Pri navrhovaní systému programovateľného logického regulátora (PLC) je prvým krokom definovanie stratégie riadenia; následný krok zahŕňa inžiniersky výber špecifického hardvéru PLC. Charakteristiky toku procesu a špecifické požiadavky aplikácie slúžia ako primárny základ pre tento výberový proces. PLC a jeho pridružené zariadenia by mali byť integrované a štandardizované, vybrané podľa princípov bezproblémovej integrácie do celkového priemyselného riadiaceho systému a jednoduchosti funkčného rozšírenia. Zvolený PLC systém by mal byť vyspelým a spoľahlivým riešením s preukázanou úspešnou prevádzkou v rámci príslušného priemyselného sektora. Okrem toho hardvérová konfigurácia systému, možnosti softvéru a funkčné vlastnosti musia byť primerane prispôsobené rozsahu zariadenia a špecifickým požiadavkám na ovládanie. Znalosť PLC, funkčných diagramov a príslušných programovacích jazykov pomáha výrazne skrátiť čas programovania. Preto je počas fáz inžinierskeho výberu a odhadu nevyhnutné vykonať podrobnú analýzu charakteristík procesu a požiadaviek na riadenie; to zahŕňa jasné definovanie kontrolných úloh a rozsahu a identifikáciu potrebných operácií a činností. Následne-na základe týchto požiadaviek na ovládanie- možno odhadnúť požadovaný počet vstupných/výstupných (I/O) bodov a kapacitu pamäte a určiť potrebné funkcie PLC a špecifikácie externých zariadení. Nakoniec je cieľom vybrať PLC, ktoré ponúka vynikajúci pomer cena{10}výkon, a navrhnúť zodpovedajúci riadiaci systém.
Odhad I/O bodu
Pri odhadovaní počtu I/O bodov je kľúčové začleniť primeranú rezervu. Odhadovaný počet I/O sa zvyčajne odvodí zo štatisticky vypočítaného počtu požadovaných bodov a pripočítaním rozpätia rozšírenia od 10 % do 20 %. Pri zadávaní skutočnej objednávky môže byť potrebné zaokrúhliť odhadovaný počet I/O, aby sa zosúladil so špecifickými špecifikáciami produktu a konfiguráciami modulov, ktoré ponúka výrobca PLC.
Kapacita pamäte
„Kapacita pamäte“ označuje celkovú veľkosť pamäťových jednotiek hardvéru poskytovaných samotným PLC, zatiaľ čo „kapacita programu“ označuje špecifickú časť tejto pamäte využívanú aplikačným programom používateľa. V dôsledku toho je kapacita programu vždy menšia alebo rovná celkovej kapacite pamäte. Počas fázy návrhu, keďže používateľský aplikačný program ešte nebol napísaný, presná kapacita programu zostáva neznáma a dá sa určiť až po úplnom odladení programu. Aby sa uľahčil proces výberu poskytnutím primeraného odhadu požadovaného úložného priestoru, celková kapacita pamäte sa zvyčajne používa ako náhrada kapacity programu počas fázy návrhu. Neexistuje žiadny pevný vzorec na odhad požadovanej kapacity pamäte; aj keď sa v literatúre objavujú rôzne vzorce, vo všeobecnosti sa riadia bežným prístupom: vypočítajte 10 až 15-násobok počtu digitálnych I/O bodov, pridajte 100-násobok počtu analógových I/O bodov a použite tento súčet ako celkový počet slov (kde jedno slovo sa rovná 16 bitom) pre pamäť. Okrem toho by sa mala zohľadniť bezpečnostná rezerva rovnajúca sa 25 % tejto vypočítanej hodnoty.
Výber riadiacich funkcií
Tento proces výberu zahŕňa výber špecifických charakteristík, ako sú aritmetické funkcie, riadiace funkcie, komunikačné schopnosti, programovacie vlastnosti, diagnostické nástroje a rýchlosť spracovania.
