November 20,2024
Analisi della struttura di base, selezione e progettazione del PLC
Struttura di base L'essenza di un controllore logico programmabile è un computer dedicato al controllo industriale. La sua struttura hardware è fondamentalmente la stessa di quella di un microcomputer. La struttura di base è: 1. Alimentazione L'alimentazione del controllore logico programmabile svolge un ruolo molto importante nell'intero sistema. Senza un sistema di alimentazione buono e affidabile, non può funzionare correttamente. Pertanto, il produttore del controllore logico programmabile attribuisce grande importanza anche alla progettazione e alla fabbricazione dell'alimentazione. In genere, la fluttuazione della tensione CA è compresa nell'intervallo di +10% (+15%) e il PLC può essere collegato direttamente alla rete elettrica CA senza adottare altre misure. 2. Unità di elaborazione centrale (CPU) L'unità di elaborazione centrale (CPU) è il centro di controllo del controllore logico programmabile. Riceve e memorizza il programma utente e i dati digitati dal programmatore in base alle funzioni assegnate dal programma di sistema del controllore logico programmabile; controlla lo stato dell'alimentazione, della memoria, dell'I/O e del timer di avviso e può diagnosticare errori di sintassi nel programma utente. Quando il controllore logico programmabile viene messo in funzione, riceve prima lo stato e i dati di ciascun dispositivo di input in loco in modo di scansione e li memorizza rispettivamente nell'area immagine I/O, quindi legge il programma utente dalla memoria del programma utente uno per uno e, dopo che il comando è stato interpretato, i risultati dell'operazione logica o aritmetica vengono inviati all'area immagine I/O o al registro dati in base alle istruzioni. Dopo che tutti i programmi utente sono stati eseguiti, lo stato di output dell'area immagine I/O o i dati nel registro di output vengono infine trasmessi al dispositivo di output corrispondente e il ciclo viene eseguito fino a quando non si arresta. Per migliorare ulteriormente l'affidabilità del PLC, i PLC di grandi dimensioni sono dotati anche di doppie CPU per formare un sistema ridondante, o un sistema di voto a tre CPU, in modo che anche se una CPU si guasta, l'intero sistema possa continuare a funzionare normalmente. 3. Memoria La memoria in cui è archiviato il software di sistema è chiamata memoria del programma di sistema. La memoria in cui è archiviato il software applicativo è chiamata memoria del programma utente. 4. Circuito di interfaccia di ingresso e uscita 4.1. Il circuito di interfaccia di input di campo è costituito da un circuito di accoppiamento ottico e da un circuito di interfaccia di input del microcomputer e funge da canale di input dell'interfaccia tra il controllore logico programmabile e il controllo di campo. 4.2. Il circuito dell'interfaccia di uscita sul campo è integrato con il registro dei dati di uscita, il circuito di selezione e il circuito di richiesta di interruzione, e il controllore logico programmabile invia il segnale di controllo corrispondente al componente di esecuzione sul campo attraverso il circuito dell'interfaccia di uscita sul campo. 5. Moduli funzionali Come il conteggio, il posizionamento e altri moduli funzionali. 6. Modulo di comunicazione Selezione del PLC e analisi del caso Quando si seleziona un PLC, è necessario analizzare in dettaglio le caratteristiche del processo e i requisiti di controllo, chiarire le attività e l'ambito di controllo, determinare le operazioni e le azioni richieste e quindi stimare il numero di punti di input e output, la capacità di memoria richiesta e determinare le funzioni del PLC e le caratteristiche dei dispositivi esterni in base ai requisiti di controllo. Infine, selezionare un PLC con un rapporto prestazioni-prezzo più elevato e progettare un sistema di controllo corrispondente. Di seguito, descriveremo nel dettaglio i punti a cui prestare attenzione quando si sceglie un PLC: 1. Stima dei punti di input e output (I/O)Quando si stima il numero di punti I/O, si dovrebbe considerare un margine appropriato. Solitamente, in base al numero statistico di punti di input e output, si aggiunge un margine espandibile dal 10% al 20% come dati stimati per il numero di punti di input e output. 2. Stima della capacità di memoria; la capacità di memoria è la dimensione dell'unità di archiviazione hardware che il controller programmabile stesso può fornire, e la capacità del programma è la dimensione dell'unità di archiviazione utilizzata dal progetto dell'applicazione utente nella memoria, quindi la capacità del programma è inferiore alla capacità di memoria. Per avere una certa stima della capacità del programma durante la progettazione e la selezione, la stima della capacità di memoria è solitamente utilizzata come sostituto. In generale, è da 10 a 15 volte il numero di punti I/O digitali, più 100 volte il numero di punti I/O analogici, e questo numero è il numero totale di parole nella memoria (16 bit sono una parola), e un altro 25% di questo numero è considerato come margine.3. Selezione delle funzioni di controllo; questa selezione include la selezione di caratteristiche quali funzione di calcolo, funzione di controllo, funzione di comunicazione, funzione di programmazione, funzione di diagnostica e velocità di elaborazione. (1) Funzione operativa; la funzione operativa del semplice PLC include la logica di funzionamento, la funzione di temporizzazione e conteggio; la funzione