Немного позже появились ПЛК, которые можно было программировать на машинно – ориентированном языке, что было проще конструктивно, но требовало участия специально обученного программиста для внесения даже незначительных изменений в алгоритм управления. С этого момента началась борьба за упрощение процесса программирования ПЛК, которая привела сначала к созданию языков высокого уровня...

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Бийский технологический институт (филиал)

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Кафедра "Методов и средств измерений и автоматизации"

Реферат

на тему: «Программируемые логические микроконтроллеры. Назначение, область применения.

выполнил

студент гр. ПС–24 _____________________ Р.А.Титов

Подпись, и.о. фамилия

проверил

преподаватель каф. МСИА ___________________ Д.С. Абраменко

подпись, и.о. фамилия

Бийск 2014

Введение

1. Понятие программируемого логического контроллера 5

2. Назначение и применение контроллеров 7

3. Сравнительный анализ рыночных моделей 10

4. Программирование ПЛК 16

Заключение 20

Список использованных источников 21

ВВЕДЕНИЕ уемый

Слово "контроллер" произошло от английского " control" (управление), а не от русского "контроль" (учет, проверка). Контроллером в системах автоматизации называют устройство, выполняющее управление физическими процессами по записанному в него алгоритму, с использованием информации, получаемой от датчиков и выводимой в исполнительные устройства.

Первые контроллеры появились на рубеже 60 – х и 70 – х годов в автомобильной промышленности, где использовались для автоматизации сборочных линий. В то время компьютеры стоили чрезвычайно дорого, поэтому контроллеры строились на жесткой логике (программировались аппаратно), что было гораздо дешевле. Однако перенастройка с одной технологической линии на другую требовала фактически изготовления нового контроллера. Поэтому появились контроллеры, алгоритм работы которых мог быть изменен несколько проще - с помощью схемы соединений реле. Такие контроллеры получили название программируемых логических контроллеров (ПЛК ), и этот термин сохранился до настоящего времени.

Немного позже появились ПЛК, которые можно было программировать на машинно – ориентированном языке, что было проще конструктивно, но требовало участия специально обученного программиста для внесения даже незначительных изменений в алгоритм управления. С этого момента началась борьба за упрощение процесса программирования ПЛК, которая привела сначала к созданию языков высокого уровня, затем – специализированных языков визуального программирования, похожих на язык релейной логики. В настоящее время этот процесс завершился созданием международного стандарта IEC (МЭК) 1131–3 [ Bertocco ], который позже был переименован в МЭК 61131-3 [ IEC ].

Широкое применение средств автоматизации производственных процессов, напрямую влияющее на сокращение издержек и повышение качества продукции, становится главным фактором развития российского промышленного производства. Лучшее доказательство этому – растущее влияние на мировом рынке российских металлургов, нефтяников, предприятий оборонного комплекса. Инвестируя в автоматизацию, модернизацию и развитие производства, сегодня именно эти отрасли становятся локомотивом всей отечественной промышленности.

Современное предприятие наряду с полностью автоматизированными или роботизированными линиями включает в себя и отдельные полуавтономные участки – системы блокировки и аварийной защиты, системы подачи воды и воздуха, очистные сооружения, погрузочно – разгрузочные и складские терминалы и т.п. Функции автоматизированного управления для них выполняют программно – технические комплексы (ПТК). Они строятся с использованием аппаратно – программных средств, к которым относятся средства измерения и контроля и исполнительные механизмы, объединенные в промышленные сети и управляемые промышленными компьютерами с помощью специализированного ПО. При этом, в отличие от компьютерных сетей, центральным звеном ПТК является не главный процессор, а программируемые логические контроллеры, объединенные в сеть.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) объединяют различные объекты и устройства, локальные и удаленные, в единый комплекс и позволяют контролировать и программировать их работу как в целом, так и по отдельности. Этим обеспечивается максимальная эффективность и безопасность производства, возможность оперативной наладки и переналадки, строгий учет и планирование показателей операционной деятельности, оптимизация бизнес – процессов .

1. 
   Понятие программируемого логического контроллера

Программируемый логический контроллер (сокращенно, ПЛК) – электронный компонент, применяемый в современных системах автоматизации. Программируемые логические контроллеры используются главным образом при автоматизации промышленных и производственных процессов. ПЛК различных типов также применяются для организации автоматизированного управления системами вентиляции и кондиционирования, для поддержания заданного температурного режима в помещении и т.д. Применение логических контроллеров позволяет создать практически полностью автономную систему управления, осуществляющую свою деятельность с учетом свойств, характеристик и состояния контролируемого объекта. Участие оператора сводится к общему наблюдению за процессом управления и, при необходимости – изменению заданной программы работы.

Контроллеры ПЛК относятся к категории устройств реального времени и обладают целым рядом существенных отличий от оборудования со сходными назначением и архитектурой. В частности, главным отличием программируемых логических контроллеров от обычных компьютеров является развитая система обработки входящих и исходящих сигналов исполнительных механизмов и различных датчиков; главным отличием от встраиваемых систем управления – схема монтажа, отдельного от объекта управления.

Первые логические контроллеры представляли собой достаточно крупногабаритные системы, состоящие из соединенных между собой контактов и реле. Схема функционирования этих устройств задавалась еще на стадии проектирования и впоследствии не могла быть изменена.

