La proiectarea unui sistem de controler logic programabil (PLC), primul pas este definirea strategiei de control; pasul următor implică selecția inginerească a hardware-ului PLC specific. Caracteristicile fluxului procesului și cerințele specifice aplicației servesc ca bază principală pentru acest proces de selecție. PLC-ul și echipamentele asociate trebuie să fie integrate și standardizate, selectate în conformitate cu principiile integrării perfecte în sistemul general de control industrial și ușurința expansiunii funcționale. Sistemul PLC ales ar trebui să fie o soluție matură și fiabilă, cu un istoric dovedit de funcționare de succes în sectorul industrial relevant. În plus, configurația hardware a sistemului, capabilitățile software și caracteristicile funcționale trebuie să fie adecvate în mod corespunzător la scara unității și la cerințele specifice de control. Familiarizarea cu PLC-urile, diagramele de funcții și limbajele de programare relevante ajută la reducerea semnificativă a timpului de programare. Prin urmare, în timpul fazelor de selecție și estimare a ingineriei, este esențial să se efectueze o analiză detaliată a caracteristicilor procesului și a cerințelor de control; aceasta implică definirea clară a sarcinilor și domeniului de control și identificarea operațiunilor și acțiunilor necesare. Ulterior,-pe baza acestor cerințe de control-se poate estima numărul necesar de puncte de intrare/ieșire (I/O) și capacitatea de memorie și se pot determina funcțiile PLC necesare și specificațiile dispozitivului extern. În cele din urmă, obiectivul este de a selecta un PLC care oferă un raport preț{10}}performanță superior și de a proiecta sistemul de control corespunzător.
Estimarea punctului I/O
Când se estimează numărul de puncte I/O, este crucial să se încorporeze o marjă adecvată. De obicei, numărul de I/O estimat este derivat luând numărul de puncte necesare calculat statistic și adăugând o marjă de expansiune de 10% până la 20%. Când plasați comanda efectivă, poate fi necesar să rotunjiți numărul estimat de I/O pentru a se alinia cu specificațiile specifice ale produsului și configurațiile modulelor oferite de producătorul PLC-ului.
Capacitate de memorie
„Capacitatea memoriei” se referă la dimensiunea totală a unităților de stocare hardware furnizate de PLC însuși, în timp ce „capacitatea programului” se referă la porțiunea specifică a acelei memorie utilizată de programul de aplicație al utilizatorului. În consecință, capacitatea programului este întotdeauna mai mică sau egală cu capacitatea totală a memoriei. În timpul fazei de proiectare, deoarece programul de aplicație al utilizatorului nu a fost încă scris, capacitatea exactă a programului rămâne necunoscută și poate fi determinată numai după ce programul a fost complet depanat. Pentru a facilita procesul de selecție prin furnizarea unei estimări rezonabile a stocării necesare, capacitatea totală de memorie este de obicei utilizată ca proxy pentru capacitatea programului în timpul fazei de proiectare. Nu există o formulă fixă pentru estimarea capacității necesare de memorie; în timp ce diverse formule apar în literatură, ele urmează, în general, o abordare comună: calculați de 10 până la 15 ori numărul de puncte I/O digitale, adăugați de 100 de ori numărul de puncte I/O analogice și utilizați această sumă ca număr total de cuvinte (unde un cuvânt este egal cu 16 biți) pentru memorie. În plus, ar trebui luată în considerare o marjă de siguranță echivalentă cu 25% din această valoare calculată.
Selectarea funcțiilor de control
Acest proces de selecție implică alegerea unor caracteristici specifice, cum ar fi funcții aritmetice, funcții de control, capacități de comunicare, caracteristici de programare, instrumente de diagnosticare și viteza de procesare.
1. Funcții aritmetice
Funcțiile aritmetice ale controlerelor logice programabile (PLC) simple includ de obicei operații logice de bază, funcții de sincronizare și numărare. PLC-urile standard extind acest lucru pentru a include operațiuni precum transferul de date și compararea. Capacitățile aritmetice mai complexe includ operații algebrice și funcții de transfer de date. PLC-urile-la scară mare încorporează în continuare algoritmi analogici de control PID și alte funcții matematice avansate. Odată cu apariția sistemelor deschise, PLC-urile moderne sunt echipate universal cu capabilități de comunicare; anumite produse pot oferi comunicare cu dispozitive de nivel inferior-, comunicare peer-to-peer cu alte PLC-uri, comunicare cu sisteme gazdă de-nivel mai înalt sau capabilități de schimb de date cu rețelele la nivel de fabrică-sau de întreprindere. Atunci când selectați un model în faza de proiectare, alegerea trebuie să se bazeze pe cerințele specifice aplicației actuale, selectând doar acele funcții aritmetice care sunt cu adevărat necesare. În majoritatea scenariilor de aplicație, operațiile logice de bază, funcțiile de sincronizare și de numărare sunt suficiente; unele aplicații pot necesita transfer de date și capabilități de comparare; în timp ce operațiile algebrice, conversiile numerice și algoritmii de control PID sunt de obicei rezervați pentru aplicații care implică detectarea și controlul semnalului analogic. Operațiuni precum decodarea și codificarea sunt necesare atunci când sunt necesare capacități de afișare a datelor.
