Suunniteltaessa Programmable Logic Controller (PLC) -järjestelmää, ensimmäinen askel on määrittää ohjausstrategia; seuraava vaihe sisältää tietyn PLC-laitteiston suunnittelun. Prosessivirran ominaisuudet ja erityiset sovellusvaatimukset toimivat tämän valintaprosessin ensisijaisena perustana. PLC ja siihen liittyvät laitteet tulee integroida ja standardoida, ja ne on valittava saumattoman integroinnin periaatteen mukaisesti teollisuuden yleiseen ohjausjärjestelmään ja toiminnan helpon laajentamisen periaatteisiin. Valitun PLC-järjestelmän tulee olla kypsä ja luotettava ratkaisu, jolla on todistetusti onnistunut toiminta asiaankuuluvalla teollisuuden alalla. Lisäksi järjestelmän laitteistokokoonpano, ohjelmistoominaisuudet ja toiminnalliset ominaisuudet on sovitettava asianmukaisesti laitoksen mittakaavaan ja erityisiin ohjausvaatimuksiin. PLC:iden, toimintokaavioiden ja asiaankuuluvien ohjelmointikielten tuntemus auttaa vähentämään ohjelmointiaikaa merkittävästi. Siksi suunnittelun valinta- ja estimointivaiheiden aikana on välttämätöntä suorittaa yksityiskohtainen analyysi prosessin ominaisuuksista ja ohjausvaatimuksista; Tämä edellyttää valvontatehtävien ja laajuuden selkeää määrittelyä sekä tarvittavien toimintojen ja toimenpiteiden tunnistamista. Myöhemmin-näiden ohjausvaatimusten- perusteella voidaan arvioida tarvittava I/O-pisteiden määrä ja muistikapasiteetti sekä määrittää tarvittavat PLC-toiminnot ja ulkoisten laitteiden tekniset tiedot. Lopuksi tavoitteena on valita PLC, joka tarjoaa ylivoimaisen hinta-{10}}tehosuhteen, ja suunnitella vastaava ohjausjärjestelmä.
I/O-pisteen arvio
I/O-pisteiden määrää arvioitaessa on ratkaisevan tärkeää sisällyttää asianmukainen marginaali. Tyypillisesti arvioitu I/O-määrä johdetaan ottamalla tilastollisesti laskettu tarvittavien pisteiden määrä ja lisäämällä 10–20 %:n laajennusmarginaali. Varsinaista tilausta tehtäessä saattaa olla tarpeen pyöristää arvioitu I/O-määrä, jotta se vastaa PLC:n valmistajan tarjoamia tuotetietoja ja moduulikokoonpanoja.
Muistin kapasiteetti
"Muistikapasiteetti" viittaa PLC:n itsensä tarjoamien laitteistotallennusyksiköiden kokonaiskokoon, kun taas "ohjelmakapasiteetti" viittaa käyttäjän sovellusohjelman käyttämään muistin tiettyyn osuuteen. Näin ollen ohjelman kapasiteetti on aina pienempi tai yhtä suuri kuin kokonaismuistikapasiteetti. Suunnitteluvaiheessa, koska käyttäjän sovellusohjelmaa ei ole vielä kirjoitettu, tarkkaa ohjelman kapasiteettia ei tiedetä ja se voidaan määrittää vasta ohjelman täydellisen virheenkorjauksen jälkeen. Valintaprosessin helpottamiseksi antamalla kohtuullinen arvio tarvittavasta tallennustilasta, kokonaismuistikapasiteettia käytetään tyypillisesti ohjelman kapasiteetin välityspalvelimena suunnitteluvaiheessa. Ei ole olemassa kiinteää kaavaa tarvittavan muistikapasiteetin arvioimiseksi; vaikka kirjallisuudessa esiintyy erilaisia kaavoja, ne noudattavat yleensä yleistä lähestymistapaa: lasketaan 10-15 kertaa digitaalisten I/O-pisteiden lukumäärä, lisätään 100-kertainen analogisten I/O-pisteiden lukumäärä ja käytetään tätä summaa muistin kokonaissanamääränä (jossa yksi sana on 16 bittiä). Lisäksi on otettava huomioon turvamarginaali, joka vastaa 25 % tästä lasketusta arvosta.
Ohjaustoimintojen valinta
Tämä valintaprosessi sisältää tiettyjen ominaisuuksien, kuten aritmeettisten funktioiden, ohjaustoimintojen, viestintäominaisuuksien, ohjelmointiominaisuuksien, diagnostiikkatyökalujen ja käsittelynopeuden, valitsemisen.
