Обзор лучших программируемых логических контроллеров на 2021 год

PAC добавлены к линейке PLC

В линейке PLC Modicon, представленной в 1968 году, появился контроллер Modicon M340 PAC, платформа, реализующая функции коммуникаций, управления перемещением и сбора данных в различных средах программирования. Семейство M340 упрощает установку и эксплуатацию, используя один программный продукт: Unity Pro, полностью соответствующий стандарту IEC 61131-3. Предлагая на выбор любой из 5 языков IEC, графическое программирование, и расширенную online-поддержку, M340 обеспечивает быстрое выполнение, как логических, так и математических операций. Контроллер имеет 4 Мбайт внутренней памяти (расширяемой до 16 Мбайт), 256 Кбайт данных, и способен выполнять до 70 Кбайт программного кода.

www.us.telemecanique.comSchneider Electric

Pop Hi-Tech

Итак, вы решили изучать программирование ПЛК (Программируемых Логических Контроллеров). С чего стоит начать изучение программирования контроллеров? Какие учебные материалы искать, стоит ли заниматься этим самостоятельно или лучше пойти на курсы, сколько времени займёт обучение и насколько оно будет сложным? Доступно ли программирование ПЛК всем или для этого нужно быть программистом? Как быстро стоит переходить от теории к практике? Мы подготовили ответы на эти и другие вопросы.

1. Для того чтобы начать изучать программирование ПЛК, быть программистом вовсе не обязательно. Достаточно иметь так называемый логический склад ума. Если вы любили математику и информатику в школе — скорее всего, у вас всё получится. 2. Однако определённые навыки и понимание машинной логики все же необходимы. Если вы изучали в школе или институте основы программирование на Паскале, Бейсике или Ассемблере — это значительный плюс. 3. Первые шаги в программировании ПЛК можно и даже лучше всего делать самостоятельно, это позволит изучить основы в комфортном для себя темпе. Учебных материалов о ПЛК и их программировании достаточно много в интернете, а приблизительный план для самостоятельного обучения вы можете найти в этой статье. 4

А вот сразу после изучения основ следует обратить своё внимание на профессиональные курсы и руководства. От своего имени особо рекомендуем видеокурс по Simatic Step 7, который можно купить на сайте https://step7-kurs.ru

Этот курс как нельзя лучше подходит для новичков, в то же время Simatic Step 7 используется для разработки систем автоматизации для ПЛК Simatic — одних из самых популярных и востребованных на сегодня контроллеров. 5. После того как вы сделаете свои первые шаги step 7 — милости просим на специализированные форумы: здесь вы сможете не только «задачки порешать», но и уже начинать подыскивать работу или стажировку. 6. Время, необходимое для изучения программирования ПЛК, — параметр индивидуальный. Однако в любом случае это займёт у вас гораздо меньше времени, чем попытки освоить Java или C#.

Темы, которые стоит изучить самостоятельно до того, как вы приступите к изучению профессиональных курсов (т. е. на этапе самообучения):

1. Требования техники безопасности при работе с ПЛК. Хотя в начале обучения вам, возможно, будет казаться, что эта тема вам не нужна — все же потратьте некоторое время и изучите ТБ работы с ПЛК. Пригодится обязательно. 2. Назначение, функции, принципы работы и конструкция ПЛК. Условия, в которых работают ПЛК и требования к ним. Если вы раньше занимались радиотехническим конструированием — эта тема не составит для вас особого труда. 3. История ПЛК. Необязательная, но весьма интересная часть. 4. Знакомство с основными языками программирования ПЛК согласно стандарту МЭК-61131-3: Sequential Function Chart (SFC), Function Block Diagram (FBD), Ladder Diagrams (LАD), Statement List (STL), Instruction List (IL). 5. Знакомство со средой разработки, лучше всего — с двумя-тремя наиболее популярными. Например, это могут быть CoDeSys и Simatic Step 7. 6. Изучение методики программирования ПЛК. Структуризация программы, вызов подпрограмм, задание циклов и времени работы программы. 7. Основные команды (операторы). К этому моменту вы уже должны были определиться с языком программирования и средой разработки, наиболее симпатичной лично вам. 8. Функции и функциональные блоки. 9.Примеры кода работающих программ. 10. Практикум. При написании собственных программ переходите от элементарных задач к более сложным. На этом этапе нет ничего плохого в том, чтобы использоваться в своих программах части чужого кода, однако старайтесь со временем уменьшать их количество (в процентном выражении).

