1.6. Програмування ПЛК
Для програмування ПЛК використовуються спеціалізовані пульти програмування і програмні термінали на базі ПЕОМ, які можуть застосовуватись як у промисловому. так і звичайному виконанні, у тому числі і у вигляді портативних (ноутбуків).
Процедурі програмування у ПЛК приділяється особлива увага. Саме відносна простота цієї процедури, її націленість на "технологічне" програмування, для виконання якої не потрібен спеціаліст у галузі програмування, зумовило бурхливий розвиток ПЛК і широке впровадження їх у системах автоматизації. Тому поряд з розвитком "технологічних мов" програмування велика увага приділяється забезпеченню зручностей виконання процедури програмування і відлагоджування програми користувача.
На першому етапі свого розвитку основним технічним засобом для програмування ПЛК були спеціалізовані пульти програмування. Вони використовувались як у вигляді вбудованих у ПЛК блоків, так і у вигляді окремих технічних засобів, які під’єднувалися до ПЛК у процесі його програмування.
Як правило, на пульті розміщуються клавіші вводу інформації і невеликий дисплей, на якому можна спостерігати за процедурою вводу програми користувача. Крім того, ці пульти використовуються також при відлагоджуванні програмного забезпечення та виконанні процедур діагностики і тестування ПЛК.
Клавіші на пульті розташовані і згруповані так, щоб полегшити обслуговуючому персоналу введення та коригування програми користувача, а також виконання процедур оперативного керування, тестування і діагностики. Як правило, на пульті оператора виділяються групи клавіш для програмування, функціональні і літерно-цифрові клавіші.
Пульти оператора це інтелектуальні пристрої, які поряд з виконанням процедури вводу-виводу інформації можуть виконувати процедури виявлення некоректного вводу інформації і синтаксичних помилок у програмі користувача. Це дає можливість захистити ПЛК як від некоректних дій оператора, так і від грубих помилок при програмуванні контролера.
Сучасні термінали програмування, безумовно, мають суттєві переваги над пультами програмування за рахунок більш зручного інтерфейсу користувача. Для програмування контролера у цьому разі використовується спеціалізоване програмне забезпечення, основним завданням якого є створення максимальних зручностей для програмування ПЛК, відлагоджування програми користувача і виконання інших процедур. З використанням потужних можливостей сучасних ПЕОМ для програмування контролера процедури програмування замінюються на досить прості процедури конфігурування, для виконання яких використовуються графічні редактори, діалогові вікна та інші інтерфейси, які дають можливість користувачу, не входячи в тонкощі програмування, виконувати досить складні процедури.
Однією з важливих особливостей сучасного програмного забезпечення для програмування ПЛК є те, що для написання окремих фрагментів програми користувача можна використовувати різні технологічні мови програмування. Як зазначалося, стандартом МЕК 1131-3 для програмування ПЛК визнані п'ять мов програмування: крокових діаграм — LD; функціональних блокових діаграм — FBD; послідовних функціональних схем — SFC; структурованого тексту - ST; інструкцій - IL. Кожна з них має свої особливості і найбільш пристосована для розв'язання тих або інших алгоритмів керування. Наприклад, мова крокових діаграм, безперечно, має переваги при реалізації алгоритму керування, який раніше був реалізований на релейно-контактних схемах. Мова функціональних блоків найбільш зрозуміла для фахівців-практиків, які нагромадили великий досвід створення систем автоматизації з окремих функціональних блоків: автоматичних регуляторів, задавачів, таймерів, лічильників, блоків арифметичних операцій і т.ін. Тільки при використанні фізичних блоків вони з'єднувались один з одним проводами, а для програмування ПЛК мовою FBD використовуються програмні аналоги цих функціональних блоків. З'єднання між ними вказується програмним шляхом. При цьому найчастіше, для програмуванню використовується спеціальний графічний редактор, у hkomj створення функціональної структури програми користувача максимально наближене до аналогії роботи із з'єднанням фізичних блоків. Якщо у програмі користувача необхідно виконувати велику кількість операцій по обробці інформації, краще використовувати мову структурованого тексту - ST. Якщо у програмі користувача зустрічаються різні за алгоритмами задачі, то доцільно для їх написання використовувати різні технологічні мови. А вже при записі програми користувача у ПЛК різні фрагменти програми поєднаються у один машинний код.
Безумовно, що для програмування ПЛК використовуються всі звичні процедури програмування на ПЕОМ: копіювання, пошук, заміна, імпортування. Значно ширші можливості для виявлення помилок у програмуванні. Для відлагоджування програми користувача використовуються спеціальні графічні редактори. Програма користувача може зберігатись на програмному терміналі у вигляді одного або кількох файлів, які можуть бути завантажені у ПЛК у разі його відмови. І ще багато можливостей.
