Применение микроконтроллеров в промышленной автоматике. Микроконтроллеры и одноплатные компьютеры против плк в промышленности. Семейство маломощных промышленных микроконтроллеров MSP43x
Режимы применения “ТКМ - 52” в АСУ ТП
Контроллер “ТКМ - 52” предназначен для сбора, обработки информации и формирования воздействий на объект управления в составе распределенных иерархических или локальных автономных АСУ ТП на основе сети Ethernet или RS-485(MODBUS). Контроллер может использоваться:
а) как автономное устройство управления небольшими объектами;
б) как удаленный терминал связи с объектом в составе распределенных систем управления;
в) одновременно как локальное устройство управления и как удаленный терминал связи с объектом в составе сложных распределенных систем управления.
Контроллер в дублированном режиме рассчитан на применение в высоконадежных системах управления. В контроллер, в зависимости от вариантов исполнения, может устанавливаться одна из операционных систем: DOS или Системное Программное Обеспечение (СПО) на базе OS LINUX. В первом случае МФК можно осуществлять посредствам универсальных средств программирования с помощью программы TRA - CE MODE.
В автономном применении контроллер решает задачи средней информационной емкости (50 - 200 каналов). К нему можно подключить периферийные различные устройства по последовательным (RS - 232, HRS - 485) и параллельному интерфейсу, а также по сети Ethernet. В качестве пульта оператора-технолога может использоваться встроенный блок клавиатуры и индикатора V03.
В режиме применения удаленного терминала связи с объектом, управляющая программа исполняется на вычислительном устройстве верхнего уровня иерархии (например, на IBM PC), соединенному с контроллером по последовательному каналу (RS - 232 или RS - 485. По протоколу Modbus), либо по сети Ethernet, а контроллер обеспечивает сбор информации и выдачу управляющих воздействий на объект.
Применение в смешанном режиме (в качестве интеллектуального узла распределенной АСУ ТП) управление объектом производится прикладной программой,
хранящейся в энергонезависимой памяти контроллера. При этом контроллер подключен к сети Ethernet, что позволяет вычислительному устройству верхнего уровня иерархии, иметь доступ к значениям входных и выходных сигналов контроллера и значениям рабочих переменных прикладной программы, а также воздействовать на эти значения. В контроллере могут быть использованы все свободные интерфейсы, а также его клавиатура и индикатор. Одновременное исполнение прикладной программы и работа по сети Ethernet поддерживается средствами операционной системы контроллера и системой ввода-вывода.
Данный вариант в наибольшей степени использует ресурсы контроллера “ТКМ 52”, и позволяет создавать с его помощью гибкие и надежные распределенные АСУ ТП любой информационной мощности (до десятков тысяч каналов). При этом обеспечивается живучесть отдельных подсистем.
Состав и характеристики контроллера
Контроллер “ТКМ - 52” является проектно-компонуемым изделием, состав которого определяется при заказе. Контроллер состоит из базовой части,блока клавиатуры-индикации и модулей ввода-вывода (от 1 до 4) . Базовая часть контроллера состоит из корпуса, блока питания, процессорного модуля PCM423L с модулем TCbus52 и блоком клавиатуры и индикации V03.
Корпус контроллера металлический, состоит из секций, соединенных между собой с помощью специальных винтов. В задней секции размещается блок питания и процессорный модуль. В остальных секциях размещаются модули ввода-вывода. В передней секции всегда размещается блок клавиатуры и индикации VОЗ. В зависимости от количества секций для модулей ввода-вывода различаются следующие комплектации базовой части контроллера:
Контроллер “ТКМ - 52” работает от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 В, потребляемая мощьность 130 Вт.
Контроллер “ТКМ - 52” рассчитан на непрерывную круглосуточную работу.
Диапазон рабочих температур окружающей контроллер среды от плюс 5 до плюс 50 С. Контролер имеет пылебрызгозащищенное исполнение IP42.
Основные характеристики процессорного модуля:
а) процессор: FAMD DX-133(5x86-133);
б) системное ОЗУ-8Мбайт, в зависимости от установки модуля памяти может расширяться до 32 Мбайт;
в) FLASH - память системных и прикладных программ-4 Мб (может расширяться до 144 Мб;
г) последовательные порты: СОМ1 RS232, COM2 RS232/RS485 совместимы UART 16550, параллельный порт LPT1: поддерживает режимы SPP/EPP/ECP;
д) Ethernet интерфейс: контроллер Realtek RTL8019AS, программно совместим NE2000;
е) таймер аппаратного сброса WatchDog, астрономический календарь-таймер с питанием от встроенной батареи, питание - 5 В ± 5 %, 2 А.