Контроллеры, программируемые с помощью особого языка Ladder Logic Diagram («лестничной логики»), стали следующим поколением и заменили собой устройства с жестко заданной логикой. Внутренняя физическая коммутация (то есть, контакты и реле) была заменена в них виртуальной и представляла собой программу, исполняемую микроконтроллером устройства. Современной разновидностью контроллеров, программируемых после проектирования и сборки, являются так называемые свободно программируемые контроллеры. Для изменения рабочих параметров, диагностики и обслуживания этих устройств используются специальные устройства – программаторы, или ПК, оснащенные соответствующими интерфейсами для подключения и программным обеспечением. Кроме того, для управления свободно программируемыми контроллерами применяются различные системы человеко-машинного интерфейса, в частности – операторские панели. Важнейшими элементами комплексов автоматизированного управления являются также датчики и исполнительные устройства, подсоединяемые к ПЛК централизованно или по методу распределенной периферии.

Для программирования ПЛК контроллеров был разработан ряд стандартизированных языков, описанных в международном стандарте МЭК 61131 .

2. Назначение и применение контроллеров

Программируемые логические контроллеры (ПЛК), являются широко распространенными средствами автоматизации в составе локальных и распределенных систем контроля и управления.

Термином ПЛК обозначают устройства, осуществляющие преобразование, обработку, хранение информации и выработку команд управления или управляющих регулирующих воздействий, реализованные на базе микропроцессорной техники и являющиеся, по сути, специализированными управляющими вычислительными комплексами для работы в локальных и распределенных системах управления в реальном масштабе времени.

Программируемые логические контроллеры предназначены для создания систем автоматизированного управления технологическим оборудованием в энергетике, на транспорте, в т.ч. железнодорожном, в различных областях промышленности, жилищно – коммунального и сельского хозяйства (рисунок 1).

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) в основном ориентированы на реализацию логических функций, а не арифметических операций в реальном масштабе времени и используются вместо релейных схем управления, т. е. для управления полупроводниковыми схемами электроавтоматических устройств технологических объектов.

ПЛК реализуют всевозможные функции командоаппаратов и микроконтроллеров и создаются на базе микро – ЭВМ. Данные микро – ЭВМ можно рассматривать как универсальную программно – настраиваемую модель цифрового управляющего автомата. Возможность применения ПЛК в качестве универсального локального устройства управления всевозможными технологическими процессами достигается путем внесения в ПЛК программы, определяющей алгоритм работы конкретного объекта управления без изменения его электрической структуры .

Таким образом, ориентация ПЛК, как устройства общего назначения, в какой – либо области применения, достигается благодаря соответствующему программированию.

ПЛК может представлять собой либо целый, неделимый продукт, поставляемый одним производителем, либо несколько продуктов – составных частей, поставляемых одним или разными производителями.

По функциональному назначению в ПЛК можно выделить следующие основные части:

а) процессор, осуществляющий прием, обработку и выдачу информации,

б) устройство сопряжения процессора с объектом (УСО),

в) устройство сопряжения процессора с человеком – оператором,

г) программное обеспечение (ПО)(рисунок 2).

Рисунок 2 – Архитектура ПЛК

Требования, предъявляемые к ПЛК, разнообразны, так как ПЛК используются для всевозможных видов деятельности (рабочими, технологами, инженерами) .

Рисунок 1 – Возможные схемы работы контроллеров в промышленности

1. Сравнительный анализ рыночных моделей

На данный момент существует много фирм, производящие ПЛК. Однако наличие различных ПЛК ставит следующий вопрос: как выбрать из этого обилия необходимый контроллер? Большинству потребителей требуется не превосходство одной какой-то характеристики, а некая интегральная оценка, позволяющая сравнить ПЛК по совокупности характеристик и свойств. А это уже отдельная проблема. Так при маркетинге выяснилось, что многие фирмы не приводят данные по надежности (MTBF и MTTR). Однако там, где эти параметры есть, разброс идет на порядки.

Один из самых важных параметров ПЛК быстродействие в каталогах фирм указывается в совершенно разных вариантах. Могут фигурировать время выполнения бинарных команд, время опроса 1К дискретных входов, время выполнения смешанных команд и т.д.

Спектр контроллеров, предлагаемых сегодня, чрезвычайно широк. Все они построены по магистрально – модульному принципу, монтируются на панель или DIN–рейку, работают от напряжения +24 В, поддерживают протоколы обмена Fieldbus, имеют широкий набор модулей:

• модули дискретных входов / выходов;
• коммуникационные модули;
• модули аналогового ввода / вывода;
• модули терморегуляторов;
• модули позиционирования;
• модули ПИД – регулятора;
• модули контроля движения.

Контроллеры имеют равные функциональные возможности, близкие технические и эксплуатационные характеристики и даже почти одинаковые размеры. В такой ситуации необходимо определить критерии оценки и выбора ПЛК, удовлетворяющего поставленной задаче.

Учитывая специфику устройств, критерии оценки можно разделить на три группы:

• технические характеристики;
• эксплуатационные характеристики;
• потребительские свойства.

Кроме того, необходимо разделить характеристики на прямые (для которых положительным результатом является её увеличение) и обратные (для которых положительным результатом является её уменьшение).

