В конце 1960-х годов американская компания Bedford Associates выпустила вычислительное устройство, названное MODICON. В качестве аббревиатуры оно означало «Модульный цифровой контроллер», а позже стало названием подразделения компании, занимающегося разработкой, производством и продажей этих управляющих компьютеров специального назначения.
Другие инженерные фирмы разработали свои собственные версии этого устройства, и в конечном итоге оно стало известно в непатентованных терминах как ПЛК или программируемый логический контроллер.
ПЛК
Целью ПЛК была прямая замена электромеханических реле в качестве логических элементов, заменив вместо этого твердотельный цифровой компьютер с хранимой программой, способный имитировать соединение множества реле для выполнения определенных логических задач.
ПЛК имеет множество «входных» терминалов, через которые он интерпретирует «высокие» и «низкие» логические состояния и аналоговые значения от переключателей и датчиков.
Он также имеет множество выходных клемм, через которые он выводит сигналы «высокого» и «низкого» напряжения на источники питания, соленоиды, контакторы, небольшие двигатели и другие устройства, подходящие для управления включением/выключением, а также аналоговый выход для управления регулирующими клапанами, двигателем. контроль скорости и т. д.
Чтобы упростить программирование ПЛК, их язык программирования был разработан так, чтобы напоминать диаграммы лестничной логики. Таким образом, инженер, привыкший читать схемы релейной логики, будет чувствовать себя комфортно, программируя ПЛК для выполнения тех же функций управления.
Программирование ПЛК
На следующем рисунке показан простой ПЛК, как он может выглядеть спереди.
Две винтовые клеммы обеспечивают подключение к источнику питания для питания внутренней схемы ПЛК, обозначенной L1 и L2.
Шесть винтовых клемм с левой стороны обеспечивают подключение к устройствам ввода, причем каждая клемма представляет собой отдельный входной «канал» со своей меткой «X».
Нижняя левая винтовая клемма представляет собой «общее» соединение, которое обычно подключается к L2 (нейтраль) источника питания 120 В переменного тока.
Внутри корпуса ПЛК, подключенного между каждой входной клеммой и общей клеммой, находится оптоизоляционное устройство (светоизлучающий диод), которое подает электрически изолированный «высокий» логический сигнал в схему компьютера (фототранзистор интерпретирует свет светодиода). ) при подаче напряжения 120 В переменного тока между соответствующей входной клеммой и общей клеммой.
Индикаторный светодиод на передней панели ПЛК визуально указывает на то, что вход находится под напряжением:
Выходные сигналы генерируются компьютерной схемой ПЛК, активирующей коммутационное устройство (транзистор, симистор или даже электромеханическое реле), соединяющее клемму «Источник» с любой из выходных клемм с маркировкой «Y-».
Клемма «Источник», соответственно, обычно подключается к стороне L1 источника питания 120 В переменного тока.
Как и для каждого входа, индикаторный светодиод на передней панели ПЛК визуально указывает на то, что выход находится под напряжением:
Таким образом, ПЛК может взаимодействовать с реальными устройствами, такими как переключатели и соленоиды.
Фактическая логика системы управления устанавливается внутри ПЛК с помощью компьютерной программы.
Эта программа определяет, какой выход будет под напряжением при каких входных условиях.
Хотя сама программа выглядит как схема релейной логики с символами переключателей и реле, внутри ПЛК нет реальных контактов переключателя или катушек реле, которые могли бы создавать логические связи между входом и выходом.
Это воображаемые контакты и катушки, если хотите. Программа вводится и просматривается через персональный компьютер, подключенный к порту программирования ПЛК.
Рассмотрим следующую схему и программу ПЛК:
Когда кнопочный переключатель не задействован (не нажат), питание на вход X1 ПЛК не подается.
Следуя программе, которая показывает нормально разомкнутый контакт X1 последовательно с катушкой Y1, на катушку Y1 не будет подаваться «энергия». Таким образом, выход Y1 ПЛК остается обесточенным, а подключенная к нему контрольная лампа остается темной.