Микроконтроллеры и одноплатные компьютеры предлагают разработчикам различные возможности для приложений автоматизации, в первую очередь заключающиеся в гибкости настройки и дешевизне решения. Но можно ли доверять данным элементам в условиях промышленной среды при использовании в оборудовании, бесперебойное функционирование которого критически важно?
Ассортимент микроконтроллеров и мини-ПК, появившихся в мире энтузиастов, быстро расширяется, без каких-либо причин ослабления. Эти компоненты, в том числе Arduino, и Raspberry Pi, предлагают необычные возможности, в том числе обширную экосистему, включающую интегрированную среду разработки, поддержку и аксессуары, при этом все очень дешево. Некоторые из инженеров в некоторых случаях предполагают возможность применения таких микроконтроллеров в устройствах промышленной автоматизации вместо программируемых логических контроллеров (ПЛК). Но разве это мудро?
Хороший вопрос, но не нужно спешить с ответом, поскольку зачастую есть решение, которое может быть очевидным с первого взгляда. Давайте посмотрим ниже поверхности и рассмотрим факторы, имеющие отношение к обсуждению. С помощью беглого обзора мы увидим, что сегодня на рынке доступно около восьмидесяти различных плат, в том числе платы с микроконтроллерами, платы с ПЛИС FPGA и мини-ПК с широким спектром возможностей. В этом материале все они будут условно называться микроконтроллерами. Аналогичным образом, несмотря на то, что ПЛК обладают широким спектром возможностей, в этом материале предполагается ПЛК с хорошо продуманным и надежным контроллером.
Рассмотрим небольшой промышленный процесс, требующий двух или трех датчиков и исполнительного механизма. Система связывается с более крупной системой управления, и для управления процессом необходимо написать программу. Это несложная задача для всякого небольшого ПЛК ценой примерно 200 долларов, но заманчиво задействовать значительно более дешевый микроконтроллер. При разработке сначала выполняется поиск периферии ввода-вывода, здесь нет никаких проблем с ПЛК, но, вероятно, это проблема для микроконтроллера.
Некоторые микроконтроллерные выходы относительно легко конвертируются, например, в интерфейс токовой петли 4-20 мА. Другие несколько сложнее преобразовать, например, аналоговый выход с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Определенное количество преобразователей сигналов доступно в качестве стандартных продуктов, но они увеличивают общую стоимость. Инженер, настаивающий на полном самостоятельном производстве, может попробовать сделать преобразователь сам, но такое обязательство может быть непростым и потребует немалого времени на разработку.
ПЛК работают, можно сказать, с любым промышленным датчиком и в основном не требуют внешнего преобразования, поскольку они предназначены для подключения к огромному многообразию датчиков, исполнительных механизмов и прочих промышленных элементов посредством модулей ввода/вывода. ПЛК также легко монтируется, а плата микроконтроллера с контактами и разъемами требует некоторой работы по монтажу и согласованию.
Микроконтроллер – это «голое» устройство без операционной системы или с какой-либо простой операционной системой, которую нужно настраивать под конкретные нужды. В конце концов, одноплатный компьютер, продающий за $40 и имеющий Linux, вряд ли будет иметь много возможностей для встраиваемого программного обеспечения, поэтому пользователю остаётся кодировать все, кроме самых основных возможностей.
С другой стороны, хотя даже если приложение будет простым, ПЛК имеет множество встроенных возможностей, чтобы сделать многое «за кулисами», без использования специального программирования. ПЛК имеют программные сторожевые таймеры, чтобы следить за исполняемой программой и аппаратными устройствами. Эти проверки происходят при каждом сканировании с ошибками или предупреждениями, если возникает проблема.
В принципе, каждая из этих возможностей может быть внесена в микроконтроллер посредством программирования, но пользователь должен будет либо написать подпрограммы с нуля, либо найти уже имеющиеся программные блоки и библиотеки для повторного использования. Естественно, их необходимо проверить в условиях целевого приложения. Инженер, пишущий несколько программ для одного и того же контроллера, может повторно задействовать уже испытанные куски кода, но такие возможности имеются в операционной системе практически каждого ПЛК.