2. Funcții de control
Funcțiile de control cuprind algoritmi precum controlul PID, compensarea feed-forward{0}}și controlul raportului; funcțiile specifice selectate trebuie determinate pe baza cerințelor precise de control ale aplicației. Deoarece PLC-urile sunt proiectate în principal pentru controlul logic secvenţial, sarcinile de control analogic în majoritatea scenariilor sunt de obicei gestionate folosind controlere dedicate cu o singură buclă sau cu mai multe bucle. Alternativ, modulele I/O inteligente specializate sunt uneori folosite pentru a executa funcții de control specifice-o strategie care servește la îmbunătățirea vitezei de procesare a PLC-ului și la conservarea capacității de memorie internă. Exemple de astfel de module specializate includ unități de control PID, contoare de mare-viteză, module de intrare analogice cu compensare de viteză și unități de conversie ASCII.
3. Funcții de comunicare
Sistemele PLC la scară medie-{-mare{{2} ar trebui să accepte o varietate de magistrale de teren și protocoale de comunicație standard (cum ar fi TCP/IP). În plus, atunci când aplicația este cerută, aceste sisteme ar trebui să fie capabile să stabilească conexiuni cu rețeaua de management a fabricii (prin TCP/IP). Protocoalele de comunicație trebuie să respecte standardele de comunicații ISO/IEEE și să constituie o rețea de comunicații deschisă.
Interfețele de comunicație ale sistemului de controler logic programabil (PLC) vor include interfețe de comunicație seriale și paralele, porturi de comunicație RIO, interfețe comune DCS și altele asemenea. Pentru sistemele PLC la scară medie--mare-, magistralele de comunicație (inclusiv dispozitivele de interfață și cablurile) vor fi configurate cu redundanță 1:1; aceste magistrale de comunicații trebuie să respecte standardele internaționale, iar raza lor de comunicație trebuie să îndeplinească cerințele reale ale instalației specifice.
În cadrul rețelei de comunicații a sistemului PLC, rata de comunicație a rețelei{0}}de nivel superior va depăși 1 Mbps, iar sarcina de comunicare nu va depăși 60%. Formele primare de rețele de comunicații pentru sistemele PLC sunt următoarele:
1) Un PC acționează ca stație master, în timp ce mai multe PLC-uri ale aceluiași model acționează ca stații slave, formând o simplă rețea PLC;
2) Un singur PLC acţionează ca staţie master, în timp ce alte PLC-uri din acelaşi model acţionează ca staţii slave, formând o reţea PLC master-slave;
3) Rețeaua PLC se conectează la un-DCS la scară largă printr-o interfață de rețea specifică, funcționând ca o subrețea a DCS;
4) O rețea PLC proprietară (o rețea de comunicații specifică produselor PLC ale unui anumit producător).
Pentru a reduce volumul de lucru de comunicare pe CPU-și pe baza cerințelor reale ale configurației rețelei-procesoarele de comunicații echipate cu diferite capacități de comunicare (de exemplu, punct-la-punct, fieldbus) trebuie selectate.
4. Funcții de programare
Modul de programare offline: În acest mod, PLC-ul și dispozitivul de programare au în comun un singur CPU. Când dispozitivul de programare este în „modul de programare”, CPU își dedică serviciile exclusiv dispozitivului de programare și nu controlează dispozitivele de teren. Odată finalizată programarea, dispozitivul de programare trece în „modul de rulare”, moment în care CPU-ul reia controlul dispozitivelor de teren, iar operațiunile de programare nu pot fi efectuate. Modul de programare offline poate reduce costurile sistemului, deși poate fi mai puțin convenabil pentru utilizare și depanare. Modul de programare online: În acest mod, CPU și dispozitivul de programare posedă fiecare propriul procesor dedicat. CPU-ul gazdă este responsabil pentru operațiunile de control pe teren și schimbă date cu dispozitivul de programare într-un singur ciclu de scanare; dispozitivul de programare transmite datele programului nou create sau modificate către CPU gazdă, iar în ciclul de scanare următor, CPU gazdă execută logica sistemului pe baza programului nou primit. În timp ce acest mod implică costuri mai mari, oferă o mai mare comoditate pentru depanarea și operarea sistemului și este frecvent adoptat în sistemele PLC la scară medie---la scară mare. Există cinci limbaje de programare standardizate: trei limbaje grafice-Diagrame de funcții secvențiale (SFC), Diagrame cu scară (LD) și Diagrame cu blocuri funcționale (FBD)-și două limbaje-basate pe text-Liste de instrucțiuni (IL) și Text structurat (ST). Limbajul de programare selectat trebuie să respecte standardul relevant (IEC 61131-3); în plus, ar trebui să accepte diverse forme de programare alternative - cum ar fi C, Basic etc. - pentru a îndeplini cerințele specifice de control ale aplicațiilor specializate.