Принцип работы ПЛК

По сути, микроконтроллер достаточно близок к реле. Только вместо механических контактов и катушек в нем — электронные цепи. Понять принцип действия будет легко любому инженеру, знакомому со схемами, основами электротехники.

Датчик освещенности на входе подает сигнал в блок обработки данных. В нормальном состоянии процессор не реагирует. Как только сенсор определит падение освещения, изменится его сопротивление, центральный блок задействует цепи питания электроламп.

Для управления ПЛК, его программирования используется бытовой ПК. Несколько отдельных микроконтроллеров образуют каскад с усложненными задачами. Системы «умный дом», автоматика включения двигателя насоса для закачки воды в накопительный бак давно содержат в себе подобные блоки.

Сложные микроконтроллерные устройства обеспечивают охрану, защиту периметра (квартиры), включая связь с полицией (владельцем) через модем, подъем тревоги при проникновении нарушителей, разрушении механизма закрытия двери.

Первый этап работы устройства состоит из экспресс-теста задействованного оборудования. Одновременно идет загрузка операционной среды, управляющих программ. Все как в настольном ПК при старте Windows. Предусмотрена пошаговая отработка команд (отладка), при которой допускается мониторинг, корректировка переменных.

Для простоты восприятия рабочий, шаговый режим ПЛК разбит на типовые циклы. Они повторяются во время функционирования устройства. В каждом цикле, «маршрутной карте» заключаются 3 действия:

Завершается цикл быстрым переходом к первому этапу «урока».

Выбор ПЛК

Выбор платформы автоматизации

Выбор платформы определяет и весь ваш будущий выбор.

ПЛК является первым пунктом в выборе платформы.

Правильный выбор платформы позволяет минимизировать расходы жизненного цикла системы управления:

  • склад запасных частей и сервисное обслуживание
  • обучение и сертификацию обслуживающего персонала
  • приобретение лицензий на средства разработки прикладного ПО
  • интеграцию (бесшовная интеграция)
  • миграцию (переход со старого оборудования на новое)
  • программы и сикдки для ключевых клиентов

Определение количества точек ввода-вывода

Желательно максимально точно определить общее количество точек ввода-вывода (с учётом резервирования), чтобы подобрать ПЛК соответствующей производительности,
или заранее предусмотреть модель контроллера с большим запасом по расширяемости.

  • Дискретные входы (стандартные и быстродействующие импульсные)
  • Аналоговые входы для подключения датчиков:
    • токовых (0..20мА, 4..20мА)
    • «напряженческих» (-10..+10В, 0..+10В)
    • термопар и термосопротивлений (способ подключения: 2-х, 3-х или 4-х проводное подключение)
  • Дискретные выходы (мокрый контакт)
  • Релейные выходы (сухой контакт):
    • тип нагрузки (резистивная, индуктивная, резистивно-индуктивная)
    • величина тока (в Амперах)
    • напряжение (~220В, =24В)
  • Аналоговые выходы:
    • токовые (0..20мА, 4..20мА)
    • «напряженческие» (-10..+10В, 0..+10В)
  • Интерфейсы для подключения угловых или линейных датчиков скорости, положения (энкодеров, резольверов, синусно-косинусных)

Определение архитектуры системы управления

  1. Составить список объектов автоматизации (производственных площадок, цехов, участков, технологических линий, подсистем)
  2. Определиться с количеством ПЛК: если объекты управляются независимо друг от друга и вводятся в эскплуатацию поочередно, то можно предусмотреть для них
    отдельные контроллеры
  3. В зависимости от объёма и скорости обмена данными, территориального расположения объектов управления необходимо выбрать тип и топологию промышленной сети,
    требуемое коммуникационное оборудование
  4. Для минимизации длины кабельных соединений используются станции распределённого ввода-вывода
  5. Расписать точки ввода вывода по контроллерам, шкафам локального и децентрализованного ввода-вывода, определить количество и типы модулей ввода-вывода с
    учётом запаса по свободным каналам ввода-вывода
  6. В зависимости от направления обмена данными между ПЛК необходимо правильно выбрать конфигурацию Master – Slave (Ведущий – Ведомый): контроллеры типа Slave
    не могут обмениваться данными друг с другом