Однако если кнопочный переключатель нажат, питание будет подано на вход X1 ПЛК.
Все контакты X1, появляющиеся в программе, примут активированное (ненормальное) состояние, как если бы они были контактами реле, срабатывающими при подаче питания на катушку реле с именем «X1».
В этом случае подача питания на вход X1 приведет к тому, что нормально разомкнутый контакт X1 «закроется», отправив «питание» на катушку Y1.
Когда на катушку Y1 программы «подается питание», на реальный выход Y1 подается напряжение, зажигая подключенную к нему лампу:
Надо понимать, что контакт X1, катушка Y1, соединительные провода и «питание», появляющееся на дисплее компьютера (технической системы, в которую загружено программное обеспечение ПЛК) – все это виртуальные.
Они не существуют как настоящие электрические компоненты. Они существуют как команды в компьютерной программе — всего лишь части программного обеспечения — которая напоминает настоящую принципиальную схему реле.
Не менее важно понимать, что компьютер, используемый для отображения и редактирования программы ПЛК, не требуется для непрерывной работы ПЛК.
После загрузки программы в ПЛК с компьютера компьютер можно отключить от ПЛК, и ПЛК продолжит выполнять запрограммированные команды.
Я включил дисплей компьютера в эти иллюстрации исключительно ради вас, чтобы помочь понять взаимосвязь между реальными условиями (замыкание переключателя и состояние лампы) и состоянием программы («питание» через виртуальные контакты и виртуальные катушки).
Истинная мощь и универсальность ПЛК раскрываются, когда мы хотим изменить поведение системы управления. Поскольку ПЛК является программируемым устройством, мы можем изменить его поведение, изменяя подаваемые ему команды, без необходимости переконфигурировать подключенные к нему электрические компоненты.
Например, предположим, что мы хотим заставить эту схему выключателя и лампы работать в инвертированном виде: нажать кнопку, чтобы лампа погасла, и отпустить ее, чтобы она включилась.
«Аппаратное» решение потребует замены нормально замкнутого кнопочного переключателя вместо нормально разомкнутого переключателя, который в настоящее время находится на месте.
«Программное» решение гораздо проще: просто переделать программу так, чтобы контакт Х1 был нормально замкнутым, а не нормально разомкнутым.
На следующем рисунке мы видим измененную систему, показанную в состоянии, когда кнопка не нажата (не нажата):
На следующем рисунке переключатель показан активированным (нажатым):
Одним из преимуществ реализации логического управления в программном обеспечении, а не в аппаратном обеспечении, является то, что входные сигналы можно повторно использовать в программе столько раз, сколько необходимо.
Для примера возьмем следующую схему и программу, предназначенную для подачи питания на лампу при одновременном нажатии хотя бы двух из трех кнопочных выключателей:
Чтобы построить эквивалентную схему с использованием электромеханических реле, необходимо использовать три реле с двумя нормально разомкнутыми контактами каждое, чтобы обеспечить два контакта на каждый входной переключатель.
Однако, используя ПЛК, мы можем запрограммировать столько контактов, сколько пожелаем, для каждого входа «X» без добавления дополнительного оборудования, поскольку каждый вход и каждый выход представляют собой не что иное, как один бит в цифровой памяти ПЛК (либо 0, либо 1). , и его можно вызывать столько раз, сколько необходимо.
Более того, поскольку каждый выход ПЛК представляет собой не что иное, как бит в его памяти, мы можем назначить контакты в программе ПЛК, «активируемой» статусом выхода (Y).
Возьмем, к примеру, следующую систему — схему управления пуском и остановкой двигателя:
Кнопочный переключатель, подключенный к входу Х1, выполняет функцию выключателя «Пуск», а переключатель, подключенный к входу Х2, выполняет функцию «Стоп».
Другой контакт в программе, названный Y1, напрямую использует состояние выходной катушки в качестве герметичного контакта, так что контактор двигателя продолжает оставаться под напряжением после отпускания кнопки «Пуск».