Дуже цікавою й важливою функцією у відлагоджуванні програми користувача є можливість внесення в неї змін для виконання контролером програми у так званому режимі "on-line".
1.7. Системи самодіагностики і тестування ПЛК
Основним призначенням систем самодіагностики й тестування ПЛК є забезпечення оперативного виявлення несправностей апаратних засобів контролера, а також програмних помилок, які заважають подальшому виконанню програми користувача або роблять його неможливим. Процедури самодіагностики виконуються автоматично і не залежать від прикладної програми. Розвитку і функціональним можливостям цих систем розробники ПЛК приділяють велику увагу. Це пояснюється тим, що у разі побудови системи автоматизації на базі локальних засобів автоматизації показники надійності цієї системи рівномірно розподілені між окремими технічними засобами. У разі відмови одного з технічних засобів автоматизації інші контури керування зберігають свою роботоздатність. Якщо ж система автоматизації будується на базі ПЛК, її надійність в основному визначається надійністю роботи саме ПЛК, тому що в ньому зосереджені основні ресурси керування об'єктом. Безумовно, що у разі відмови датчиків або виконавчих механізмів нормальна робота контурів керування, пов'язаних з ними, також буде порушена, але якщо вийде з ладу ПЛК, то може втратити свою роботоздатність система в цілому. Тому своєчасне виявлення помилок у роботі ПЛК є дуже важливим. Це дає можливість не тільки оперативно виявити відмови ПЛК, а й вжити заходи для їх усунення. Цьому сприяє також блоково-модульний принцип побудови ПЛК. Вважається, що час відновлення роботоздатності ПЛК не повинен перевищувати 1 години.
Розрізняють два типи порушення роботоздатності контролерів: "помилка" і "відмова". Помилка - це часткова втрата роботоздатності ПЛК, яка не порушує виконання більшої частини алгоритму керування (відмова окремих каналів модулів, вихід значень вхідних сигналів за допустимі межі і тін.). Відмова - це порушення роботоздатності контролера, яке не дає можливості подальшого виконання алгоритму керування. При виявленні "відмови" ПЛК повинен припинити виконання прикладної програми.
Розрізняють апаратні і програмні засоби. Апаратні засоби самодіагностики виконуються, як правило, у вигляді світлових індикаторів, які розташовуються на лицьових панелях модулів, їх стан дає можливість оператору візуально визначити роботоздатність ПЛК і окремих його модулів, а також визначити момент порушення в його роботі.
Програмна самодіагностика виконується в процесі кожного робочого циклу ПЛК. її результати записуються у пам'ять контролера у відповідні системні слова. До цих слів можна звертатися в процесі виконання програми користувача і програмним шляхом реалізовувати алгоритми реагування системи на виявлення відповідних помилок. Крім того, ця інформація може використовуватись для аналізу причин відмов ПЛК.
Детальніше виявити причини порушення роботоздатності ПЛК дають змогу системи тестування й діагностики ПЛК, які запускаються з терміналів програмування або з пультів програмування.. Ці системи дають можливість швидко визначити причини виникнення помилок і відмов контролера. У деяких випадках для відновлення роботоздатності ПЛК необхідно замінити модулі, у інших - відновити або внести зміни у програму користувача.
1.8. Промислові мережі
Основною тенденцією розвитку сучасних систем автоматизації є створення багаторівневих систем керування виробництвом, для яких характерний інтенсивний обмін інформацією між окремими технічними засобами, робочими станціями й рівнями керування. Тому питанням мережевих можливостей ПЛК в наш час приділяється особлива увага.
Контролерні мережі будуються за класичними принципами комп'ютерних мереж, але до них ставляться більш жорсткі вимоги щодо надійності і швидкодії передачі інформації, тому що за результатами обміну інформацією повинні прийматись керуючі дії.
Однією з головних характеристик мереж ПЛК є їх топологія. В основному використовують двоточкову, радіальну, кільцеву, радіальну ієрархічну радіальну і ін.
Важливу роль у мережах ПЛК відіграють способи і засоби передачі інформації. Як фізичний канал у сучасних ПЛК можуть використовуватись як звичайні, так і спеціальні коаксіальні кабелі, виті пари, оптоволоконні канали зв'язку.
Розрізняють такі можливі напрями передачі інформації по каналах зв'язку: симплексний - тільки в одному напрямку, напівдуплексний - у обох напрямках, але не одночасно, дуплексний — одночасно в обох напрямках. При цьому використовують як послідовний, так і паралельний способи передачі інформації з синхронізацією передачі повідомлень і без неї.