Так как характеристики между собой конфликтны, т.е. улучшение одной характеристики почти всегда приводит к ухудшению другой, необходимо для каждой характеристики определить весовой коэффициент, учитывающий степень влияния данной характеристики на полезность устройства.

Ниже приведены несколько компаний, производящих ПЛК.

Advantech. Контроллеры и модули ввода / вывода

Тайваньская компания Advantech предлагает производит широкую линейку контроллеров и модулей ввода / вывода. Многофункциональные PC–совместимые устройства этой компании имеют широкие возможности и могут быть использованы как для простых задач автоматизации, так и для высокоответственных приложений с высоким быстродействием.

Рисунок – Внешний вид контроллеров Advantech Launches its BAS –3000 Series

Существуют две основные серии контроллеров Advantech – это APAX –5000 и ADAM – 5000. APAX – 5000 с открытой архитектурой, позволяющей использовать различные приложения и имеет высокоскоростной вычислительный процессор (APAX5570XPE/5571XPE), обеспечивая при этом гибкие функции ввода / вывода, повышающие масштабируемость системы. ADAM – 5000 оснащены широким набором интерфейсов для связи, обеспечивающих гибкость коммуникационных соединений.

ICP DAS

Рисунок – Внешний вид контролеров WinCon, uPAC, XPAC

Компания ICP DAS выпускает ПЛК и модули ввода-вывода широко известных в России серий I – 7000, I – 8000, uPAC, WinCon, WinPAC, XPAC, iPAC и т.д.

Возможность применения более дешевых, отработанных и быстро развивающихся открытых архитектур на базе РС – совместимой платформы позволяет широко использовать изделия компании ICP DAS для задач, где раньше применялись только обычные PLC.

Достоинствами контроллеров ICP DAS являются:

• невысокая цена PLC;
• использование открытых протоколов;
• простота программирования и доступность широкого спектра программного обеспечения;
• простота интеграции с системами управления более высокого уровня.

Контроллеры ОВЕН (ПЛК ОВЕН)

Компания ОВЕН уже более 15 лет производит широкий ряд приборов первичной автоматики. Компания ОВЕН в 2005 году начала разработку управляющих контроллеров для широкого применения. В них использовалась современная элементная база и с самого начала закладывались мощные аппаратные ресурсы и широкие программные возможности.

Рисунок – Внешний вид ПЛК ОВЕН

Для их программирования используется среда CoDeSys, разработанной немецкой компанией 3S-Software. Кроме того, контроллеры ОВЕН могут программироваться с помощью интегрированной SCADA и SoftLOGIC системы MasterSCADA .

Контроллеры Сегнетикс

Российская компания «Сегнетикс» (Segnetics) производит три линейки контроллеров. Первая линейка – SMH2010 – универсальные панельные контроллеры для автоматизации широкого спектра объектов в области ЖКХ, автоматизации зданий и промышленности. Вторая линейка предназначена для автоматизации систем вентиляции – Pixel.

Рисунок – Внешний вид ПЛК Сегнетикс

Третья линейка – SMH 2G – второе поколение панельных ПЛК, предназначенных для автоматизации инженерных систем зданий и технологических процессов в промышленности .

1. Программирование ПЛК

Использование ПЛК характеризуется:

а) наглядное описание автоматизируемых технологических процессов и дальнейшая отладка в терминах исходного описания;

б) мобильность – способность к переносу на различные аппаратные и операционные платформы, эффективное исполнение программы в реальном времени;

в) наглядность описания определяется характером объекта и следующими задачами по управлению объектом:

1) задачи параллельной обработки большого числа логических контуров (сотен и тысяч) с обработкой исполнительных действий при наступлении тех или иных событий. В основе логического контура лежит проверка истинности логической функции от нескольких переменных, а событие равнозначно истинности этой функции. Задачи такого рода характерны, например, для таких технологических объектов, как электростанции, химические производства и производства по переработке нефти. Задача адекватно и наглядно описывается системой булевых уравнений. Все языки стандарта, за исключением SFC, хорошо подходят для описания подобных задач, поскольку они или содержат в себе средство представления булевых функций (языки IL, ST), или являются графической формой их отображения (языки LD, FBD).

2) задачи управления процессом, проходящим в своем развитии через ряд состояний (шагов, стадий). Переход от одного состояния к другому происходит по событиям, формируемым по сигналам датчиков процесса. Такие задачи управления возникают, например, при управлении транспортно-складскими системами, агрегатными станками, робототехническими комплексами, характерны они и для объектов, перечисленных в п. 1, в частности, при пуске и останове турбины и др. Задачи данного типа наиболее наглядно представляются автоматными моделями. В стандарте такая модель строится с использованием языка SFC (разметка состоянии, логика управления) и любого другого языка (описание действии, связанных с состоянием, и событий, предписывающих смену состояний). Заметим, что подобные задачи могут быть полностью представлены с помощью других языков стандарта, например языка FBD с использованием элементов памяти – триггеров, но в этом случае автоматная модель будет выражена неявно.

3) задачи автоматического регулирования (ПИД – законы, нечеткое управление и т.д.) встречаются практически везде. Здесь как правило, используются библиотеки заранее разработанных компонентов – графических блоков для языков LD и FBD и подпрограмм для языков ST и PL.

