Понятие и структурная схема контроллера

Автоматизированные производственные системы

Автоматизация объекта управления, в качестве которого может выступать машина или ее часть, отдельный аппарат или любое другое техническое устройство, заключается в обеспечении работы данного объекта посредством устройства управления. Создаваемая с этой целью автоматизированная система будет функционировать по заданному алгоритму с учетом параметров состояния объекта управления. При этом человек (оператор) не принимает участия в непосредственном управлении работой объекта, а только контролирует ход процесса, имея возможность вмешательства в процесс управления.

 На рис. 1. приведена структурная схема автоматизированной системы управления (АСУ) автономным объектом.

Как следует из рис. 1. объект управления и устройство управления образуют замкнутый контур, по которому непрерывно циркулирует информация различного функционального назначения. С одной стороны, в устройство управления поступает информация от датчиков о состоянии объекта, полученная путем измерения физических величин процесса, а с другой — от устройства управления на объект поступают управляющие воздействия, которые с помощью исполнительных механизмов изменяют состояние объекта в соответствии с алгоритмом управления. Находящийся у пульта оператор может наблюдать за работой объекта управления благодаря различным средствам отображения информации (звуковая и световая сигнализация, мнемосхемы, дисплеи и т. п.) и при необходимости вмешиваться в рабочий процесс (например, при отклонении от расчетного режима работы).

 

В производственных системах наиболее часто встречаются логические процессы управлениях информации в которых имеет дискретный или двоичный характер. Такие процессы формируются по логическому принципу:

ЕСЛИ......,

ТО......,

ИНАЧЕ......,

где вместо точек следует подставлять условия и следствия, например:

ЕСЛИ шток пневмоцилиндра полностью выдвинут,

ТО включить привод конвейера,

ИНАЧЕ (т. е. шток пневмоцилиндра не занял нужное положение)

не включать привод конвейера.

Локальное логическое управление технологическим оборудованием дискретного действия сводится к формированию управляющих сигналов для исполнительных устройств с релейной характеристикой. Иными словами, в этом случае контроллер реализует элементарные управляющие воздействия типа «включить», «отключить», «реализовать выдержку времени» и т. п. Подобные воздействия передаются на объект управления в некоторые дискретные моменты времени в соответствии с алгоритмом управления, образуя определенную временную последовательность.

 

 

1.2. Устройство и работа программируемых логических контроллеров ПЛК

 

Программируемый логический контроллер (ПЛК) является универсальным средством автоматизации производственных процессов. Его применение в автоматизированных системах управления обеспечивает высокоэффективную обработку информации, поступающей от объекта управления, и реализацию управляющих воздействий.

 

Понятие и структурная схема контроллера

Контроллером в широком смысле этого слова называют любое устройство управления каким либо техническим объектом. В более узком смысле под контроллером понимают устройство управления, работающее в соответствии с определенным алгоритмом (программой). Подобное устройство, выполненное с применением интегральной технологии, получило название микроконтроллера. Возможность применения модулей памяти с целью хранения программ позволила из менять алгоритм его работы для решения конкретной задачи, что привело к появлению программируемых микроконтроллеров. Программируемый микроконтроллер представляет собой специализированную управляющую микроЭВМ, работающую в режиме реального времени (online) в соответствии с некоторой рабочей программой, размещенной в ее памяти. Данные устройства, ориентированные на реализацию ал-

горитмов логического типа, позднее стали называть программируемыми логическими микроконтроллерами или просто программируемыми логическими контроллерами (ПЛК).

Современные ПЛК характеризуются невысокой стоимостью, малыми габаритами, небольшой потребляемой мощностью и высокой надежностью, а их конструктивное исполнение допускает использование контроллеров в тяжелых производственных условиях непосредственно у объекта управления. По сравнению с традиционными релейными устройствами с жесткой структурой управления (жесткой логикой) ПЛК отличаются развитыми функциональными возможностями, обеспечивающими простоту смены алгоритма управления при изменении технологического процесса. Основным блоком программируемых логических контроллеров является центральноепроцес-

сорное устройство — ЦПУ (или модуль центрального процессора), которое реализует команды (инструкции) управляющей программы, передачу информации к другим устройствам и ее прием от них. В зависимости от решаемых задач ЦПУ может дополняться модулями расширения, позволяющими, например, увеличить число входов/выходов контроллера, осуществлять работу с аналоговыми сигналами, поддерживать специализированный интерфейс и др.

В составе ЦПУ можно выделить следующие функциональные узлы (рис. 1.4):

• центральный процессор (ЦПУ);

• запоминающее устройство памяти программ (ПЗУ, постоянное запоминающее устройство);

• запоминающее устройство памяти данных (ОЗУ, оперативное запоминающее устройство);

• контроллеры ввода/вывода;

• коммуникационный процессор.

 

Для различных по сложности и быстродействию ПЛК контроллеры ввода/вывода, а также коммуникационные процессоры могут быть реализованы с помощью как аппаратных, так и программных средств. Центральный процессор является основным узлом любой программируемой системы управления технологическими процессами. Все операции, реализуемые в такой системе, инициируются ЦПУ, хотя иногда они могут выполняться и без его непосредственного участия. Следует отметить, что центральный процессор ПЛК имеет ряд особенностей, отличающих его, например, от персонального компьютера.

 

Рис. 2.  Обобщенная структура ЦПУ (двойные стрелки означают связи посредством передачиданных, одинарные — по сигналам управления)

Рабочий цикл ПЛК

 

Работа ПЛК осуществляется в циклическом режиме. Фазы рабочего цикла можно описать таким образом, как это представлено в табл. 1.1.

 

 

Цикл работы контроллера может строиться по следующим схемам:

а) в самом начале цикла производится выборка (опрос) всех входов; выходы возбуждаются (т. е. формируются сигналы управления) лишь по окончании решения всех уравнений;

б) в начале цикла производится выборка всех входов; выходы возбуждаются по запросу (наример, по окончании решения каждого уравнения);

в) в цикле поочередно осуществляются считывание значений переменных, проведение связанной с этим действием логической обработки данных и возбуждение выходов.

Время, за которое совершается цикл работы, называют временем цикла сканирования (временем сканирования или просто сканом). Время сканирования является одной из основных характеристик ПЛК, поскольку оно определяет быстроту его реакции на изменение состояния объекта управления. В современных программируемых контроллерах это время непрерывно контролируется с помощью так называемого сторожевого таймера (WatchDogTimer). Цикл счета сторожевого таймера устанавливается большим, чем цикл сканирования контроллера, и таймер программно

сбрасывается и запускается в каждом очередном цикле. При сбое в работе программы или отсутствии какого-либо входного сигнала время сканирования может превысить время счета сторожевого таймера, в результате чего последний выдаст аварийный сигнал внутреннего прерывания, который используется для остановки контроллера и сообщения о возникшей аварийной ситуации.

 

Контрольные вопросы

1. Опишите структурную схему автоматизированной системы управления (АСУ).

2. Назовите наиболее часто встречающиеся логические процессы управления информацией.

3. Что представляет собой локальное логическое управление.

4. Дайте определение и расшифруйте обозначение понятия ПЛК.

5. Что такое контроллер?

6. Какие функциональные узлы входят в состав ЦПУ?

7. Опишите фазы рабочего цикла контроллера.