Программируемые логические контроллеры. устройство и принцип работы

Промышленный контроллер «Бук»

Рис. 7. Внешний вид сборки контроллера на базе модулей ПЛК «Бук»

ПЛК «Бук» (рис. 7) разработан петербургской компанией «КОНТИНЕНТ» и предназначен для управления технологическими и производственными процессами, системами обеспечения жизнедеятельности человека и системами безопасности. ООО «КОНТИНЕНТ» является одним из ведущих предприятий-разработчиков, изготовителей и поставщиков радиоэлектронного оборудования в отраслях транспортного машиностроения и промышленной автоматизации. ПЛК «Бук» имеет модульную структуру. На DIN-рейку устанавливается центральный процессор с широким набором коммуникационных интерфейсов (Ethernet, RS-485, CAN), к нему по внутренней шине, расположенной прямо в DIN-рейке, присоединяются модули расширения. Ширина типового модуля расширения на 8 каналов составляет всего 35 мм. Данная сборка может быть установлена как в шкаф с электрооборудованием, так и на отдельное основание для произвольного размещения. Другие возможности ПЛК «Бук»: транспортное исполнение, произвольная аппаратная конфигурация, цифровые входы 24 В, релейные выходы, аналоговые входы напряжения и тока, аналоговые выходы напряжения, обработка термосопротивлений, встроенная SD-карта для журнала, часы/календарь с ионистором, универсальный пульт управления по RS-485.

Пользователь ПЛК «Бук» программирует свои задачи с помощью ISaGRAF 6 Workbench. Исполнительная система — ISaGRAF 6 Fiord Target версии 5.41 с поддержкой Modbus RTU/TCP Master/Slave. Системный уровень ПО контроллера — Digi Embedded Linux на основе ядра Linux 2.6.35 для ARM-процессоров.

Недостатки

Литература

• Э. Парр. Программируемые контроллеры: руководство для инженера. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. — 516 с. ISBN 978-5-94774-340-1
• Петров И. В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования / Под ред. проф. В. П. Дьяконова. — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. — 256 c. ISBN 5-98003-079-4
• Денисенко В. В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. — М: Горячая Линия-Телеком, 2009. — 608 с. ISBN 978-5-9912-0060-8
• Минаев И. Г. Программируемые логические контроллеры. Практическое руководство для начинающего инженера. /И. Г. Минаев, В. В. Самойленко — Ставрополь: АГРУС, 2009. — 100 с. ISBN 978-5-9596-0609-1
• Минаев И. Г. Программируемые логические контроллеры в автоматизированных системах управления / И. Г. Минаев, В. М. Шарапов, В. В. Самойленко, Д. Г. Ушкур. 2-е изд., перераб. и доп. — Ставрополь: АГРУС, 2010. — 128 с. ISBN 978-5-9596-0670-1
• О. А. Андрюшенко, В. А. Водичев. Электронные программируемые реле серий EASY и MFD-Titan. — 2-е изд., испр. — Одесса: Одесский национальный политехнический университет, 2006. — С. 223.
• Минаев И.Г. Свободно программируемые устройства в автоматизированных системах управления / И.Г. Минаев, В.В. Самойленко, Д.Г. Ушкур, И.В. Федоренко — Ставрополь: АГРУС. 2016. — 168 с. ISBN 978-5-9596-1222-1

Общая информация

Программируемый контроллер для автоматизации производства siemens, или ПЛК, является цифровым компьютером, который используется для любых производственных направлений, от электромеханических процессов, таких как контроль машин на заводе, сборочных линий, аттракционов, или светильников, до сложных роботов и станков ЧПУ.

ПЛК используются во многих отраслях промышленности и машиностроения. В отличие от компьютеров общего назначения, ПЛК предназначен для:

• нескольких входных и выходных сигналов,
• расширенных температурных диапазонов,
• у него иммунитет к электрическим помехам
• повышенные показатели устойчивости к вибрации и ударам.

Программы для управления работой обычно хранятся в энергонезависимой резервной копии или энергонезависимой памяти. Siemens микроконтроллеры является примером жесткого контроля системы в реальном времени: вместе с выходными сигналами, на процессор поступает сигнал ответа, если в течение нескольких секунд ответного импульса не было – система прекращает работу и фиксирует данные.