5. Funcții de diagnosticare
Capacitățile de diagnosticare ale unui controler logic programabil (PLC) cuprind atât diagnosticarea hardware cât și software. Diagnosticarea hardware utilizează logica bazată pe hardware-pentru a identifica locația defecțiunilor hardware, în timp ce diagnosticele software sunt clasificate în diagnostice interne și externe. Diagnosticarea internă implică utilizarea software-ului pentru a evalua performanța și funcționalitatea internă a PLC-ului; diagnosticarea externă implică utilizarea software-ului pentru a evalua capacitățile de schimb de date între CPU-ul PLC-ului și componentele externe, cum ar fi modulele de intrare/ieșire (I/O).
Robustețea funcțiilor de diagnosticare ale unui PLC influențează în mod direct competența tehnică necesară personalului de operare și întreținere, precum și timpul mediu de reparație (MTTR).
6. Viteza de procesare
Controlerele logice programabile funcționează folosind un mecanism bazat-scanării. Din perspectiva cerințelor de-performanță în timp real, viteza de procesare ar trebui să fie cât mai rapidă posibil; dacă durata unui semnal de intrare este mai mică decât timpul de scanare al PLC-ului, controlerul poate să nu detecteze semnalul, ducând la pierderea datelor.
Viteza de procesare este influențată de factori precum lungimea programului utilizatorului, puterea de procesare a procesorului și calitatea software-ului. PLC-urile au timpi de răspuns rapid la contact și viteze operaționale ridicate, timpul de execuție pentru fiecare instrucțiune binară variind de obicei între 0,2 și 0,4 microsecunde (µs); în consecință, sunt potrivite-pentru aplicațiile care necesită un control strict și capabilități de răspuns rapid. Ciclul de scanare (timp de scanare a procesorului) trebuie să îndeplinească următoarele criterii: pentru PLC-urile la scară mică-, timpul de scanare nu trebuie să depășească 0,5 ms la 1.000 de instrucțiuni (0,5 ms/K); pentru PLC-uri la scară medie--mare-, timpul de scanare nu trebuie să depășească 0,2 ms la 1.000 de instrucțiuni (0,2 ms/K).
Tipuri de controlere
Pe baza structurii lor fizice, PLC-urile sunt clasificate în general în două categorii: tipuri integrale (monobloc) și tipuri modulare. Pe baza mediului lor de operare, acestea sunt clasificate în două categorii: unități montate pe teren-și unități montate-cameră de control-. În plus, pe baza lungimii cuvântului CPU, acestea sunt clasificate în sisteme de 1-bit, 4-biți, 8-biți, 16-biți, 32-biți și 64-biți. Dintr-o perspectivă orientată-aplicației, PLC-urile sunt de obicei selectate pe baza funcțiilor lor specifice de control sau a numărului necesar de puncte de intrare/ieșire. Controlerele logice programabile (PLC) de tip-integrat prezintă un număr fix de puncte I/O; în consecință, utilizatorii au o flexibilitate limitată în selecția lor, făcându-i potriviți pentru sistemele de control la scară mică. PLC-urile de tip modular, dimpotrivă, oferă o mare varietate de carduri I/O sau module plug-in, permițând utilizatorilor să selecteze și să configureze în mod rațional numărul specific de puncte I/O necesare pentru sistemele lor de control. Această modularitate facilitează extinderea funcțională convenabilă și flexibilă, făcându-le în general potrivite pentru sistemele de control la scară medie până la mare.