4) задачи управления распределенными технологическими объектами, оптимизационные, а также задачи, связанные с интеллектуальным анализом данных. Задачи такого типа решаются в сложных технологических объектах типа химических производств. Здесь в качестве средств адекватного описания могут использоваться языки ST, универсальные типа С, С++, Паскаль, сценарные типа Visual Basic, объектно-ориентированные типа Java.

Мобильность языков, т.е. способность к переносу на различные аппаратные и операционные платформы, может поддерживаться для языков стандарта в случае использования пакета от одного разработчика. Это связано с невозможностью сосуществования в одной разработке программ на одинаковых языках от разных поставщиков, так как требования стандарта IЕС 61131 – 3 носят рекомендательный характер, а значит, приводят к различиям в реализации языков у разных производителей.

Эффективное исполнение в РВ дает ответ, насколько быстро сможет отреагировать система управления (ПЛК) на происшедшее событие. Обычно используется понятие «временной цикл», т.е. заранее задаваемый интервал времени, например, в диапазона 10…300 мс, в течение которого ПЛК сможет гарантированно отреагировать на входное воздействие. Для обеспечения более быстрой реакции служат так называемые инициативные сигналы, которые обрабатываются по прерыванию (от десятков до сотен микросекунд).

Для широкого круга приложений задача обеспечения требуемого временного цикла решается достаточно легко благодаря высокому быстродействию процессоров, используемых в ПЛК. Haпример, в контроллерах Modicon применяются процессоры компании Intel от Intel 286 до Pentium. Тем не менее здесь есть одна проблема: неэффективное использование процессора при управление объектами, в которых осуществляется в основном обработка логической информации, при которой используется только один разряд из 32. Если найти решение этой проблемы, то по крайней мере можно будет понизить класс применяемого процессора, что выгодно по экономическим соображениям.

Согласно требованиям стандарта, не предопределенные объекты должны иметь имя и тип, объявленные программистом, предопределенные объекты распределяются на три зоны: зону памяти (%М), зону входов (%1) и зону выходов (%Q). Объектами могут быть: биты (X), байты (В), слова (W), двойные слова (D), «длинные» слова (L) – 64 бита

Ограничения стандарта:

а) не фиксируется имя задач;

б) размер графического редактора оставляется на выбор пользователя;

в) нет минимального количества функций, готовых к реализации, но

если используется имя по стандарту (функциональный блок и т.п.), то

оно должно соответствовать стандарту;

г) сервисные утилиты и средства разработки и отладки приложения

(редакторы, языки, документирование и т.п.) не определены;

д) нет точных правил выполнения программы (например, для

функциональных блоков);

е) не описана конвертируемость языков.

Сертификат IЕС 61131 – 3 на сегодня не существует, нет определенного «класса соответствия». Каждый разработчик, объявивший свое соответствие норме, должен представить документацию таблиц соответствия, а также список дополнительных расширений.

Преимущества стандарта для конечных пользователей состоят в том, что уменьшается стоимость обучения, пользовательские приложения однородны, структура программ идентична, используются предопределенные объекты и т.п. Разнообразие стандартных языков позволяет каждую функцию приложения запрограммировать наиболее подходящим для данной задачи языком.

Следование стандарту позволяет разработчикам ПЛК обеспечить соответствие разработки техническим требованиям, предъявляемым потребителями, и даже ввести дополнительные функции, что не могут сделать мелкие поставщики ПО .

Заключение

Первое и главное преимущество ПЛК, обусловившее их широкое распространении, заключается в том, что одно компактное электронное устройство может заменить десятки и сотни электромеханических реле.

Второе преимущество в том, что функции логических контроллеров реализуются не аппаратно, а программно, что позволяет постоянно адаптировать их к работе в новых условиях с минимальными усилиями и затратами.

Применение ПЛК обеспечивает высокую надёжность, простое тиражирование и обслуживание систем управления, ускоряет монтаж и наладку оборудования, обеспечивает возможность быстрого обновления алгоритмов управления (в том числе и на работающем оборудовании) .

Список использованных источников

1. И.Г. Минаев, В.В. Самойленко «Программируемые логические контроллеры. Практическое руководство для начинающего инженера». – Москва.: «Аргус», 2009.

2. И.В. Петров «Программируемые логические контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного программирования». – М.: «Солон–Пресс», 2004.

3. Энциклопедия [Электронный ресурс]. – Форма доступа – http :// wikipedia .

4. Овен [Электронный ресурс]. – Форма доступа – http://www.owen.ru.

5. Техническая коллекция Schneider Electric . Выпуск №16. «Системы автоматического управления на основе программируемых логических контроллеров». – «Schneider Electric Publisher», 2008.

6. Segnetics [Электронный ресурс]. – Форма доступа – http :// www . segnetics . com .

В статье рассматривается роль микроконтроллеров (МК) в системах промышленной автоматизации, в частности, речь пойдет о том, как на базе микроконтроллеров реализуется интерфейс реального мира для различного типа датчиков и исполнительных механизмов. Также мы обсудим необходимость интеграции в микроконтроллеры высокопроизводительных ядер, таких как ARM Cortex-M3, с прецизионной и специализированной периферией, которой снабжены микроконтроллеры серии ADuCM360 компании и семейства EFM32 компании Energy Micro (). Также не останется без внимания относительно новый протокол обмена данными, который ориентирован на эту область приложений, с конкретной ссылкой на бюджетные микроконтроллеры семейства XC800 /XC16x () и (), и на специализированные приемопередатчики, включая ().