Помимо этого, ПЛК спроектированы так, чтобы выдерживать требования промышленной среды. ПЛК представляет собой прочный аппарат, он изготовлен и протестирован, чтобы выдерживать удар и вибрацию, электрический шум, коррозию и широкий диапазон температур. Зачастую такими преимуществами микроконтроллеры не обладают. Для микроконтроллеров редко проводят такую подробную и доскональную проверку, и обычно эти устройства будут включать лишь главные требования к определенным рынкам, такие как, например, управление бытовой техникой.
Также стоит сказать, что многие промышленные механизмы и оборудование работают в течение десятилетий, поэтому контроллеры также обязаны работать очень долго. В связи с этим пользователям необходима долгосрочная поддержка. Оригинальные производители оборудования обязаны в долгосрочной перспективе рассчитывать на продукты, которые они применяют в своих устройствах, и должны быть готовы, когда клиент желает приобрести запасные части для системы, внедренной двадцать лет назад или раньше. Компании, занимающиеся микроконтроллерами, бывает, не в состоянии обеспечить такую долгую жизнь своего продукта. Большинство производителей ПЛК предоставляют качественную поддержку, некоторые при этом даже предлагают бесплатную техническую поддержку. Впрочем, следует отметить, что пользователи микроконтроллеров часто формируют собственные группы технической поддержки, ответы на многие вопросы зачастую встречаются в дискуссионных группах и форумах с потребностями, аналогичными вашим собственным.
Таким образом, микроконтроллеры и различные типы отладочных плат являются скорее инструментами для обучения, экспериментирования и прототипирования. Они дешевы и значительно упрощают обучение сложным концепциям программирования и автоматизации. Но в то же время, если задача состоит в том, чтобы производство эффективно работало, причем безопасно и без сбоев, ПЛК предоставляют широкий спектр возможностей с надежностью, которая была проверена и применялась на протяжении очень долгого времени. Когда фабрика должна работать бесперебойно, и продукты должны быть изготовлены качественно и без промедления на производственных линиях, надежность и безопасность важнее всего.
.
Если Вы хотите, чтобы интересные и полезные материалы выходили чаще, и было меньше рекламы,
Вы можее поддержать наш проект, пожертвовав любую сумму на его развитие.
Промышленное применение микроконтроллеров очень широко. Они включают в себя автоматизацию принятия решений, управление двигателями, создание человек-машинных интерфейсов (HMI), датчики и программируемый логический контроль. Все чаще проектировщики внедряют микроконтроллеры в ранее «неразумные системы», а также быстрое распространение промышленных IoT (интернет вещей) значительно ускоряет процессы внедрения микроконтроллеров. Тем не менее, промышленное применение требует более низкого потребления электрической энергии и более рационального ее использования.
Поэтому производители микроконтроллеров внедряют свои изделия в промышленный и смежные рынки, предлагая при этом высокую производительность и гибкость, но с минимальным потреблением электроэнергии.
Содержание:
Требования к промышленным микроконтроллерам
Как правило, промышленная среда предъявляет повышенные требования к электрооборудованию из-за более жестких условий эксплуатации, таких как возможные электрические помехи и большие скачки токов и напряжений, вызванные работой мощных электродвигателей, компрессоров, сварочного оборудования и других машин. Также могут возникать электростатические и электромагнитные помехи (EMI) и многие другие.
Низкое напряжение питания и геометрические процессы 130 нм (плотность размещения элементов. Достигнут в 2000-2001 годах ведущими компаниями по производству микросхем) или менее, не позволяет обрабатывать перечисленные выше опасности. Для устранения возможных аварийных ситуаций используют специальные внешние схемы защиты, специальные платы, которые располагаются между силовой частью и «землей». Если производители микроконтроллеров хотят покорять современный мировой рынок, им необходимо придерживаться нескольких требований, которые мы рассмотрим ниже.
Малое потребление мощности
Современные системы управления и контроля становятся все более сложными, что повышает требования к осуществлению обработки в отдельных удаленных блоках датчиков. Нужно ли эти данные обрабатывать локально или использовать постоянно растущее количество цифровых протоколов связи? Большинство современных разработчиков включают микроконтроллер в состав датчика измерения, что бы добавить ему дополнительные функции. Современные системы включают в себя мониторы состояния электродвигателей, функции дистанционного измерения жидкостей и газов, управления регулирующими клапанами и так далее.