Міжнародна організація зі стандартизації ISO (Open Systems Interconnect) розробила еталонну модель структури, яка забезпечує взаємодію відкритих систем, тобто спільну роботу технічних засобів різних фірм. Особливу роль у мережах ПЛК відіграють так звані протоколи зв'язку, що являють собою визначений набір правил, процедур і форматів повідомлень, які необхідні для організації і забезпечення інформаційних зв'язків між ПЛК, а також між ними і зовнішніми пристроями і системами.
Відповідно до еталонної моделі відкритий протокол зв'язку включає сім рівнів (рис. 1.10) , на кожному з яких виконується визначена функція:
перший рівень фізичний - забезпечення фізичних характеристик під'єднання пристроїв до фізичних каналів зв'язку (у разі потреби перетворення сигналів);
другий рівень канальний — забезпечення передачі даних між двома пристроями (з'єднання і роз'єднання каналу зв'язку, захист від помилок у процесі передачі даних;
третій рівень мережний — вибір, організація і оптимізація маршрутів передачі інформації;
четвертий рівень транспортний - керування передачею (пересилкою) даних (масивів) між об'єктами мережі;
п'ятий рівень сеансовий — організація і проведення сеансів зв'язку між прикладними програмами, включаючи розв'язання задач синхронізації і активізації окремих об'єктів або фрагментівпрограм;
шостий рівень представницький - перетворення даних, які передаються до вигляду, зручного для кінцевого використання;
сьомий рівень прикладний — виконання прикладних програм (адміністрування мережею, керування технологічними процесами і транспортними засобами різного призначення).
Перші три рівня забезпечують пересилку даних, а рівні четвертий — сьомий забезпечують керування першими трьома. Залежно від складності задачі керування і розмірів мережі кількість рівнів може змінюватись, тому досить часто у мережах ПЛК використовуються найпростіші рівні.
Функціювання системи відповідно до наведеного протоколу виконується за схемою «згори - донизу» - при передаванні даних і «знизу — догори» — при прийманні інформації.
За комплексного підходу до створення системи керування виробництвом можна виділити три рівня керування: нижній рівень - автоматизовані системи керування окремими технологічними лініями, ділянками, цехом; середній рівень – керування технологічним комплексом, технологічним та виробничим процесом підприємства, включаючи задачі координації; верхній рівень - керування виробництвом у цілому, включаючи задачі організаційно-економічного керування. Безумовно, що функціювання такої корпоративної системи керування вимагає забезпечення інтенсивного обміну інформацією між усіма рівнями керування. Тому такій системі відповідає багаторівнева мережева структура (рис.1.11).
На верхньому рівні керування основою комп'ютерного розв'язання задач керування є окремі інформаційні мережі, які зв'язують робочі станції персоналу керуючої ланки на різноманітних ділянках (майстрів, технологів, начальників цехів) з ланкою планування. Ці мережі взаємодіють (або збігаються) із корпоративною мережею всього підприємства. В наш час абсолютно домінуючим типом таких мереж є мережа Ethernet (мережа шинної топології, випадкового методу доступу, завдовжки від кількох до десятків кілометрів залежно від фізичного середовища передачі інформації зі швидкістю передачі даних 10 Мбод). Вона використовується і як мережа, яка зв'язує окремі пульти операторів технологічного процесу міме собою, і як мережа, яка об'єднує планові, диспетчерські, оперативні органи керування виробництвом, і як корпоративна мережа підприємства. Розвиток інформаційних мереж (ЇМ) відбувається у напрямі створення все більш високошвидкісних магістралей передачі інформації. Нині розроблені і все ширше використовуються (особливо у побудові корпоративних мереж великих підприємств) три типи магістралей:
Fast Ethernet — шинна топологія, випадковий метод доступу,швидкість передачі даних 100 Мбод;
FDDI — топологія типу "подвійне коло", метод доступу -часовий маркер, швидкість передачі даних 100 Мбод;
ATM - шинна топологія, метод доступу - "точка до точки",швидкість передачі даних 155 Мбод.
Ці магістралі взаємодіють із мережею Ethernet і поступово замінюють її при збільшенні обсягів інформації, яка передається ЇМ за одиницю часу. Останнє особливо актуальне для корпоративних мереж, які останнім часом починають включати в себе ряд нових функцій. Крім інформаційної мережі між різними виробничими й господарськими підрозділами підприємства, вони починають інформаційно забезпечувати роботу місцевої АТС, охоронної сигналізації, відеосистем, інженерних обслуговуючих систем. Вузли мереж, які розглядаються,-- робочі станції персоналу керування, сервери бази даних, Web-сервери (останні забезпечують вихід корпоративних систем у Internet) - типові ПЕОМ різної потужності й комплектації. Поряд із типізацією ЇМ відбувається типізація операційних систем (ОС), які встановлюються на ПЕОМ - вузлах інформаційних мереж. Останніми роками лідерами таких ОС є: Windows NT, Netware 4.1, OS/2 LAN Server 4.0, Vines 5.54.
