PLC… Код, который движет миром, в котором мы живем

Машины для программирования: недооцененные методы промышленной автоматизации

ПЛК (программируемый логический контроллер) — это цифровой компьютер, который обычно используется в процессах промышленной автоматизации. По сути, это код, который движет миром, в котором мы живем, позволяя автоматизировать процессы и управлять машинами. Хотя методы программирования машин с ПЛК часто недооцениваются, они имеют решающее значение для промышленной автоматизации и используются в различных областях, включая производство, автомобилестроение и производство энергии.

В этой статье мы рассмотрим следующее:

1. Что такое ПЛК
2. Где и почему он используется
3. Чем ПЛК отличается от ПК
4. Какие есть языки программирования ПЛК
5. Выводы

Что такое ПЛК?

Программируемый логический контроллер (ПЛК) — это промышленный компьютер, используемый для управления и контроля производственных процессов, таких как сборочные линии, машины и роботы. Он разработан, чтобы быть надежным, простым в программировании и способным диагностировать сбои в процессе.

Вы должны думать о ПЛК, как о машинах действия: я имею в виду, что есть мозг, есть датчики, помогающие мозгу понять ситуацию и оценить следующий ход, и есть приводы (да, ПЛК всегда выполняет действия) которые двигают физический мир с помощью клапанов, двигателей, нагревателей, конвейеров, роботов-манипуляторов…

Датчики и исполнительные механизмы обычно называют входами/выходами (входами/выходами): в зависимости от количества входов/выходов программируемые логические контроллеры (ПЛК) различаются по размеру и сложности. Они могут быть как небольшими, как отдельный блок с 10–20 входами/выходами, так и большими, как устройство, смонтированное в стойке, с тысячами входов/выходов. Многие ПЛК также подключены к другим ПЛК и системам диспетчерского управления и сбора данных (SCADA).

Поскольку ПЛК — это специализированный компьютер, используемый в промышленных и производственных приложениях для управления оборудованием и процессами, аппаратные компоненты типичного ПЛК должны иметь возможность взаимодействовать с промышленным устройством. Таким образом, типичное аппаратное обеспечение ПЛК включает в себя:

1. Центральный процессор (ЦП) — ЦП является «мозгом» ПЛК и отвечает за выполнение программы ПЛК, обработку данных и связь с другими устройствами.
2. Модули ввода/вывода (I/O) — модули ввода/вывода используются для взаимодействия ПЛК с внешним миром. Они получают сигналы от устройств ввода и посылают сигналы на устройства вывода. Модули ввода/вывода могут быть цифровыми или аналоговыми и могут поддерживать широкий диапазон типов ввода и вывода.
3. Блок питания — блок питания обеспечивает питание ПЛК и его компонентов. Он может включать в себя такие функции, как защита от перегрузки и регулировка напряжения.
4. Память — в памяти хранится программа ПЛК, данные и информация о конфигурации. Она включает в себя как энергозависимую (временную), так и энергонезависимую (постоянную) память.
5. Коммуникационные порты. Коммуникационные порты позволяют ПЛК обмениваться данными с другими устройствами, такими как другие ПЛК, операторские интерфейсы и системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA). Коммуникационные порты могут поддерживать широкий спектр протоколов, таких как Ethernet, последовательные протоколы и протоколы полевой шины.
6. Интерфейс программирования и мониторинга — Интерфейс программирования и мониторинга позволяет пользователю создавать, изменять и контролировать программу ПЛК. Он может включать текстовый редактор, инструмент графического программирования и дисплей для контроля состояния и производительности ПЛК.
7. Шасси — это физический корпус, в котором находятся ПЛК и его компоненты. Он может включать в себя такие функции, как монтажные отверстия, прокладка кабелей и вентиляция.

Эти компоненты работают вместе, чтобы обеспечить функциональность и надежность, необходимые для приложений промышленного управления. Выбор и конфигурация этих компонентов зависят от конкретных требований приложения.

Где и для чего он используется?

ПЛК — это система жесткого реального времени, а это означает, что выходные данные должны генерироваться в ответ на входные условия в течение конечного периода времени, иначе произойдет неправильная работа.

Почему аспект системы реального времени так актуален? Вычисления в реальном времени (RTC) — это когда аппаратное и программное обеспечение системы должно реагировать на событие в течение определенного периода времени, известного как «крайний срок». RTC гарантирует, что программы соответствуют этим временным ограничениям.