Как и обещал, программирование промышленных контроллеров Siemens

Siemens занимает 37 процентов мирового рынка автоматизации. Сегодня существует контроллеры 300, 400, 1200, 1500 серии. 300 и 400 серии проверенные, устаревшие, надежные, контроллеры. Уже несколько лет, представители Siemens утверждают что эти серии перестанут выпускать- однако, они выпускаются и еще долго будут выпускаться(мое мнение)

Сегодня будем разбирать программирование 300 и 400 серий. Выглядят оно как на картинке сверху. Заранее оговорюсь, 300 и 400 серии программируются в среде Simatic Step 7, а 1200 и 1500 программируются в TIAPortal.(По пожеланию, кому интересно, могу сделать пост по TIA)

Непосредственно к самому программированию. Для начала нужно сконфигурировать Hardware. Что это такое? Допустим Вам требуется что то автоматизировать, и в зависимости от поставленных задач, выбираете контроллер под определенные задачи из определенной серии. У нас в примере выбран S7 315 2-DP. Иначе говоря мы говорим среде что мы будем писать программу для вот именно такого контроллера к которому по ProfiBus’у подключена децентрализованная периферия(кому нужно, могу подробно сделать отдельный пост). На картинке выше показано что у нас 315 2-DP и к нему подключено 5 корзин и в выделенной корзине, установлены модули 3 Analog Input, 2 Digital Output, 1 Analog Output, 1 CP 341(для подключения к какому устройству по RS485)

На второй картинке в папке Bloks находятся куча блоков. Существуют основные блоки OB, FB, FC, DB, DT, VT которые вы можете создать.

Даже не знаю как проще обьяснить(привет из лиги лени). Оооооочень грубо говоря, в ОВ1 построчно будет обрабатываться ваша программа. Существует ОВ1,ОВ10-17, ОВ20-23, ОВ30-38, ОВ40-47, ОВ55-57, ОВ60(Если кому надо, напишу отдельно подробно)

FB(функциональный блок)-для удобства, вы можете написать программу в функциональном блоке и вызвать его в OB1. Попробую проще обьяснить- у Вас стоит задача управления 4 одинаковыми насосами. Чтоб 4 раза не писать программу управления для каждого, просто пишите программу управления в функциональном блоке и 4 раза вызываете в OB1 и привязываете соответствующие входы и выходы.

DB- дата блоки, блоки где хранятся данные. Если Вы написали программу, где производите какие то операции над числами, Вам нужно их где то хранить. Вы и указываете номер DB и адрес в нем.

DT, VT- честно, сам не использую, и описывать не буду. (если кому нужно, . напишу)

На картинке мой OB1, как вы видите, я вызываю функциональные блоки- привязываю входные ножки и указываю DB. Это сделано на языке программирования FBD(об этом позже)

Так выглядит мой функциональный блок- язык FBD

Наконец-то добрались к языкам программирования. STL, FBD, LAD- их 3

STL- это язык программирования Список операторов. Мне кажется этот язык больше похож на Ассамблер.

LAD- язык программирования для «электриков», релейные схемы(графический язык)

FBD- язык программирования для «электронщиков» блочные схемы(графический язык)

Это на языке STL

Тоже самое, только в LAD

То же самое, на FBD

Выделим основные моменты:

2) Для удобства- нужно заполнить таблицу символов(блин,вспомнил в конце поста)

Смотрите, допустим у Вас 2 насоса, которыми нужно управлять. Вы создали 2 корзины в HW, поставили модуль Analog Input(допустим для контроля вибрации в подшипниках). Когда вы в HW ставите модуль- он автоматически прописывает адреса входов(3 картина). в моем примере 448. 463. И в папке S7 Program. в следующем фото

в этой папке есть таблица символов. Открываем его.

Вот, пишем удобный и понятный для Вас символ и прописываем ему адрес. Для Analog Input — PIW . для Analog Output — PQW. для Ditgital Input — I. для Ditgital Output — Q .

3) Выбираете удобный для Вас язык программирования и начинаете работать

Понимаю, что все ооочень поверхностно, ну как смог.

Место ПЛК в системе управления

До создания миниатюрных интегральных схем рука оператора буквально не успевала переключать режимы на пульте цепи управления. Использование контроллерных блоков «Сегнетикс», «Дельта» и подобных способствовало снятию нагрузки с человека.