Те саме відбувається і з великими мережними системами керування базами даних (СКБД), якими оснащуються інформаційні (корпоративні) системи підприємств. Тут лідерами є: Oracle, Sybase, Informix, MS SQL-Server, Netware NT.
Все більша увага приділяється відкритості програмних продуктів, що використовуються на робочих станціях, вузлах ІМ і/або на окремих комп'ютерах, які є пультами оператора. Вона реалізується за допомогою універсального програмного взаємозв'язку, який мають програми різних фірм. Найбільш поширеними видами такого взаємозв'язку є:
типовий інтерфейс спілкування прикладних програмодна з одною - OLE;
міжпрограмний протокол — DDE;
структурована мова запитів до СКБД - SQL.
Поряд з цим відкритість і простота отримання даних у ЇМ досягається ширшим впровадженням Internet-технології. Це дає можливість кінцевим користувачам спілкуватися з програмами і базами даних за допомогою гіпертексту (як в Internet), що суттєво впливає на швидкість впровадження і легкість в експлуатації інформаційних систем.
На середньому рівні керування ланкою, що зв'язує між собою ПЛК і операторські панелі, є промислова мережа, яка повинна гарантувати не тільки звичайні, яким повинні відповідати ЇМ, але й специфічні вимоги доставки 100 % повідомлень у необхідне місце і у заданий час. На першому етапі розвитку кожна фірма розробляла свою закриту для інших контролерів промислову мережу. Нині під натиском замовників фірми змінили свою технічну політику і почали орієнтуватись на відкриття своїх промислових мереж для апаратури інших фірм. Поступово виділилися декілька найбільш поширених промислових мереж, що зарекомендували себе на практиці задовільними характеристиками, надійністю роботи й простотою обслуговування. Це мережі Modbas, Bitbas, Interbas S, CAN і деякі інші, хоча кожна фірма має додатково свої специфічні мережі, наприклад Unitelway, Fipway, Modbas Plus і ін.
Останнім часом з'явився стандарт на промислову мережу Profibas (європейський стандарт EN 50170/V2), що отримала визнання провідних фірм, особливо у Європі. Ця мережа має такі основні характеристики:
різноманітна топологія — шина, кільце, зірка, дерево;
два можливих методи доступу - передача маркера і ведучий/ведений;
три типи протоколів: DP - швидка комунікація, РА —підвищена безпека, FMS - складні задачі комунікації;
можливе фізичне середовище передачі даних – екранована вита пара, кабель оптоволокно;
фізичний порт - RS-485;
довжина мережі: 9,6 км на витій парі і 90 км на оптоволокні:
кількість вузлів (станцій) на мережі — 32 на сегмент, 126 на всю мережу;
швидкість передачі повідомлень — від 9,2 кбод до 12 Мбод.Останнім часом на нижньому рівні керування почали широко
використовуватись польові шини, які дають можливість під’єднувати до контролерів віддалені модулі входів-виходів і інтелектуальні датчики.
1.9. Засоби ММІ
У системах автоматизації на базі мікропроцесорних контролерів суттєві зміни відбулися також у створенні робочого місця оператора. У традиційних засобах автоматизації основою операторського місця був щит оператора з розташованими на ньому органами оперативного контролю і керування: показувальними і самописними приладами, байпасними панелями ручного керування, кнопковими станціями, мнемосхемами і т.ін. У системах автоматизації на базі ПЛК операторський інтерфейс, як правило, будується за принципом так званої «безщитової автоматизації». При цьому функції оперативного контролю й керування оператор виконує за допомогою спеціальних операторських панелей і автоматизованих робочих місць на базі промислових або звичайних ПЕОМ. Ці технічні та програмні засоби отримали назву засобів людино-машиного інтерфейсу ММІ (Men Machine Interfase).
Операторські панелі, як правило, вбудовуються у щити, які розташовані безпосередньо біля обладнання. Нині кожна фірма має досить велику номенклатуру операторських панелей, які розрізняються функціональними можливостями. Це - текстові і графічні операторські панелі. Найпростіші операторські панелі мають невеликі (кілька рядків) текстові дисплеї і кілька командних, або функціональних клавіш. З ускладненням задач, які необхідно розв'язувати за допомогою панелі, збільшуються розміри дисплея і кількість функціональних клавіш (рис.1.12).
