Подключение и программирование контроллеров ПЛК

До появления твердотельной логики системы автоматического управления строились в основном на электромагнитных реле. Несмотря на то, что реле до сих пор применяются, особенно в цепях с высокими токами и напряжениями, во многих сферах они уступили место более универсальным и надежным устройствам — программируемым логическим контроллерам (ПЛК). Простейшие системы логики «ON/OFF» остаются актуальными для многих процессов в промышленности и торговле, но сегодня они редко реализуются на базе релейных схем или дискретных логических элементов. Их заменили цифровые устройства, способные выполнять логические функции по заданной программе.

История появления ПЛК

В конце 1960-х годов американская компания Bedford Associates представила вычислительное устройство, названное MODICON (сокращение от Modular Digital Controller — модульный цифровой контроллер). Позднее это название стало брендом для подразделения, занимавшегося производством этих устройств. Пример оказался успешным, и вскоре другие инженерные компании начали разрабатывать свои версии аналогичных контроллеров. Так возник термин PLC (Programmable Logic Controller) — программируемый логический контроллер.

Первоначальной задачей ПЛК было заменить электромеханические реле как основные логические элементы в системах автоматизации. Вместо большого количества физических реле предлагался твердотельный цифровой компьютер с программируемой логикой, способный выполнять аналогичные функции, но с большей гибкостью, надежностью и удобством.

Устройство и принцип работы

ПЛК получают информацию о состоянии системы через входные клеммы, на которые поступают логические сигналы от датчиков, переключателей и других устройств. Эти входы, как правило, имеют индивидуальные обозначения (например, X0, X1 и т.д.) и позволяют контроллеру различать состояния «высокого» и «низкого» уровня (вкл/выкл).

▶ Обработав входную информацию согласно своей программе, ПЛК передаёт управляющие сигналы на выходные клеммы, к которым подключаются исполнительные устройства: лампы, электромагниты, контакторы, двигатели и т.д. Таким образом, он управляет внешними устройствами на основе заранее заданной логики.

Программирование ПЛК осуществляется с использованием специализированных языков, наиболее популярным из которых является релейная логика (Ladder Logic). Этот язык имитирует классические схемы релейной автоматики, что делает его интуитивно понятным для инженеров и электриков, имеющих опыт работы с традиционными релейными схемами.

Электрические характеристики и подключение

Поскольку ПЛК разрабатывались как замена электромеханических реле, их входы и выходы рассчитаны в основном на переменное напряжение 220 В, аналогичное напряжению релейных цепей управления. И хотя некоторые модели поддерживают работу с низковольтными сигналами постоянного тока, это скорее исключение из правил.

Типовая конфигурация ПЛК включает:

• Клеммы питания (обозначенные как L1 и L2), к которым подаётся напряжение 120 В переменного тока для питания внутренних цепей контроллера;
• Входные клеммы с индивидуальной маркировкой (например, X0–X5) для подключения датчиков;
• Общую клемму (common), обычно соединяемую с нейтралью (L2) питающей сети.

Несмотря на то, что стандарты подключения и особенности программирования могут немного различаться в зависимости от производителя и модели ПЛК, базовые принципы остаются схожими. Это позволяет создавать универсальные методики обучения и практического применения, охватывающие широкий спектр устройств.

Внутри корпуса ПЛК, подключенного между каждой входной и общей клеммой, находится оптоизолятор (оптрон), который обеспечивает электрически изолированный «высокий» логический сигнал для схемы компьютера (фототранзистор принимает свет светодиода), когда между соответствующей входной и общей клеммой подается питание 220 В переменного тока. Светодиодный индикатор на передней панели ПЛК визуально указывает на «запитанный» вход:

Выходные сигналы генерируются компьютерной схемой ПЛК, активирующей коммутационное устройство (транзистор, симистор или электромеханическое реле), подключая клемму «Источник» к любой из выходных с маркировкой «Y-». Клемма «Источник», соответственно, обычно подключается к стороне L1 сети питания 220 В. Как и в случае с каждым входом, светодиодный индикатор на передней панели ПЛК визуально указывает на «активизированный» выход:

Таким образом, программируемый логический контроллер может взаимодействовать с реальными устройствами, такими как переключатели и реле.

▶ Фактическая логика системы управления устанавливается внутри ПЛК с помощью компьютерной программы, которая диктует, какой выход активируется при каких входных условиях. Хотя сама программа выглядит как логическая схема релейной связи с символами переключателей и реле, внутри ПЛК нет реальных контактов переключателей или реле, работающих для создания логических связей между входом и выходом. Это, скажем так, воображаемые контакты и катушки. Программа вводится и просматривается через компьютер, подключенный к порту программирования.

Рассмотрим схему и программу ПЛК:

Когда кнопочный переключатель не задействован (не нажат), питание не подается на вход X1. Следуя программе, которая показывает нормально разомкнутый контакт X1 последовательно с катушкой Y1, «питание» не будет подано на Y1. Таким образом, выход Y1 ПЛК остается обесточенным, а подключенная к нему индикаторная лампа остается темной.