1. Aritmetické funkcie
Aritmetické funkcie jednoduchých programovateľných logických ovládačov (PLC) zvyčajne zahŕňajú základné logické operácie, časovanie a počítacie funkcie. Štandardné PLC to rozširujú tak, aby zahŕňali operácie, ako je presun a porovnávanie údajov. Zložitejšie aritmetické schopnosti zahŕňajú algebraické operácie a funkcie prenosu dát. Veľké-počítače PLC ďalej obsahujú analógové riadiace algoritmy PID a ďalšie pokročilé matematické funkcie. S príchodom otvorených systémov sú moderné PLC univerzálne vybavené komunikačnými schopnosťami; konkrétne produkty môžu ponúkať komunikáciu so zariadeniami nižšej{5}}úrovne, peer-rovnoprávnu-komunikáciu s inými PLC, komunikáciu s hostiteľskými systémami vyššej{8}}úrovne alebo možnosti výmeny údajov s celopodnikovými-sieťami alebo podnikovými sieťami. Pri výbere modelu vo fáze návrhu by sa mal výber zakladať na špecifických požiadavkách skutočnej aplikácie, pričom by sa mali vyberať len tie aritmetické funkcie, ktoré sú skutočne potrebné. Vo väčšine aplikačných scenárov postačujú základné logické operácie, funkcie časovania a počítania; niektoré aplikácie môžu vyžadovať prenos dát a možnosti porovnávania; zatiaľ čo algebraické operácie, numerické konverzie a PID riadiace algoritmy sú zvyčajne vyhradené pre aplikácie zahŕňajúce detekciu a riadenie analógového signálu. Operácie ako dekódovanie a kódovanie sú potrebné, keď sú potrebné možnosti zobrazenia údajov.
2. Ovládacie funkcie
Riadiace funkcie zahŕňajú algoritmy, ako je PID riadenie, kompenzácia{0}}dopredného posuvu a riadenie pomeru; konkrétne vybrané funkcie by sa mali určiť na základe presných požiadaviek na ovládanie aplikácie. Keďže PLC sú primárne navrhnuté na sekvenčné logické riadenie, vo väčšine scenárov sa úlohy analógového riadenia zvyčajne riešia pomocou vyhradených jednoslučkových alebo viacslučkových radičov. Alternatívne sa niekedy používajú špecializované inteligentné I/O moduly na vykonávanie špecifických riadiacich funkcií-, čo je stratégia, ktorá slúži na zvýšenie celkovej rýchlosti spracovania PLC a šetrenie kapacity vnútornej pamäte. Príklady takýchto špecializovaných modulov zahŕňajú riadiace jednotky PID, vysokorýchlostné počítadlá, analógové vstupné moduly s kompenzáciou rýchlosti a prevodné jednotky ASCII.
3. Komunikačné funkcie
Stredné-až{1}}veľké-systémy PLC by mali podporovať rôzne priemyselné zbernice a štandardné komunikačné protokoly (napríklad TCP/IP). Okrem toho, ak to aplikácia vyžaduje, tieto systémy by mali byť schopné nadviazať spojenie s riadiacou sieťou závodu (cez TCP/IP). Komunikačné protokoly musia spĺňať komunikačné normy ISO/IEEE a musia predstavovať otvorenú komunikačnú sieť.
Komunikačné rozhrania systému Programmable Logic Controller (PLC) zahŕňajú sériové a paralelné komunikačné rozhrania, komunikačné porty RIO, spoločné rozhrania DCS a podobne. Pre stredné-až{2}}veľké-systémy PLC musia byť komunikačné zbernice (vrátane zariadení rozhrania a káblov) nakonfigurované s redundanciou 1:1; tieto komunikačné zbernice musia vyhovovať medzinárodným štandardom a ich komunikačný rozsah musí zodpovedať skutočným požiadavkám konkrétneho zariadenia.