Графічні панелі можуть мати монохромний або кольоровий дисплей різного розміру, на який можна виводити мнемосхеми, що відображають стан обладнання і технологічних параметрів.
Найбільш потужні операторські панелі працюють під операційною системою Windows і мають досить широкі функціональні можливості. Значного поширення набули операторські панелі з графічними touch-screen екранами, для яких керуючі функції виконуються шляхом дотику до зображення керуючого елемента на екрані панелі.
Для програмування операторських панелей широко використовується принцип контекстного керування. Під цим розуміється можливість використання однієї і тієї самої клавіші для виконання різних функцій залежно від вибраного режиму роботи. Тобто, якщо раніше для керування великою кількістю виконавчих механізмів необхідно було встановлювати на щиті велику кількість кнопкових станцій і сигнальних ламп, то у разі використання операторської панелі достатньо кількох функціональних клавіш для керування тією самою кількістю виконавчих механізмів. Це досягається за рахунок того, що функціональні клавіші програмуються окремо для кожного вікна відображення. А таких вікон може бути кілька сотень. Операторські панелі під’єднуються безпосередньо до контролера або до контролерної мережі.
Для створення операторського інтерфейсу для автоматизованих робочих місць на базі ПЕОМ значного поширення набуло спеціальне програмне забезпечення — SCADA (Supervisor Control And Data Acquisition) програми.
Мета створення такого програмного продукту аналогічна розробці технологічних мов програмування для ПЛК. Це програмна оболонка, за допомогою якої неспеціаліст у галузі програмування може розробити інтерфейс користувача автоматизованого робочого місця оператора-технолога. Тобто, як і у разі програмування ПЛК, SCADA-програми розраховані саме на спеціаліста в галузі автоматизації.
SCADA-програми - це досить складний програмний продукт. Про це свідчить їх невелика кількість. Але для кінцевого користувача вони досить зручні в роботі і більшість процедур виконується на рівні конфігурування.
Безумовно, що кожна SCADA-програма має свої особливості, але загальні функціональні можливості у них аналогічні. Це викликано насамперед тим, що вони повинні забезпечити певний набір функцій, притаманний операторському інтерфейсу, а саме:
оперативний контроль за станом обладнання і значеннями технологічних параметрів об'єкта керування за допомогою кольорових мнемосхем;
оперативне втручання в процес керування шляхом зміни заданих значень регуляторів, перехід на ручне керування окремими виконавчими механізмами і т.ін.;
створення архівів даних, повідомлень, аварійних ситуацій, дій оператора з можливістю їх подальшого перегляду у вигляді графіків (трендів) або таблиць;
обмін інформацією з мікропроцесорними контролерами за допомогою спеціальних драйверів;
обмін інформацією з використанням комп'ютерних або промислових мереж.
Як правило, структура SCADA-програм теж традиційна. У зв'язку з тим що це система насамперед відображення інформації, вона включає в себе графічний редактор, за допомогою якого створюються статичні зображення вікон мнемосхем, як правило, або за допомогою спеціальних графічних примітивів, або бібліотеки зображень окремих елементів технологічного обладнання, трубопроводів, двигунів, насосів і т.ін. У деяких випадках графічне зображення може створюватись у стандартних графічних редакторах (наприклад, Paint Brush) і потім імпортуватися у SCADA-програму.
Після створення статичного вигляду робочих вікон до їх складу включаються динамічні елементи, за допомогою яких відображається зміна технологічних параметрів і стану обладнання.
Як правило, динамічні зображення створюються за допомогою спеціалізованого графічного редактора SCADA-програми з використанням жорсткого алгоритму на базі набору динамічних графічних елементів із наступною прив'язкою їх до конкретного параметра, значення якого відповідає відповідній змінній мікропроцесорного контролера. Так, значення аналогових змінних може відображатись у цифровій формі, у вигляді стовпчикових діаграм або трендів. Зміна стану обладнання, що відповідає дискретним сигналам, може відображатись зміною кольору зображення, графічного іміджу і т.ін.
Сам процес створення прикладного проекту за допомогою SCADA-програми більше нагадує процедуру конструювання з окремих елементів робочих вікон мнемосхем, а процес прив'язки його до ПЛК - процедуру конфігурування за допомогою спеціальних діалогових вікон. Іноді процес роботи з SCADA-програмою називають програмуванням без програмування, підкреслюючи, що для роботи з ними не потрібен професійний програміст. Але не можна і спрощувати своє ставлення до цього процесу. Сучасні SCADA — досить складні системи, які крім функцій відображення інформації, мають модулі обробки інформації, модулі роботи з базами даних, модулі WEB-серверів і т.ін.