Масштабируемость

Масштабируемость – это возможность подобрать промышленный контроллер оптимальной конфигурации под конкретную задачу (не переплачивая за избыточную функциональность),
а при необходимости расширения – просто добавить недостающие модули без замены старых.

Выбор блоков питания

Контроллеры подключаются к стабилизированным импульсным источникам питания. Необходимо аккуратно подсчитать суммарный ток, потребляемый всеми модулями
контроллера и подобрать блок питания с соответствующей нагрузочной способностью.

Пример последствий неправильного выбора блока питания

Выходные модули установки приготовления клея для варки целлюлозы иногда отключались и испорченный клей приходилось выбрасывать тоннами.
К финскому проекту ни у кого претензий не возникало. Заменили все модули ввода-вывода — не помогло. Грешили на случайные помехи из-за плохого заземления.
Оказалось, что в определённых ситуациях (как-бы случайно) срабатывало такое «большое» количество входов и выходов,
что суммарный потребляемый ими ток на мгновение превышал допустимый выходной ток блока питания и модули вывода отключались.
Заменили блок питания на более мощный и проблема была решена.

  • Очень полезен программный симулятор, с помощью которого можно отладить программу без подключения к ПЛК
  • Удобно, если для программирования ПЛК можно использовать стандартный ноутбук и стандартный кабель (USB или Ethernet)
  • Проще найти программиста, если контроллер поддерживает стандартные языки программирования IEC61131:
    • LD (Ladder Diagram) – графический язык релейной логики
    • IL (Instruction List) – список инструкций
    • FBD (Function Block Diagram) – графический язык диаграмм логических блоков
    • SFC (Sequential Function Chart) – графический язык диаграмм состояний
    • ST (Structured Text) – текстовый язык программирования высокого уровня

TIDA-01434

TIDA-01434 — это полнофункциональный законченный модуль аналоговых входов ПЛК (рис. 7), который удовлетворяет современным требованиям эффективности и плотности каналов при небольших габаритах печатной платы, а также обладает низким энергопотреблением и широким диапазоном рабочих температур. Конструкция данного модуля использует конвертер DC/DC в режиме Charge Pump, а переход из одноканального режима в многоканальный легко осуществляется без изменения параметров питания.

Рис. 7. Внешний вид модуля TIDA-01434

Особенности модуля:

  • Наличие изолированного источника питания и высокоточного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя;
  • наличие биполярного аналогового источника питания с Inverting Charge Pump;
  • отсутствие необходимости подключения дополнительных цепей обвязки;
  • отсутствие катушек индуктивности на борту, благодаря чему высота модуля составляет всего 3,5 мм;
  • возможность внешнего подключения.

Обобщенные характеристики модуля отображены в таблице 3.

Таблица 3. Характеристики модуля TIDA-01434

Параметр

Величина

Источник питания входного сигнала

Общая шина питания

Напряжение питания

3–5,5 В

Ток потребления

17 мА

Выходное напряжение

3,3 В; –2,5 В; 2,5 В

КПД

≈ 12%

Рабочая температура

–40…+124 °C

Размеры

35×35×3,65 мм

В конструкции современных модулей управления аналоговыми сигналами к АЦП, как правило, для повышения производительности добавляется LDO-регулятор. На модуле TIDA-01434 для этих целей предусмотрен специально выделенный LDO-регулятор LM27762 с высоким коэффициентом подавления нестабильности питания (PSRR). Также LM27762 осуществляет функцию формирования биполярного сигнала на АЦП.

При работе с модулем TIDA-01434 нет необходимости включения в цепь дополнительных компонентов, в частности не нужно добавлять фильтры типа RC или LC для фильтрации импульсов с источника питания; это стало возможным благодаря применению в схеме цифрового изолятора ISOW7841.