V rámci komunikačnej siete systému PLC musí rýchlosť komunikácie siete vyššej{0}}úrovne presiahnuť 1 Mbps a komunikačné zaťaženie nesmie presiahnuť 60 %. Primárne formy komunikačných sietí pre PLC systémy sú nasledovné:
1) PC funguje ako nadriadená stanica, zatiaľ čo viaceré PLC rovnakého modelu fungujú ako podriadené stanice, ktoré tvoria jednoduchú sieť PLC;
2) Jedno PLC funguje ako nadriadená stanica, zatiaľ čo ostatné PLC rovnakého modelu fungujú ako podriadené stanice a tvoria sieť nadriadených-podriadených PLC;
3) Sieť PLC sa pripája k-veľkému DCS prostredníctvom špecifického sieťového rozhrania, ktoré funguje ako podsieť DCS;
4) Vlastná PLC sieť (komunikačná sieť špecifická pre PLC produkty konkrétneho výrobcu).
Na odľahčenie komunikačnej záťaže CPU-a na základe skutočných požiadaviek konfigurácie siete-by ste mali zvoliť komunikačné procesory vybavené rôznymi komunikačnými schopnosťami (napr. point{4}}to{5}}point, fieldbus).
4. Programovacie funkcie
Offline programovací režim: V tomto režime PLC a programovacie zariadenie zdieľajú jeden CPU. Keď je programovacie zariadenie v „režime programovania“, CPU venuje svoje služby výhradne programovaciemu zariadeniu a neriadi zariadenia v teréne. Po dokončení programovania sa programovacie zariadenie prepne do „režimu chodu“, v ktorom CPU obnoví riadenie prevádzkových zariadení a programovacie operácie nie je možné vykonávať. Režim offline programovania môže znížiť náklady na systém, hoci môže byť menej vhodný na používanie a ladenie. Režim online programovania: V tomto režime má CPU a programovacie zariadenie svoje vlastné vyhradené CPU. Hostiteľský CPU je zodpovedný za operácie riadenia poľa a vymieňa si dáta s programovacím zariadením v rámci jedného skenovacieho cyklu; programovacie zariadenie odošle novovytvorené alebo upravené programové dáta do hostiteľského CPU a v nasledujúcom skenovacom cykle hostiteľský CPU vykoná systémovú logiku založenú na novo prijatom programe. Aj keď tento režim znamená vyššie náklady, ponúka väčšie pohodlie pri ladení a prevádzke systému a často sa používa v stredných-až{7}}veľkých-systémoch PLC. Existuje päť štandardizovaných programovacích jazykov: tri grafické jazyky-Sekvenčné funkčné diagramy (SFC), rebríkové diagramy (LD) a diagramy funkčných blokov (FBD)-a dva textové-jazyky-zoznamy pokynov (IL) a štruktúrovaný text (ST). Zvolený programovací jazyk by mal spĺňať príslušný štandard (IEC 61131-3); okrem toho by mal podporovať rôzne alternatívne formy programovania – ako napríklad C, Basic atď. – aby splnil špecifické požiadavky na ovládanie špecializovaných aplikácií.
5. Diagnostické funkcie
Diagnostické možnosti programovateľného logického radiča (PLC) zahŕňajú diagnostiku hardvéru aj softvéru. Diagnostika hardvéru využíva hardvérovú-logiku na určenie polohy hardvérových porúch, zatiaľ čo diagnostika softvéru sa delí na internú a externú diagnostiku. Interná diagnostika zahŕňa použitie softvéru na posúdenie interného výkonu a funkčnosti PLC; externá diagnostika zahŕňa použitie softvéru na vyhodnotenie možností výmeny dát medzi CPU PLC a externými komponentmi, ako sú vstupno/výstupné (I/O) moduly.
Robustnosť diagnostických funkcií PLC priamo ovplyvňuje technickú odbornosť požadovanú od personálu prevádzky a údržby, ako aj strednú dobu opravy (MTTR).
6. Rýchlosť spracovania
Programmable Logic Controllers fungujú pomocou mechanizmu založeného na skenovaní-. Z hľadiska požiadaviek na výkon v-reálnom čase by rýchlosť spracovania mala byť čo najrýchlejšia. ak je trvanie vstupného signálu kratšie ako čas skenovania PLC, riadiaca jednotka môže zlyhať pri detekcii signálu, čo môže viesť k strate údajov.