Это условие является минимальным требованием в промышленной автоматизации. Промышленный сектор требует, чтобы безопасность предприятия и персонала, а также управление технологическим процессом отслеживались и контролировались в режиме реального времени. В случае возникновения ошибки ПЛК должен предпринять немедленные действия. Если опасность представляет угрозу безопасности, клапаны должны быть закрыты, а процесс должен быть остановлен, чтобы предотвратить дальнейшую эскалацию.

Одно из нескольких преимуществ, предлагаемых ПЛК, связано с обслуживанием и заменой. Во-первых, ПЛК очень надежны, а это означает, что они требуют минимального обслуживания и имеют длительный срок службы. Во-вторых, поскольку они являются программируемыми и модульными, их можно легко переконфигурировать и заменить по мере необходимости без необходимости в специализированном оборудовании или опыте. Кроме того, ПЛК можно дистанционно контролировать и диагностировать, что позволяет осуществлять упреждающее обслуживание и устранение неполадок. Эти функции делают ПЛК идеальным выбором для предприятий, стремящихся свести к минимуму время простоя и повысить эффективность.

Еще одним большим преимуществом является избыточность: ПЛК можно настроить на наличие систем горячего резервирования, чтобы гарантировать, что критические процессы продолжают работать даже в случае сбоя. Резервирование может быть достигнуто различными способами, например, с помощью резервных источников питания или резервных контроллеров ПЛК. Одним из распространенных методов резервирования является использование первичного и вторичного ПЛК, где первичный контроллер отвечает за управление технологическим процессом, а вторичный контроллер берет на себя управление в случае сбоя. Это гарантирует работоспособность системы и предотвращает дорогостоящие простои. Резервирование в ПЛК особенно важно в отраслях, где безопасность и надежность имеют решающее значение, таких как производственные предприятия, химические заводы и электростанции.

Чем ПЛК отличается от ПК

ПК не предназначены для мониторинга и управления в режиме реального времени, в отличие от ПЛК, которые созданы для суровых условий (пыль, влага, жара, холод) и имеют различные функции ввода-вывода для подключения к датчикам и исполнительным механизмам.

Система реального времени — это система, которая быстро обрабатывает данные и реагирует на них для управления средой в настоящий момент без значительной задержки. По этим причинам разработчики программного обеспечения должны использовать языки синхронного программирования, операционные системы реального времени (RTOS) и сети реального времени для создания программных приложений реального времени.

ПЛК могут принимать цифровые сигналы, такие как концевые выключатели, аналоговые переменные (температура, давление и т. д.) и комплексные данные от систем позиционирования или технического зрения. Затем ПЛК могут отправлять выходные данные через индикаторные лампы, сирены, двигатели, цилиндры, реле, соленоиды и аналоговые сигналы. Эти системы ввода/вывода могут быть либо частью ПЛК, либо иметь внешние модули ввода/вывода, подключенные через полевую шину или сеть.

Вот краткое изложение основных различий между ПЛК и ПК:

• ПЛК предназначены для работы в промышленных условиях с различными температурами, вибрациями и уровнями влажности и обладают высокой устойчивостью к электрическим помехам.
• Компьютеры получают входные данные с дисководов гибких дисков и компакт-дисков и выводят их на принтер, тогда как программируемые логические контроллеры (ПЛК) получают входные данные от элементов управления (например, кнопок, концевых выключателей, переключателей температуры, переключателей давления, датчиков), установленных на управляемых машинах. . Выходные данные ПЛК включают в себя конечные элементы управления (например, контакторы, соленоиды, клапаны для позиционирования, световые индикаторы).
• Программируемые логические контроллеры (ПЛК) имеют ПЗУ, содержащее операционные системы (ОС) и прикладные программы. Поскольку ОС хранится в ПЗУ, она не требует загрузки. Может быть сложно провести различие между BIOS, ОС и прикладными программами ПЛК.
• Программирование ПЛК не выполняется с использованием распространенных компьютерных языков, таких как Python, Ruby или C#. Он специально разработан для инженеров и обслуживающего персонала для использования специализированного языка. Узнайте больше в следующем разделе.

Какой язык программирования используется в ПЛК?

Международная электротехническая комиссия (МЭК) разработала набор стандартов для программируемых контроллеров, включая языки программирования, используемые для ПЛК. Соответствующим стандартом, определяющим пять языков программирования для ПЛК, является IEC 61131–3.