Tipuri de intrare/ieșire
Semnale discrete (cantități de comutare): acestea se referă în primul rând la intrări și ieșiri discrete-în special la contactele auxiliare asociate cu diferite dispozitive. Exemplele includ contactele auxiliare ale unui releu din controlerul de temperatură al unui transformator (care își schimbă starea atunci când transformatorul se supraîncălzește), contactele auxiliare ale comutatorului cu came a unei supape (care își schimbă starea atunci când supapa se deschide sau se închide), contactele auxiliare ale unui contactor (care își schimbă starea când se acționează contactorul) și contactele auxiliare ale unui releu când declanșează starea de suprasarcină (declanșarea releului). Aceste semnale sunt transmise de obicei către un PLC sau un dispozitiv de protecție complet. Alimentarea acestor contacte este asigurată în general de PLC-ul sau de dispozitivul de protecție propriu-zis; întrucât contactele nu au propria lor sursă de alimentare internă, ele sunt denumite „contact pasivi” (sau „contact uscate”) și sunt clasificate ca intrări discrete în contextul PLC-ului sau al dispozitivului de protecție.
1. Cantități digitale
Mărimile fizice care sunt discrete-atât în termeni de timp, cât și de mărime-sunt denumite mărimi digitale. Semnalele care reprezintă aceste mărimi digitale se numesc semnale digitale. Circuitele electronice proiectate să funcționeze folosind semnale digitale sunt cunoscute ca circuite digitale.
De exemplu: Când un circuit electronic este utilizat pentru a număra numărul de piese ieșite dintr-o linie de producție automată, un semnal este trimis circuitului pentru fiecare piesă livrată, determinând-o să înregistreze un număr de „1”. În schimb, atunci când nu sunt livrate piese, semnalul aplicat circuitului este „0”. Astfel, semnalul care reprezintă numărul de părți este discontinuu-atât temporal, cât și cantitativ-făcându-l un semnal digital. Cea mai mică unitate de cantitate în acest context este o singură unitate (1).
2. Cantități analogice
Mărimile fizice care sunt continue-fie ca timp, fie ca mărime-se numesc mărimi analogice. Semnalele care reprezintă aceste mărimi analogice se numesc semnale analogice. Circuitele electronice proiectate să funcționeze folosind semnale analogice sunt cunoscute ca circuite analogice.
De exemplu: semnalul de tensiune ieșit de un termocuplu în timpul funcționării este un semnal analogic. Deoarece temperatura măsurată nu poate suferi salturi instantanee și bruște în nicio circumstanță, semnalul de tensiune rezultat este continuu-atât temporal, cât și cantitativ. În plus, fiecare valoare specifică luată de acest semnal de tensiune în timpul procesului său de variație continuă are o semnificație fizică concretă-și anume, corespunde unei citiri specifice de temperatură. Principii de conversie
1. Un convertor digital-în-analogic (DAC) este un sistem care convertește semnalele digitale în semnale analogice; acest lucru se realizează de obicei prin filtrarea-de trecere joasă. Semnalul digital este mai întâi supus decodării-adică codurile digitale sunt convertite în niveluri de tensiune corespunzătoare pentru a forma un semnal-ca o scară-după care este supus la filtrare-de trecere joasă.
Conform teoriei semnalului și a sistemului, semnalul digital-ca de scară poate fi privit ca convoluția unui semnal eșantionat de impuls-ideal și a unui semnal de impuls dreptunghiular. În consecință, prin teorema de convoluție, spectrul semnalului digital este produsul dintre spectrul semnalului eșantionat de impuls-și spectrul impulsului dreptunghiular (cunoscut sub numele de funcție Sa). Astfel, prin utilizarea reciprocă a funcției Sa pentru compensarea spectrală, semnalul eșantionat original poate fi recuperat din semnalul digital. În plus, conform teoremei de eșantionare, aplicarea filtrelor de trecere joasă-ideal la spectrul semnalului eșantionat produce spectrul semnalului analogic original.
În implementările practice, aceste principii teoretice nu sunt aplicate direct, deoarece generarea de semnale ascuțite, ideale eșantionate este o provocare tehnic. Prin urmare, aceste două etape de filtrare (compensarea funcției Sa-și filtrarea ideală cu trecere joasă-) sunt de obicei combinate (în cascadă). Mai mult, deoarece caracteristicile ideale de filtrare cerute de acest sistem sunt fizic irealizabile, sistemele actuale pot oferi doar o aproximare a acestui proces.
2. Un convertor analog-la-digital (ADC) este un sistem care convertește semnalele analogice în semnale digitale; acest proces implică filtrarea, eșantionarea și păstrarea și codificarea.
Semnalul analogic suferă mai întâi filtrarea de-limitare a benzilor și trece printr-un circuit de probă-și-reținere, transformându-se astfel într-un semnal de-ca o scară. Ulterior, acest semnal trece printr-un encoder, care convertește fiecare nivel de tensiune distinct din semnalul de scară într-un cod binar corespunzător.