Projektując system programowalnego sterownika logicznego (PLC), pierwszym krokiem jest zdefiniowanie strategii sterowania; kolejny krok obejmuje inżynieryjny wybór konkretnego sprzętu PLC. Charakterystyka przebiegu procesu i specyficzne wymagania aplikacji służą jako podstawowa podstawa procesu selekcji. Sterownik PLC i towarzyszący mu sprzęt powinny być zintegrowane i ujednolicone, dobrane zgodnie z zasadami bezproblemowej integracji z ogólnym przemysłowym systemem sterowania i łatwością rozbudowy funkcjonalnej. Wybrany system PLC powinien być dojrzałym i niezawodnym rozwiązaniem, posiadającym udokumentowaną historię udanego działania w odpowiednim sektorze przemysłu. Ponadto konfiguracja sprzętowa systemu, możliwości oprogramowania i cechy funkcjonalne muszą być odpowiednio dopasowane do skali obiektu i specyficznych wymagań kontrolnych. Znajomość sterowników PLC, schematów funkcyjnych i odpowiednich języków programowania pomaga znacznie skrócić czas programowania. Dlatego też na etapach wyboru inżyniera i szacowania istotne jest przeprowadzenie szczegółowej analizy charakterystyki procesu i wymagań kontrolnych; wiąże się to z jasnym zdefiniowaniem zadań i zakresu kontroli oraz określeniem niezbędnych operacji i działań. Następnie-w oparciu o te wymagania sterujące-można oszacować wymaganą liczbę punktów wejścia/wyjścia (I/O) i pojemność pamięci, a także określić niezbędne funkcje sterownika PLC i specyfikacje urządzeń zewnętrznych. Wreszcie celem jest wybranie sterownika PLC oferującego najlepszy stosunek wydajności do ceny-i zaprojektowanie odpowiedniego systemu sterowania.
Oszacowanie punktu wejścia/wyjścia
Przy szacowaniu liczby punktów we/wy istotne jest uwzględnienie odpowiedniego marginesu. Zwykle szacunkową liczbę operacji we/wy oblicza się, biorąc statystycznie obliczoną liczbę wymaganych punktów i dodając margines rozszerzenia wynoszący 10–20%. Podczas składania zamówienia może zaistnieć konieczność zaokrąglenia szacunkowej liczby wejść/wyjść w celu dostosowania do specyfikacji produktu i konfiguracji modułów oferowanych przez producenta sterownika PLC.
Pojemność pamięci
„Pojemność pamięci” odnosi się do całkowitego rozmiaru sprzętowych jednostek pamięci dostarczonych przez sam sterownik PLC, podczas gdy „pojemność programu” odnosi się do określonej części tej pamięci wykorzystywanej przez aplikację użytkownika. W rezultacie pojemność programu jest zawsze mniejsza lub równa całkowitej pojemności pamięci. W fazie projektowania, ponieważ aplikacja użytkownika nie została jeszcze napisana, dokładna pojemność programu pozostaje nieznana i można ją określić dopiero po pełnym debugowaniu programu. Aby ułatwić proces selekcji poprzez rozsądne oszacowanie wymaganej ilości pamięci, na etapie projektowania zwykle używana jest całkowita pojemność pamięci jako zastępcza pojemność programu. Nie ma ustalonego wzoru na oszacowanie wymaganej pojemności pamięci; chociaż w literaturze pojawiają się różne wzory, na ogół opierają się one na wspólnym podejściu: oblicz 10 do 15-krotność liczby cyfrowych punktów we/wy, dodaj 100-krotność liczby analogowych punktów we/wy i użyj tej sumy jako całkowitej liczby słów (gdzie jedno słowo równa się 16 bitom) w pamięci. Dodatkowo należy uwzględnić margines bezpieczeństwa równy 25% tej obliczonej wartości.
Wybór funkcji sterujących
Ten proces selekcji obejmuje wybór określonych cech, takich jak funkcje arytmetyczne, funkcje sterujące, możliwości komunikacyjne, funkcje programistyczne, narzędzia diagnostyczne i prędkość przetwarzania.
