Устройство контроллера – Устройство и принцип работы контроллеров

Устройство и принцип работы контроллеров

ТОП 10:

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 7Следующая ⇒   Контроллеры представляют собой микропроцессорные устройства, выполняющие определенные действия по заложенной в них программе. По сути, контроллеры мало чем отличаются от микро-ЭВМ (компьютеров) и имеют одинаковые с ними основные узлы. Контроллеры, как и большинство существующих на сегодняшний день ЭВМ, построены по архитектуре фон Неймана: они содержат процессор (блок управления + арифметико-логическое устройство), память и устройства ввода-вывода. На рис. 1.1 приведена общая структурная схема контроллера. Однако надо отметить, что конкретные модели контроллеров могут не вполне соответствовать приведенной схеме.   Рис. 1.1. Общая структурная схема программируемых логических контроллеров Рассмотрим основные элементы контроллеров, приведенные на рис. 1.1. Процессор. Основная часть любой ЭВМ, его функция – выполнять команды, записанные в памяти. Тип процессора не является основной характеристикой контроллеров (в отличие от персональных компьютеров), поскольку обычно от контроллеров не требуется очень высокого быстродействия; часто тип процессора даже не указывается в документации к контроллеру. Однако в последнее время развиваются так называемые SCADA-системы (системы контроля управления и диспетчеризации), которые предъявляют новые требования к контроллерам, в частности, поддержку современных сетевых технологий (Ethernet) и многозадачность. Поэтому в современных контроллерах могут применятся достаточно совершенные процессоры, например, Intel Pentium III и др. В то же время, в более простых контроллерах, работающих без связи с другими контроллерами и компьютерами, могут использоваться и более простые процессоры, например, Z80. Память (ОЗУ и ПЗУ). Функция памяти – хранить программу и данные. Обычно контроллеры не имеют большого объема памяти, поскольку они работают под управлением упрощенных узкоспециализированных операционных систем с довольно скромными запросами. Программа контроллера также не занимает большого объема. Следовательно, контроллеры не имеют жестких дисков (в них нет никакой необходимости). Чтобы контроллер не «забывал» программу при выключении питания, память может быть энергонезависимой (EPROM, Erasable Programmable Read Only Memory), это альтернатива жестким дискам, более простая и дешевая, но с малой емкостью. Объем памяти не является важной характеристикой контроллера. Он может быть, например, несколько килобайт (у персональных компьютеров объем памяти составляет порядка сотен мегабайт, т.е. в сотни тысяч раз больше). Клавиатурно-дисплейный модуль (КДМ). Предназначен для управления контроллером, ввода команд, программирования, мониторинга. Не особенно удобен для выполнения перечисленных функций, так как обычно контроллеры могут подключаться к компьютерам, выполняющим те же функции. Как правило, КДМ применяется для настройки контроллера «на месте», т.е. довольно нечасто. По этой причине КДМ обычно небольшой и простой. Порты ввода-вывода. Они служат для преобразования двоичной информации в какие-либо физические сигналы (как правило, в дискретные электрические) и обратно. Порты являются неотъемлемой частью любого микропроцессорного устройства, а контроллере они выполняют функцию ввода данных и выдачи управляющих воздействий. Внешние устройства, как правило, не подключаются к шине контроллера напрямую, поскольку их уровни сигналов обычно не совпадают с уровнями сигналов шины контроллера (лог.0 – 0,2 В, лог.1 – 5 В). Кроме того, подключение устройств к шине без гальванической развязки небезопасно, так как любые виды помех (из-за наводок, пробоев изоляции, коротких замыканий и т.д.) поступали бы напрямую в контроллер, что приводило бы к его неустойчивой работе и даже к выходу из строя. Поэтому порты ввода-вывода обеспечивают, во-первых, необходимое преобразование уровней сигналов, и во-вторых, гальваническую развязку. Дискретные входные сигналы, как правило, несут информацию о замыкании или размыкании какого-либо контакта (рис. 1.2).   Рис. 1.2. контроллер с двумя дискретными входами и с двумя релейными выходами   Дискретные выходные сигналы представляют собой управляемые контроллером «ключи», способные замыкать или размыкать цепь (рис. 1.2). Дискретные выходы могут быть релейными или транзисторными. Транзисторные выходы обладают высоким быстродействием и бесшумностью. Релейные выходы достаточно медленные и срабатывают с характерными для реле громкими «щелчками», однако они могут коммутировать цепи с большим напряжением, например, 220 В. Аналоговые входные сигналы несут изменяющуюся информацию в форме тока или напряжения. Аналоговый сигнал может принимать произвольное значение из определенного диапазона, например, от 0 до 12 В. Такой сигнал не может непосредственно восприниматься контроллером, поскольку контроллер оперирует дискретной (двоичной), а не аналоговой информацией. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой контроллеры оснащаются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). На каждый аналоговый вход контроллер содержит отдельный АЦП. Аналоговые выходные сигналы формируются в цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП), которые преобразуют двоичный цифровой код в аналоговый сигнал. Следует отметить, что АЦП и ЦАП могут и не находится непосредственно внутри контроллеров, а подключаться как дополнительные модули. АЦП и ЦАП рассматриваются в главе 3. Шина контроллера связывает все его компоненты. Контроллеры содержат три основные шины. Шина данных используется для передачи данных между процессором и другими элементами. Адресная шина используется для передачи адреса в памяти (или порта ввода-вывода), по которому данные можно прочитать или сохранить. Шина управления используется для передачи сигналов управления из процессора другим элементам. Физически шины представляют собой группу проводящих дорожек на плате или проводов, по которым посылаются цифровые сигналы. Передача данных по шинам называется параллельной передачей. При последовательной передаче данных каждый бит по очереди передается по одному-единственному проводу. А при параллельной передаче данных, например при передаче двоичного числа 01101001 по шине передаются все восемь разрядов одновременно, и каждый разряд по своему отдельному проводу (рис. 1.3).   Рис. 1.3. Параллельная (а) и последовательная (б) передачи данных Интерфейс предназначен для связи контроллера с компьютером или другими элементами автоматизированной системы. Под интерфейсом понимают унифицированное аппаратно-программное устройство для передачи информации. То есть два разных устройства, обладающих одним интерфейсом, можно подключить друг к другу для обмена информацией. Унификация интерфейсов обеспечивает совместимость подключаемых устройств. Контроллеры могут обладать различными интерфейсами. Обычно контроллеры подключаются через интерфейс к ПЭВМ (рис. 1.1) для программирования и/или мониторинга работы, но могут подключаться также и к другим устройствам и даже к компьютерным сетям. Очевидно, что ПЭВМ, к которой производится подключение, должна обладать соответствующим интерфейсом. Основные типы интерфейсов рассмотрены в главе 4. 