1. Aritmeettiset funktiot
Yksinkertaisten ohjelmoitavien logiikkaohjaimien (PLC) aritmeettisiin toimintoihin kuuluu tyypillisesti peruslogiikkatoimintoja, ajoitus- ja laskentatoimintoja. Tavalliset PLC:t laajentavat tätä sisältämään toiminnot, kuten tietojen siirron ja vertailun. Monimutkaisempia aritmeettisia ominaisuuksia ovat algebralliset operaatiot ja tiedonsiirtofunktiot. Suuret PLC:t sisältävät lisäksi analogisia PID-säätöalgoritmeja ja muita edistyneitä matemaattisia toimintoja. Avointen järjestelmien myötä nykyaikaiset PLC:t on yleisesti varustettu viestintäominaisuuksilla; tietyt tuotteet voivat tarjota kommunikaatiota alemman-tason laitteiden kanssa, peer-to-peer-viestintää muiden logiikkojen kanssa, viestintää korkeamman-tason isäntäjärjestelmien kanssa tai tiedonsiirtoominaisuuksia tehtaan-laajuisten tai yritysverkkojen kanssa. Suunnitteluvaiheessa mallia valittaessa on valittava varsinaisen sovelluksen erityisvaatimukset ja valita vain ne aritmeettiset funktiot, jotka ovat todella tarpeellisia. Useimmissa sovellusskenaarioissa logiikkaperusoperaatiot, ajoitus ja laskentatoiminnot riittävät; jotkin sovellukset saattavat vaatia tiedonsiirto- ja vertailuominaisuuksia; algebralliset operaatiot, numeeriset muunnokset ja PID-säätöalgoritmit on tyypillisesti varattu sovelluksille, jotka sisältävät analogisen signaalin havaitsemisen ja ohjauksen. Toimintoja, kuten dekoodausta ja koodausta, tarvitaan, kun tiedon näyttöominaisuuksia tarvitaan.
2. Ohjaustoiminnot
Ohjaustoiminnot sisältävät algoritmeja, kuten PID-säädön, syöttö-eteenpäin kompensoinnin ja suhdesäädön; valitut toiminnot tulee määrittää sovelluksen tarkkojen ohjausvaatimusten perusteella. Koska PLC:t on ensisijaisesti suunniteltu peräkkäiseen logiikkaan, analogiset ohjaustehtävät useimmissa skenaarioissa käsitellään tyypillisesti erillisillä yksisilmukka- tai moni-silmukkaohjaimilla. Vaihtoehtoisesti erikoistuneita älykkäitä I/O-moduuleja käytetään joskus suorittamaan tiettyjä ohjaustoimintoja-strategia, joka parantaa PLC:n kokonaiskäsittelynopeutta ja säästää sisäistä muistikapasiteettia. Esimerkkejä tällaisista erikoismoduuleista ovat PID-ohjausyksiköt,{7}}nopeat laskurit, analogiset tulomoduulit nopeuskompensaatiolla ja ASCII-muunnosyksiköt.
3. Viestintätoiminnot
Keskikokoisten--suurien-logiikkajärjestelmien pitäisi tukea erilaisia kenttäväyliä ja vakiotietoliikenneprotokollia (kuten TCP/IP). Lisäksi näiden järjestelmien tulee sovelluksen niin vaatiessa pystyä muodostamaan yhteydet laitoksen hallintaverkkoon (TCP/IP:n kautta). Viestintäprotokollien on oltava ISO/IEEE-viestintästandardien mukaisia, ja ne muodostavat avoimen viestintäverkon.
Programmable Logic Controller (PLC) -järjestelmän tietoliikenneliitäntöihin tulee sisältyä sarja- ja rinnakkaisviestintäliitännät, RIO-tietoliikenneportit, yhteiset DCS-liitännät ja vastaavat. Keskikokoisissa---suurissa-PLC-järjestelmissä tietoliikenneväylät (mukaan lukien liitäntälaitteet ja kaapelit) on konfiguroitava 1:1-redundanssilla; näiden tietoliikenneväylien on oltava kansainvälisten standardien mukaisia, ja niiden viestintäalueen on täytettävä tietyn laitoksen todelliset vaatimukset.