IEC 61131-3 определяет общую основу для языков программирования, используемых в промышленной автоматизации. Стандарт включает пять языков программирования, а именно:

• Лестничная логика (читается аналогично электрическим чертежам)
• Структурированный текст — аналог традиционного командного компьютерного программирования; используется в предыдущем примере
• SFC (последовательная блок-схема) — очень похожа на традиционную блок-схему.
• Список инструкций
• Схема функционального блока

IEC 61131-3 также определяет общий синтаксис и набор правил для каждого из этих языков, обеспечивая взаимодействие между различными ПЛК и инструментами программирования. Стандарт помогает обеспечить согласованность и надежность программирования ПЛК для различных производителей и приложений. Давайте быстро посмотрим на них, один за другим

1. Лестничная диаграмма (LD)

Лестничная диаграмма (LD или Ladder Logic) — универсальный язык программирования ПЛК, который является одним из старейших в использовании. Он используется с программируемыми логическими контроллерами (ПЛК).

Язык лестничных диаграмм широко популярен благодаря легкому процессу обучения с использованием основных логических элементов и правил программирования.

2. Список инструкций (IL)

Список инструкций (IL) — это язык программирования низкого уровня, который использует мнемонический код для представления отдельных инструкций, выполняемых ПЛК. Язык похож на язык ассемблера, используемый в компьютерном программировании. IL часто используется для простых управляющих приложений, где важна производительность или когда другие языки программирования не подходят.

Программы IL состоят из серии инструкций, каждая из которых выполняет определенную операцию с данными, хранящимися в памяти ПЛК. Инструкции выполняются последовательно, одна за другой, пока программа не дойдет до конца или не столкнется с ошибкой.

3. Структурированный текст (СТ)

Структурированный текст (ST) — это язык программирования высокого уровня, используемый в промышленной автоматизации. ST — это текстовый язык, использующий концепции структурированного программирования, такие как циклы и условные операторы, для написания программ ПЛК.

ST похож на другие языки программирования высокого уровня, такие как C, Pascal и BASIC, и поддерживает широкий спектр типов данных, включая целые числа, числа с плавающей запятой и логические значения. Он также поддерживает массивы, структуры и пользовательские типы данных.

Программы на языке ST состоят из серии операторов, которые выполняются последовательно. Язык поддерживает широкий набор операторов и функций для выполнения арифметических, логических и побитовых операций с данными.

4. Схема функционального блока (FBD)

Диаграмма функциональных блоков (FBD) — это графический язык программирования. FBD представляет логические функции в виде блоков с входами и выходами. Блоки могут быть соединены вместе для создания сети, представляющей логику системы управления. Входы блоков подключены к выходам других блоков или к устройствам ввода, а выходы блоков подключены к входам других блоков или к устройствам вывода.

Каждый блок в FBD выполняет определенную функцию, такую ​​как логическая операция, арифметическая операция или преобразование данных. Блоки можно настраивать и комбинировать для создания сложных алгоритмов управления: они подобны пользовательским схемам, эквивалентным функциям или классам, используемым в python.

FBD — это визуальный язык, который упрощает понимание и модификацию сложных алгоритмов управления. Визуальное представление логики может помочь выявить ошибки и быстро внести изменения. Это мощный язык, который позволяет создавать сложные алгоритмы управления с минимальным кодированием.

5. Последовательные функциональные схемы (SFC)

Последовательные функциональные схемы (SFC) также являются графическим языком программирования. Это не текстовая база. Он стал популярным методом точного определения требований к последовательному управлению.

Преимущество SFC легко понять. Потому что вы можете визуализировать, что и когда происходит в процедуре кода.

Основная функция SFC, отличающаяся от выполнения всех других программ и задач ПЛК, заключается в том, что выполняются только активные части кода. Благодаря этому упрощается устранение неполадок и изменение кода в случае возникновения проблем.

Выводы

Программировать машины, на которых работают заводы и целые отрасли, — это действительно круто, и самое главное — вы можете видеть результат своего кода. Дополнительным вознаграждением за удовольствие от программирования является HMI (человеко-машинный интерфейс).

Когда вы программируете ПЛК, вы не можете сосредоточиться только на инструкциях и логике (внутренняя часть), вы также должны позаботиться о взаимодействии с оператором, установкой, процессом и безопасностью (внешняя часть).

Если вы хотите увидеть демонстрацию проектов, которые выполняются с помощью PLC, загляните на веб-сайт Key Solution Srl (кстати, это компания, в которой я работаю… Нажмите на один элемент на временной шкале, чтобы увидеть подробности).

Если эта история была полезной, и вы хотите оказать небольшую поддержку, вы можете:

1. Хлопните 50 раз за эту историю (это действительно очень помогает мне)
2. Следуй за мной на Medium
3. читайте мои последние статьи (https://medium.com/@fabio.matricardi)