Микроконтроллеры интегрируют в себе технические возможности для обработки смешанных сигналов и вычислительную мощность, при этом уровень производительности МК и их функционал постоянно растет. Однако существуют другие разработки, которые позволяют продлить жизненный цикл бюджетных и низкопроизводительных микроконтроллеров.

По определению, микроконтроллеры бесполезны без связи с «реальным миром». Они были разработаны, чтобы действовать в качестве концентраторов для входов и выходов, выполняя задачи условных переходов и управляя последовательными и параллельными процессами. Их роль определяется управлением, в то время как возможность программирования означает, что характер управления задается логикой. Тем не менее, они изначально разрабатывались с целью получить интерфейс для аналогового мира, и, следовательно, в своей работе микроконтроллеры существенно опираются на процесс аналого-цифрового преобразования. Часто это цифровое представление аналогового параметра, обычно получаемого от какого-то датчика, на основе которого строится процесс управления, и основное применение микроконтроллера в таком случае видится в системах автоматизации. Способность управлять большими и сложными механическими системами, используя миниатюрный и относительно дешевый «кусочек» кремния, способствовало тому, что микроконтроллеры стали самым важным элементом промышленных систем автоматизации, и не удивительно, что многие производители стали выпускать специализированные семейства микроконтроллеров.

Прецизионная работа

По соображениям коммерческой необходимости предполагается, что процесс преобразования данных, как ключевая функция микроконтроллеров, должен быть экономически эффективно внедрен в микроконтроллер, что приводит к повышению уровня интеграции функционала для обработки смешанных сигналов. Кроме того, рост уровня интеграции способствует увеличению нагрузки на ядро.

Низкая стоимость и гибкость функционала микроконтроллеров означает широкое применение микроконтроллеров в различных приложениях, но производители в настоящее время стремятся к объединению множества функций в одном микроконтроллере по соображениям экономической эффективности, сложности или безопасности. Где когда-то, возможно, использовались десятки микроконтроллеров, сейчас потребуется только один.

Поэтому неудивительно, что то, что начиналось с 4-разрядных устройств, теперь превратилось в очень сложные и мощные 32-разрядные процессорные ядра, а ядро ARM Cortex-M стало выбором многих производителей.

Совместить высокопроизводительное процессорное ядро с прецизионным и стабильным аналоговым функционалом - непростая задача. Технология КМОП идеальна для высокоскоростных цифровых схем, но с реализацией чувствительной аналоговой периферии могут быть проблемы. Одной из компаний, имеющей огромнейший опыт в этой области, является Analog Devices. Разработанное компанией семейство полностью интегрированных систем сбора данных ADuCM предназначено для непосредственного взаимодействия с прецизионными аналоговыми датчиками. При таком подходе не только уменьшается количество внешних компонентов, но и гарантируется точность преобразования и измерений.

Преобразователь, интегрированный, например, в систему ADuCM360 с ядром ARM Cortex-M3, представляет собой 24-разрядный сигма-дельта АЦП, являющийся частью аналоговой подсистемы. В указанную систему сбора данных интегрированы программируемые источники тока возбуждения и генератор напряжения смещения, но более важной частью являются встроенные фильтры (один из которых используется для прецизионных измерений, другой - для быстрых измерений), которые применяются для обнаружения больших изменений в исходном сигнале.

Работа с датчиками в режиме «глубокого сна»

Производители микроконтроллеров учитывают важную роль датчиков в системах автоматизации и начинают разрабатывать оптимизированные входные аналоговые схемы, которые обеспечивают специализированный интерфейс для индуктивных, емкостных и резистивных датчиков.

Разработаны даже такие входные аналоговые схемы, которые могут работать автономно, например, интерфейс LESENSE (Low Energy Sensor) в микроконтроллерах с ультранизким энергопотреблением компании Energy Micro (Рисунок 1). В состав интерфейса входят аналоговые компараторы, ЦАП и контроллер (секвенсер) с низким потреблением, который программируется ядром микроконтроллера, но затем работает автономно, в то время как основная часть устройства находится в режиме «глубокого сна».

Контроллер интерфейса LESENSE работает от источника тактовой частоты 32 кГц и управляет его активностью, в то время как выходы компаратора могут быть сконфигурированы как источники прерываний для «пробуждения» процессора, а ЦАП может быть выбран в качестве источника опорного сигнала компаратора. Технология LESENSE также включает в себя программируемый декодер, который можно настроить на генерирование сигнала прерывания только при выполнении условий нескольких датчиков в одно время. Компания Digi-Key предлагает стартовый набор EFM32 Tiny Gecko Starter Kit, в состав которого входит демонстрационный проект LESENSE. Микроконтроллеры семейства Tiny Gecko выполнены на ядре ARM Cortex-M3 с рабочей частотой до 32 МГц и нацелены на применение в системах промышленной автоматизации, где требуется измерение температуры, вибрации, давления и регистрация движений.