Rýchlosť spracovania je ovplyvnená faktormi, ako je dĺžka používateľského programu, výkon procesora a kvalita softvéru. PLC sa vyznačujú rýchlymi časmi odozvy kontaktov a vysokými prevádzkovými rýchlosťami, pričom čas vykonania každej binárnej inštrukcie sa zvyčajne pohybuje od 0,2 do 0,4 mikrosekúnd (µs); v dôsledku toho sú-vhodné pre aplikácie vyžadujúce prísne ovládanie a schopnosť rýchlej odozvy. Cyklus skenovania (čas skenovania procesora) by mal spĺňať nasledujúce kritériá: pre malé{5}}počítače PLC by čas skenovania nemal presiahnuť 0,5 ms na 1 000 inštrukcií (0,5 ms/K); v prípade stredne{10}}až{11}}veľkých{12}}počítačov PLC by čas skenovania nemal presiahnuť 0,2 ms na 1 000 inštrukcií (0,2 ms/K).
Typy ovládačov
Na základe svojej fyzickej štruktúry sú PLC vo všeobecnosti rozdelené do dvoch kategórií: integrálne (monoblokové) typy a modulárne typy. Na základe ich operačného prostredia sú rozdelené do dvoch kategórií: poľné-jednotky namontované na poli a riadiace-miestnosti-jednotky namontované. Okrem toho sa na základe dĺžky slova CPU delia na 1-bitové, 4-bitové, 8-bitové, 16-bitové, 32-bitové a 64{20}}bitové systémy. Z pohľadu aplikácie{21}}sa PLC zvyčajne vyberajú na základe ich špecifických riadiacich funkcií alebo požadovaného počtu vstupných/výstupných bodov. Integrované-programovateľné logické radiče (PLC) majú pevný počet I/O bodov; v dôsledku toho majú používatelia obmedzenú flexibilitu pri výbere, čo ich robí vhodnými pre malé riadiace systémy. Naopak, PLC modulárneho typu ponúkajú širokú škálu I/O kariet alebo zásuvných modulov, ktoré používateľom umožňujú racionálne vybrať a nakonfigurovať špecifický počet I/O bodov požadovaných pre ich riadiace systémy. Táto modularita umožňuje pohodlné a flexibilné rozšírenie funkcií, vďaka čomu sú všeobecne vhodné pre stredné až veľké riadiace systémy.
Typy vstupu/výstupu
Diskrétne signály (spínacie veličiny): Tieto sa týkajú predovšetkým diskrétnych vstupov a diskrétnych výstupov-konkrétne pomocných kontaktov spojených s rôznymi zariadeniami. Príklady zahŕňajú pomocné kontakty relé v regulátore teploty transformátora (ktoré zmenia stav, keď sa transformátor prehreje), pomocné kontakty vačkového spínača ventilu (ktoré zmenia stav, keď sa ventil otvorí alebo zatvorí), pomocné kontakty stýkača (ktoré zmenia stav, keď sa stýkač aktivuje) a pomocné kontakty relé proti tepelnému preťaženiu (ktoré zmenia stav, keď relé vypne). Tieto signály sa zvyčajne prenášajú do PLC alebo komplexného ochranného zariadenia. Napájanie týchto kontaktov vo všeobecnosti zabezpečuje samotné PLC alebo ochranné zariadenie; keďže kontakty nemajú svoj vlastný vnútorný zdroj energie, označujú sa ako „pasívne kontakty“ (alebo „suché kontakty“) a sú klasifikované ako diskrétne vstupy v kontexte PLC alebo ochranného zariadenia.
1. Digitálne množstvá
Fyzikálne veličiny, ktoré sú diskrétne-z hľadiska času aj veľkosti-sa označujú ako digitálne veličiny. Signály reprezentujúce tieto digitálne veličiny sa nazývajú digitálne signály. Elektronické obvody navrhnuté na prevádzku pomocou digitálnych signálov sú známe ako digitálne obvody.