Но если нажат кнопочный переключатель, питание будет отправлено на вход X1 ПЛК. Любые и все контакты X1, появляющиеся в программе, примут активированное (ненормальное) состояние, как если бы они были контактами реле, активированными при подаче питания на катушку реле с именем «X1». В этом случае подача питания на вход X1 приведет к тому, что нормально открытый контакт X1 «закроется», отправив «питание» на катушку Y1. Когда катушка Y1 программы «включится», реальный выход Y1 станет активированным, зажигая подключенную к нему лампу:

Напомним, что контакт X1, катушка Y1, соединительные провода и питание, появляющиеся на дисплее компьютера, являются виртуальными. Они не существуют как реальные электрические компоненты. Только как команды в софте — часть программного обеспечения — которая просто напоминает реальную принципиальную схему реле.

Не менее важно понимать, что ПК, используемый для отображения и редактирования программы контроллера, не является необходимым для продолжения работы ПЛК. После загрузки программы в ПЛК с ПК, персональный компьютер можно отключить от ПЛК, и тот продолжит выполнять запрограммированные команды. Тут показан дисплей только для удобства, чтобы помочь понять связь между реальными условиями (замыкание переключателя и состояние лампы) и состоянием программы (питание через виртуальные контакты и виртуальные катушки).

Истинная мощь и универсальность ПЛК раскрывается когда требуется изменить поведение системы управления. Поскольку ПЛК является программируемым устройством, можем изменить его поведение, меняя подаваемые команды, без необходимости перенастраивать электрические компоненты, подключенные к нему. Например, хотим заставить эту схему переключателя и лампы функционировать в обратном порядке: нажать кнопку, чтобы лампа выключилась и отпустить ее, чтобы она включилась. «Аппаратное» решение потребовало бы, чтобы нормально замкнутый кнопочный переключатель был заменен на нормально разомкнутый. «Программное» решение намного проще: просто изменить программу так, чтобы контакт X1 был нормально замкнутым, а не нормально разомкнутым.

Вот измененная система в состоянии, когда кнопка не задействована (не нажата):

А тут переключатель показан активированным (нажатым):

Одним из преимуществ реализации логического управления в программном, а не в аппаратном обеспечении является то, что входные сигналы могут быть повторно использованы в программе столько раз, сколько необходимо. Например, возьмем следующую схему и программу, разработанную для включения лампы, если одновременно активируются хотя бы два из трех кнопочных переключателей:

Чтобы построить эквивалентную схему с использованием электромеханических реле, необходимо использовать три реле с двумя нормально разомкнутыми контактами каждое, чтобы обеспечить два контакта на входной переключатель. Но используя ПЛК можем запрограммировать столько контактов, сколько пожелаем для каждого входа «X», не добавляя дополнительное оборудование, поскольку каждый вход и каждый выход — это не более чем 1 бит в цифровой памяти ПЛК (либо 0, либо 1), и его можно вызывать столько раз, сколько необходимо.

Кроме того, поскольку каждый выход также является не более чем битом в памяти, можем назначить контакты в программе контроллера, активируемые состоянием выхода (Y). Возьмем, к примеру, схему управления пуском-остановкой двигателя:

Кнопочный переключатель, подключенный к входу X1, служит переключателем «Пуск», а тот что подключен к X2, служит «Стоп». Другой контакт в программе, названный Y1, использует состояние выходной катушки как геркон, напрямую, так что контактор двигателя будет продолжать находиться под напряжением после отпускания кнопочного переключателя «Пуск». Видно, что нормально замкнутый контакт X2 отображается в цветном блоке, показывая, что он находится в замкнутом («электропроводящем») состоянии.

Если бы нажали кнопку «Пуск», вход X1 включился, тем самым «замкнув» контакт X1 в программе, отправив «питание» на «катушку» Y1, активировав выход Y1 и подав 220 В на реальную катушку контактора двигателя. Параллельный контакт Y1 также «замкнется», тем самым зафиксировав «цепь» в запитанном состоянии:

Теперь, если отпустим кнопку «Пуск», нормально разомкнутый контакт X1 вернется в свое разомкнутое состояние, но двигатель продолжит работать, поскольку запирающий контакт Y1 продолжает обеспечивать непрерывность силовой катушки Y1, тем самым поддерживая выход Y1 под напряжением:

Чтобы остановить двигатель, необходимо кратковременно нажать кнопку «Стоп», что приведет к подаче питания на вход X2 и «размыканию» нормально замкнутого «контакта», разрывая цепь с «катушкой» Y1:

При отпускании кнопки «Стоп» вход X2 обесточивается, возвращая «контакт» X2 в нормальное замкнутое состояние. Но двигатель не запустится снова, пока не будет нажата кнопка «Пуск», поскольку «запечатывание» Y1 потеряно:

Важно отметить, что отказоустойчивая конструкция так же важна в системах с управлением ПЛК, как и в системах с электромеханическим реле. Всегда следует учитывать влияние отказавшей (разомкнутой) проводки на управляемое устройство. В этом примере схемы управления двигателем есть проблема: если б входная проводка для X2 (переключатель «Стоп») разомкнулась, остановить двигатель стало бы невозможно!