Раніше кожна фірма, яка випускала ПЛК, розробляла і свою SCADA-програму. З кожним роком кількість таких фірм значно зменшується. Інші фірми розроблять відкриті SCADA-програми, які можуть працювати з різними типами контролерів. Останнім часом відкритість SCADA-програм досягається використанням спеціального типового інтерфейсу спілкування між прикладними програмами у промислових системах керування - ОРС. Наявність майже у всіх сучасних ПЛК і відкритих SCADA-програм стандартного інтерфейсу ОРС дає можливість безпосередньо інформаційно з'єднувати їх без використання спеціальних драйверів.
Відкриті SCADA-програми мають перевагу над більшістю закритих програм такого самого призначення. Ці програми більш потужні, відрізняються різноманітністю можливостей, простіші у проектуванні і зручніші в експлуатації.
Найбільш популярними SCADA-програмами є: Trase Mode, Genie, Genesis, SCAN 3000, FIX, SIMATIC WinCC.
1.10. Міжнародні стандарти програмованих логічних контролерів
Характерною ознакою сучасного ринку технічних і програмних засобів промислової автоматизації виробництва є:
високий рівень конкуренції між фірмами, які випускають однотипні засоби автоматизації і поширюють їх у різних країнах за повної відсутності у них будь-яких "національних" особливостей;
наявність на ринку засобів автоматизації як досить потужних розробників технічних і програмних засобів автоматизації, так і досить дрібних системних інтеграторів, які можуть пропонуватипродукцію близької якості;
швидкий прогрес розвитку мікропроцесорних елементів, що дає можливість розробникам технічних засобів модернізувати їх через кожні декілька років;
існування багатьох впливових громадських організацій і об'єднань великих фірм, які працюють у галузі уніфікації засобів автоматизації.
Не став винятком розвиток технічного прогресу у галузі розробки ПЛК. Протягом останніх 25 років розробники промислових контролерів безперервно вдосконалюють апаратно-програмні характеристики своїх виробів. Багато з них утворили унікальні комплекси програмного забезпечення, оригінальні мови програмування і потужну апаратну базу. Після першої ейфорії користувачі і насамперед потужні підприємства почали усвідомлювати необхідність уніфікації засобів автоматизації. Застосування різноманітних промислових контролерів викликало необхідність створення розвинених служб з технічного обслуговування і експлуатації, що, безумовно, коштувало недешево для будь-якого підприємства. Більше того, підприємства вже були не в змозі керувати цим процесом (обслуговуванням систем автоматизації) і все частіше почали звертатися до професійних організацій з упровадження і обслуговування такої техніки. Вже наприкінці 70-х років XX століття стандартизація програмного і технічного забезпечення ПЛК стала життєво необхідною і набула критичного характеру.
Як правило, стандартизація починається з роботи на окремих фірмах. Потім деякі рішення підтримує усе більша кількість виробників таких засобів. Далі стандарт затверджує спеціальна організація, яка робить його відкритим для будь-якого виробника, який хоче сертифікувати свою продукцію на відповідність цьому стандарту. Потім вирішується питання про сертифікацію у національних, регіональних межах і остаточно значну кількість стандартів затверджують міжнародні органи сертифікації.
У 1979 р. Міжнародна Електротехнічна Комісія (МЕК) створила робочий комітет А65 для розроблення міжнародного стандарту на програмовані логічні контролери. У розробці стандарту взяли участь найбільші виробники програмованих контролерів: Siemens, Alen Bradley, Modicon, General Electric, Schneider Electric і ін. На початку 90-х років з'явились перші офіційні редакції цього стандарту:
МЕК 1131-1 - Загальні положення (1992); МЕК 1131-2 - Специфікації і випробування обладнання (1992); МЕК 1131-3 - Мови програмування (1993); МЕК 1131-4 - Рекомендації користувачам; МЕК 1131-5 - Специфікації сервісних служб повідомлень. Міжнародна типізація і стандартизація окремих програмних і технічних засобів підвищує їх якісний рівень та полегшує взаємодію засобів різних фірм. При цьому під типізацією розуміється практична (а не формальна) стандартизація, тобто прийняття різними фірмами однакових технічних рішень, хоча вони і не зафіксовані у будь-яких міжнародних документах. Ця тенденція є основою розвитку й удосконалення всіх засобів, які поступово охоплюють усе більшу кількість різних характеристик, що мають важливе значення для користувачів. Практично така тенденція дає змогу потенціальному користувачу не бути заручником фірм, продукція яких уже використовується на підприємствах. Під час модифікації систем автоматизації або їх розширення замовник може вибирати нові засоби автоматизації з усього спектра продукції, яка є на ринку. Все це сприяє все простішій і ефективнішій інтеграції різноманітних засобів і систем автоматизації, що дає можливість будувати повну систему керування всім виробництвом, поступово нарощуючи можливості системи.