1. Funkcje arytmetyczne
Funkcje arytmetyczne prostych programowalnych sterowników logicznych (PLC) obejmują zazwyczaj podstawowe operacje logiczne, funkcje pomiaru czasu i zliczania. Standardowe sterowniki PLC rozszerzają tę opcję o operacje takie jak przesuwanie i porównywanie danych. Bardziej złożone możliwości arytmetyczne obejmują operacje algebraiczne i funkcje przesyłania danych. Wielkoskalowe-sterowniki PLC zawierają ponadto analogowe algorytmy sterowania PID i inne zaawansowane funkcje matematyczne. Wraz z pojawieniem się systemów otwartych, nowoczesne sterowniki PLC są powszechnie wyposażone w możliwości komunikacji; określone produkty mogą oferować komunikację z urządzeniami-niższego poziomu, komunikację-równorzędną-z innymi sterownikami PLC, komunikację z systemami hostów-wyższego poziomu lub możliwość wymiany danych z sieciami-w całym zakładzie lub w przedsiębiorstwie. Wybierając model na etapie projektowania, należy oprzeć wybór na konkretnych wymaganiach rzeczywistego zastosowania, wybierając tylko te funkcje arytmetyczne, które są rzeczywiście niezbędne. W większości scenariuszy zastosowań wystarczą podstawowe operacje logiczne, funkcje pomiaru czasu i zliczania; niektóre aplikacje mogą wymagać możliwości przesyłania i porównywania danych; podczas gdy operacje algebraiczne, konwersje numeryczne i algorytmy sterowania PID są zwykle zarezerwowane dla zastosowań obejmujących wykrywanie i sterowanie sygnałem analogowym. Operacje takie jak dekodowanie i kodowanie są wymagane, gdy potrzebne są możliwości wyświetlania danych.
2. Funkcje kontrolne
Funkcje sterujące obejmują algorytmy, takie jak sterowanie PID, kompensacja-przesunięcia w przód i sterowanie współczynnikiem; wybrane konkretne funkcje należy określić w oparciu o dokładne wymagania kontrolne aplikacji. Ponieważ sterowniki PLC są przeznaczone głównie do sekwencyjnego sterowania logicznego, w większości scenariuszy zadania sterowania analogowego są zwykle realizowane przy użyciu dedykowanych sterowników z pojedynczą-pętlą lub wieloma-pętlami. Alternatywnie, do wykonywania określonych funkcji sterujących wykorzystuje się czasami wyspecjalizowane inteligentne moduły we/wy.-Jest to strategia, która służy zwiększeniu ogólnej szybkości przetwarzania sterownika PLC i zaoszczędzeniu pojemności pamięci wewnętrznej. Przykłady takich wyspecjalizowanych modułów obejmują jednostki sterujące PID,-szybkie liczniki, moduły wejść analogowych z kompensacją prędkości i jednostki konwersji ASCII.
3. Funkcje komunikacyjne
Systemy PLC średniej-do-dużej- skali powinny obsługiwać różnorodne magistrale polowe i standardowe protokoły komunikacyjne (takie jak TCP/IP). Ponadto, jeśli wymaga tego aplikacja, systemy te powinny mieć możliwość nawiązywania połączeń z siecią zarządzania zakładem (poprzez protokół TCP/IP). Protokoły komunikacyjne będą zgodne ze standardami komunikacyjnymi ISO/IEEE i będą stanowić otwartą sieć komunikacyjną.
Interfejsy komunikacyjne systemu programowalnego sterownika logicznego (PLC) będą obejmować szeregowe i równoległe interfejsy komunikacyjne, porty komunikacyjne RIO, wspólne interfejsy DCS i tym podobne. W przypadku systemów PLC o średniej-do-dużej- skali magistrale komunikacyjne (w tym urządzenia interfejsowe i kable) należy skonfigurować z redundancją 1:1; te magistrale komunikacyjne powinny spełniać międzynarodowe standardy, a ich zasięg komunikacyjny odpowiadać rzeczywistym wymaganiom konkretnego obiektu.