Ее переложили «на плечи» машин с выводом на экран данных мониторинга, отображенных в виде мнемосхем и изменяемых параметров. На ПЛК возлагаются задачи по опросу датчиков и регистров, обработке поступающей информации.

Без микроконтроллеров не было бы РСУ, АСУ, сложных автоматных комплексов управления технологическими процессорами. Используя сетевой трафик, ПЛК анализируют данные, успевая проверять состояние портов входа. Главный недостаток, особенность микроконтроллеров состоит в необходимости прошивки, создания программы для работы.

Впрочем, его следует воспринимать двояко: индивидуально создаваемое ПО позволяет проектировать узкоспециализированные изделия под конкретные задачи.

Ограничения ПЛК

ПЛК имеет ограниченную память, программное обеспечение и периферийные возможности, по сравнению с персональным компьютером ПК. Управление движением (например, робототехника или сложная автоматизированная система) требует огромного количества входов/выходов, требующих дополнительных модулей управление ПЛК или внешней электроники. Тем не менее, стоит отметить, что компьютер способен обрабатывать гораздо большее количество информации, причем быстрее, что может значительно уменьшить физический размер и обеспечить необходимую вычислительную мощность для внедрения систем машинного зрения, управления движением и обеспечить быструю обработку больших потоков данных. Постоянный рост обрабатываемой информации связан с постепенным внедрением некоторыми компаниями промышленных интернет вещей IIoT в производственные линии и промышленные объекты, которые требуют больших вычислительных мощностей.

Оригинальные производители оборудования (англ. original equipment manufacturer OEM) способны увеличить производительность оборудования, позволяя машинам одновременно выполнять несколько операций. Максимально интенсивные И/ИЛИ вычисления критически важных процессов, запущенных одновременно, может привести к перегрузке программируемого логического контроллера. Для уменьшения времени обработки критически важных процессов машины могут использовать несколько вычислительных платформ. Как правило, они включают в себя один или несколько контроллеров движения и один или более наблюдающий процессор, который поддерживает интерфейс оператора для программирования, информации работы машины, сбора данных, функции техподдержки. Однако, использование нескольких процессоров является более дорогим. Новое программное обеспечение, ориентированное на платформы ПК, может помочь решить данную проблему, хотя…

ПК не так надежен и ему трудно «выживать» в промышленных условиях, таких как повышенная запыленность и влажность. Использования ПК с боле сложным программным обеспечением или большим количеством программных опций, занимает гораздо больше времени для обучения обслуживающего персонала. Усовершенствованное программное обеспечение может потребовать наличие программиста для проведения технического обслуживания, а также выполнение ремонтных работ и установки обновлений. Программное обеспечение ПЛК может быть базовым, но имеющие свои проверенные временем стандартные языки, которые могут обеспечить долговечность устройства, несмотря на его скорость и линейный характер.

ПЛК обычно используют в отрасли стандартный набор языков программирования (МЭК 61131-3), в том числе LAD диаграммы. LAD диаграммы строятся по аналогии с электрическими схемами, что позволяет значительно упростить обучение персонала, проведения технического обслуживания и ремонта. В большинстве случаев вполне возможно обойтись без программиста. Другой язык из стандарта МЭК 61131-3 — структурированный текст, который похож на язык «высокого уровня». Тем не менее, использование других нестандартных языков высокого уровня, таких как C ++ или Visual Basic, может быть трудно с ПЛК. Только в последнее время новые программные инструменты позволяли пользователям общаться с ПЛК так, как если бы это был обычный ПК.

Последовательная программа ПЛК сканирует все инструкции в каждом цикле. Цикл сканирования занимает примерно 10 мс или чуть больше. После завершения выполнения всех инструкций программа переходит к следующему сканированию. Если инструкция не выполняется в установленное время, то это вызывает сообщение об ошибке и выполнение программы прекращается. Это программное обеспечение жесткого времени может ограничивать продолжительность программы и любые входные сигналы с частотой менее 100 Гц.

Например, если необходимо обрабатывать сигнал от датчика скорости с номинальными оборотами 1200 об/мин (частота сигнала 1200/60 = 200 Гц), микроконтроллер на базе ПЛК не может корректно измерять скорость используя такой вход. Необходима интеграция специального модуля с декодером или счетчиком на интегральных микросхемах, который преобразует сигнал от датчика в нормально-обрабатываемый микроконтроллером. Такие преобразовательные модули часто используются во многих системах. Также стоит отметить и необходимость модулей вывода на примере управление соленоидом с частотой работы ШИМ в 10 кГц. Для управления таким устройством с помощью ПЛК необходим модуль вывода с ШИМ генератором. Добавление таких модулей увеличивает стоимость системы в 2-3 раза.