TIDA-01434 предназначен для работы в качестве одно- или много­канального аналогового входа с биполярными входными сигналами и применяется в большинстве случаев для построения решений на базе ПЛК, но не ограничивается только этим. Модуль подходит как для систем типа «канал-канал» (channel-to-channel), так и для входов с групповой изоляцией. В системе channel-to-channel каждый канал входного сигнала имеет собственную «землю» — такая топология позволяет работать с входными сигналами с большей разницей потенциалов. При использовании топологии групповой изоляции величины допустимых напряжений ограничены. В данном случае предпочтительно использовать топологию типа channel-to-channel.

Модуль TIDA-01434, помимо упомянутых ранее АЦП ADS124S08 и преобразователя LM27762 типа Charge Pump, имеет на борту линейный регулятор TPS7A87, источник опорного напряжения и тока REF6225, цифровой изолятор ISOW7841 и ISO7741, а также неинвертирующие буферы SN74AHC1G04 и SN74AHC1G125 (рис. 8).

Рис. 8. Блок-схема TIDA-01434

Для удобства отладки и оценки возможностей модуля можно использовать отладочную плату на базе контроллера MSP430FR5969 (рис. 9).

Рис. 9. Внешний вид отладочной платы MSPEXP430FR5969

Место ПЛК в системе управления

До создания миниатюрных интегральных схем рука оператора буквально не успевала переключать режимы на пульте цепи управления. Использование контроллерных блоков «Сегнетикс», «Дельта» и подобных способствовало снятию нагрузки с человека.

Ее переложили «на плечи» машин с выводом на экран данных мониторинга, отображенных в виде мнемосхем и изменяемых параметров. На ПЛК возлагаются задачи по опросу датчиков и регистров, обработке поступающей информации.

Без микроконтроллеров не было бы РСУ, АСУ, сложных автоматных комплексов управления технологическими процессорами. Используя сетевой трафик, ПЛК анализируют данные, успевая проверять состояние портов входа. Главный недостаток, особенность микроконтроллеров состоит в необходимости прошивки, создания программы для работы.

Впрочем, его следует воспринимать двояко: индивидуально создаваемое ПО позволяет проектировать узкоспециализированные изделия под конкретные задачи.

Типы ПЛК

Все ПЛК, выпускаемые Schneider Electric, Mitsubishi, Beckhoff, Omron, Segnetics или Unitronics, четко разделяются по типам. Это же относится к классификации российской продукции, представленной компаниями «Овен», «Контар», «Текон» и другими. Конструктивно устройства принято обозначать как моноблочные и модульные.

В первом типе содержится полный набор входных, выходных цепей, процессор, источник энергии. Во втором предусмотрена сборка готового ПЛК из отдельных частей. Согласно МЭК 61131, количество и состав модулей варьируются в соответствии с назначением, характеристиками поставляемого заказчику устройства.

Модульный микроконтроллер может управлять посредством Ethernet соединения малопроизводительным собратом, выполняющим специфично назначенные функции (диагностика состояния периметра, безопасность охраняемой зоны). Маломощный адаптер питания в этом случае является отдельным модулем. Обобщенно функциональные возможности второго вида превосходят первый. Но в отдельных ситуациях (микроконтроллер управления чайником Berghof) достаточно моноблочного ПЛК.

Главное достоинство такой конструкции — компактность. При этом полностью завершенная конструкция платы, блока контроллера оборудуется дисплеем и устройством ввода-вывода, кнопочной панелью. Типичный пример — «умный» автоматный моноблок, отвечающий за стабилизацию напряжения.

Из нескольких ПЛК, смонтированных на стандартную рейку, набирается укрупненный узел управления. Первоначально конфигурация микроконтроллеров подразумевала замену существовавших релейных, полупроводниковых схем. Со временем задачи усложнились, но и сохранившиеся ограниченно производительные 8 и 16 разрядные процессоры по-прежнему востребованы в промышленности.