Многие промышленные узлы датчиков значительно удалены от источников питания, где большой недостаток – это падение напряжения на линии от источника к датчику. Некоторые датчики используют токовую петлю, где потери меньше. Но независимо от типа питания низкое потребление микроконтроллера является обязательным.
Также существуют и системы с питанием от батарей – системы автоматизации зданий, датчики пожарной сигнализации, детекторы движения, электронные замки и термостаты. Также существует множество медицинских устройств, такие как измерители глюкозы в крови, мониторы сердечного ритма и другое оборудование.
Технологии не успевают за постоянно разрастающимися возможностями смарт систем, что повышает необходимость свода к минимуму потребление энергии элементами системы. Микроконтроллер должен потреблять в рабочем режиме минимум электроэнергии и иметь возможность перехода в режим «сна» с минимальным потреблением энергии, а также «просыпаться» по заданному условию (внутренний таймер или внешнее прерывание).
Возможность сохранения данных
Важное примечание о работе батарей: любая батарея рано или поздно разряжается и не может поддерживать отдаваемую мощность на необходимом уровне. Да, если ваш мобильный телефон выключится посреди разговора, это вызовет раздражение, а вот если отключится медицинский аппарат в процессе операции или система сложного производственного цикла – это может привести к очень трагичным последствиям. При питании от сети напряжение может пропасть вследствие большой перегрузки или аварии на линии.
В таких ситуациях очень важно, чтоб микроконтроллер смог просчитать ситуацию отключения и сохранить все важные рабочие данные. Было бы очень хорошо, если бы устройство могло сохранять состояния центрального процессора ЦПУ, счетчика программы, часы, регистры, состояние входов/выходов и так далее, чтобы после повторной работы устройство смогло возобновить свою работу без «холодного» запуска.
Множественные коммуникационные возможности
Когда речь о связи, то в промышленных применениях управляют гаммой. При этом в проводной связи существуют практически все виды, начиная от классической токовой петли 4 – 20 мА и RC-232 и заканчивая Ethernet, USB, LVDS, CAN и многими другими видами протоколов обмена. По мере набора IoT популярности начали появляться беспроводные протоколы связи и смешанные протоколы, например, Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee. Говоря простым языком – вероятность того что данная отрасль осядет на каком-то одном протоколе обмена данными равна нулю, поэтому современные микроконтроллеры должны вмещать в себе целый ряд вариантов связи.
Безопасность
Последняя версия интернет протокола IPv6 имеет 128-битное адресное поле, которое предает ему теоретический максимум в 3,4х10 38 адресов. Это больше чем песчинок в мире! С таким огромнейшим количеством устройств, потенциально открытых для внешнего мира, становится актуальным вопрос безопасности. Многие существующие решения основаны на использовании открытого программного обеспечения, такого как OpenSSL, однако результаты данного использования далеко не лучшие.
Несколько ужасных историй все же имели место. В 2015 году исследователи вооружившись ноутбуком и мобильным телефоном взломали Jeep Cherokee с помощью беспроводного интернет подключения. Им даже удалось отключить тормоза! Естественно этот недостаток был устранен разработчиками, однако опасность остается. Возможность взлома современных систем подключенных к сети Интернет держит экспертов IoT в напряжении, ведь если смогли взломать автомобиль, то могут взломать и систему целого завода или фабрики, а это уже куда опасней. Помните Stuxnet?
Ключевым требованием к современным промышленным микроконтроллерам являются надежные программные и аппаратные функции безопасности, такие как шифрование AES.
Масштабируемый набор основных опций
Продукт, который пытается удовлетворить всех пользователей, в итоге не удовлетворит никого.
Некоторые промышленные приложения приоритетом для себя ставят низкое энергопотребление. Например, беспроводная система мониторинга для регистрации температуры в системе заморозки продуктов, или система накладного датчика для собирания физиологических данных. Данная система проводит большую часть своего рабочего времени в спящем режиме и периодически «просыпается» для выполнения нескольких простых задач.
Крупномасштабный промышленный проект будет сочетать микроконтроллеры с различными комбинациями производительности и потребляемыми мощностями. Чтобы ускорить обработку и ускорить время выхода на рынок, он должен легко портировать код приложения между ядрами, в зависимости от функциональных задач.
Гибкий набор периферийных устройств
Учитывая огромнейшие объемы промышленного контроля, обработки и измерения, любое промышленное семейство микроконтроллеров должно обладать минимальным набором периферийных устройств. Некоторые из «минимального набора»:
- Среднее разрешение (10-, 12-, 14-бит) аналогово-цифровых преобразователей АЦП работающих со скоростью до 1МВыборок/с;
- (24-разрядная версия) с высоким разрешением для более низких скоростей высокоточных приложений;
- Несколько вариантов последовательной связи, особенно I2C, SPI и UART, но желательно и USB;
- Функции безопасности: защита IP, аппаратный ускоритель Advanced Encryption Standard (AES);
- Встроенные LDO и DC-DC преобразователи;
- Специализированные периферийные устройства для выполнения общих задач, например, модуль сенсорного емкостного выключателя, драйвер ЖК панели, усилитель трансимпедансный и так далее.
Мощные инструменты для разработки
Новые проекты становятся все более сложными и требуют улучшения и ускорения процессов разработки. Для того, чтобы не отставать от современных тенденций, любое семейство промышленных микроконтроллеров должно обладать полной поддержкой на всех этапах разработки и эксплуатации, которая включает в себя программное обеспечение, средства и инструменты для разработки.
Экосистема программного обеспечения должна включать в себя GUI IDE, операционную (RTOS), отладчик, примеры написания кода, инструменты генерации кода, периферийные настройки, библиотеки дайверов и API. Также должна быть поддержка процесса проектирования, желательно с онлайн доступом к заводским экспертам, а также к онлайн чату пользователей, где возможен обмен советами и рекомендациями.
Семейство маломощных промышленных микроконтроллеров MSP43x
Некоторые производители разработали решения для удовлетворения спроса растущего рынка. Одним из ярких примеров таких производителей является Texas Instruments с его семейством MSP43x, которое предлагает отличное сочетание высокой производительности и низкого энергопотребления.
Более 500 устройств входит в линейку MSP43x, включая даже MSP430 с сверхнизким уровнем энергопотребления, основанного на 16-битном RISC ядре и MSP432, способного сочетать в себе высокий уровень производительности со сверхнизким энергопотреблением. Эти устройства имеют 32-битное ARM Cortex-M4F ядро с плавающей запятой и с флэш-памятью до 256 Кбайт.
MSP430FRxx это семейство из 100 устройств использующих сегнетоэлектрическую память с произвольным доступом (FRAM) для уникальных возможностей производительности. FRAM, известная также как FeRAM или F-RAM, сочетает в себе функции флэш и SRAM технологий. Она энергонезависима с быстрой записью и низким энергопотреблением, выносливость записи 10 15 циклов, улучшенный код и безопасность данных сравнительно с флэш или EEPROM, а также повышенную устойчивость к радиации и электромагнитным излучениям.
Семейство MSP43x поддерживает множество промышленных и других приложений с низким энергопотреблением, включая сетевую инфраструктуру, процессы контроля, тестирование и измерение, применение в системах домашней автоматизации, медицинском и фитнесс оборудовании, персональных электронных устройствах, а также во многих других.
Пример сверхнизкого энергопотребления: девятиосные датчики объединенные с помощью MSP430F5528
При исследовании и измерении в приложениях все большее количество датчиков «сливаются» в единую систему и используют общее программное и аппаратное обеспечение для объединения данных с нескольких устройств. Сливание данных корректирует отдельные недостатки датчиков и повышает производительность при определении положения или ориентации в пространстве.
Схема выше показывает блок-схему курсовертикали (AHRS) которая использует MSP430F5528 с низким энергопотреблением, а также магнитометр, гироскоп и акселерометр по всем трем осям. MSP430F5528 оптимизирует и расширяет жизненный цикл батареи портативного измеряющего устройства, содержащего 16-битное RISC ядро, аппаратный умножитель, 12-битный АЦП и несколько последовательных модулей включающих USB.
Программное обеспечение использует алгоритм косинусно-матричного управления (direction-cosine-matrix (DCM)), который принимает калиброванные показания датчиков, вычисляет их ориентацию в пространстве и выводит значения в виде высоты, крена, отклонения от курса, называемые углами Эйлера.