PLC-järjestelmän tietoliikenneverkossa ylemmän-tason verkon tiedonsiirtonopeus saa olla yli 1 Mbps ja tiedonsiirtokuormitus enintään 60 %. PLC-järjestelmien tietoliikenneverkkojen ensisijaiset muodot ovat seuraavat:
1) PC toimii isäntäasemana, kun taas useat saman mallin PLC:t toimivat orjaasemina muodostaen yksinkertaisen PLC-verkon;
2) Yksi PLC toimii isäntäasemana, kun taas muut samaa mallia olevat PLC:t toimivat orja-asemina muodostaen master-slave PLC -verkon;
3) PLC-verkko muodostaa yhteyden suureen-DCS:ään tietyn verkkoliitännän kautta, joka toimii DCS:n aliverkkona;
4) PLC-verkko (tietyn valmistajan PLC-tuotteisiin liittyvä tietoliikenneverkko).
Suorittimen{0}}tiedonsiirtokuorman keventämiseksi ja verkon konfiguroinnin todellisten vaatimusten perusteella- tulisi valita tietoliikenneprosessorit, jotka on varustettu erilaisilla viestintäominaisuuksilla (esim. pisteestä-pisteeseen, kenttäväylä).
4. Ohjelmointitoiminnot
Offline-ohjelmointitila: Tässä tilassa PLC ja ohjelmointilaite jakavat yhden CPU:n. Kun ohjelmointilaite on "ohjelmointitilassa", CPU omistaa palvelunsa yksinomaan ohjelmointilaitteelle eikä ohjaa kenttälaitteita. Kun ohjelmointi on valmis, ohjelmointilaite siirtyy "ajotilaan", jolloin CPU jatkaa kenttälaitteiden hallintaa, eikä ohjelmointitoimintoja voida suorittaa. Offline-ohjelmointitila voi vähentää järjestelmän kustannuksia, vaikka se voi olla vähemmän kätevä käytössä ja virheenkorjauksessa. Online-ohjelmointitila: Tässä tilassa CPU:lla ja ohjelmointilaitteella on kummallakin oma CPU:nsa. Isäntä-CPU on vastuussa kenttäohjaustoiminnoista ja vaihtaa tietoja ohjelmointilaitteen kanssa yhden skannausjakson aikana; ohjelmointilaite lähettää äskettäin luodun tai muokatun ohjelmadatan isäntä-CPU:lle, ja seuraavassa skannausjaksossa isäntä-CPU suorittaa järjestelmälogiikan juuri vastaanotetun ohjelman perusteella. Vaikka tämä tila aiheuttaa korkeampia kustannuksia, se tarjoaa enemmän mukavuutta järjestelmän virheenkorjaukseen ja käyttöön, ja sitä käytetään usein keskikokoisissa--suurissa{8}}PLC-järjestelmissä. Standardoitua ohjelmointikieltä on viisi: kolme graafista kieltä-Sequential Function Charts (SFC), Ladder Diagrams (LD) ja Function Block Diagrams (FBD)-ja kaksi teksti{12}}pohjaista kieltä-Ohjeluettelot (IL) ja Structured Text (ST). Valitun ohjelmointikielen tulee olla asiaankuuluvan standardin (IEC 61131-3) mukainen; Lisäksi sen pitäisi tukea erilaisia vaihtoehtoisia ohjelmointimuotoja - kuten C, Basic jne. - täyttääkseen erikoissovellusten erityiset ohjausvaatimukset.
5. Diagnostiikkatoiminnot
Ohjelmoitavan logiikkaohjaimen (PLC) diagnostiikkaominaisuudet kattavat sekä laitteisto- että ohjelmistodiagnostiikan. Laitteistodiagnostiikka käyttää laitteistopohjaista logiikkaa{1}}laitteistovikojen sijainnin määrittämiseen, kun taas ohjelmistodiagnostiikka luokitellaan sisäiseen ja ulkoiseen diagnostiikkaan. Sisäinen diagnostiikka sisältää ohjelmiston käytön PLC:n sisäisen suorituskyvyn ja toiminnallisuuden arvioimiseksi; ulkoiseen diagnostiikkaan kuuluu ohjelmiston käyttö PLC:n prosessorin ja ulkoisten komponenttien, kuten I/O-moduulien, tiedonsiirtokyvyn arvioimiseksi.
PLC:n diagnostisten toimintojen kestävyys vaikuttaa suoraan käyttö- ja huoltohenkilöstön vaadittavaan tekniseen pätevyyteen sekä keskimääräiseen korjausaikaan (MTTR).
6. Käsittelynopeus
Ohjelmoitavat logiikkaohjaimet toimivat skannaus{0}}pohjaisella mekanismilla. Reaaliaikaisten-suorituskykyvaatimusten näkökulmasta käsittelynopeuden tulisi olla mahdollisimman nopea. jos tulosignaalin kesto on lyhyempi kuin PLC:n pyyhkäisyaika, ohjain ei ehkä havaitse signaalia, mikä johtaa tietojen menetykseen.
Prosessointinopeuteen vaikuttavat sellaiset tekijät kuin käyttäjäohjelman pituus, prosessorin prosessointiteho ja ohjelmiston laatu. PLC:issä on nopeat kosketusvasteajat ja suuret toimintanopeudet, jolloin kunkin binäärikäskyn suoritusaika on tyypillisesti 0,2-0,4 mikrosekuntia (µs); siksi ne sopivat hyvin-sovelluksiin, jotka vaativat tiukkaa ohjausta ja nopeaa reagointikykyä. Skannausjakson (prosessorin skannausajan) tulee täyttää seuraavat kriteerit: pieni{5}}mittakaavaisten PLC:iden skannausaika ei saa ylittää 0,5 ms 1 000 käskyä kohden (0,5 ms/K); keskikokoisissa{10}}--suurissa{12}}PLC:issä skannausaika ei saa ylittää 0,2 ms 1 000 ohjetta kohden (0,2 ms/K).
Ohjainten tyypit
Fyysisen rakenteensa perusteella PLC:t luokitellaan laajasti kahteen luokkaan: integraalityypit (monoblock) ja modulaariset tyypit. Toimintaympäristönsä perusteella ne luokitellaan kahteen luokkaan: kenttä-asennettavat yksiköt ja ohjaus-huone-asennetut yksiköt. Lisäksi CPU-sanan pituuden perusteella ne luokitellaan 1--, 4--, 8--, 16--, 32-- ja 64{20}}-bittisiin järjestelmiin. Sovelluslähtöisestä näkökulmasta PLC:t valitaan yleensä niiden erityisten ohjaustoimintojen tai vaaditun tulo-/lähtöpisteiden määrän perusteella. Integroiduissa -tyyppisissä ohjelmoitavissa logiikkaohjaimissa (PLC) on kiinteä määrä I/O-pisteitä; Tästä johtuen käyttäjillä on rajallinen joustavuus valinnassa, mikä tekee niistä sopivia pienimuotoisiin ohjausjärjestelmiin. Moduulityyppiset PLC:t sitä vastoin tarjoavat laajan valikoiman I/O-kortteja tai plug-in-moduuleja, joiden avulla käyttäjät voivat järkevästi valita ja konfiguroida ohjausjärjestelmilleen vaaditun määrän I/O-pisteitä. Tämä modulaarisuus mahdollistaa kätevän ja joustavan toiminnan laajentamisen, mikä tekee niistä yleisesti sopivia keskikokoisiin ja suuriin ohjausjärjestelmiin.
Tulo-/lähtötyypit
Diskreetit signaalit (kytkentämäärät): Nämä viittaavat ensisijaisesti erillisiin tuloihin ja erillisiin ulostuloihin -erityisesti eri laitteisiin liittyviin apukoskettimiin. Esimerkkejä ovat muuntajan lämpötilansäätimessä olevan releen apukoskettimet (jotka vaihtavat tilaa muuntajan ylikuumeneessa), venttiilin nokkakytkimen apukoskettimet (joka muuttaa tilaa venttiilin avautuessa tai sulkeutuessa), kontaktorin apukoskettimet (jotka muuttavat tilaa kontaktorin aktivoituessa) ja releen ylikuormituksen tilan vaihtaminen. Nämä signaalit lähetetään tyypillisesti PLC:hen tai kattavaan suojalaitteeseen. Näiden koskettimien virransyötön tarjoaa yleensä PLC tai suojalaite itse; koska koskettimilla ei ole omaa sisäistä virtalähdettä, niitä kutsutaan "passiivisiksi koskettimiksi" (tai "kuiviksi koskettimiksi"), ja ne luokitellaan erillisiksi tuloiksi PLC:n tai suojalaitteen yhteydessä.
1. Digitaaliset määrät
Fyysisiä suureita, jotka ovat diskreettejä-sekä ajan että suuruuden suhteen-, kutsutaan digitaalisiksi suureiksi. Näitä digitaalisia suureita edustavia signaaleja kutsutaan digitaalisiksi signaaleiksi. Elektronisia piirejä, jotka on suunniteltu toimimaan digitaalisilla signaaleilla, kutsutaan digitaalipiireiksi.
