модули взвешивания, управления движением и др.);

• возможность     построения     систем     резервирования     и противоаварийной защиты.

Централизованные  и распределенные АСУТП представляют собой иерархическую структуру, состоящую из ряда уровней. Для централизованной АСУТП это такие уровни, как:

• диспетчерский;

• цеховой;

• технологический.

Для распределенной АСУТП это уровни:

• диспетчерский;

• цеховой;

• локальный;

• технологический.

ПЛК используются на цеховом  и локальном уровнях. Применение контроллеров на цеховом уровне централизованной АСУТП должно удовлетворять следующим основным требованиям:

• локальная или полевая (промышленная) шина обмена между контроллером и распределенным (удаленным) УСО (например, Modbus Plus, PROFIBUS) со скоростью обмена не менее 1 Мбит/с;

• индустриальная шина обмена между контроллером и АРМ диспетчера;

• количество переменных на один ПЛК превышает 280/112 дискретных/аналоговых;

• ОС реального времени;

• синхронизация времени;

• обработка прерываний;

• контуры регулирования;

• архивирование данных;

• система резервирования (не обязательно);

• программирование в режиме реального времени (on-line). Оптимальными, с этой точки зрения, являются контроллеры с шиной VME или с локальной шиной для обмена данными со встроенными УСО, например, контроллеры типа VME9300-42, IUC9000 (Kontron), SIMATIC S5-115F, SIMATIC S7-400 (Siemens), Premium, Quantum (Schneider Electric) 90-30,90-70 GE (Fanuc), серии 6000 (Octagon Systems).