В случае необходимости MSP430F5xx может взаимодействовать с датчиками движения через последовательный I 2 C протокол. Это может приносить пользу всей системе, так как основной микроконтроллер освобождается от обработки информации с датчика. Он может оставаться в режиме ожидания, снижая тем самым энергопотребление, или задействовать освободившиеся ресурсы для решения других задач, повысив, таким образом, производительность системы.
Пример высокоэффективного приложения: BPSK модем использующий MSP432P401R
Двоичная фазовая манипуляция (BPSK) представляет собой цифровую схему модуляции, которая передает информацию путем изменения фазы опорного сигнала. Типичным применением будет оптическая система связи, которая использует BPSK модем для обеспечения дополнительного канала связи сигналов с низкой скоростью передачи данных.
BPSK использует два различных сигнала для представления двоичных цифровых данных в двух разных фазах модуляции. Носителем одной фазы будет бит 0, в то время как смещенная на 180 0 фаза будет представлять собой бит 1. Такая передача данных показана ниже:
MSP432P401R образует основу конструкции. В дополнение к 32-разрядному ARM Cortex-M4 ядру, это устройство имеет 14-бит, 1-Mвыборок / с АЦП и CMSIS цифровой обработки сигналов (DSP) библиотеки, что позволяет ему эффективно обрабатывать сложные функции цифровой обработки сигналов.
Ниже показаны передатчик (модулятор) и приемник (демодулятор):
Реализация включает в себя BPSK модуляцию и демодуляцию, прямую коррекцию ошибок, коррекцию ошибок для улучшения BER и цифровое формирование сигнала. BPSK включает необязательную конечно-импульсную характеристику (FIR) фильтра нижних частот для улучшения отношения сигнал-шум (SNR) до демодуляции.
Характеристики модулятора BPSK:
- несущая частота 125 кГц;
- битовая скорость до 125 кбит/с;
- Полный пакет или кадр до 600 байт;
- x4 передискретизации носителя на 125 кГц (т.е. частота дискретизации 500 Квыборок/с)
Выводы
Микроконтроллеры для промышленного использования должны иметь сочетание высокой производительности, низкого энергопотребления, гибкого набора функций, а также мощную экосистему разработки программного обеспечения.
Среди разнообразных отраслей отечественной промышленности наиболее востребована сфера промышленной автоматики. Практически любой вид производства требует огромного количества компонентов, позволяющих автоматизировать те или иные производственные процессы. В конечном итоге каждое производственное предприятие заинтересовано в том, чтобы процесс управления технологическими процессами осуществлялся оперативно и автоматически.
Сердцем любой автоматической системы управления (АСУ) служит промышленный контроллер.
Историческая справка
Первый промышленный контроллер появился в 1969 году в США. Его создание инициировала автомобильная корпорация General Motors Company, а разработала компания Bedford Associates.
В те годы АСУ строились на жесткой логике (аппаратное программирование), что делало невозможным процесс их перенастройки.
Поэтому каждая технологическая линия требовала наличия индивидуальной АСУ. Затем в архитектуре АСУ стали использовать устройства, алгоритм которых можно было менять с помощью схем соединений реле.
Такие устройства получили название «промышленные логические контроллеры» (ПЛК). Однако АСУ, реализованные с использованием электромагнитных реле, отличались сложностью и большими размерами. Для размещения и технического обслуживания одной системы требовалось отдельное помещение.
Разработанный инженерами компании Bedford Associates (США) микропроцессорный ПЛК позволил использовать информационные технологии в процессах автоматизации производственных процессов, сведя при этом человеческий фактор к минимуму.
Современный промышленный контроллер
В общем виде ПЛК представляет собой микропроцессорное устройство, с помощью которого осуществляется коммутация подключенных сигнальных проводов. Необходимые комбинации их подключения задаются программой управления на экране компьютера и затем заносятся в память контроллера.
Программирование осуществляется как на классических алгоритмических языках, так и на языках, оговоренных стандартов МЭК 61131-3. Таким образом на предприятиях появилась возможность реализации различных АСУ, используя одно микропроцессорное устройство.
Со временем разработчики систем промышленной автоматики перешли на элементную базу, совместимую с компьютерами IBM (ПК). Существует два направления в развитии аппаратных средств ПК-совместимых с ПЛК, в которых максимально сохраняется архитектура и конструктивные решения:
- ПЛК — с одновременной заменой его процессорного модуля на ПК-совместимый модуль с открытым программным обеспечением (серия контроллеров ADAM5000).