infopedia.su

определение, схема, устройство и виды :: SYL.ru

Контроллеры – это устройства, позволяющие производить обработку цифровых сигналов. Буквально несколько десятилетий назад все логические системы строились на основе электромеханических реле. Они до сих применяются, но в большинстве сфер были вытеснены микроконтроллерами. Наибольшее распространение контроллеры получили в промышленности, именно в системах управления и автоматизации. Впервые на рынке электроники появилось устройство MODICON производства Bedford Associates в 1960-х годах.

Аналогичные устройства, разработанные другими компаниями, стали известны как ПЛК. А если точнее, то это программируемые логические контроллеры. Их работа зависит от программы, которую записывают при помощи персонального компьютера через специальный интерфейс. Именно благодаря использованию устройств на контроллерах получилось заменить большое количество электромеханических реле логическими элементами.

Особенности ПЛК

Для того чтобы понять, что такое контроллер, необходимо разобраться с его устройством и назначением. У программируемого элемента несколько входов – с их помощью происходит контролирование состояния выключателей и датчиков. И есть выходные клеммы, которые подают сигналы различного уровня на электроклапаны, контакторы, электроприводы, реле и другие исполнительные устройства.

Программирование ПЛК очень простое, потому что язык, на котором это делается, очень схож с логикой работы электромагнитных реле. Если инженер-электрик или обычный монтер умеет читать схемы релейных систем, то он без особых трудностей сможет выполнить программирование контроллеров. Это займет немного времени, все зависит от количества логических элементов и функций.

Нужно отметить, что, в зависимости от модели ПЛК, подключение к ним источников сигналов и особенности программирования будут незначительно отличаться. Но суть процедуры настройки остается неизменной.

Подключение элементов к ПЛК

Во всех моделях контроллеров есть клеммы для подключения питания – некоторые нуждаются в переменном напряжении вплоть до 120 В, а другие — в постоянном до 24 В. Напряжение питания зависит от модели устройства. Входные клеммы обозначаются буквой Х – на каждую подается отдельный сигнал. Общий провод обычно соединяется с нейтралью источника переменного тока или с минусом постоянного.

В корпусе контроллера есть оптический изолятор – простой светодиод. С его помощью происходит связь входной клеммы и общей. При подаче напряжения на ПЛК загорается светодиод – именно по нему можно судить о том, что устройство работает. На выходе происходит генерация сигнала при помощи компьютерной схемотехники – активируется устройство переключения. В качестве переключающего устройства могут использоваться электромагнитные реле, транзисторы, силовые ключи, тиристоры. Выходы обозначаются буквой Y. На каждом выходе устанавливается светодиод, сигнализирующий о том, что устройство работает.

Как происходит программирование

Контроллеры – это устройства, позволяющие обрабатывать электрический сигнал и преобразовывать его. На сегодняшний день в ПЛК ставится логика при помощи компьютерной программы. Именно она определяет, на каких выходных клеммах будет присутствовать напряжение при определенных условиях на входных клеммах. Отчасти эта логика схожа с той, которая применяется в релейной схемотехнике. Но в ней нет никаких реле, переключателей, контактов. Написание и просмотр программы происходит при помощи компьютера, который соединяется с портом программирования.

Логика простой программы

Допустим, у нас есть контроллер, лампа и выключатель. Контроллер подключается к источнику питания, со входом соединяется выключатель, а на выходе ставится лампа. При нажатии кнопки должна загораться лампа. Вариант простейшей программы для ПЛК:

1. При разомкнутом выключателе на вход не подается напряжение, поэтому на выходе лампа не будет загораться.
2. При нажатии на кнопку подается сигнал на вход. В программе контакты, соответствующие порту, будут активироваться. Все мнимые реле начнут работать внутри контроллера. Это образное обозначение, на деле никаких электромагнитных реле в нем нет. В результате появляется напряжение на выходе контроллера и лампа загорается.

Все действия, которые производятся с контроллерами, удобнее всего рассматривать на примере электромагнитных реле. Так нагляднее видна работа устройства.

Зачем нужен компьютер

При помощи компьютера происходит создание логической связи между входными и выходными клеммами. Программное обеспечение, с помощью которого осуществляется составление логики, позволяет направить в контроллер виртуальный сигнал и проследить, как он будет действовать при определенных условиях. После того как будет заложена логика внутрь ПЛК, компьютер отключается и контроллер работает самостоятельно. Все команды, которые ему были заданы на этапе программирования, он сможет выполнять без сторонней помощи.

Универсальность ПЛК

Чтобы понять всю силу и универсальность программируемых компонентов, необходимо рассмотреть несколько типов программ. Контроллер – это программируемый элемент, поэтому без вторичной настройки подключенных к нему элементов можно изменить все заданные команды. Допустим, вам нужно изменить программу, рассмотренную выше – при замыкании кнопки должна тухнуть лампа, а при размыкании загораться.

Для выполнения такой команды нужно просто поменять местами типы команд, которые были ранее. При нажатии на кнопку должно подаваться напряжение на вход ПЛК, а мнимое реле, которое находится в нем, имеет нормально-замкнутые контакты. Поэтому при подаче напряжения контакты размыкаются и лампа тухнет. Но когда в схеме контроллера пропадает сигнал, мнимое реле замыкает контакты и лампа загорается.

Преимущества контроллеров

Одно из преимуществ контроллеров – это возможность реализации в программном обеспечении логического контроля. Причем, в отличие от релейного оборудования, выходной сигнал может использоваться столько раз, сколько требуется для автоматизации. При помощи контроллера для систем автоматизации можно спроектировать систему запуска и останова электродвигателя. Чтобы построить аналогичную систему на электромеханических элементах, нужно использовать три реле.

При использовании контроллера на две входные клеммы подключаются кнопки. На выходе устанавливается электрический двигатель. Логика выглядит таким образом:

1. При нажатии кнопки, соединенной с выводом Х1, происходит запуск мотора. При этом контакты мнимого реле запускаются и на выходе появляется напряжение питания.
2. При нажатии кнопки, соединенной с Х2, мотор останавливается. При этом происходит игнорирование того факта, что ранее была нажата первая кнопка.

Причем все процессы, которые происходят в контроллерной системе, могут дублироваться для удаленного мониторинга. Именно с помощью такого свойства реализуется удаленное управление системами. Теперь вы знаете, что такое контроллеры и каковы их ключевые особенности. Программирование устройств может осилить любой человек, который разбирается в компьютерной и релейной технике.

www.syl.ru

Что такое контроллер управления | elesant.ru

Вступление

Есть в электротехнике, электронике и вычислительной технике термины, которые объединяют устройства самого различного применения. Один из таких многозначных терминов, термин — контроллер.

Что такое контроллер управления?

Само слово контролер, буквально обозначает управление. Устройство, называемое контроллер, буквально означает — устройство, предназначенное для управления, чем либо.

Самым простым и понятным примером контроллер компьютера, который управляет внешними устройствами клавиатурой и мышью компьютера.

Чтобы был понятен спектр охватываемых приборов и устройств, именуемых контроллеры, приведу более сложный пример — контроллеры ControlLogix. Эта система на базе одного автономного контроллера и модулями ввода/вывода позволяет осуществлять дискретное управление постоянными процессами, управление приводами, сервоприводами в самых различных комбинациях.

Используются программируемые контроллеры для автоматического контролирования работы машин, процессов упаковки, автоматизации зданий и конвейеров, управления освещением зданий и систем безопасности.

Еще один пример, это контролер умного дома. Это базовое устройство для работы данной системы. Без контроллеров управления не обходится ни одна система «умный дом». К входам контроллера «умного дома»  подключаются различные датчики (утечки воды, наличие газа, дыма, датчики движения и т.д.). К выходам прибора подключаются сервоприводы и реле управления, которые в автоматическом режиме могут отключить газ, воду, регулировать и управлять светом дома.

Обще устройство контроллеров управления

Рассмотрим обще устройство контроллеров управления. Это поможет, на базовом уровне, понять суть их применения и использования в различных системах.

У любого контроллера есть клеммы входа и выхода. Также у контроллеров управления есть клеммы для подключения внешних интерфейсов. Интерфейсы позволяют контролеру получать и передавать сигналы на различные устройства. Существуют сетевые и коммуникационные интерфейсы.

Например, интерфейс USB позволяет менять прошивку контроллера. Сетевой Ethernet позволяет подключить устройство к сети Интернет и мобильному приложению. Интерфейсы промышленных контроллеров (например, Allen-Bradley) поддерживают промышленные сети (DeviceNet, ProfiBus, Ethernet, ControlNet, Dh585 и т.п.).

Базовыми элементами любого контроллера являются входы и выходы устройства. На входы поступают информационные сигналы для дальнейшей обработки. На выходы контроллер сам подает сигнал, который чем-либо управляет.

Например, на вход контроллера поступает сигнал с датчика температуры воздуха. На выход подключаем управление работой кондиционера, включение которого зависит от датчика температуры воздуха.

Или еще пример, на вход подключаем датчик движения, на выход — управление освещением, которое включает/выключает освещение по сигналу датчика.

Входы и выходы

Так как возможностей у контроллеров масса, то и использовать их можно в самых различных комбинациях и системах. Однако важно, входы и выходы контроллера могут быть либо аналоговыми, либо цифровыми (дискретными).

• Дискретный вход воспринимает только наличие (единица) или отсутствие (ноль) сигнала.
• Аналоговый вход «видит» параметры сигнала.

Например, датчики температуры, освещенности, влажности должны подключаться к аналоговому входу. Датчик движения или простой выключатель должны подключаться к дискретному входу.