Советы и рекомендации при выборе программируемого логического контроллера

Покупая программируемый логический контроллер для какого-либо из своих механизмов, нужно следовать некоторым нюансам. Иначе можно ошибиться с выбором. Рассмотрим их подробнее:

перед покупкой следует осмотреть модель на наличие видимых дефектов

Если они присутствуют, необходимо выбрать другой контроллер;
если вам нужен контроллер для небольших механизмов, то не стоит покупать модель премиум-класса
Также и для больших устройств не подойдут бюджетные варианты;
очень важно обращать внимание на максимальное напряжение, с которым может работать устройство. Если напряжение вашей рабочей сети 380 Вольт, то контроллер обязательно должен его поддерживать.

Что такое микро ПЛК (микроконтроллер PLC)?

Разработки более новых технологий в области производства микроэлектроники явились результатом создания компактного  недорогого прибора — микро ПЛК. Соотношение цена / качество для этого устройства превышает аналогичные показатели индустриальных программируемых реле.

Обладающий расширенным функционалом и улучшенным аппаратным интерфейсом, программируемый логический микроконтроллер всё чаще рассматривается в качестве замены традиционных программных релейных устройств

Ниже отмечены некоторые из преимуществ микро ПЛК перед программируемым реле:

• модульная расширяемость,
• лучшее соотношение цена / качество,
• увеличенное число опций коммуникаций,
• легко добавляемый полнофункциональный интерфейс оператора,
• легко создаваемые сложные программы управления.

Современные микро ПЛК поставляются различными по модельному исполнению, имеют встроенный ввод / вывод и съёмные клеммные колодки для удобного подключения. Дополнительными модулями обеспечивается расширение интерфейса ввода / вывода, если таковое необходимо.

Процессоры микро ПЛК обеспечивают различные комбинации дискретных и аналоговых входов, дискретных и аналоговых выходов. Допустимо расширение до 142 дискретных входов / выходов или 54 аналоговых каналов.

Техническая конфигурация современного микроконтроллера ПЛК

Модели микро ПЛК, оснащённые часами реального времени, предлагают различные варианты связи. Встроенная связь может включать многоцелевой порт Ethernet 10/100 Мбит/с для:

• программирования,
• подключения к сети,
• управления устройствами через протокол Modbus TCP.

Другие опции связи в микро ПЛК включают порты связи RS-232 для программирования / настройки протоколов MODBUS RTU (ASCII). Связь RS-485 также доступна для конструкций подобного рода. Эти параметры связи позволяют легко подключаться к широкому спектру терминалов интерфейса оператора.

Вид электронной платы одной из моделей микроконтроллера, которая наглядно демонстрирует преимущества устройства по габаритным размерам с учётом более выраженных функциональных возможностей

Независимо, используется ли последовательный порт или Ethernet, простое подключение обеспечивает расширенные возможности текстового и графического отображения на сенсорном экране. По размерам экран ПЛК больше, чем у программируемых реле.

Ограниченный набор команд сокращает время обучения, среда программирования на ПК предоставляется бесплатно. Микро ПЛК обеспечивает более масштабируемое решение, нежели программируемое реле, обеспечивая пространство для дальнейшего расширения.

По мере того, как индустриальная машина обновляется (совершенствуется), в состав микро ПЛК допускается внедрять более сложное программирование и дополнительные операции ввода-вывода. Однако для программируемых реле существуют ограничения наращивания ресурса.

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.

Отличия Modbus TCP и EtherCAT

Таким образом, если от одного устройства необходимо передать 4 байта данных, то мы имеем коэффициент полезного действия сети 8,7%. А если учесть служебные данные и межпакетный интервал, то КПД снижается до 4,7%.

Поэтому EtherCAT использует другой подход к передаче данных, называемый обработка «На лету».

Каждый пакет считывается устройством «на лету» одновременно с отправкой дальше. Вставка данных происходит аналогичным образом. Все устройства в сети работают с одной посылкой, последовательно обрабатывая её. Таким образом достигается КПД до 90%. Благодаря использованию в каждом ведомом устройстве специальной микросхемы, которая и занимается обработкой данных, задержка посылки на каждом узле составляет всего несколько наносекунд.