- IBM PC — в малогабаритных встраиваемых системах (модульные контроллеры стандартов РС104 и micro PC).
Поэтому современные ПЛК — это ПК-совместимый модульный контроллер, предназначенный для решения задач локального управления. Их развитие в конечном итоге должно привести к:
- уменьшению габаритных размеров;
- расширению функциональных возможностей;
- использованию единого языка программирования (МЭК 61131-3) и идеологии «открытые системы».
Принцип действия и область применения ПЛК
Любой вид ПЛК представляет собой электронное устройство, предназначенное для исполнения алгоритмов управления. Принцип действия всех ПЛК одинаков — сбор и обработка данных и выдача управляющих воздействий на исполнительные механизмы.
В промышленности ПЛК применяются очень широко. Этим и объясняется существование большого количества их разновидностей, среди которых можно выделить контроллеры:
- Общепромышленные (универсальные).
- Коммуникационные.
- Предназначенные для управления позиционированием и перемещением, в том числе роботами.
- С обратной связью (ПИД-регуляторы).
Классификация ПЛК
Существует большое количество параметров, по которым классифицируют ПЛК.
Конструктивное исполнение:
- моноблочные;
- модульные;
- распределенные;
- универсальные.
Количество каналов «ввод-вывод»:
- нано-ПЛК, с числом каналов менее 16;
- микро-ПЛК (16…100 каналов);
- средние (100…500 каналов);
- большие, с числом каналов более 500.
Способы программирования.
ПЛК могут программироваться с:
- лицевой панели устройства;
- помощью переносного программатора;
- использованием компьютера.
Виды монтажа.
- стоечный;
- настенный;
- панельный (устанавливаются на дверку шкафа или специальную панель);
- на DIN-рейке (установка внутри шкафа).
Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.
, Новости / от admin
Микроконтроллеры против ПЛК: Есть явный победитель в битве за ваши промышленные приложения.
Мир одноплатных компьютеров и микроконтроллеров предлагает интересные и недорогие возможности для приложений автоматизации
, но можно ли доверять этим компонентам в критически важных производственных приложениях, где традиционно используются ПЛК?
Ассортимент микроконтроллеров, появляющихся в мире, стремительно растет и нет признаков сокращения. Эти устройства — в том числе Arduino, BeagleBone, Raspberry Pi и другие-предлагают исключительные возможности. А также могут предложить целые экосистемы аксессуаров, и все это по очень низким ценам.
Bill Dehner, инженер по техническому маркетингу; и Tim Wheeler, технический маркетолог и преподаватель-разработчик в AutomationDirect; написали статью под названием микроконтроллеры против ПЛК: кто из них лидирует на вашем предприятии?, которая вышла в ноябре 2017 в издании Control Engineering. Они обсудили, как вырос интерес к этим продуктам, до такой степени, что некоторые рассматривают возможность использования этих микроконтроллеров для приложений промышленной автоматизации вместо ПЛК. Но разумно ли это?
Это естественный вопрос, но к ответу нужно подходить осторожно, потому что зачастую от такого решения зависит больше, чем может показаться на первый взгляд. Посмотрим ниже и увидим факторы, имеющие отношение к обсуждению.
После быстрого онлайн-обзора мы увидим, что есть около 80 различных плат, включая микроконтроллеры, платы FPGA и одноплатные компьютеры, с широким спектром возможностей. В любом случае, в этом блоге, всех их мы объединим вместе и назовем микроконтроллерами.
Аналогичным образом, даже несмотря на то, что ПЛК имеют широкий спектр возможностей, будем считать ПЛК неким общим и надежным контроллером, таким как AutomationDirect BRX.
Гипотетический пример
В статье рассматривается небольшой автоматизированный процесс, требующий двух-трех датчиков и привода. Система взаимодействует с большей системой управления, и программа должна быть написана для управления процессом. Это простая задача для любого малого ПЛК стоимостью около 200$, но хочется использовать гораздо более дешевый микроконтроллер.
Первым шагом является поиск ввода-вывода — не проблема с ПЛК, но, возможно, проблема для микроконтроллера.