W sieci komunikacyjnej systemu PLC szybkość komunikacji-sieci wyższego poziomu powinna przekraczać 1 Mb/s, a obciążenie komunikacji nie przekraczać 60%. Podstawowe formy sieci komunikacyjnych dla systemów PLC są następujące:
1) Komputer PC pełni rolę stacji głównej, podczas gdy wiele sterowników PLC tego samego modelu działa jako stacje podrzędne, tworząc prostą sieć PLC;
2) Pojedynczy sterownik PLC działa jako stacja główna, podczas gdy inne sterowniki PLC tego samego modelu działają jako stacje podrzędne, tworząc sieć PLC master-slave;
3) Sieć PLC łączy się z dużym-systemem DCS za pośrednictwem specjalnego interfejsu sieciowego, funkcjonującego jako podsieć systemu DCS;
4) Własna sieć PLC (sieć komunikacyjna specyficzna dla produktów PLC konkretnego producenta).
Aby zmniejszyć obciążenie procesora komunikacyjnego-i w oparciu o rzeczywiste wymagania konfiguracji sieci,-należy wybrać procesory komunikacyjne wyposażone w różne możliwości komunikacyjne (np. punkt-do-punktu, magistrala komunikacyjna).
4. Funkcje programowania
Tryb programowania offline: W tym trybie sterownik PLC i urządzenie programujące korzystają z jednego procesora. Kiedy urządzenie programujące jest w „trybie programowania”, CPU dedykuje swoje usługi wyłącznie urządzeniu programującemu i nie kontroluje urządzeń polowych. Po zakończeniu programowania urządzenie programujące przełącza się w „tryb pracy”, w którym to momencie CPU wznawia kontrolę nad urządzeniami polowymi i nie można wykonywać operacji programowania. Tryb programowania offline może obniżyć koszty systemu, chociaż może być mniej wygodny w użyciu i debugowaniu. Tryb programowania online: W tym trybie zarówno procesor, jak i urządzenie programujące posiadają własne, dedykowane procesory. Procesor hosta jest odpowiedzialny za operacje sterujące w terenie i wymienia dane z urządzeniem programującym w ramach jednego cyklu skanowania; urządzenie programujące przesyła dane nowo utworzonego lub zmodyfikowanego programu do procesora hosta, a w kolejnym cyklu skanowania procesor hosta wykonuje logikę systemu w oparciu o nowo otrzymany program. Chociaż ten tryb wiąże się z wyższymi kosztami, zapewnia większą wygodę podczas debugowania i obsługi systemu i jest często stosowany w systemach PLC średniej-i-dużych-. Istnieje pięć standardowych języków programowania: trzy języki graficzne-sekwencyjne wykresy funkcyjne (SFC), diagramy drabinkowe (LD) i diagramy bloków funkcyjnych (FBD)-oraz dwa języki-oparte na tekście-listy instrukcji (IL) i tekst strukturalny (ST). Wybrany język programowania powinien być zgodny z odpowiednią normą (IEC 61131-3); ponadto powinien obsługiwać różne alternatywne formy programowania, takie jak C, Basic itp., aby spełnić specyficzne wymagania kontrolne wyspecjalizowanych aplikacji.
5. Funkcje diagnostyczne
Możliwości diagnostyczne programowalnego sterownika logicznego (PLC) obejmują zarówno diagnostykę sprzętu, jak i oprogramowania. Diagnostyka sprzętu wykorzystuje logikę-opartą na sprzęcie w celu wskazania lokalizacji usterek sprzętu, natomiast diagnostyka oprogramowania dzieli się na diagnostykę wewnętrzną i zewnętrzną. Diagnostyka wewnętrzna obejmuje użycie oprogramowania do oceny wewnętrznej wydajności i funkcjonalności sterownika PLC; diagnostyka zewnętrzna obejmuje użycie oprogramowania do oceny możliwości wymiany danych pomiędzy procesorem sterownika PLC a komponentami zewnętrznymi, takimi jak moduły wejścia/wyjścia (I/O).
Solidność funkcji diagnostycznych sterownika PLC ma bezpośredni wpływ na biegłość techniczną wymaganą od personelu obsługującego i konserwującego, a także na średni czas naprawy (MTTR).
6. Szybkość przetwarzania
Programowalne sterowniki logiczne działają w oparciu o mechanizm-skanowania. Z punktu widzenia wymagań dotyczących wydajności w czasie rzeczywistym-szybkość przetwarzania powinna być możliwie największa; jeżeli czas trwania sygnału wejściowego jest krótszy niż czas skanowania sterownika PLC, sterownik może nie wykryć sygnału, co skutkuje utratą danych.
Na szybkość przetwarzania wpływają takie czynniki, jak długość programu użytkownika, moc obliczeniowa procesora i jakość oprogramowania. Sterowniki PLC charakteryzują się krótkim czasem reakcji styku i dużą szybkością działania, przy czym czas wykonania każdej instrukcji binarnej wynosi zazwyczaj od 0,2 do 0,4 mikrosekundy (µs); w związku z tym dobrze-nadają się do zastosowań wymagających rygorystycznej kontroli i możliwości szybkiego reagowania. Cykl skanowania (czas skanowania procesora) powinien spełniać następujące kryteria: w przypadku małych-sterowników PLC czas skanowania nie powinien przekraczać 0,5 ms na 1000 instrukcji (0,5 ms/K); w przypadku sterowników PLC o średniej-{11}}dużej-skali czas skanowania nie powinien przekraczać 0,2 ms na 1000 instrukcji (0,2 ms/K).
Typy kontrolerów
W oparciu o ich strukturę fizyczną sterowniki PLC można ogólnie podzielić na dwie kategorie: typy integralne (monoblokowe) i typy modułowe. W zależności od środowiska pracy można je podzielić na dwie kategorie: jednostki-do montażu na miejscu i jednostki do montażu-w pomieszczeniu-sterowniczym. Co więcej, w zależności od długości słowa procesora, są one podzielone na systemy 1-bitowe, 4-bitowe, 8-bitowe, 16-bitowe, 32-bitowe i 64-bitowe. Z punktu widzenia aplikacji-sterowniki PLC są zazwyczaj wybierane na podstawie ich specyficznych funkcji sterujących lub wymaganej liczby punktów wejścia/wyjścia. Zintegrowane programowalne sterowniki logiczne (PLC) typu{{22} mają stałą liczbę punktów we/wy; w konsekwencji użytkownicy mają ograniczoną elastyczność w wyborze, co czyni je odpowiednimi dla systemów sterowania na małą skalę. Z kolei modułowe sterowniki PLC oferują szeroką gamę kart we/wy lub modułów wtykowych, umożliwiając użytkownikom racjonalny wybór i konfigurację określonej liczby punktów we/wy wymaganych w ich systemach sterowania. Ta modułowość ułatwia wygodną i elastyczną rozbudowę funkcjonalną, dzięki czemu nadają się ogólnie do systemów sterowania o średniej i dużej skali.
Typy wejść/wyjść
Sygnały dyskretne (wielkości przełączania): odnoszą się one przede wszystkim do dyskretnych wejść i dyskretnych wyjść,-w szczególności do styków pomocniczych powiązanych z różnymi urządzeniami. Przykłady obejmują styki pomocnicze przekaźnika w regulatorze temperatury transformatora (które zmieniają stan, gdy transformator się przegrzewa), styki pomocnicze łącznika krzywkowego zaworu (które zmieniają stan, gdy zawór otwiera się lub zamyka), styki pomocnicze stycznika (które zmieniają stan, gdy stycznik zostaje uruchomiony) oraz styki pomocnicze przekaźnika przeciążenia termicznego (które zmieniają stan po wyłączeniu przekaźnika). Sygnały te są zazwyczaj przesyłane do sterownika PLC lub kompleksowego urządzenia zabezpieczającego. Zasilanie tych styków jest zwykle zapewniane przez sterownik PLC lub samo urządzenie zabezpieczające; ponieważ styki nie posiadają własnego wewnętrznego źródła zasilania, określa się je jako „styki pasywne” (lub „styki suche”) i są klasyfikowane jako wejścia dyskretne w kontekście sterownika PLC lub urządzenia zabezpieczającego.
1. Ilości cyfrowe
Wielkości fizyczne dyskretne-zarówno pod względem czasu, jak i wielkości-nazywa się wielkościami cyfrowymi. Sygnały reprezentujące te wielkości cyfrowe nazywane są sygnałami cyfrowymi. Obwody elektroniczne zaprojektowane do działania przy użyciu sygnałów cyfrowych nazywane są obwodami cyfrowymi.
