Применение средств вычислительной техники в системах автоматизации – важнейшая черта технической инфраструктуры современного общества. Уровень развития промышленности, транспорта, систем связи и других технических объектов существенно зависит от применения микропроцессорных систем управления.

Для управления технологическими процессами и объектами в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) широко используются микропроцессорные управляющие устройства – контроллеры, предназначенные для реализации алгоритмов управления в реальном масштабе времени. При этом наиболее часто используются программируемые логические контроллеры (ПЛК).

ПЛК выполняют операции сбора и обработки данных по прикладной программе пользователя, с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства. Прикладные программы для ПЛК (специальное программное обеспечение – СПО ПЛК) разрабатываются на ПК с применением инструментальных пакетов программ – средств проектирования специального СПО ПЛК, а затем заносятся в память контроллера.

При решении задач управления центральное процессорное устройство контроллера (ЦПУ) выполняет циклическую (непрерывно повторяемую через заданный интервал времени) обработку программного кода. При этом ПЛК реализует по заданной программе процессы приема измерительных сигналов, обработки данных и выдачи управляющих сигналов через модули ввода/вывода.

Применяемые совместно с ПЛК в АСУТП АРМы операторов – виртуальные пульты контроля и управления (ВПУ) – реализуются на персональных компьютерах общего назначения или промышленных (защищенных от внешних воздействий, повышенной надежности).

СПО ВПУ формируется с применением инструментальных пакетов программ – SCADA-пакетов (SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition, диспетчерское управление и сбор данных). Сформированное для АРМа оператора СПО ВПУ называют SCADA-продуктом.

Архитектура автоматизированного производственного комплекса, сформированного с применением аппаратно-программных средств автоматизации, приведена на рисунке 1.


Рисунок 1 – Архитектура автоматизированного производственного комплекса

В дискретных производствах, в которых, в частности, применяются станочное оборудование, промышленные роботы различного назначения, ПЛК – подсистема второго уровня управления, АРМ оператора относят к третьему уровню. На первом уровне применяются системы числового программного управления отдельными технологическими объектами (СЧПУ). На первом уровне управления также могут применяться различные встроенные подсистемы управления, автоматические регуляторы, датчики со средствами аварийной сигнализации.

ПЛК (PLC – Programmable Logic Controller) были разработаны для замены релейноконтактных схем управления, собранных на дискретных компонентах: реле, таймерах, счетчиках, элементах жесткой логики. Принципиальное отличие ПЛК от устройств – прототипов заключается в том, что в ПЛК алгоритмы управления реализованы программно. При этом надежность работы устройства не зависит от сложности реализуемого алгоритма.

Использование программируемых логических контроллеров позволяет не только увеличить надежность системы, минимизируются затраты на ее тиражирование, ввод в эксплуатацию и обслуживание. ПЛК имеют развитые средства для ввода и вывода информации, могут принимать, обрабатывать и выдавать дискретные и аналоговые сигналы, то есть работать с различными датчиками параметров управляемых объектов, управлять клапанами, сервоприводами, преобразователями частоты и другими исполнительными устройствами.

При разработке СПО ПЛК программистом на ПК (например, с применением инструмен-тальных средств WinPLC7 для контроллеров семейства Simatic S7 корпорации Siemens AG) разрабатывается исходный программный файл, который затем компилируется в программный код – СПО ПЛК. Файл СПО после компиляции передаётся, через последовательный интерфейс связи, из ПК в ЦПУ ПЛК. Процесс разработки иллюстрируется рисунком 2.


Рисунок 2 – Разработка СПО ПЛК

В отличие от микроконтроллеров (однокристальных микрокомпьютеров) – микросхем, предназначенных для реализации относительно простых алгоритмов, для формирования встроенных средств управления отдельными устройствами, областью применения ПЛК, как правило, являются АСУТП, системы автоматизации процессов промышленного производства.

В отличие от компьютеров, ПЛК имеют развитые устройства ввода сигналов датчиков и устройства вывода сигналов на исполнительные устройства объекта управления. ПК производит вычисления, реализует заданные алгоритмы в режиме произвольного времени. Требуемые для реализации алгоритма данные запрашиваются и обрабатываются в процессе выполнения программы «от пуска до останова». Программа ПК не будет выполняться, пока не будут получены требуемые данные. ПК получает данные для работы от пользователя, из базы данных или по сети, перерабатывает их и выдает результаты на дисплей, либо сохраняет данные в памяти.

ПЛК предназначен для управления процессами в режиме реального времени. Программа в ЦПУ ПЛК не останавливается после однократной реализации. Алгоритм повторяется в «бесконечном» цикле, постоянно запрашивая новые данные от источников входных сигналов, непрерывно формирует управляющие воздействия на объект управления. В общем случае, количество контролируемых параметров (вводимых электрических сигналов) и формируемых управляющих сигналов может быть достаточно большим, достигать десятков единиц. Поэтому модули ввода/вывода являются, наряду с ЦПУ, важнейшими составляющими частями ПЛК.

В отличие от встраиваемых средств автоматизации ПЛК устанавливается в шкафах управления отдельно от управляемого при его помощи оборудования.

Для программирования ПЛК используются, как правило, стандартизированные языки стандарта МЭК 61131-3, в их числе приведенные ниже, с принятыми условными обозначениями.

Инструменты программирования ПЛК на языках МЭК 61131-3 могут быть специализированными для отдельного семейства ПЛК (например, STEP 7 для контроллеров SIMATIC S7-300/400) или универсальными, работающими с несколькими типами контроллеров (CoDeSys).

Применение ПЛК, как интегрированных средств автоматизации, характерно при создании АСУТП как для новых промышленных объектов, так и при модернизации предприятий. При этом, с применением рассматриваемых средств автоматизации, вводятся новые, модифицируются имеющиеся АСУТП. Современные технические средства автоматизации характеризуются высокой надёжностью, их функциональные возможности обеспечивают высокое качество управления.

Применение ПЛК в народном хозяйстве современного общества.

Сегодня сложно указать область технологической деятельности человека, в которой не применяются или не могли бы применяться ПЛК для автоматизации управления оборудованием и сбора данных. Примеры применения ПЛК для относительно простых задач управления:

а) управление насосами для порогового регулирования уровня жидкости в бойлере, в соответствии с рисунком 3. На дискретные входы ПЛК (0, 1) принимаются сигналы с датчиков уровня жидкости; программа ПЛК формирует дискретные управляющие воздействия (0, 1) на исполнительные механизмы (основной и резервный вентили, оснащенные электроприводами);


Рисунок 3

б) управление режимом работы парового котла, в соответствии с рисунком 4. На аналоговые входы ПЛК поступают сигналы с датчиков расхода (газ, воздух), на вентиль управления потоком воздуха с электроприводом поступают сигналы управления с аналогового выхода ПЛК.


Рисунок 4

Варианты применения ПЛК можно группировать по типам автоматизируемых процессов, применяемому оборудованию.