Программируемые логические контроллеры (ПЛК)

Программируемые логические контроллеры для промышленной автоматизации

Программируемый логический контроллер (ПЛК, PLC — Programmable Logic Controller) выполняет заданную пользователем программу управления и обрабатывает сигналы от датчиков, исполнительных механизмов и других компонентов системы автоматизации.

ПЛК применяются для управления машинами, производственными линиями, инженерными системами и технологическими процессами. В зависимости от архитектуры контроллер может иметь встроенные входы и выходы либо работать с локальными и удалёнными модулями I/O.

В промышленной автоматизации наряду с PLC используются PAC (Programmable Automation Controller) — программируемые контроллеры автоматизации с расширенными вычислительными, коммуникационными и интеграционными возможностями.

PLC и PAC — в чём разница

Граница между PLC и PAC зависит от терминологии производителя и архитектуры конкретной платформы. Классический PLC ориентирован прежде всего на детерминированное выполнение логики управления, тогда как PAC может объединять управление, сбор данных, сетевые функции и более сложные вычислительные задачи.

Например, некоторые PAC работают под Linux или промышленными версиями Windows, поддерживают несколько Ethernet-интерфейсов, локальные шины расширения, файловое хранение и дополнительные программные сервисы.

При выборе оборудования важнее учитывать фактические функции и программную платформу конкретного контроллера, чем только обозначение PLC или PAC в названии.

Компактные и модульные контроллеры

Компактные ПЛК

Компактный контроллер объединяет CPU и основные аппаратные функции в одном корпусе. В зависимости от модели в него могут быть встроены цифровые и аналоговые входы и выходы, Ethernet, последовательные интерфейсы и другие коммуникационные порты.

Такие решения подходят для локальных машин и небольших систем автоматизации, если требуемое количество I/O и коммуникационных интерфейсов соответствует возможностям контроллера.

Модульные ПЛК и PAC

Модульная архитектура позволяет формировать систему из CPU, источника питания, базового шасси и необходимых модулей ввода-вывода или коммуникационных модулей.

При проектировании необходимо проверять совместимость CPU, backplane, источника питания и модулей конкретной серии. Механическая совместимость сама по себе не означает поддержку модуля контроллером.

Локальный и удалённый ввод-вывод

Контроллер может работать с локальными I/O-модулями, установленными непосредственно рядом с CPU, и с распределёнными узлами ввода-вывода, подключёнными по промышленной сети.

Системы удалённого ввода-вывода позволяют размещать I/O ближе к датчикам и исполнительным механизмам и сокращать количество сигнальных кабелей, прокладываемых до центрального шкафа управления.

Количество поддерживаемых модулей, каналов и удалённых узлов определяется архитектурой конкретного PLC/PAC.

Цифровые и аналоговые входы и выходы

В зависимости от задачи система управления может использовать цифровые входы DI, цифровые выходы DO, аналоговые входы AI и аналоговые выходы AO.

Для аналоговых сигналов необходимо учитывать поддерживаемые диапазоны напряжения и тока, разрешение, точность, тип каналов и гальваническую изоляцию. Для цифровых каналов проверяются электрический тип входов и выходов, допустимые напряжения и токи нагрузки.

Наличие определённого количества I/O на CPU не означает, что все каналы имеют одинаковые электрические характеристики.

IEC 61131-3 и среды программирования

Многие PLC и PAC программируются с использованием языков и сред, соответствующих IEC 61131-3. В зависимости от платформы могут поддерживаться Ladder Diagram, Structured Text, Function Block Diagram и другие языки.

Конкретный набор языков, версия среды разработки, лицензирование runtime и совместимость проекта необходимо проверять для выбранной серии контроллеров.

В ассортименте промышленной автоматизации используются различные программные платформы, включая CODESYS, ISaGRAF, Win-GRAF и собственные среды производителей. Поддержка конкретной среды определяется моделью контроллера.

CODESYS

CODESYS представляет собой программную платформу для разработки приложений промышленной автоматизации. Контроллеры с CODESYS могут поддерживать программирование по IEC 61131-3 и дополнительные функции, набор которых зависит от runtime и аппаратной платформы.

Само наличие Ethernet или промышленного процессора не означает поддержку CODESYS — она должна быть явно заявлена производителем конкретного контроллера.

ISaGRAF и Win-GRAF

В ряде PAC-платформ ICP DAS используются среды ISaGRAF и Win-GRAF. Такие контроллеры позволяют реализовывать PLC-подобную логику управления на более функциональной PAC-платформе.

ISaGRAF и Win-GRAF не следует считать одной и той же программной средой или автоматически взаимозаменяемыми. При модернизации существующей системы необходимо учитывать конкретную модель контроллера, версию runtime и существующий проект.

Ethernet и последовательные интерфейсы

Современные PLC и PAC могут оснащаться Ethernet, RS-232, RS-422, RS-485, CAN и другими коммуникационными интерфейсами.

Количество физических портов не определяет автоматически количество независимых сетей или поддерживаемых протоколов. Для каждого интерфейса необходимо проверять его назначение и программные возможности.

Промышленные протоколы

В зависимости от модели контроллеры могут поддерживать Modbus RTU, Modbus TCP и другие промышленные протоколы.