Крім стандарту МЕК 1131, сучасні промислові контролери повинні відповідати й іншим міжнародним стандартам, розробленим на засоби автоматизації. Наведемо основні класи стандартів різного рівня, які підтримують перспективні засоби автоматизації.
Стандарти програмних інтерфейсів: типовий інтерфейс спілкування програм - OLE; інтерфейс взаємодії програм між собою і зв'язку SCADA-програм з контролерами у промислових системах - ОРС; взаємодія програм на базі архітектури ActivX, типова мова запитів до реляційних систем керування базами даних (СКБД) — SQL; обмін даними між програмами і СКБД на базі драйвера - ODBC. Ці стандарти забезпечують відкритість програм одна до одної і до СКБД.
Стандарт створення програм з окремих об'єктів: локальна і розподілена компонентна об'єктна технологія - COM/DCOM. Стандарт є основою для зібрання програм із окремих програмних модулів.
Стандарти магістрально-модульної архітектури технічних засобів: варіанти стандартів шини, які об'єднують мікропроцесор і модулі (плати) різного призначення у контролері - VMEbas, STDbas, Multibas, Futurebas (найбільшого поширення у Європі набув стандарт VMEbas); стандарти локальної шини для внутрішньоплатних з'єднань - РСІ і Compact PCI. Завдяки цим стандартам можна збирати контролери й інші обчислювальні засоби із різноманітних за призначенням плат, які випускаються різними виробниками згідно з цим стандартом.
Стандарти промислових мереж (зв'язок між контролерами і між контролерами і робочими станціями операторів): на порти послідовної передачі даних - RS-232, -422, 485; на характеристики і протоколи мереж - Profibas FMS, Profibas PA, Interbas, WorldFip, ControlNet і ін. Використання стандартних мереж дає можливість під'єднувати апаратуру різних фірм.
Стандарти польових мереж (зв'язок контролерів із виносними блоками вводу-виводу та інтелектуальними приладами): на характеристики і протоколи мереж — HART, Profibas DP, Foundation Fieldbas H1 і Н2. Ці польові мережі реформують, стандартизують та здешевлюють нижній рівень автоматизації.
Стандарт технологічних мов програмування алгоритмів контролю і керування: стандарт ІЕС(МЕК) 1131.3 визначає структуру п'яти мов програмування: крокових діаграм — LD; функціональних блокових діаграм - FBD; послідовних функціональних схем - SFC; структурованого тексту - ST; інструкцій - IL. Використання для програмування алгоритмів контролю і керування мов, які розроблені відповідно до вимог цього стандарту, спрощує процес програмування і дає змогу використовувати розроблені програми у контролерах різних виробників.
Стандарти безпеки роботи апаратури автоматики: стандарт вибухобезпечності апаратури — CENELEC та безпеки роботи апаратури у ланцюгах протиаварійного захисту - DIN V 19250. Апаратура, що задовольняє цим стандартам, може гарантовано, з погляду безпеки, працювати у спеціальних умовах.
Стандарти захисту апаратури автоматики від агресивності навколишнього середовища: захист апаратури від вологи і механічних часток у навколишньому середовищі - IP і NEMA; захист апаратури від хімічно активних газів у навколишньому середовищі (захист від корозії) — ANSI/ISA-S71/04. Градації і рівні цих стандартів охоплюють можливі впливи промислового навколишнього середовища на засоби автоматизації і дають змогу за документацією на апаратуру визначити можливість її застосування в особливих умовах.
Стандарт якості виробництва технічних засобів: на системи керування якістю продукції — ISO серії 9000. Якщо виробник продукції сертифікований за однією з норм цього стандарту (9001, 9002, 9003), то це характеризує високу якість і надійність продукції, яка випускається.
1.11. Огляд ПЛК
У наш час пропонується великий вибір промислових мікропроцесорних контролерів як вітчизняного, так і зарубіжного виробництва. При виборі контролера для автоматизації конкретного технологічного процесу насамперед враховують особливості об'єкта керування, характер інформації, яка підлягає обробці, та перелік алгоритмів керування, які необхідно використовувати для автоматизації даного об'єкта.
Донедавна, залежно від функціонального призначення, промислові контролери розподіляли на логічні, регулюючі і комбіновані, або універсальні. В основі даного розподілу — орієнтованість апаратного й програмного забезпечення контролера на розв'язання типових задач керування: логіко-командного керування, керування неперервними процесами, автоматичного регулювання, спеціалізованих задач і ін. Але останнім часом необхідність у такому розподілі практично відпадає, оскільки контролери стають все універсальнішими, а їх спеціалізація досягається за рахунок використання того чи іншого комплекту модулів.