Схемы, приведенные ниже показывают различия в функционировании между Modbus TCP EtherCAT.

Таким образом, еще раз подчеркнем все преимущества и недостатки EtherCAT.

Преимущества:

• EtherCAT — это современная технология, учитывающая растущие потребности рынка
• Для работы используется стандартное оборудование для сетей Ethernet (свичи, маршрутизаторы, витая пара), которое имеет низкую цену.
• В отличие от Modbus, настройка сети и распределение адресов происходит автоматически. Пользователю для этого не нужно настраивать каждое устройство в отдельности.
• Большое и постоянно растущее количество оборудования от различных производителей (на сегодняшний день более 1000 компаний входят в EtherCAT Technology Group).
• Высочайшая производительность сети, обусловленная двумя факторами: ширина канала передачи данных 100 Мбит/с и высокий КПД при передаче.

Всё это позволяет работать в реальном времени с огромными объемами данных, не замечая никаких задержек.

Недостатки:

• Спецификация протокола доступна только членам EtherCAT Technology Group. Следовательно, реализовать его на любом контроллере нельзя.
• Для работы каждому ведомому устройству требуется специальная интерфейсная микросхема, что несколько повышает стоимость EtherCAT-обрудования.

Данный график показывает производительность при опросе 1000 дискретных точек ввода/вывода, распределенных между 50 ведомыми устройствами (для EtherCAT это время составляет всего 30 микросекунд). На графике производительность сети EtherCAT взята за 100%.

Типы контроллеров

Компания Сименс предлагает насколько вариантов таких устройств, каждый из них предназначен для работы в определенной системе

Программируемые контроллеры или модули Siemens LOGO. Серия Лого – это хорошая поддержка и качество прибора по доступной цене. Благодаря его специально разработанному процессору, можно выполнять команды средней сложности и при этом не занимать больших площадей. Из 8 основных логических функций и 30/35 специальных функций, LOGO! Логический модуль, может заменить большое количество обычных коммутационных и управляющих устройств.

Положительные качества:

1. Быстрый монтаж;
2. Стоят недорого;
3. Небольшие размеры.

Используя ПИД Siemens LOGO, можно добиться следующих результатов: свободно настроить таймеры приборов, проработать уровни принимаемых сигналов и их качество, проверить корректность работы приборов, зафиксировать все данные про работу, подключить прибор к трехфазной сети при помощи специального коммутатора Сименс, настроить монитор на отображение уровня получаемых сигналов, сэкономить на использовании других контроллеров, типа ПК и т.д

Оптимальный контроллер для каждой задачи — ПЛК на основе ПК.

Контроллер siemens s7-200 simatic применяется в качестве логических модулей для решения простых задач управления, подключения к классическим модульным ПЛК, контроля приборов на базе ПЛК к которому его подключают, даже в экстремальных условиях.

Есть SIMATIC контроллеры для решения небольших задач автоматизации, и для очень сложных программных процессов. Их главными преимуществами является отличное качество и быстрая наладка, а также возможность подключаться к уже настроенному модулю. Достоинства серии Сименс Стигматик:

1. Полный набор математических функций;
2. При помощи модернизируемых микромодулей, которые подключаются к прибору, есть возможность настройки и перенастройки не только на разные частоты управления, но и направления в целом (к примеру, переналадка станков или небольших установок);
3. Доступна коммутация с такими сетями, как Industrial Ethernet/Internet, AS Interface, MODBUS и слайв;
4. Контроль систему АСУ и АСУ ТП;
5. Благодаря наличию встроенного интерфейса, есть возможность установки связи напрямую с другими контроллерами;
6. При необходимости передача сигналов на GSM-устройство;
7. Уникальная функция фиксации и хранения определенное количество времени данных;
8. В основном эти контроллеры серии Siemens применяется для вентиляции и отопления, контроля электроэнергии и среднемощных установок;
   Контроллер Сименс RLU220 для вентиляции
9. Хост полностью настраиваемый, не нужно специальное бучение для работы за устройством;
10. Программирование производится своими руками, при использовании простого и достаточно доступного обеспечения типа Виндовс.

Siemens контроллеры s7-300 и s7-1200 simatic – это технические устройства высшего уровня. Их применение необходимо при отладке и контроле производственного процесса на высокоточном оборудовании, шлифовальных станках на программном управлении, роботов, лазеров, регулирование асинхронных двигателей и прочего.