Вы можете увидеть, как нормально закрытый контакт X2 появляется в цветном блоке, показывая, что он находится в закрытом («электропроводящем») состоянии.
Если бы мы нажали кнопку «Пуск», вход X1 подал бы напряжение, тем самым «замкнув» контакт X1 в программе, подав «питание» на «катушку» Y1, подав питание на выход Y1 и подав напряжение 120 В переменного тока на настоящая катушка контактора двигателя.
Параллельный контакт Y1 также «замкнется», таким образом зафиксировав «цепь» во включенном состоянии:
Теперь, если мы отпустим кнопку «Пуск», нормально разомкнутый «контакт» X1 вернется в свое «разомкнутое» состояние, но двигатель продолжит работать, поскольку герметичный «контакт» Y1 продолжает обеспечивать «непрерывность». для «питания» катушки Y1, таким образом сохраняя выход Y1 под напряжением:
Чтобы остановить двигатель, мы должны на мгновение нажать кнопку «Стоп», которая подаст напряжение на вход X2 и «разомкнет» нормально закрытый «контакт», разорвав цепь на «катушке Y1»:
При отпускании кнопки «Стоп» вход Х2 обесточивается, возвращая «контакт» Х2 в нормальное, «замкнутое» состояние.
Однако двигатель не запустится снова, пока не будет нажата кнопка «Пуск», поскольку «запечатывание» Y1 потеряно:
Здесь важно отметить, что отказоустойчивая конструкция так же важна в системах, управляемых ПЛК, как и в системах, управляемых электромеханическими реле.
Всегда следует учитывать последствия неисправности (обрыва) проводки на управляемом устройстве или устройствах.
В этом примере схемы управления двигателем у нас есть проблема: если входная проводка для X2 (переключатель «Стоп») выйдет из строя, остановить двигатель будет невозможно!
Решением этой проблемы является изменение логики между «контактом» X2 внутри программы ПЛК и реальным кнопочным переключателем «Стоп»:
Когда нормально замкнутый кнопочный переключатель «Стоп» не задействован (не нажат), на вход X2 ПЛК подается питание, таким образом «замыкается» «контакт» X2 внутри программы.
Это позволяет запустить двигатель, когда на вход X1 подается питание, и позволяет ему продолжать работу, когда кнопка «Пуск» больше не нажата.
При нажатии кнопки «Стоп» вход X2 обесточивается, тем самым «размыкая» «контакт» X2 внутри программы ПЛК и отключая двигатель.
Итак, мы видим, что между этой новой конструкцией и предыдущей нет никакой функциональной разницы.
Однако, если входная проводка на входе X2 выйдет из строя, вход X2 обесточится таким же образом, как и при нажатии кнопки «Стоп».
В результате неисправности проводки на входе X2 двигатель немедленно отключится.
Это более безопасная конструкция, чем показанная ранее, в которой отказ проводки переключателя «Стоп» привел бы к невозможности выключения двигателя.
Помимо входных (X) и выходных (Y) программных элементов, ПЛК имеют «внутренние» катушки и контакты, не имеющие внутренней связи с внешним миром.
Они используются почти так же, как «реле управления» (CR1, CR2 и т. д.) используются в стандартных релейных схемах: для обеспечения инверсии логического сигнала, когда это необходимо.
Чтобы продемонстрировать, как можно использовать одно из этих «внутренних» реле, рассмотрим следующий пример схемы и программы, предназначенных для эмуляции функции логического элемента И-НЕ с тремя входами.
Поскольку элементы программы ПЛК обычно обозначаются отдельными буквами, я буду называть внутреннее реле управления «C1», а не «CR1», как это принято в схемах управления реле:
В этой схеме лампа будет гореть до тех пор, пока какая-либо из кнопок остается ненажатой (ненажатой).
Чтобы лампа погасла, нам придется активировать (нажать) все три переключателя, вот так:
