Анонс: базовая архитектура промышленного контроллера с программируемой логикой. Типовой процессорный блок в промышленных контроллерах и его особенности. Дополнительные блоки и устройства, обеспечивающие работоспособности ПЛК.
Первый ПЛК (программно-логический или контроллер с программируемой логикой) был разработан еще в 1969 году и к текущему моменту контроллеры создаются в разных формфакторах от небольших автономных блоков с десятком-двумя цифровыми и аналоговыми входами/выходами до модульных систем, которые могут обрабатывать цифровые или аналоговые входы/выходы, а также осуществлять интегрально-дифференциальные режимы регулирования.
В базовую архитектуру любого промышленного ПЛК входят процессорный блок, память, блок питания, секции ввода/вывода, коммуникационный интерфейс и устройство программирования.
Типовой процессорный блок в промышленных контроллерах и его особенности
Процессорный блок (или центральный процессор, или ЦП) содержит микропроцессор, который интерпретирует, анализирует входные сигналы в соответствии с программой, хранящейся в его памяти, а также выполняет управляющие действия, передавая сигналы на выходы ПЛК.
Микропроцессор ПЛК обычно имеет частоту от 1 до 8 МГц, определяющую скорость работы контроллера. Причем вся информация внутри ПЛК передается только цифровыми сигналами (см. ниже) по специальным шинам, которые могут быть (физически) дорожками на печатной плате или проводами в ленточном кабеле, т. е. проводниками постоянного электрического тока напряжением обычно от 0 до 5 В. Поэтому блоки ввода/вывода ПЛК сконструированы таким образом, что диапазон входных сигналов преобразуется в цифровые сигналы 5 В, и чтобы ряд выходов был доступен для аналогового управления внешними устройствами. Для этого используются аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, принцип действия которых будет рассматриваться в следующих материалах цикла.
Справка
Если упрощённо, то шины в ПЛК — это пути, используемые для связи внутри устройства с передачей информации в бинарном виде в виде группы битов — двоичных цифр 1 или 0, т. е. состояния включения/выключения (например, 8-битное число может быть записано двоичным набором 00100110). Каждый из битов передается одновременно по своему собственному параллельному проводу, а всего в системе четыре шины:
- шина данных, по которой передается информация для обработки процессором,
- адресная шина для связи с памятью, где каждой единичной ячейке присвоен свой уникальный адрес,
- шина управления, используемая для синхронизации и информирования устройств памяти о том, должны ли они получать данные из входных или выходных портов,
- системная шина для связи между портами ввода/вывода и блоком ввода/вывода.
Внутренняя структура ЦП зависит от используемого микропроцессора, которые имеют:
- арифметико-логическое устройство (arithmetic and logic unit, ALU) отвечает за работу с данными и выполнение арифметических и логических операций;
- память, расположенную внутри микропроцессора и используемую для хранения информации, связанной с выполнением программы.
- устройство управления, которое используется для контроля операций по времени, скорости, точности
Дополнительные блоки и устройства, обеспечивающие работоспособности ПЛК
Кроме ЦП — «мозга» программно-логического контроллера — в ПЛК практически всегда входят:
- блок питания, который используется для преобразования сетевого напряжения переменного тока в низкое постоянное напряжение (5 В), необходимое для работы процессора и цепей в интерфейсных модулях ввода и вывода;
- программатор (устройство программирования), служащий для ввода требуемой программы в блок памяти процессора, где вместе с логикой анализа, обработки сигналов и управляющих действий хранятся данные с входных датчиков и пакет принятых решений управления;
- устройства ввода и вывода, принимающие и передающие (соответственно) сигналы, которые могут быть дискретными, цифровыми или аналоговыми.
- интерфейс связи, который используется для приема и передачи данных по коммуникационным сетям от или к другим удаленным ПЛК, серверам, а специфика этих процессов будет описана в следующих материалах цикла про промышленные контроллеры.
Справка
Дискретные сигналы (схема «а» на рис. ниже) подобны работе обычного включателя, когда напряжение есть или его нет; цифровые (схема «в» на рис. ниже) упрощенно представляют собой пакет импульсов дискретных сигналов включения-выключения; а аналоговые (схема «с» на рис. ниже) формируют пропорциональную зависимость сигнала от контролируемого параметра. Например, датчик температуры может выдавать напряжение, пропорциональное температуре.
В целом блок ввода/вывода обеспечивает связь между контроллером ПЛК и внешним миром и, следовательно, должен обеспечивать необходимое согласование сигнала, чтобы довести сигнал до требуемого уровня, а также изолировать его от возможных искажений, вызываемых перенапряжением, бросками тока, электромагнитными возмущениями и пр.
Справка
Электрическая изоляция обычно осуществляется с помощью оптоизоляторов (оптопара), где при прохождении цифрового импульса через светоизлучающий диод возникает импульс инфракрасного излучения. Этот импульс обнаруживается фототранзистором и вызывает повышение напряжения в этой цепи. Зазор между светоизлучающим диодом и фототранзистором обеспечивает электрическую изоляцию, а такое расположение позволяет цифровому импульсу в одной цепи создавать цифровой импульс в другой цепи.
На текущий момент существует много конструктивных решений ПЛК, но de facto все они сводятся к одному из двух видов конструкций — одноблочную или модульной, часто стоечного типа. Однокорпусный тип или блок обычно используется для небольших программируемых контроллеров и поставляется в виде цельного компактного устройства с блоком питания, процессором, памятью и модулями ввода/вывода. Такой контроллер с программируемой логикой имеет 6, 8, 12 или 24 входа и 4, 8 или 16 выходов и память, в которой может храниться от 300 до 1000 инструкций-программ.
Модульные ПЛК почти не имеют ограничений по масштабу, чаще всего используются в виде иерархических архитектурных решений для управления автоматическими (или автоматизированными) производственными линиями, на диспетчерском уровне АСУ, но каждый единичный модуль изначально строится по принципу одноблочного ПЛК.