Вывод

Контроллеры управления это устройства позволяющие получать и обрабатывать сигналы, на базе обработанных сигналов (данных), по вложенным в них алгоритмам, управлять различными машинами, механизмами, приборами.

©elesant.ru

 

elesant.ru

Что такое программируемый логический контроллер и принцип его работы

Программируемый логический контроллер, по сути, является электронной составляющей частью промышленного контроллера и используется в системе автоматизации производства.

Задачей такого логического контроллера является сбор данных, их обработка и преобразование, сохранение в памяти необходимой информации, создание команд управления, которые поступают посредством входов и передаются посредством выходов. Входы и выходы подключаются к датчикам и ключам, к механизмам устройства управления.

Логические контроллеры осуществляют свою работу практически без участия оператора, что позволяет работать в режиме реального времени в жестких условиях эксплуатации, даже при наличии неблагоприятных условий окружающей среды.

На заре развития промышленной автоматики логические контроллеры были созданы по типу релейных схем с фиксированной логикой работы. При нарушении алгоритма приходилось основательно изменять действующую схему.

С внедрением и быстрым распространением микропроцессоров автоматика производственного процесса стала строиться на основе микропроцессоров. Однако роль логических контроллеров не перестала оставаться актуальной, они просто заняли свою отдельную нишу применения.

Сегодня релейные схемы оснащаются программным обеспечением, что превращает программируемые логические контроллеры в микропроцессорное устройство, обеспечивающее сбор информации, ее переработку, сохранение и передачу команд к узлам выполняющего устройства.

При этом ЛПК контроллер по принципу своей работы существенно отличается от микропроцессорных устройств, поскольку программное обеспечение ЛПК контроллера имеет две части, первой из которых является системное программное обеспечение. Оно функционирует по аналогии с компьютерной операционной системой и обеспечивает:

• управление внутренними узлами контроллера;
• взаимодействие составляющих компонентов;
• осуществление внутренней диагностики.

Системное обеспечение заключено в постоянную память процессора и вступает в работу через несколько миллисекунд после подключения ПЛК к сети.

ПЛК контроллер работает циклично, при этом каждый цикл сопровождается чтением данных и имеет 4 фазы:

• первая представляет собой опрос входов;
• на второй фазе осуществляется выполнение действий, установленных пользовательской программой;
• третья фаза устанавливает значения входов;
• на четвертой фазе производятся дополнительные операции, например, производится диагностика, подготавливаются данные для отладчика, визуализация.

Системное ПО осуществляет работу первой фазы. После опроса входов управление передается программе, находящейся в памяти. Это программа, созданная пользователем для решения определенных задач, содержит те действия, которые должны совершаться, после их выполнения управление передается на системный уровень. Простота схемы действий освобождает создателя программы от необходимости изучения системы аппаратного управления. Для создания программы инженеру достаточно владеть информацией о том, с какого входа поступает сигнал и как он должен откликаться на выход.

Время отклика на сигнал зависит от длительности одного цикла действующей программы.

Отличием ПЛК контроллеров от комбинационных аппаратов заключается в том, что они обладают памятью, что позволяет им реагировать на текущие события. Память также позволяет перепрограммировать, осуществлять управление во времени, производить цифровую обработку сигналов, что поднимает ЛПК контроллер на более совершенный уровень.

 

Входы и выходы

Программируемый логический контроллер может иметь входы трех типов. Это:

• аналоговый;
• дискретный;
• специальный.

Один дискретный вход принимает один бинарный электронный сигнал. При этом практически все стандартные входы принимают электрический сигнал мощностью 24 Вт, при типовом значении тока 10 мА.

Аналоговый вход обеспечивает прием аналогового сигнала, отражающего уровень напряжения или тока. При этом в каждый временной момент напряжение и ток соответствуют определенной физической величине: температуре, весу, давлению, положению, скорости, частоте и т.д.

Поскольку программируемые логические контроллеры представляют собой цифровую вычислительную технику, то аналоговые сигналы подвергаются преобразованию. Для осуществления преобразования аналогового сигнала в цифровой в программируемых логических контроллерах применяются 10-12-ти разрядные преобразователи. В условиях современного автоматизированного производства этого показателя достаточно для обеспечения точности управления техническим процессом. Применение преобразователей этого класса на производстве оправдано и тем, что преобразователи более высокой разрядности реагируют на индустриальные помехи, которые неизбежны в условиях, где работает контроллер.

Поскольку все аналоговые входы многоканальные, то приходится использовать коммутатор, посредством которого осуществляется подключение входа АЦП к требуемому модулю.

Таким образом, все аналоговые и дискретные входы обеспечивают потребности промышленной автоматики, поэтому необходимость в использовании специальных входов возникает крайне редко, и требуется при необходимости обработки отдельных сигналов с большими временными затратами, что обусловлено программным затруднением.

В основном, ПЛК со специализированными входами применяются там, где необходим подсчет импульсов, измерение длительности и фиксация фронтов.

Такой вход может быть использован там, где необходимо измерить скорость и положение вращения вала, поскольку такое устройство оснащено поворотными шифраторами, формирующими определенное количество импульсов, рассчитанных на каждый оборот вала. При этом частота импульсов очень высокая и равна нескольким мегагерцам. Даже если ПЛК оснащен быстродействующим процессором, подсчет импульсов будет занимать большое количество времени. В этом случае, использование специального входа будет оправдано, поскольку обеспечит обработку входных импульсов и формирование сигналов необходимой величины для реализации программы.