Основные достоинства:

1. Существует широкий выбор вариантов, оптимально подходящих по стоимости и качеству;
2. Можно полностью перенастроить прибор, модернизировать его, добавить новые функции при помощи дополнительного модуля либо форматировать часть программного обеспечения для ускорения процесса загрузки;
3. Работа прибора не зависит от температуры;
4. Достаточно широкие характеристики наладки подключения к прочим периферийным механизмам. Это Профинет Профибус и omron;
5. Дискретные модульные программы типа SM321, SM322, SM323, SM32 и аналоговыеSM331, SM332, SM334, ES335, сигналы позволяют подключаться контроллеру к всевозможным датчикам и фиксировать улавливаемое действие со стороны дополнительных модулей;
6. Очень простой процесс настройки и перенастройки, при помощи специального уравнения, которое вводится в систему;
7. Продолжительный срок эксплуатации, подробное руководство пользователя;
8. Недостатки – высокая цена.

Перед покупкой обязательно проверяется вся документация: это паспорт, сертификат. Часто контроллеры Siemens в России продаются из контрабандных источников, поэтому внимательно читайте описание.

Стоимость контроллеров – несколько тысяч рублей, в зависимости от их марки. Официальные представители компании Сименс (есть в Москве, Днепропетровске, Донецке, Одессе, Харькове и др.) часто делают скидки на продукцию, работает система лояльности, посетите центры обслуживания клиентов – и Вы получите исчерпывающие ответы на эти вопросы.

Термины и определения

Разница между ПЛК и ПКА может проникать и в другие технологии. Например, системы на кристалле (СнК), с английского System-on-a-Chip (SoC), встроенные компьютеры (embedded PC) и программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA) предлагают собой некоторые технологии, которые способны заменять или расширять возможности программируемых логических контроллеров. Тем не менее, для некоторых технологий пока не существует устоявшихся определений, и ученые спорят о более правильном описании их. Но мы постараемся привести некоторые основные определения.

Программируемый логический контроллер ПЛК

Представляет собой цифровой компьютер, предназначенный для автоматизации промышленных систем. Он специально разрабатывался для работы в жестких условиях эксплуатации, таких как температурные диапазоны, давление, электрические шумы, вибрации и другие неблагоприятные факторы промышленной среды. Он имеет наиболее важную особенность, которая, собственно, и привело его к такой популярности – это жесткая система реального времени.

Режим реального времени

Многие понимают режим реального времени как выполнение задачи «как можно скорее». Но это не так. Система реального времени гарантирует, что все входы,  выходы и вычислительные процессы будут обрабатываться за какой-то фиксированный промежуток времени, часто упоминаемый в технической литературе как дедлайн (с англ. deadline – предельный срок). В системах жесткого реального времени нарушение дедлайнов  приравнивается к отказу системы. В свою очередь мягкая система реального времени допускает небольшие превышение дедлайнов, но только тогда, когда это приводит к допустимому снижению качества работы системы. Например, видеоконференция. Небольшое запаздывание звука или видео не приведет к катастрофическим последствиям.

При компиляции программы ПЛК, он рассчитывает, есть ли необходимые ресурсы для выполнения пользовательских инструкций, после чего переходит к выполнению поставленной задачи в нужный срок.

Программируемый контроллер автоматизации ПКА

Представляет собой цифровой компьютер, включающий в себя функциональные возможности ПЛК. Программируемый контроллер автоматизации понятие относительно недавнее, появившееся в начале 2000-х. В большинстве случаев ПКА представляет собой эволюцию программируемого логического контроллера. ПЛК является мостом между электрической автоматизацией, построенной на реле, и электромеханической программируемой автоматизацией, где акцент делается на программное обеспечение операций (определение, данное 40 лет назад).

Мягкая система реального времени(softPLC)

Как упоминалось выше, мягкая система реального времени не дает гарантии своевременного выполнения поставленной задачи. По этому, их не применяют для систем управления движением. Вместо этого softPLC предпочтительны для подключения связей завод-цех, человеко-машинных интерфейсов, систем диспетчерского контроля и сбора данных (SCADA). Вполне возможно, для некоторых ПКА быть SoftPLC.