Советы и рекомендации при выборе программируемого логического контроллера

Покупая программируемый логический контроллер для какого-либо из своих механизмов, нужно следовать некоторым нюансам. Иначе можно ошибиться с выбором. Рассмотрим их подробнее:

перед покупкой следует осмотреть модель на наличие видимых дефектов

Если они присутствуют, необходимо выбрать другой контроллер;
если вам нужен контроллер для небольших механизмов, то не стоит покупать модель премиум-класса
Также и для больших устройств не подойдут бюджетные варианты;
очень важно обращать внимание на максимальное напряжение, с которым может работать устройство. Если напряжение вашей рабочей сети 380 Вольт, то контроллер обязательно должен его поддерживать.

Структура и устройство ПЛК

Любой плк Siemens или аналогичный, других производителей, ориентирован на выполнение конкретных действий. Микроконтроллер опрашивает блоки ввода информации, чтобы принять решение, сформировать на выходе готовую команду. Упрощенно схема стандартного элемента включает:

  • вход;
  • центр;
  • выход.

Входные цепи образованы набором датчиков (аналоговых или цифровых), переключающих устройств, смарт-систем. В центральном блоке расположены: процессор, обрабатывающий команды, модуль памяти и средства коммуникации. Выходные цепи отвечают за передачу сигнала на моторы привода, вентиляцию, осветительную арматуру. Туда же допускается подключить управляющее смарт- устройство архитектуры ардуино или подобное. Необходимо также выполнить условие подключения ПЛК к цепям питания. Без них устройство работать не будет. Внешний компьютер через унифицированный интерфейс используется для отладки, программирования контроллера.

Сравнения технических характеристик программируемых логических контроллеров

Если вы ещё не определились с выбором нужной модели контроллера, то советуем вам ещё раз просмотреть все варианты этого устройства в нашей статье. Чтобы вам было легче выбрать подходящее устройство, мы разместили все контроллеры в одной сравнительной таблице:

TDM ПЛК12A230 5 260 9.000–10.000
Segnetics Pixel 2,5 360 11.000–12.000
MCX06D Danfoss 080G0115 6 227 12.500–13.000
ОВЕН ПЛК 100 24 6 500 15.000–16.000
Болид М3000-Т 3 300 18.000–19.000
Segnetics Trim5 5 360 21.000–25.000
Siemens SIMATIC TD 200/TD 400 29.000–32.000
ОВЕН ПЛК 160 10 950 34.000–35.000
Siemens EM 241 190 45.000–47.000
ОВЕН ПЛК 323 — 220/24 20 600 55.000–60.000

Основы программирования ПЛК. Реле и контроллер‌‌

Возможность программирования, безусловно, является главным достоинством систем с ПЛК. Чтобы сделать восприятие процесса предельно понятным, разработчики изобрели визуальное отображение управляющих цепей в виде релейных контактных блоков.

На профессиональном языке такой метод обозначается аббревиатурой LD (logo LAD). В дальнейшем работа ПЛК представляется как взаимодействие отдельных логических элементов. Они выполняют действия таймеров, релейных ячеек, счетчиков. Считается, что благодаря подобной унификации, освоить принципы программирования может каждый. Причем независимо от профильной профессии.

Типы ПЛК

Современные ПЛК, использующие инновационные технологии, далеко ушли от первых упрощенных реализаций промышленного контроллера, но заложенные в систему управления универсальные принципы были стандартизированы и успешно развиваются уже на базе новейших технологий.

Крупнейшими мировыми производителями ПЛК сегодня являются компании Siemens AG, Allen-Bradley, Rockwell Automation, Schneider Electric, Omron. Кроме них ПЛК выпускают и многие другие производители, включая российские компании ООО КОНТАР, Овен, Сегнетикс, Fastwel Групп, группа компаний Текон и другие.

Рис. 2. Моноблочные программируемые логические контроллеры

По конструктивному исполнению ПЛК делят на моноблочные (рисунок 2) и модульные. В корпусе моноблочного ПЛК наряду с ЦП, памятью и блоком питания размещается фиксированный набор входов/выходов. В модульных ПЛК используют отдельно устанавливаемые модули входов/выходов. Согласно требованиям МЭК 61131, их тип и количество могут меняться в зависимости от поставленной задачи и обновляться с течением времени. ПЛК подобной концепции представлены на рисунке 3. Подобные ПЛК могут действовать в режиме «ведущего» и расширяться «ведомыми» ПЛК через интерфейс Ethernet.

Рис. 3. Программируемые логические контроллеры с расширенными возможностями

Моноблочные функционально завершенные ПЛК могут включать в себя небольшой дисплей и кнопки управления. Дисплей предназначен для отображения текущих рабочих параметров и вводимых с помощью кнопок команд рабочих программ и технологических установок. Более сложные ПЛК комбинируются из отдельных функциональных модулей, совместно закрепляемых на стандартной монтажной рейке. В зависимости от количества обслуживаемых входов и выходов, устанавливается необходимое количество модулей ввода и вывода.

Источник питания может быть встроенным в основной блок ПЛК, но чаще выполнен в виде отдельного блока питания (БП), закрепляемого рядом на стандартной рейке. Блок питания небольшой мощности представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Блок питания для ПЛК

Первичным источником для БП чаще всего служит промышленная сеть 24/48/110/220/400 В, 50 Гц. Другие модели БП могут использовать в качестве первичного источник постоянного напряжения на 24/48/125 В. Стандартными для промышленного оборудования и ПЛК являются выходные напряжения БП: 12, 24 и 48 В. В системах повышенной надежности возможна установка двух специальных резервированных БП для дублирования электропитания.

Для сохранения информации при аварийных отключениях сети электропитания в ПЛК используют дополнительную батарею.

Как известно, первоначальная концепция программируемого логического контроллера сформировалась во времена перехода с релейно-транзисторных систем управления промышленным оборудованием на появившиеся тогда микроконтроллеры. Подобные ПЛК с 8- и 16-разрядными МП ограниченной производительности до сих пор успешно эксплуатируются и находят новые сферы применения.

Огромный прогресс в развитии микроэлектроники затронул всю элементную базу ПЛК. У них значительно расширился диапазон функциональных возможностей. Несколько лет назад немыслимы были аналоговая обработка, визуализация технологических процессов или даже раздельное использование ресурсов ЦП в качестве непосредственного управляющего устройства. В настоящее время поддержка этих функций входит в базовую версию многих ПЛК.

Примером подобного подхода является отдельное направление в линейке продукции компании Texas Instruments. Как известно, TI не входит в число производителей ПЛК, но выпускает для них специализированные ЦП и сетевые процессоры, компоненты для создания периферийных цифровых и аналоговых модулей, контроллеры температуры, смешанные модули цифровых и аналоговых входов/выходов.

Блок схема процессора TI Sitara AM570x на рисунке 5 позволяет судить об огромной функциональной оснащенности этого ARM-процессора, работающего на частоте до 1 ГГц, поддерживающего интерфейсы CAN, I²C, McASP, McSPI, SPI, UART, USB и способного работать в диапазоне температур 0…90°С.

Рис. 5. Блок-схема процессора TI Sitara AM570x

Применение контроллеров

Современный ПЛК, недорогой и надежный, находит применение в ПИД-регуляторах, счетчиках типа «Меркурий», промышленных устройствах серии DVP. Компактность блоков позволяет встраивать их в бытовую технику, монтировать в щитах и шкафах совместно с прочим электрооборудованием.

Энкодер, подключенный к контроллеру, применяется в автомобилестроении, реагируя на изменение угла поворота руля. Удобно использовать ПЛК при создании комплексов с ЧПУ, автоматизированных систем запуска аварийной откачки сточных вод в канализации. Видеонаблюдение, интегрированное в охранный пост, создаст полноценный обзор зоны наблюдения для оператора.

Все требуемые данные при этом будут сохранены на носителе информации (переданы в сеть), а в случае опасности сигнал тревоги будет подан автоматически. Цепочке контроллеров под силу управлять работой цеха металлообработки, пошивочной мастерской. В домашнем варианте ПЛК без участия человека включит свет, накачает воду из колодца в бак до требуемого уровня.