Протокол IO-Link

Внедрение нового мощного интерфейса датчиков и исполнительных механизмов помогает многим производителям продлить жизненный цикл своих 8- и 16-разрядных микроконтроллеров на арене промышленных систем автоматизации. Этот протокол интерфейса передачи данных получил название IO-Link и уже поддерживается лидерами в секторе промышленной автоматизации и, в частности, производителями микроконтроллеров.

Передача данных по протоколу IO-Link осуществляется по 3-проводному неэкранированному кабелю на расстояния до 20 метров, что позволяет внедрить интеллектуальные датчики и исполнительные механизмы в существующие системы. Протокол подразумевает, что каждый датчик или исполнительный механизм является «интеллектуальным», другими словами каждая точка выполнена на микроконтроллере, но сам протокол очень простой, поэтому для этих целей вполне будет достаточно 8-разрядного микроконтроллера, и это именно то, что используется в настоящее время многими производителями.

Протокол (также известный как SDCI - Single-drop Digital Communication Interface, регламентирован по спецификации IEC 61131-9) является сетевым коммуникационным протоколом связи типа «точка-точка», с помощью которого связываются датчики и исполнительные механизмы с контроллерами. IO-Link делает возможным интеллектуальным датчикам передавать в контроллеры свой статус, параметры всех настроек и внутренние события. Как таковой, он не предназначен для замены существующих коммуникационных уровней, таких как FieldBus, Profinet или HART, но может работать вместе с ними, упрощая обмен данными бюджетного микроконтроллера с прецизионными датчиками и исполнительными механизмами.

Консорциум производителей, использующих IO-Link, считает, что можно значительно снизить сложность систем, а также ввести дополнительные полезные функции, например, диагностику в реальном времени посредством параметрического мониторинга (Рисунок 3). При интеграции в топологию FieldBus через шлюз (опять же, реализуется на микроконтроллере или программируемом логическом контроллере), сложные системы могут контролироваться и управляться централизованно из диспетчерской. Датчики и исполнительные механизмы можно настроить удаленно, отчасти потому, что датчики по спецификации IO-Link знают о себе намного больше, чем «обычные» датчики.

В первую очередь заметим, что собственный идентификатор (и производителя) и различные настройки встроены в датчик в формате XML и доступны по запросу. Это позволяет системе мгновенно классифицировать датчик и понять его назначение. Но, что более важно, IO-Link позволяет датчикам (и исполнительным механизмам) предоставлять контроллеру данные непрерывно в реальном времени. Фактически, протокол подразумевает обмен тремя типами данных: данные о процессе, сервисные данные и данные о событиях. Данные о процессе передаются циклически, а сервисные данные передаются ациклично и по запросу ведущего контроллера. Сервисные данные могут использоваться при записи/чтении параметров устройства.

Некоторые производители микроконтроллеров присоединились к консорциуму IO-Link, который недавно стал Техническим Комитетом (TC6) в составе международного сообщества PI (PROFIBUS & PROFINET International). По сути, IO-Link устанавливает стандартизированный метод для контроллеров (включая микроконтроллеры и программируемые логические контроллеры) для идентификации, контроля и обмена данными с датчиками и исполнительными механизмами, которые используют этот протокол. Список производителей IO-Link-совместимых устройств постоянно растет, как и всесторонняя аппаратно-программная поддержка производителей микроконтроллеров.

Часть этой поддержки исходит от компаний специализирующихся на этой области, например, Mesco Engineering - немецкая компания, которая сотрудничает с рядом производителей полупроводниковых приборов с целью разработки решений IO-Link. В списке ее партнеров достаточно крупные и известные компании: Infineon, Atmel и Texas Instruments. Infineon, например, портировала программный стек от Mesco на свои 8-разрядные микроконтроллеры серии XC800, а также оказывает поддержку разработки ведущего устройства IO-Link на базе своих 16-разрядных микроконтроллеров.

Стек, разработанный Mesco, также был портирован на 16-разрядные микроконтроллеры Texas Instruments серии MSP430, в частности, для MSP430F2274.

Производители также уделяют свое внимание разработке дискретных приемопередатчиков интерфейса IO-Link. Например, компания Maxim выпускает микросхему MAX14821, которая реализует интерфейс физического уровня для микроконтроллера, поддержтвающего канальный уровень протокола (Рисунок 4). Два внутренних линейных регулятора вырабатывают общие для датчика и исполнительного механизма напряжения питания 3.3 В и 5 В, подключение к микроконтроллеру для конфигурирования и мониторинга осуществляется по последовательному интерфейсу SPI.

Вполне вероятно, что благодаря простоте реализации и внедрения интерфейса IO-Link, все больше производителей будут интегрировать этот физический уровень с другой специализированной периферией, присутствующей в микроконтроллерах, с целью применения в промышленных системах автоматизации. Компания Renesas уже представила ассортимент специализированных контроллеров IO-Link Master/Slave на основе своих 16-разрядных микроконтроллеров семейства 78К.

Системы промышленной автоматизации всегда зависели от сочетания измерений и управления. В течение последних нескольких лет заметен рост уровня промышленных сетевых коммуникаций и протоколов, однако, интерфейс между цифровой и аналоговой частью системы остался относительно неизменным. С введением интерфейса IO-Link датчики и исполнительные механизмы, разрабатываемые в настоящее время, способны все же взаимодействовать с микроконтроллером в более изощренной форме. Коммуникационный протокол связи типа «точка-точка» обеспечивает не только более простой способ обмена данными для управления элементами системы, но и расширение возможностей бюджетных микроконтроллеров.

Среди разнообразных отраслей отечественной промышленности наиболее востребована сфера промышленной автоматики. Практически любой вид производства требует огромного количества компонентов, позволяющих автоматизировать те или иные производственные процессы. В конечном итоге каждое производственное предприятие заинтересовано в том, чтобы процесс управления технологическими процессами осуществлялся оперативно и автоматически.

Сердцем любой автоматической системы управления (АСУ) служит промышленный контроллер.

Историческая справка
Первый промышленный контроллер появился в 1969 году в США. Его создание инициировала автомобильная корпорация General Motors Company, а разработала компания Bedford Associates.

В те годы АСУ строились на жесткой логике (аппаратное программирование), что делало невозможным процесс их перенастройки.

Поэтому каждая технологическая линия требовала наличия индивидуальной АСУ. Затем в архитектуре АСУ стали использовать устройства, алгоритм которых можно было менять с помощью схем соединений реле.

Такие устройства получили название «промышленные логические контроллеры» (ПЛК). Однако АСУ, реализованные с использованием электромагнитных реле, отличались сложностью и большими размерами. Для размещения и технического обслуживания одной системы требовалось отдельное помещение.

Разработанный инженерами компании Bedford Associates (США) микропроцессорный ПЛК позволил использовать информационные технологии в процессах автоматизации производственных процессов, сведя при этом человеческий фактор к минимуму.

Современный промышленный контроллер

В общем виде ПЛК представляет собой микропроцессорное устройство, с помощью которого осуществляется коммутация подключенных сигнальных проводов. Необходимые комбинации их подключения задаются программой управления на экране компьютера и затем заносятся в память контроллера.

Программирование осуществляется как на классических алгоритмических языках, так и на языках, оговоренных стандартов МЭК 61131-3. Таким образом на предприятиях появилась возможность реализации различных АСУ, используя одно микропроцессорное устройство.

Со временем разработчики систем промышленной автоматики перешли на элементную базу, совместимую с компьютерами IBM (ПК). Существует два направления в развитии аппаратных средств ПК-совместимых с ПЛК, в которых максимально сохраняется архитектура и конструктивные решения:

1. ПЛК — с одновременной заменой его процессорного модуля на ПК-совместимый модуль с открытым программным обеспечением (серия контроллеров ADAM5000).
2. IBM PC — в малогабаритных встраиваемых системах (модульные контроллеры стандартов РС104 и micro PC).

Поэтому современные ПЛК — это ПК-совместимый модульный контроллер, предназначенный для решения задач локального управления. Их развитие в конечном итоге должно привести к:

• уменьшению габаритных размеров;
• расширению функциональных возможностей;
• использованию единого языка программирования (МЭК 61131-3) и идеологии «открытые системы».

Принцип действия и область применения ПЛК

Любой вид ПЛК представляет собой электронное устройство, предназначенное для исполнения алгоритмов управления. Принцип действия всех ПЛК одинаков — сбор и обработка данных и выдача управляющих воздействий на исполнительные механизмы.

В промышленности ПЛК применяются очень широко. Этим и объясняется существование большого количества их разновидностей, среди которых можно выделить контроллеры:

1. Общепромышленные (универсальные).
2. Коммуникационные.
3. Предназначенные для управления позиционированием и перемещением, в том числе роботами.
4. С обратной связью (ПИД-регуляторы).

Классификация ПЛК

Существует большое количество параметров, по которым классифицируют ПЛК.

1. Конструктивное исполнение:

• моноблочные;
• модульные;
• распределенные;
• универсальные.

1. Количество каналов «ввод-вывод»:

• нано-ПЛК, с числом каналов менее 16;
• микро-ПЛК (16…100 каналов);
• средние (100…500 каналов);
• большие, с числом каналов более 500.

1. Способы программирования.

ПЛК могут программироваться с:

• лицевой панели устройства;
• помощью переносного программатора;
• использованием компьютера.

1. Виды монтажа.

• стоечный;
• настенный;
• панельный (устанавливаются на дверку шкафа или специальную панель);
• на DIN-рейке (установка внутри шкафа).

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.

Микроконтроллеры и одноплатные компьютеры предлагают разработчикам различные возможности для приложений автоматизации, в первую очередь заключающиеся в гибкости настройки и дешевизне решения. Но можно ли доверять данным элементам в условиях промышленной среды при использовании в оборудовании, бесперебойное функционирование которого критически важно?

Ассортимент микроконтроллеров и мини-ПК, появившихся в мире энтузиастов, быстро расширяется, без каких-либо причин ослабления. Эти компоненты, в том числе Arduino, и Raspberry Pi, предлагают необычные возможности, в том числе обширную экосистему, включающую интегрированную среду разработки, поддержку и аксессуары, при этом все очень дешево. Некоторые из инженеров в некоторых случаях предполагают возможность применения таких микроконтроллеров в устройствах промышленной автоматизации вместо программируемых логических контроллеров (ПЛК). Но разве это мудро?

Хороший вопрос, но не нужно спешить с ответом, поскольку зачастую есть решение, которое может быть очевидным с первого взгляда. Давайте посмотрим ниже поверхности и рассмотрим факторы, имеющие отношение к обсуждению. С помощью беглого обзора мы увидим, что сегодня на рынке доступно около восьмидесяти различных плат, в том числе платы с микроконтроллерами, платы с ПЛИС FPGA и мини-ПК с широким спектром возможностей. В этом материале все они будут условно называться микроконтроллерами. Аналогичным образом, несмотря на то, что ПЛК обладают широким спектром возможностей, в этом материале предполагается ПЛК с хорошо продуманным и надежным контроллером.

Рассмотрим небольшой промышленный процесс, требующий двух или трех датчиков и исполнительного механизма. Система связывается с более крупной системой управления, и для управления процессом необходимо написать программу. Это несложная задача для всякого небольшого ПЛК ценой примерно 200 долларов, но заманчиво задействовать значительно более дешевый микроконтроллер. При разработке сначала выполняется поиск периферии ввода-вывода, здесь нет никаких проблем с ПЛК, но, вероятно, это проблема для микроконтроллера.

Некоторые микроконтроллерные выходы относительно легко конвертируются, например, в интерфейс токовой петли 4-20 мА. Другие несколько сложнее преобразовать, например, аналоговый выход с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Определенное количество преобразователей сигналов доступно в качестве стандартных продуктов, но они увеличивают общую стоимость. Инженер, настаивающий на полном самостоятельном производстве, может попробовать сделать преобразователь сам, но такое обязательство может быть непростым и потребует немалого времени на разработку.

ПЛК работают, можно сказать, с любым промышленным датчиком и в основном не требуют внешнего преобразования, поскольку они предназначены для подключения к огромному многообразию датчиков, исполнительных механизмов и прочих промышленных элементов посредством модулей ввода/вывода. ПЛК также легко монтируется, а плата микроконтроллера с контактами и разъемами требует некоторой работы по монтажу и согласованию.

Микроконтроллер – это «голое» устройство без операционной системы или с какой-либо простой операционной системой, которую нужно настраивать под конкретные нужды. В конце концов, одноплатный компьютер, продающий за $40 и имеющий Linux, вряд ли будет иметь много возможностей для встраиваемого программного обеспечения, поэтому пользователю остаётся кодировать все, кроме самых основных возможностей.

С другой стороны, хотя даже если приложение будет простым, ПЛК имеет множество встроенных возможностей, чтобы сделать многое «за кулисами», без использования специального программирования. ПЛК имеют программные сторожевые таймеры, чтобы следить за исполняемой программой и аппаратными устройствами. Эти проверки происходят при каждом сканировании с ошибками или предупреждениями, если возникает проблема.

В принципе, каждая из этих возможностей может быть внесена в микроконтроллер посредством программирования, но пользователь должен будет либо написать подпрограммы с нуля, либо найти уже имеющиеся программные блоки и библиотеки для повторного использования. Естественно, их необходимо проверить в условиях целевого приложения. Инженер, пишущий несколько программ для одного и того же контроллера, может повторно задействовать уже испытанные куски кода, но такие возможности имеются в операционной системе практически каждого ПЛК.

Помимо этого, ПЛК спроектированы так, чтобы выдерживать требования промышленной среды. ПЛК представляет собой прочный аппарат, он изготовлен и протестирован, чтобы выдерживать удар и вибрацию, электрический шум, коррозию и широкий диапазон температур. Зачастую такими преимуществами микроконтроллеры не обладают. Для микроконтроллеров редко проводят такую подробную и доскональную проверку, и обычно эти устройства будут включать лишь главные требования к определенным рынкам, такие как, например, управление бытовой техникой.

Также стоит сказать, что многие промышленные механизмы и оборудование работают в течение десятилетий, поэтому контроллеры также обязаны работать очень долго. В связи с этим пользователям необходима долгосрочная поддержка. Оригинальные производители оборудования обязаны в долгосрочной перспективе рассчитывать на продукты, которые они применяют в своих устройствах, и должны быть готовы, когда клиент желает приобрести запасные части для системы, внедренной двадцать лет назад или раньше. Компании, занимающиеся микроконтроллерами, бывает, не в состоянии обеспечить такую долгую жизнь своего продукта. Большинство производителей ПЛК предоставляют качественную поддержку, некоторые при этом даже предлагают бесплатную техническую поддержку. Впрочем, следует отметить, что пользователи микроконтроллеров часто формируют собственные группы технической поддержки, ответы на многие вопросы зачастую встречаются в дискуссионных группах и форумах с потребностями, аналогичными вашим собственным.

Таким образом, микроконтроллеры и различные типы отладочных плат являются скорее инструментами для обучения, экспериментирования и прототипирования. Они дешевы и значительно упрощают обучение сложным концепциям программирования и автоматизации. Но в то же время, если задача состоит в том, чтобы производство эффективно работало, причем безопасно и без сбоев, ПЛК предоставляют широкий спектр возможностей с надежностью, которая была проверена и применялась на протяжении очень долгого времени. Когда фабрика должна работать бесперебойно, и продукты должны быть изготовлены качественно и без промедления на производственных линиях, надежность и безопасность важнее всего.