Na przykład: gdy obwód elektroniczny jest używany do zliczania części wychodzących z zautomatyzowanej linii produkcyjnej, do obwodu wysyłany jest sygnał dla każdej dostarczonej części, powodując zarejestrowanie liczby „1”. I odwrotnie, gdy nie są dostarczane żadne części, sygnał podawany do obwodu wynosi „0”. Zatem sygnał reprezentujący liczbę części jest nieciągły-zarówno czasowo, jak i ilościowo,-co czyni go sygnałem cyfrowym. Najmniejszą jednostką ilości w tym kontekście jest pojedyncza jednostka (1).
2. Wielkości analogowe
Wielkości fizyczne, które są ciągłe-pod względem czasu lub wielkości-nazywane są wielkościami analogowymi. Sygnały reprezentujące te wielkości analogowe nazywane są sygnałami analogowymi. Obwody elektroniczne zaprojektowane do działania przy użyciu sygnałów analogowych nazywane są obwodami analogowymi.
Na przykład: Sygnał napięciowy wysyłany przez termoparę podczas pracy jest sygnałem analogowym. Ponieważ mierzona temperatura nie może w żadnych okolicznościach ulegać chwilowym, gwałtownym skokom, powstały sygnał napięciowy jest ciągły-zarówno czasowo, jak i ilościowo. Co więcej, każda konkretna wartość przyjmowana przez ten sygnał napięciowy podczas jego ciągłych zmian ma konkretne znaczenie fizyczne,-mianowicie odpowiada określonemu odczytowi temperatury. Zasady konwersji
1. Przetwornik cyfrowo-na-analogowy (DAC) to system przekształcający sygnały cyfrowe na sygnały analogowe; Zwykle osiąga się to poprzez-filtrowanie dolnoprzepustowe. Sygnał cyfrowy jest najpierw poddawany dekodowaniu,-tj. kody cyfrowe są przekształcane na odpowiednie poziomy napięcia w celu utworzenia sygnału schodkowego-podobnego-, po czym poddawany jest-filtrowaniu dolnoprzepustowemu.
Zgodnie z teorią sygnałów i systemów cyfrowy sygnał schodkowy-można postrzegać jako splot idealnego-sygnału próbkowanego impulsowo i prostokątnego sygnału impulsowego. W konsekwencji, zgodnie z twierdzeniem o splocie, widmo sygnału cyfrowego jest iloczynem widma sygnału próbkowanego-impulsowo i widma impulsu prostokątnego (znanego jako funkcja Sa). Zatem, wykorzystując odwrotność funkcji Sa do kompensacji widmowej, oryginalny próbkowany sygnał można odzyskać z sygnału cyfrowego. Ponadto, zgodnie z twierdzeniem o próbkowaniu, zastosowanie idealnego-filtru dolnoprzepustowego do widma próbkowanego sygnału daje widmo oryginalnego sygnału analogowego.
W praktycznych wdrożeniach te zasady teoretyczne nie są stosowane bezpośrednio, ponieważ generowanie ostrych, idealnie próbkowanych sygnałów jest technicznie trudne. Dlatego te dwa etapy filtrowania (kompensacja funkcji Sa-i idealny-filtr dolnoprzepustowy) są zazwyczaj łączone (kaskadowo). Co więcej, ponieważ idealne właściwości filtrowania wymagane przez ten system są fizycznie nieosiągalne, rzeczywiste systemy mogą jedynie zapewnić przybliżenie tego procesu.
2. Przetwornik analogowy-na-cyfrowy (ADC) to system konwertujący sygnały analogowe na sygnały cyfrowe; proces ten obejmuje filtrowanie, próbkowanie i przechowywanie oraz kodowanie.
Sygnał analogowy jest najpierw poddawany filtrowaniu-ograniczającemu pasmo, a następnie przechodzi przez obwód próbkowania-i-podtrzymywania, przekształcając w ten sposób sygnał-przypominający klatkę schodową. Następnie sygnał ten przechodzi przez koder, który przekształca każdy odrębny poziom napięcia w sygnale schodkowym na odpowiedni kod binarny.