Другой тип специализированных входов — входы прерывания, они обеспечивают быстрый запуск пользовательских задач, которые необходимо выполнять при прерывании работы основной программы. Этот тип специализированных входов широко используется и является достаточно востребованным.

 

Классификация ПЛК по типу конструкции

По своей конструкции ПЛК могут быть:

• модульными, оснащающимися различным набором модулей входов и выходов, предусмотренных реализации конкретной задачи;
• моноблочными, оснащенными определенным количеством входов и выходов;
• распределительными, оснащенными модулями, отдельными входами и выходами, установка которых возможна на существенном расстоянии.

 

Языки программирования

Технологический язык дает возможность всем участникам процесса — инженерам, технологам и программистам, понимать суть задачи и находить ее решение. Так, если технолог дает установку на необходимые процессы, он не использует формализованный алгоритм процесса, вследствии чего программист, при создании программы, вынужден вникать в суть технологического процесса. В то же время, создавая программу, программист остается единственным участником процесса, понимающим язык программ.

В связи с этим, возникают сложности, для преодоления которых и был придуман технологический язык, одинаково понятный всем участникам процесса. Именно технологический язык позволил упростить процесс программирования.

Сегодня разработаны технологические языки, а также установлен стандарт МЭК-61131-3, который был разработан Международной Электротехнической Комиссией.

Все производители должны придерживаться установленного стандарта и предлагать устройства, оснащенные одинаковыми по интерфейсу и принципу действия командами.

Этот стандарт включает в себя 5 языков:

• языком функциональных релейных блоков является Sequential Function Chart;
• для функциональных блоковых диаграмм, предусмотрен язык Function Block Diagram;
• для релейных диаграмм, принят язык Ladder Diagrams;
• язык структурированного текста Statement List напоминает Паскаль;
• языком инструкций является Instruction List , он представляет собой ассемблер, оснащенный аккумулятором и переходом по метке.

 

LAD — это простой язык, напоминающий логическую схему реле, что позволяет любому инженеру составить программу. FBM похож на схему логических элементов, что также упрощает создание программ для инженеров.

Выбор языка, в основном, базируется на личном опыте программирующего инженера. При этом некоторые действия легко откликаются на один язык, создавая определенные трудности в другой области. Для решения таких задач создана возможность переконвертирования готовой программы с одного языка на другой.

Самыми распространенными сегодня языками программирования являются LAD, STL, FBD, которые наиболее часто предусмотрены производителями ЛПК самых известных компаний.

 

CoDeSys — программный комплекс

Введенный МЭК стандарт привел к необходимости создания инструментов программирования. Решение этой задачи взяли на себя некоторые компании, которые стали заниматься исключительно инструментами программирования.

Так, фирма 3S, разработала комплекс CoDeSys, который стал одним из самых популярных в мире. Он отвечает всем требованиям стандарта МЭК и обладает рядом преимуществ, среди них — встроенный эмулятор и встроенные элементы визуализации, наличие инструкции и документации на русском языке, а также возможность использования русскоязычной версии.

www.techtrends.ru

конструкция и принцип работы программируемого прибора

Некоторые ошибочно считают, что термин «контроллер» происходит от слова «контроль» и подразумевает проверку или учёт чего-либо. На самом деле это понятие пришло к нам из английского языка и в переводе означает «управление». Исходя из этого, становится понятно, что программируемые логические контроллеры (ПЛК) принято использовать для управления автоматизированным электрооборудованием.

Основная роль

Впервые эти вычислительные приборы были использованы в автомобильной промышленности в 60-х годах XX века для автоматизации линий сборки машин. Аппаратный способ программирования с одной стороны удешевлял производственный процесс, а с другой — требовал сложного перенастраивания одной технологической линии на другую. Для упрощения процесса настройки были выпущены контроллеры, имеющие в основе схему соединения реле.

Позднее появилась возможность программировать устройства с использованием машинно-ориентировочного языка. Однако такая настройка требовала внесения серьёзных изменений в систему управления, поэтому началась разработка языков программирования, упрощающих использование контроллеров. Сегодня основными являются классические алгоритмические языки и языки МЭК 61131−3.

Современные программируемые микроконтроллеры нашли довольно широкое применение. Их используют:

• в сигнализации и противоаварийной защите;
• в станках с числовым программным управлением;
• в системах жизнеобеспечения зданий;
• при архивировании и сборе информации;
• в медицинской технике;
• для управления роботизированной техникой и космическими кораблями;
• при испытаниях различной продукции и т. д.

Программные локальные контроллеры выполняют роль не только автономного оборудования для управления работой различных технологических установок. Они также являются важной составляющей частью широкомасштабных систем больших предприятий.

Механизм действия

Существуют разные модели ПЛК, однако принцип работы контроллера любого типа одинаков.

Внутри логического элемента располагается светодиод, обеспечивающий электрически изолированный высокий сигнал. Возникновение такого сигнала происходит в момент, когда переменный ток напряжением 120 вольт устанавливается между общей и входной клеммой.

Работа программируемого контроллера определяется специальной программой, составляемой и просматриваемой с помощью компьютера, соединённого с портом программирования ПЛК. Программа логического элемента отличается от схемы реле отсутствием реальных контактов переключателя или катушек реле, необходимых для создания связей между входом и выходом внутри контроллера. Все контакты являются мнимыми.

Программируемый контроллер связан с кнопочным переключателем. Этот выключатель может находиться в двух положениях:

1. Выключенном. Сигнал на вход не поступает. В соответствии с действующей программой выход будет обесточенным. Об этом свидетельствует погасший индикатор.
2. Включенном. Сигнал попадёт на вход, все контакты в программе активируются. От закрытого контакта сигнал транслируется на катушку. При поступлении напряжения на неё выход осветится с помощью подключённого индикатора.