Esimerkki: Kun elektronista piiriä käytetään laskemaan automatisoidun tuotantolinjan tuottamien osien lukumäärä, piiriin lähetetään signaali jokaisesta toimitetusta osasta, jolloin se rekisteröi luvun "1". Päinvastoin, kun mitään osia ei toimiteta, piiriin syötetty signaali on "0". Siten osien lukumäärää edustava signaali on epäjatkuva-sekä ajallisesti että kvantitatiivisesti-, mikä tekee siitä digitaalisen signaalin. Pienin määräyksikkö tässä yhteydessä on yksi yksikkö (1).
2. Analogiset määrät
Fyysisiä suureita, jotka ovat jatkuvia -joko ajan tai magnitudin suhteen-, kutsutaan analogisiksi suureiksi. Näitä analogisia suureita edustavia signaaleja kutsutaan analogisiksi signaaleiksi. Elektronisia piirejä, jotka on suunniteltu toimimaan analogisilla signaaleilla, kutsutaan analogipiireiksi.
Esimerkiksi: Termoparin toiminnan aikana antama jännitesignaali on analoginen signaali. Koska mitattavassa lämpötilassa ei voi tapahtua hetkellisiä, äkillisiä hyppyjä missään olosuhteissa, tuloksena oleva jännitesignaali on jatkuva-sekä ajallisesti että kvantitatiivisesti. Lisäksi jokaisella tietyllä arvolla, jonka tämä jännitesignaali ottaa sen jatkuvan vaihtelun aikana, on konkreettinen fyysinen merkitys-eli se vastaa tiettyä lämpötilalukemaa. Muuntamisen periaatteet
1. Digitaalinen---analogimuunnin (DAC) on järjestelmä, joka muuntaa digitaaliset signaalit analogisiksi signaaleiksi. tämä saavutetaan yleensä alipäästösuodatuksella-. Digitaalinen signaali dekoodataan ensin -eli digitaaliset koodit muunnetaan vastaaviksi jännitetasoiksi, jolloin muodostuu portaikko-kaltainen signaali-, minkä jälkeen se altistetaan alipäästösuodatukselle.
Signaali- ja järjestelmäteorian mukaan digitaalista portaikko{0}}kaltaista signaalia voidaan pitää ideaalisen impulssi-näytesignaalin ja suorakulmaisen pulssisignaalin konvoluutiona. Näin ollen konvoluutiolauseen mukaan digitaalisen signaalin spektri on pulssi-näytteitetyn signaalin spektrin ja suorakaiteen muotoisen pulssin spektrin (tunnetaan Sa-funktiona) tulos. Siten käyttämällä Sa-funktion käänteislukua spektrin kompensointiin, alkuperäinen näytteitetty signaali voidaan palauttaa digitaalisesta signaalista. Lisäksi näytteityslauseen mukaan ideaalisen alipäästösuodatuksen soveltaminen näytteistetyn signaalin spektriin tuottaa alkuperäisen analogisen signaalin spektrin.
Käytännön toteutuksissa näitä teoreettisia periaatteita ei sovelleta suoraan, koska terävien, ihanteellisten näytteistyssignaalien tuottaminen on teknisesti haastavaa. Siksi nämä kaksi suodatusvaihetta (Sa-funktion kompensointi ja ihanteellinen alipäästösuodatus-) yhdistetään tyypillisesti (peräkkäin). Lisäksi, koska tämän järjestelmän vaatimat ihanteelliset suodatusominaisuudet ovat fyysisesti mahdottomia toteuttaa, todelliset järjestelmät voivat tarjota vain likimääräisen kuvan tästä prosessista.
2. Analogia---Digital Converter (ADC) on järjestelmä, joka muuntaa analogiset signaalit digitaalisiksi signaaleiksi. tähän prosessiin kuuluu suodatus, näytteenotto ja säilytys sekä koodaus.
Analoginen signaali käy ensin läpi kaistan-rajoitussuodatuksen ja kulkee näyte-ja-pitopiirin läpi, jolloin se muuttuu portaikko-kaltaiseksi signaaliksi. Tämän jälkeen tämä signaali kulkee kooderin läpi, joka muuntaa jokaisen erillisen jännitetason portaikkosignaalissa vastaavaksi binäärikoodiksi.