Решением проблемы будет изменение логики между «контактом» X2 внутри программы и фактическим кнопочным переключателем «Стоп»:

Когда нормально замкнутый кнопочный переключатель «Стоп» не задействован (не нажат), вход X2 будет активирован, тем самым «замыкая» «контакт» X2 внутри софта. Это позволяет запустить двигатель, когда вход X1 активирован, и продолжать ему работать, когда кнопка «Пуск» больше не нажата. Когда кнопка «Стоп» активирована, вход X2 обесточивается, тем самым размыкая контакт X2 внутри программы и отключая мотор. Итак, нет никакой эксплуатационной разницы между этой новой и предыдущей конструкцией.

Но если бы входная проводка на входе X2 была разомкнута, вход X2 обесточился бы так же, как при нажатии кнопки «Стоп». В результате, при отказе проводки на входе X2 двигатель немедленно отключился. Это более безопасная конструкция, чем показанная ранее, где отказ проводки кнопки «Стоп» привел бы к невозможности выключения электромотора.

В дополнение к элементам программы ввода (X) и вывода (Y), ПЛК предоставляют «внутренние» катушки и контакты без внутренней связи с внешним миром. Они используются примерно так же, как «реле управления» (CR1, CR2 и т. д.) используются в стандартных релейных схемах: для обеспечения инверсии логического сигнала, при необходимости.

Чтобы продемонстрировать, как можно использовать одно из этих внутренних реле, рассмотрим следующий пример схемы и программы, разработанной для эмуляции функции трехвходового вентиля NAND. Поскольку элементы программы ПЛК обычно обозначаются одной буквой, будем называть внутреннее реле управления «C1», а не «CR1», как это принято:

В этой схеме лампа будет гореть до тех пор, пока какая-либо из кнопок остается неактивированной (ненажатой). Чтобы выключить лампу, придется активировать (нажать) все три переключателя, вот так:

Согласитесь: очень удобно и просто!

Функциональные возможности контроллеров

Рассмотренные принципы работы ПЛК представляют собой лишь небольшую часть широких функциональных возможностей этих устройств. Как разновидность специализированных цифровых компьютеров, программируемые логические контроллеры обладают значительно более высоким уровнем гибкости, точности и надежности по сравнению с классическими электромеханическими системами управления.

Одним из ключевых преимуществ их выступает способность выполнять временные функции, такие как задержки включения и выключения, что ранее реализовывалось с помощью реле времени. Кроме того, ПЛК поддерживают циклические алгоритмы, включая барабанные последовательности, последовательное логическое управление, счетчики, таймеры, а также возможность обработки аналоговых сигналов и работы с переменными в реальном времени. Это делает их незаменимыми в системах автоматизации высокой сложности.

▶ Большинство современных контроллеров имеют модульную архитектуру и поддерживают подключение значительного количества входов и выходов. Например, стандартный модуль ПЛК может содержать до 16 точек ввода или вывода, что позволяет одному устройству управлять десятками исполнительных механизмов и собирать данные с множества датчиков. Это количество может быть расширено за счёт установки дополнительных модулей ввода-вывода.

Физически ПЛК компактен: при установке в шкаф управления он занимает минимум места — в разы меньше, чем потребовалось бы при реализации аналогичной схемы на основе электромеханических реле и промежуточных релейных блоков. Таким образом, использование ПЛК позволяет существенно экономить пространство, упрощает монтаж и облегчает последующее обслуживание системы.

Сетевые возможности и удалённое управление

Особое преимущество ПЛК, невозможное для традиционных релейных систем, — это встроенная поддержка цифровых сетей и протоколов связи, таких как Modbus, PROFIBUS, Ethernet/IP, CAN и другие. Благодаря этому ПЛК может быть интегрирован в распределённые системы управления, взаимодействовать с другими контроллерами, SCADA-системами, операторами и облачными платформами.

Функция удалённого мониторинга и управления позволяет операторам наблюдать за состоянием системы в реальном времени, производить диагностику, изменять параметры управления и загружать новые программы без необходимости физического доступа к контроллеру. Это открывает широкие возможности для организации дистанционного технического обслуживания, сбора данных (Data Logging) и анализа эффективности работы оборудования (OEE, TPM и прочие).

Рекомендуемая литература

Вот подборка литературы на русском языке, которая охватывает теоретические и практические аспекты работы с программируемыми логическими контроллерами:

1. Соловьёв О. В., Чистяков А. И. Программируемые логические контроллеры. Основы теории и практики — М.: Солон-Пресс, 2015.
2. Коротков А. И., Борисов А. В. Программируемые логические контроллеры: Учебное пособие — СПб.: БХВ-Петербург, 2018.
3. Горелов А. А. Промышленные контроллеры: принципы построения и применения — М.: ДМК Пресс, 2019.
4. Золотов В. Е., Кувшинов Б. П. Системы автоматического управления с ПЛК — М.: Академия, 2014.
5. Казанцев В. Н., Марков А. А. Программируемые логические контроллеры в системах автоматизации технологических процессов — Екатеринбург: УрФУ, 2020.