«Некоторые (выходы микроконтроллера) сравнительно легко преобразовать, например, токовая петля 4-20 мА в 0-5 В. Другие являются более трудно преобразовываемыми, например аналоговый выход с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ), это в целом для микроконтроллеров. Некоторые преобразователи сигналов доступны как стандартные продукты, но они добавляют общей стоимости. Инженер, практикующий в работе полный цикл «сделай сам», может попытаться создать конвертер внутренне, но такое начинание может быть сложным и требует большого времени на разработку.”
ПЛК работают практически с любым промышленным датчиком, и, как правило, не нуждаются в внешнем преобразовании, поскольку они сделаны для подключения к широкому спектру датчиков, приводов и других промышленных компонентов через их I/O. ПЛК легко монтируется, в то время как плата микроконтроллера с контактами и разъемами потребует немного работы.
Операционные системы
Dehner и Wheeler отмечают, что микроконтроллер представляет собой устройство-скелет с базовой операционной системой. «Ведь одноплатный компьютер, продающийся за 40$, не собирается иметь множество встроенных программных процедур. Поэтому пользователю остается кодировать все, кроме самых элементарных возможностей.”
В то время как приложение может быть простым, ПЛК имеет много встроенных возможностей. ПЛК делает события происходящие за кулисами незаметными и не требующими программирования пользователя, в отличие от ситуации когда используется микроконтроллер. У ПЛК есть программные сторожевые таймеры, чтобы следить за исполняемой программой, и аппаратные сторожевые таймеры, которые контролируют модули и устройства ввода-вывода. Эти проверки происходят на каждом цикле сканирования, с сигнализацией об ошибках или предупреждениях при возникновении проблемы.
«Теоретически, любая из этих возможностей может быть добавлена путем программирования микроконтроллера, но пользователю придется либо написать процедуры с нуля, либо найти существующие программные модули для повторного использования. Естественно, они должны быть протестированы и проверены для приложения, и нужно понимать важность такого тестирования, по крайней мере в первый раз. Инженер, пишущий несколько программ для одного контроллера, вероятно, может повторно использовать проверенные блоки кода. Но эти возможности уже включены в операционную систему практически для любого ПЛК.”
ПЛК это надежность производства
ПЛК предназначены для того, чтобы выдержать требования промышленной среды. Оборудование надежное, и оно сделано и испытано для того чтобы выдержать удар и вибрацию, электрический шум, коррозию и широкий диапазон температур. Иначе с микроконтроллерами.
«Микроконтроллеры редко проходят такое обширное тестирование и, как правило, включают только основные требования к конкретным рынкам, таким как оргтехника. Даже эти требования могут не соблюдаться в случае с неизвестным производителем платы. Универсальная плата, возможно, не была протестирована в той же степени, что и фирменная плата, даже если она кажется идентичной.”
Техническая поддержка
Множество промышленного оборудования безостановочно работает декады, поэтому контроллеры должны также функционировать бесперебойно. Как результат пользователям нужна долгосрочная поддержка.
«Производители оригинального оборудования должны смотреть на продукты, которые они используют на своих машинах, и должны быть готовы, когда клиент хочет купить запчасти для системы, установленной в 1990-х годах или даже раньше.
Компании, производящие микроконтроллеры, не могут сохранять эту связь истории. Если вам нужно заменить контроллер для проекта пять лет назад, найти детали, которые вам нужны, может оказаться проблемой.”
Большинство поставщиков ПЛК имеют отличные возможности поддержки, с некоторыми, как например AutomationDirect, предлагается бесплатная техническая поддержка. Однако конечные пользователи микроконтроллеров с открытым исходным кодом часто создают собственные группы технической поддержки. Ответы на вопросы часто можно найти в дискуссионных группах и тематических форумах с потребностями, похожими на ваши. Или нет.
Подведение итогов
«Микроконтроллеры и другие типы плат для разработки являются фантастическими в качестве учебных инструментов и для экспериментов. Они дешевые и делают сложные концепции программирования и автоматизации гораздо проще для изучения.”
Если у вас есть время, то это замечательные инструменты.
«С другой стороны, если задача заключается в том, чтобы эффективно, рационально и безопасно функционировать на производстве, то ПЛК обеспечивают широкий спектр возможностей с надежностью, которая испытывалась и использовалась на протяжении десятилетий.
Когда завод должен работать и продукция должна быть изготовлена, надежность и безопасность имеют большее значение, чем что-либо другое.”