Все видимые на мониторе компьютера сигналы являются не реальными электрическими компонентами, а виртуальными. Их присутствие в программном обеспечении необходимо только для напоминания о том, что происходит в схеме.

В процессе функционирования программного логического контроллера компьютер играет второстепенную роль. Он необходим лишь для написания основной программы действий и отслеживания происходящих процессов. Все поступающие команды контроллер выполняет самостоятельно без участия ПК.

Программа логического элемента может быть изменена в любой момент. При корректировке отдельных команд необходимости в полной перенастройке всех подключённых компонентов нет. Алгоритмы действия логических элементов могут создаваться с помощью собственной лицевой панели, переносного программатора, монитора, мыши и клавиатуры.

Главным преимуществом программируемого логического контроля, в отличие от контроля посредством оборудования, является возможность использования сигналов неограниченное количество раз (в зависимости от потребностей).

Разновидности логических приборов

Широкий спектр задач, которые решаются с помощью программируемых устройств, оказывает влияние на выбор подходящего контроллера.

При этом следует учитывать основные характеристики прибора:

• температурный режим;
• надёжность;
• наличие сертификатов на использование;
• производитель.

При классификации ПЛК учитывается несколько факторов. Одним из них является расположение входных и выходных модулей. В соответствии с этим признаком контроллеры бывают:

1. Моноблочными. Имеют единую конструкцию. Устройство ввода-вывода является стационарным и не подлежит замене.
2. Модульными. Входы и выходы выполняются в виде отдельных корпусов, которые располагаются в единой корзине. Пользователь может самостоятельно выбирать комбинацию сменных модулей в зависимости от того, какую задачу они должны решить.
3. Распределёнными. В них удалённые модули входа/выхода соединяются с модулем контроллера по сети на основе интерфейса RS-485. Такой способ соединения позволяет располагать элементы на расстоянии до 1 км от основного модуля.

Отдельные виды логических аппаратов могут комбинироваться. Таким способом создаётся программируемое оборудование с увеличенным количеством каналов.

ПЛК можно устанавливать на стену, панель, дверцу шкафа или DIN-рейку. В специальном оборудовании могут использоваться бескорпусные одноплатные приборы.

В разных сферах используются различные программируемые контроллеры. В зависимости от области применения они делятся на универсальные, специализированные, коммуникационные и ПИД-контроллеры. Часто с их помощью осуществляется контроль позиционирования и перемещения, а также управление роботами.

Процессорный модуль

Важная функциональная роль в ПЛК отводится главному процессорному модулю. Он включает в себя центральный и процессорный аппарат, запоминающие устройства, сторожевой датчик и часы, отображающие реальное время. Главными параметрами такого модуля считаются тактовая частота, разрядность, тип поддерживающих портов, операции с плавающей точкой, температурный режим работы и потребляемая мощность.

Устройства, отвечающие за обработку большого количества цифровых данных, комплектуются дополнительным математическим процессорным модулем, выполняющим действия с плавающей точкой, либо сигнальным процессором, производящим математические действия за один такт и позволяющим ускорить свёртку. Для процессоров этого типа важной характеристикой является ёмкость памяти.

В роли сторожевого датчика может использоваться счётчик, считывающий импульсы тактового генератора и периодически перезапускающийся с помощью работающего процессора.

Встроенные часы кварцевого типа питаются от батарейки и продолжают показывать время даже в случае выключения логического контроллера. Они требуются для управления работой уличных осветительных приборов, охранных систем и другого оборудования, работа которого привязана к астрономическому времени.

С помощью главного процессорного модуля осуществляется сбор информации из входных модулей и отправка на модуль выхода, обмен сведениями при программировании прибора, стёк протоколов промышленной сети.

Также процессор отвечает за начальную загрузку операционной системы и выполнение ею основных задач, исполнение загрузочного модуля программы, установленной пользователем, и контроль за обменными актами памяти.

220v.guru

Назначение, разновидности и устройство силовых контроллеров

Контроллер – это многоцепной, многоступенчатый аппарат с ручным управлением, назначением которого является управление изменением главной цепи электродвигатели или цепи обмотки возбуждения. Также котроллеры применяют для изменения сопротивлений, включенных в эти цепи. По конструктивному исполнению контроллеры подразделяют на барабанные, кулачковые и плоские.

Барабанные контроллеры

Ниже на рисунке показан контактный элемент контроллера.

Сегментодержатель 2 закреплен на валу 1 с подвижным контактом (сегментом) 3. От вала сегментодержатель изолирован бакелитизированной бумагой 4. На изолированной рейке 6 располагают неподвижный контакт 5. На неподвижный контакт 5 набегает сегмент 3 при вращении вала 1. Таким образом осуществляется замыкание цепи. Пружина 7 обеспечивает необходимое нажатие контакта. Вдоль вала располагается большое количество контактных элементов. Между собой могут соединяться сегментодержатели соседних элементов, создавая необходимую электрическую схему. Различной длиной сегментов достигается последовательность замыкания различных цепей. С помощью звездочки и защелки фиксируется положение вала.

Барабанный контроллер имеет малую износоустойчивость контактов,  из-за чего имеет ограниченное количество включений в час (240). Барабанный контроллер применяется в системах с редким включением/отключением элементов электрической цепи.

Кулачковые контроллеры

На рисунке ниже изображен поперечный разрез кулачкового контроллера переменного тока:

Перекатывающийся линейный контакт используется в контроллере. Относительно центра О₂ может вращаться сменный подвижной контакт 1. Центр О₂ расположен на контактном рычаге 2. Контакт соединяется с помощью гибкой связи 4 с выходным зажимом.

Необходимое нажатие и замыкание контактов создается пружиной 5, которая воздействует на контактный рычаг через шток 6. При размыкании контактов кулачок 7 действует на ролик 8. При этом пружина 5 сжимается, а контакты 1 и 3 размыкаются. От профиля кулачковой шайбы 9, приводящей контактные элементы в действие, будет зависеть момент включения и отключения контактов. Дуга, возникающая в момент переключения, не воздействует на контакты благодаря их перекатыванию. Малый износ контактов позволяет увеличить число включений в час до 600 при ПВ = 60%. По обе стороны кулачковой шайбы 9 расположены контактные элементы Ⅰ и Ⅱ, что позволяет резко снизить осевую длину контроллера. Как правило, вдоль оси аппарата располагается несколько контактных элементов, аналогичных рассмотренным. У кулачкового контроллера присутствует механизм фиксации положения вала, такой же, как и в барабанного. В виду облегчения гашения дуги на переменном токе кулачковыми элементами устанавливаются только дугостойкие асбестоцементные перегородки 10, препятствующие перекрытию между полюсами аппарата. В таких случаях установка дугогасительных устройств не обязательна. Если же контроллер отключает цепь постоянного тока, устанавливается дугогасительное устройство, аналогичное применяемому в контакторах.

Рассмотренная нами конструкция контроллера имеет следующую особенность – включение происходит за счет силы пружины, а выключение за счет выступа кулачка. Благодаря такой конструкции контакты удается развести в случае их сваривания. Недостатком применения такой системы является большой момент на валу, создаваемый  включающими пружинами при значительном числе контактных элементов.

Возможны также и другие конструктивные выполнения контактов. В одном из них контакты размыкаются под действием пружины, а замыкаются под действием кулачка. В другом случае включение и отключение может происходить при помощи кулачков. Однако такие решения применяются редко.

На рисунке ниже изображена схема пуска асинхронного электродвигателя с фазным ротором при помощи кулачкового контроллера.

Арабскими цифрами обозначены позиции вала аппарата, а римскими – контакты. При пуске «вперед» в работу вступают расположенные справа контактные элементы. Для примера рассмотрим позицию 3. В данной позиции замкнуты контакты Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ. При таком расположении контактов статор машины подключен к сети, а в роторе выведены первые позиции ступеней  пусковых резисторов в двух фазах. В положении 5 все контакты замкнуты – ротор электродвигателя полностью закорочен.

Плоские контроллеры

Для плавного регулирования поля возбуждения крупных генераторов и пуска в ход и регулирования частоты вращения мощных электродвигателей необходимо иметь большое количество ступеней. Применение кулачкового контроллера в таком случае не целесообразно, так как повышение количества ступеней ведет к резкому увеличению габаритов устройства.

Количество операций в час при пуске и регулировании невелико (порядка 10 – 12 в час). Исходя из этого, нет повышенных требований к контроллеру в отношении износоустойчивости.  В таком случае широкое распространение получили плоские контроллеры.

Ниже на рисунке показан общий вид плоского контроллера для регулирования цепи возбуждения.

Имеющие форму призмы неподвижные контакты 1 закреплены на изоляционной плите 2 и являются основанием контроллера. Расположение неподвижных контактов по линии дает возможность иметь большее количество ступеней. При той же длине контроллера число ступеней можно увеличить путем добавления параллельного ряда контактов, сдвинутого относительно первого ряда. Число ступеней удваивается при сдвиге на пол шага. В траверсе 3 располагается щетка и изолируется от него. Нажатие осуществляется цилиндрической пружиной. Передача тока с контактной щетки 4 на выходной зажим осуществляется с помощью токосъемной шины 5 и токосъемной щетки. Контроллер может производить переключения одновременно в трех независимых цепях. С помощью двух винтов 6 может перемещаться траверса, приводимая в движение вспомогательным двигателем 7. При выполнении наладочных работ траверса может приводиться в движение вручную с помощью рукоятки 8. Траверса воздействует на конечные выключатели 9, которые останавливают двигатель, в конечных положениях. Для точной остановки контактов на желаемой позиции скорость контактов берется малой (5-7)·10^-3 м/с, а двигатель должен иметь возможность торможения. Также плоский контроллер может иметь и ручной привод.

Между неподвижными и подвижными контактами при размыкании появляется напряжение, равное падению напряжения на ступени. Для избегания появления электрической дуги, допустимое падение напряжения на ступени берется от 10 В (при токе 200 А) до 20 В (при токе 100 А). Допустимое количество включений в час определяется износом контактов и, как правило, не превышает 10 – 12. В случае, если напряжение на ступени 40 В – 50 В, то применяют специальный контактор, который замыкает соседние контакты во время перемещения щетки.

В случаях, когда необходимо производить коммутацию цепи при токах 100 А и с частотой включения превышающей 600 включений в час, применяют систему, состоящую из командоаппарата и контактора.     

https://youtu.be/c2N0LMalCco

elenergi.ru

Промышленные контроллеры (ПЛК) | LAZY SMART

Современную промышленность невозможно представить без систем автоматизации. Сложность производственных процессов делает невозможным управление ими вручную, к тому же системы автоматики обходятся гораздо дешевле, чем обслуживающий персонал, да и работают они быстрее и надёжнее. Да что говорить о промышленности – в настоящее время практически ни одно здание не обходится без автоматики. Школы, больницы, детские сады, офисные и складские помещения, загородные дома и коттеджи – все эти объекты оснащены инженерными системами с автоматическим управлением. Несмотря на многообразие применений и сфер использования все системы автоматики работают по одному принципу и обладают схожей структурой, в центре которой находится «мозг» системы – программируемый логический контроллер (ПЛК).

С чего всё начиналось?

Все начиналось с построения релейно-контактных систем управления, представляющих из себя огромные шкафы, набитые проводами и релейными модулями. В эти шкафы приходили сигналы от датчиков, а на выходе формировались команды исполнительным устройствам. Кроме того, что они были больших размеров, такие системы управления неудобны тем, что они совершенно не гибкие: для того, изменить логику управления, необходимо вручную перебирать всю электрическую схему. С развитием микропроцессорной техники на смену релейным шкафам пришли ПЛК – устройства, выполняющие те же функции, но имеющие принципиально другой механизм преобразования входных сигналов в выходные. Такое преобразование в ПЛК выполняется в соответствии с записанной программой. С появлением контроллеров размеры систем управления уменьшились в десятки раз, значительно упростился процесс их разработки и последующих изменений.

Принцип работы ПЛК

 

ПЛК работает по циклическому принципу. В самом начале цикла ПЛК сканирует состояния входов, на которые поступают сигналы от датчиков и устройств. Затем в соответствии с алгоритмом программы происходит вычисление состояния выходов. В конце рабочего цикла контроллер устанавливает каждый выход в состояние, которое было определено.

   1. Чтение состояний входов

   2. Выполнение программы пользователя

3. Запись состояний выходов

Указанные этапы цикла выполняются последовательно – это означает, что изменения состояний входов не будут «замечены» контроллером во время выполнения программы. По этой причине одним из важнейших параметров ПЛК является время реакции. Если оно окажется больше, чем минимальный период изменения состояний входов, некоторые события, происходящие в системе, будут «пропущены» контроллером.

Также стоит учесть, что и датчики реагируют на изменения в системе не мгновенно. Поэтому полное время реакции системы управления складывается из времени реакции ПЛК и времени реакции датчиков.

Время реакции системы — время с момента изменения состояния системы до момента выработки соответствующей реакции (принятия решения).

 Системы реального времени

Все системы можно условно разделить на системы жёсткого и мягкого реального времени.

В системах жёсткого реального времени реакция ПЛК не должна превышать определённый временной порог. При увеличении времени реакции система теряет свою работоспособность.

В системах мягкого реального времени при увеличении времени реакции может происходить сильное ухудшение качества управления, но работоспособность при этом не теряется.

 Входы и выходы ПЛК

Дискретные входы – предназначены для ввода сигналов от дискретных датчиков (кнопки, тумблеры, концевые выключатели, термостаты и др.). Напряжение сигнала унифицировано для всех ПЛК и составляет 24 В. Проще говоря, при «появлении» на входе контроллера напряжение 24 В – ПЛК будет считать этот вход «включенным», то есть он примет значение логической «1» в восприятии контроллера.

Дискретные выходы – предназначены для управления устройствами по принципу «включить/выключить» (магнитные пускатели, лампочки, клапаны и др.). Дискретный выход – это обычный контакт, который может замкнуть или разомкнуть управляющую или питающую цепь устройства.

Аналоговые входы – предназначены для ввода непрерывного сигнала с датчиков и других устройств. Существует два основных вида унифицированных аналоговых сигналов: по току – 4..20 мА, по напряжению 0..10 В. Например, датчик температуры имеет диапазон -10 — +70 °С, тогда 4мА на выходе соответствует -10 °С, а 20мА – это +70 °С. С аналоговыми сигналом по напряжению всё аналогично.

Аналоговые выходы – предназначены для плавного управления устройствами. Унифицированные значения аналогового сигнала на выходах такое же, как и на входах – 4..20мА (0..10В). Например, вентиль может поворачиваться в пределах от 0° до 90°. Ток 4мА повернёт его в положение 0°, а 20мА – в положение 90°. Для того, чтобы повернуть его на 45°, нужно подать на него управляющий сигнал 8мА. Таким образом, меняя значение силы тока на выходе, контроллер может поворачивать вентиль на заданный угол.

Специализированные входы/выходы – не унифицированы, применяются для подключения нестандартных датчиков и исполнительных устройств со специфическим уровнем сигнала, питанием и программной обработкой.

Цифровые интерфейсы ПЛК

Изначально ПЛК предназначались для управления последовательными логическими процессами. Современные контроллеры помимо логических операций способны выполнять цифровую обработку сигналов. Они могут обмениваться информацией с другими устройствами, такими как панели оператора, GSM-модули, частотные преобразователи, серверы сбора данных и др.

ПЛК могут иметь распределённую структуру, когда модули входов и выходов находятся на значительном удалении от самого контроллера, вблизи объекта управления. Несколько ПЛК, управляющие разными частями одной системы, могут объединяться в сеть для обмена информаций и согласования управляющих действий, а так же передачи всей информации о системе в центральный диспетчерский пункт.

В этих случаях обмен удалённых модулей и устройствами с ПЛК осуществляется по цифровым интерфейсам с использованием специализированных протоколов, таких как Modbus RTU, ModBus TCP, CANopen, Profibus, EtherNet IP и других.

---

lazysmart.ru