При подборе необходимо учитывать не только название протокола, но и роль устройства — Client/Server, Master/Slave, Scanner/Adapter или другие роли, предусмотренные соответствующей технологией.

Если основной задачей устройства является преобразование одного промышленного протокола в другой, такое оборудование относится не к PLC, а к шлюзам промышленных протоколов.

ПЛК и система удалённого ввода-вывода

ПЛК выполняет программу управления и принимает решения на основании заданной логики. Remote I/O в первую очередь обеспечивает получение и выдачу физических сигналов в распределённой системе.

Некоторые интеллектуальные I/O-устройства способны самостоятельно выполнять простые логические правила. Это не делает их автоматически полноценными PLC: при классификации необходимо учитывать основное назначение изделия и позиционирование производителя.

ПЛК и промышленный контроллер

Не каждое устройство, называемое производителем или поставщиком «контроллером», является PLC.

Embedded-контроллеры могут программироваться на C/C++, Python или через специализированный API и использоваться для выполнения пользовательских приложений. Если устройство не является PLC/PAC и его основная функция — выполнение прикладного промышленного программного обеспечения, его правильнее рассматривать как промышленный контроллер.

Поэтому при классификации оборудования необходимо учитывать программную архитектуру и основное назначение, а не только слово Controller в названии модели.

ПЛК и панель оператора HMI

Панель оператора HMI предназначена прежде всего для визуализации технологического процесса и взаимодействия оператора с системой управления.

PLC выполняет управляющую программу. В традиционной архитектуре PLC и HMI являются отдельными устройствами и обмениваются данными по промышленной сети.

Существуют комбинированные устройства, объединяющие HMI и полноценный PLC/PAC. Их следует классифицировать по фактической архитектуре и основному назначению конкретной серии, а не только по наличию дисплея.

ПЛК и IIoT-шлюз

IIoT-шлюз ориентирован прежде всего на сбор, обработку и передачу данных между промышленным оборудованием и IT-, SCADA- или облачными системами.

Некоторые современные PLC/PAC также поддерживают MQTT, OPC UA и другие IIoT-функции. Наличие таких протоколов само по себе не превращает контроллер в IIoT gateway, если его основной функцией остаётся управление технологическим процессом.

Производительность и время выполнения программы

При выборе контроллера необходимо учитывать требования к скорости выполнения управляющей программы, количеству I/O, коммуникационной нагрузке и дополнительным задачам.

Тактовая частота процессора сама по себе не позволяет сравнивать быстродействие разных PLC/PAC. Архитектура runtime, операционная система, цикл выполнения программы и коммуникационные задачи также влияют на производительность.

Real-time управление

Для задач управления может быть важна гарантированная реакция системы в заданных временных пределах. Некоторые PAC используют специализированную операционную систему или real-time расширение.

Наличие Linux или Windows само по себе не подтверждает и не исключает real-time характеристики. Их необходимо проверять по документации конкретной аппаратно-программной платформы.

Резервирование контроллеров

Для ответственных систем некоторые серии PLC/PAC поддерживают резервирование CPU, питания, коммуникационных интерфейсов или других компонентов.

Два Ethernet-порта или два входа питания сами по себе не означают поддержку резервирования контроллера. Архитектура redundancy должна быть явно предусмотрена производителем.

Рабочая температура и условия эксплуатации

Промышленные контроллеры выпускаются для различных температурных диапазонов и условий эксплуатации.

При проектировании необходимо учитывать рабочую температуру, влажность, вибрацию, требования к электромагнитной совместимости и условия установки оборудования.

Температурный диапазон CPU-контроллера не распространяется автоматически на подключённые I/O-модули, источники питания и другие компоненты системы.

Как выбрать ПЛК или PAC

Подбор начинается с определения алгоритма управления, количества и типов сигналов, требований к времени реакции системы и необходимой архитектуры ввода-вывода.

Затем определяются коммуникационные интерфейсы, промышленные протоколы, программная среда, способ расширения и требования к резервированию и условиям эксплуатации.

Основные параметры при подборе

• тип контроллера — PLC, PAC или SoftPLC;
• серия и процессорная платформа;
• среда программирования;
• поддержка IEC 61131-3;
• поддерживаемые языки программирования;
• объём памяти программы и данных;
• встроенные DI, DO, AI и AO;
• количество и тип локальных I/O-модулей;
• поддержка Remote I/O;
• Ethernet и последовательные интерфейсы;
• поддерживаемые промышленные протоколы и роли;
• CAN и специализированные промышленные сети;
• поддержка MQTT, OPC UA и других IT/IIoT-протоколов;
• время выполнения программы и real-time характеристики;
• поддержка резервирования;
• наличие встроенного HMI;
• питание;
• монтаж;
• рабочая температура;
• совместимые I/O-модули и шасси расширения.

Подбор контроллера под проект АСУ ТП

Для подбора желательно предоставить описание алгоритма управления или техническое задание, перечень сигналов I/O, используемые промышленные протоколы, требования к времени цикла, резервированию и условиям эксплуатации.

HPI Networks поможет подобрать PLC/PAC, совместимые модули ввода-вывода и коммуникационное оборудование, проверить архитектуру системы, программную платформу и совместимость компонентов по документации производителя.