Встраиваемые ПК

Встраиваемый промышленный компьютер это не компьютер общего назначения. Он разработан и оптимизирован для одного пользовательского приложения. Все его компоненты, как правило, размещены на одной плате, включая и микроконтроллеры или микропроцессоры, шины ввода/вывода, память и другие пользовательские микросхемы. Устройство включает в себя даже программное обеспечение или прошивку (прошивка обычно находится в ПЗУ или памяти только для чтения). Встроенные ПК (embedded PC) действительно пересечение между аппаратным и программным обеспечением, поскольку существует тесная взаимосвязь между этими двумя частями – одна не может работать без другой. Проекты с использованием встраиваемых ПК могут реагировать на потребности жесткого или мягкого режима реального времени.

Использование изоляции для подавления шумов

ПЛК используют для передачи данных такие интерфейсы как RS-485 или Ethernet. Удаленные узлы коммуникационной сети могут использовать питание, гальванически не связанное с местным питанием ПЛК. В отсутствие качественного заземления в длинных заземляющих проводах и петлях в цепи заземления между ПЛК и удаленным узлом связи может наблюдаться значительная разница нулевых потенциалов. При непосредственном соединении двух разнесенных коммуникационных схем может возникнуть ситуация, в которой проводник, имеющий небольшое сопротивление, соединяет две точки со значительной разницей в потенциалах, что приводит к протеканию большого выравнивающего тока. Такой переток способен вызвать ошибки в передаваемых сообщениях и даже полное блокирование связи.

Разрыв прямого соединения двух удаленных коммуникационных точек при помощи гальванической изоляции не только устраняет перетоки, но и вообще служит самым надежным методом решения проблемы большой разницы земляных потенциалов. Гальваническая изоляция позволяет сигналу отвязаться от удаленного общего провода, что значительно улучшает шумовые характеристики и решает проблему с ослаблением синфазного сигнала.

Важно, чтобы основное пространство печатной платы было изолировано от потенциально шумных земель внешних интерфейсов. Наиболее распространенным решением является применение изолированных DC/DC-преобразователей с входным и выходным напряжением 5 В

Вот несколько схемотехнических решений, которые можно применить при создании изолирующего барьера на базе трансформатора.

Двухтактный драйвер на базе SN6505 на рисунке 4 работает с коэффициентом заполнения 50%, поэтому конструкция трансформатора должна быть рассчитана с учетом входного и выходного напряжений. Такая схема работает без обратной связи и часто требует дополнительного линейного стабилизатора. SN6505 – двухтактный драйвер с низким уровнем шума. У микросхемы всего 6 выводов, она рассчитана на минимальное количество внешних компонентов. Микросхема может работать на частоте 140 или 400 кГц либо может быть затактирована он внешнего источника. Из особенностей чипа стоит отметить встроенную схему расширения спектра электромагнитного излучения (spread spectrum) для уменьшения уровня ЭМИ.

Рис. 4. Вариант двухтактного драйвера на SN6505

Обратноходовой преобразователь, также известный как асимметричный полумост, показан на рисунке 5. Он работает на базе многообмоточного накопительного дросселя (который, как правило, называют просто трансформатором), роднящего такую схему с обычным понижающим импульсным преобразователем.

Рис. 5. Вариант обратноходового преобразователя на TPS55010

LC-цепочка, присутствующая в понижающем преобразователе, в данном случае реализована на конденсаторе C1 и первичной обмотке трансформатора T1

Напряжение на вторичной обмотке определяется соотношением витков T1, резисторы R1 и R2 задают скважность импульсов полумоста, что добавляет гибкости в случае использования серийно выпускаемого трансформатора. Не забывайте также, что рабочая частота преобразователя может быть задана внешней синхронизацией или скорректирована при помощи вывода RT микросхемы TPS55010

Такая схема не требует оптрона обратной связи и рекомендована для мощности не более 2 Вт. В противном случае потери в диоде на вторичной стороне становятся слишком высокими.

Вообще TPS55010 — достаточно оптимальный вариант низковольтного обратноходового преобразователя. Микросхема более эффективна, чем двухтактный драйвер, обладает низким Rds(on) и реализует стабилизацию по первичной стороне. Тактовая частота (0,1…2 МГц) может быть подана извне или задана локально. TI даже предоставляет специальное программное обеспечение – TPS55010 Design calculator, предназначенное для облегчения расчетов разных режимов работы и выбора номиналов внешних компонентов.