Враховуючи різну складність задач керування, які необхідно розв'язати на базі ПЛК, фірми пропонують ряд моделей контролерів, які розрізняються потужністю й кількістю входів-виходів. За цією характеристикою розрізняють ПЛК: малі - з кількістю входів-виходів до кількох десятків; середні — з кількістю входів-виходів до кількох сотень і великі - з кількістю входів-виходів до кількох тисяч.
Крім того, ПЛК можуть відрізнятись номенклатурою й кількістю використовуваних модулів входів-виходів, швидкодією, обсягом пам'яті для зберігання програм користувача, конструктивним виконанням і т.ін.
З вітчизняних промислових контролерів найбільшої популярності набули: МС59, ПКЛ, РК5001, В-10, Реміконт Р-110, Реміконт Р-130, Ломіконт, МСКУ, Уніконт.
З 90-х років XX століття в Україні і в інших країнах СНД почалося впровадження у системи автоматизації промислових контролерів західних країн. Спочатку це впровадження відбувалося за рахунок комплексної поставки обладнання з інтегрованими системами керування на базі ПЛК. Але згодом вітчизняні інжинірінгові фірми, що спеціалізувались на розробці й упровадженні систем автоматизації виробництва, стали використовувати цю техніку для реалізації своїх проектів. Це сприяло тому, що все більше іноземних фірм почали пропонувати свою продукцію. Але серед них можна виділити фірми, які є провідними у галузі розробки промислових контролерів. До них можна віднести: Siemens, Schneider Electric, Alen-Bradley, Omron, Mitsubishi. Усі ці фірми активно працюють на ринку технічних засобів автоматизації України і пропонують ПЛК, які мають приблизно однакові функціональні можливості і технічні характеристики (це закономірно для фірм, що займають позиції лідерів у своїй галузі).
Безумовно, що детальний розгляд апаратного й програмного забезпечення кожного з перелічених ПЛК вимагає великого обсягу матеріалу. Тому завданням даного посібника є розгляд основних принципів побудови ПЛК і їх програмного забезпечення на прикладі кількох контролерів. Розуміючи ці основні принципи, можна досить легко опанувати іншими типами ПЛК.
Далі розглянемо основні фукціональні можливості, технічні характеристики та принципи програмування деяких вітчизняних і іноземних промислових мікропроцесорних контролерів, які найбільш широко використовуються в Україні.
Контрольні запитання до розділу 1
Дайте визначення мікропроцесорного пристрою.
Укажіть основну властивість мікропроцесорного пристрою.
Наведіть основні елементи мікропроцесора.
Які пристрої входять до мікропроцесорної системи?
Які пристрої забезпечують зв'язок мікропроцесорної системи з об'єктом керування?
Які типи пам'яті використовуються у мікропроцесорних системах?
В яких одиницях вимірюється ємність пам'яті?
Які типи ОЗП використовуються у МПС і який їх основний недолік?
Укажіть призначення і наведіть типи ПЗП.
Які типи належать до пристроїв зовнішньої пам'яті?
Перелічіть одиниці інформації.
Запишіть у двійковій системі числення числа: 3427810, 94710, 621710, 18416, 37А516, 5В8916.
Запишіть у вісімковій та шістнадцятковій системах числення числа: 11001011000112, 10000110010101112, 1111101100111012.
Укажіть найпростіші логічні висловлення.
Який протокол найчастіше використовується для під'єднання інтелектуальних засобів автоматизації?
Які основні напрями розвитку мікропроцесорних систем промислової автоматики?
Дайте визначення програмовного логічного контролера.
Перелічіть основні риси ПЛК.
Укажіть основні структурні елементи ПЛК.
З яких етапів складається робочий цикл ПЛК?
Укажіть на різницю між циклічним і періодичним режимом виконання робочого циклу ПЛК
Які основні типи модулів входять до складу ПЛК?
Які типи схем використовуються для гальванічного розподілу дискретних сигналів?
Які мови технологічного програмування ПЛК визначені міжнародним стандартом МЕК 1131-3?
Яке призначення систем самодіагностики й тестування ПЛК?
Які рівні включає в себе еталонна модель протоколу зв'язку?
Які рівні можна виділити в системі керування виробництвом?
Які технічні й програмні засоби використовуються як засоби людино-машинного інтерфейсу?
Перелічіть основні міжнародні стандарти ПЛК?
30. За якими принципами можна розподілити ПЛК?