Napríklad: Keď sa elektronický obvod používa na počítanie počtu dielov na výstupe z automatizovanej výrobnej linky, do obvodu sa odošle signál pre každý dodaný diel, čo spôsobí, že zaregistruje počet „1“. Naopak, keď sa nedodávajú žiadne diely, signál aplikovaný na obvod je „0“. Signál predstavujúci počet častí je teda nespojitý-časovo aj kvantitatívne-čo z neho robí digitálny signál. Najmenšou jednotkou množstva je v tomto kontexte jedna jednotka (1).
2. Analógové množstvá
Fyzikálne veličiny, ktoré sú spojité-či už z hľadiska času alebo veľkosti-, sa označujú ako analógové veličiny. Signály reprezentujúce tieto analógové veličiny sa nazývajú analógové signály. Elektronické obvody navrhnuté na prevádzku pomocou analógových signálov sú známe ako analógové obvody.
Napríklad: Výstupný napäťový signál z termočlánku počas prevádzky je analógový signál. Keďže meraná teplota nemôže za žiadnych okolností podstúpiť okamžité, prudké skoky, výsledný napäťový signál je kontinuálny-ako časovo, tak aj kvantitatívne. Okrem toho každá konkrétna hodnota získaná týmto napäťovým signálom počas procesu jeho nepretržitej zmeny má konkrétny fyzikálny význam-a to, že zodpovedá konkrétnemu odčítaniu teploty. Princípy konverzie
1. Digitálny-na{2}}analógový prevodník (DAC) je systém, ktorý konvertuje digitálne signály na analógové; to sa zvyčajne dosahuje pomocou nízkopriepustného-filtrovania. Digitálny signál najskôr prejde dekódovaním-to znamená, že digitálne kódy sa prevedú na zodpovedajúce napäťové úrovne, aby vytvorili schodiskový-signál-, po ktorom sa podrobia dolno{8}}filtrácii.
Podľa teórie signálov a systémov sa na digitálny{0}}signál podobný schodisku možno pozerať ako na konvolúciu ideálneho impulzného-vzorkovaného signálu a pravouhlého impulzného signálu. V dôsledku toho je podľa konvolučnej vety spektrum digitálneho signálu súčinom spektra impulzného-vzorkovaného signálu a spektra pravouhlého impulzu (známeho ako funkcia Sa). Využitím recipročnej funkcie Sa na spektrálnu kompenzáciu teda možno z digitálneho signálu získať pôvodný vzorkovaný signál. Okrem toho, podľa vzorkovacej vety, aplikovanie ideálnej dolnopriepustnej filtrácie na spektrum vzorkovaného signálu poskytne spektrum pôvodného analógového signálu.
V praktických implementáciách sa tieto teoretické princípy priamo neuplatňujú, pretože generovanie ostrých, ideálne vzorkovaných signálov je technicky náročné. Preto sú tieto dva stupne filtrovania (kompenzácia funkcie Sa-a ideálne dolno{2}}priepustné filtrovanie) zvyčajne kombinované (kaskádované). Navyše, keďže ideálne filtračné charakteristiky požadované týmto systémom sú fyzicky nerealizovateľné, skutočné systémy môžu poskytnúť len aproximáciu tohto procesu.
2. Analógový-na-digitálny prevodník (ADC) je systém, ktorý konvertuje analógové signály na digitálne signály; tento proces zahŕňa filtrovanie, vzorkovanie a uchovávanie a kódovanie.
Analógový signál najskôr prechádza pásmom-obmedzujúcim filtrovaním a prechádza cez vzorkovací-a{2}}pridržiavací obvod, čím sa transformuje na signál podobný schodisku-. Následne tento signál prechádza cez kodér, ktorý prevádza každú rozdielnu úroveň napätia v rámci schodiskového signálu na zodpovedajúci binárny kód.