operativa del PLC ordinario include anche lo spostamento dei dati, il confronto e altre funzioni operative; le funzioni operative più complesse includono il funzionamento algebrico, la trasmissione dei dati, ecc.; il PLC di grandi dimensioni ha anche il funzionamento PID analogico e altre funzioni operative avanzate. Con l'emergere dei sistemi aperti, i PLC ora hanno funzioni di comunicazione. Alcuni prodotti hanno la comunicazione con computer inferiori, alcuni prodotti hanno la comunicazione con lo stesso computer o computer superiore e alcuni prodotti hanno anche la funzione di comunicazione dati con la fabbrica o la rete aziendale. Durante la progettazione e la selezione, dovremmo partire dai requisiti dell'applicazione effettiva e selezionare ragionevolmente le funzioni operative richieste. Nella maggior parte delle applicazioni, sono necessarie solo le funzioni di funzionamento logico e di temporizzazione e conteggio. Alcune applicazioni richiedono la trasmissione e il confronto dei dati. Quando vengono utilizzati per il rilevamento e il controllo analogico, vengono utilizzate operazioni algebriche, conversione numerica e funzionamento PID. Sono necessarie operazioni di decodifica e codifica per visualizzare i dati. (2) Funzioni di controllo: le funzioni di controllo includono operazioni di controllo PID, operazioni di controllo della compensazione feedforward, operazioni di controllo del rapporto, ecc., che devono essere determinate in base ai requisiti di controllo. Il PLC è utilizzato principalmente per il controllo logico sequenziale. Pertanto, i controller a singolo o multi-loop sono spesso utilizzati nella maggior parte dei casi per risolvere il controllo analogico. A volte, vengono utilizzate anche unità di input e output intelligenti dedicate per completare le funzioni di controllo richieste, migliorare la velocità di elaborazione del PLC e risparmiare capacità di memoria. Ad esempio, vengono utilizzate unità di controllo PID, contatori ad alta velocità, unità analogiche con compensazione della velocità, unità di conversione del codice ASC, ecc. (3) Funzione di comunicazione: i sistemi PLC di grandi e medie dimensioni dovrebbero supportare una varietà di bus di campo e protocolli di comunicazione standard (come TCP/IP) e dovrebbero essere in grado di connettersi alla rete di gestione della fabbrica (TCP/IP) quando necessario. Il protocollo di comunicazione dovrebbe essere conforme agli standard di comunicazione ISO/IEEE e dovrebbe essere una rete di comunicazione aperta. L'interfaccia di comunicazione del sistema PLC dovrebbe includere interfacce di comunicazione seriali e parallele (RS 232C/422A/485), porta di comunicazione RIO, Ethernet industriale, interfaccia DCS comune, ecc.; le forme principali della rete di comunicazione del sistema PLC sono le seguenti: 1) Il PC è la stazione master e più PLC dello stesso modello sono stazioni slave, formando una semplice rete PLC; 2) 1 PLC è la stazione master e altri PLC dello stesso modello sono stazioni slave, formando una rete PLC master-slave; 3) La rete PLC è collegata a un grande DCS come una sottorete del DCS tramite un'interfaccia di rete specifica; 4) Rete PLC dedicata (rete di comunicazione PLC dedicata di ciascun produttore). Per ridurre il compito di comunicazione della CPU, in base alle effettive esigenze della composizione della rete, è opportuno selezionare processori di comunicazione con diverse funzioni di comunicazione (ad esempio punto a punto, bus di campo, Ethernet industriale). (4) Funzione di programmazione; Modalità di programmazione offline: PLC e programmatore condividono una CPU. Quando il programmatore è in modalità di programmazione, la CPU fornisce solo servizi per il programmatore e non controlla l'attrezzatura di campo. Dopo il completamento della programmazione, il programmatore passa alla modalità di esecuzione e la CPU controlla l'attrezzatura di campo e non può essere programmata. La programmazione offline può ridurre i costi di sistema, ma è scomoda da usare e da eseguire il debug. Modalità di programmazione online: CPU e programmatore hanno le proprie CPU. La CPU host è responsabile del controllo di campo e scambia dati con il programmatore all'interno di un ciclo di scansione. Il programmatore invia il programma compilato online o i dati all'host. Nel ciclo di scansione successivo, l'host funziona in base al programma appena ricevuto. Questo metodo è più costoso, ma il debug e il funzionamento del sistema sono convenienti e viene spesso utilizzato in PLC di grandi e medie dimensioni. (5) Funzione diagnosticaLa funzione diagnostica del PLC include la diagnosi hardware e software. La diagnosi hardware determina la posizione del guasto dell'hardware tramite giudizio logico hardware, e la diagnosi software è divisa in diagnosi interna e diagnosi esterna. La diagnosi delle prestazioni e della funzione interne del PLC tramite software è diagnosi interna, e la diagnosi della funzione di scambio di informazioni tra CPU del PLC e componenti di input e output esterni tramite software è diagnosi esterna.La potenza della funzione diagnostica del PLC influisce direttamente sulle capacità tecniche richieste agli operatori e al personale addetto alla manutenzione e incide sui tempi medi di riparazione. (6) Velocità di elaborazioneIl PLC funziona in modalità di scansione. Dal punto di vista dei requisiti in tempo reale, la velocità di elaborazione dovrebbe essere la più rapida possibile. Se la durata del segnale è inferiore al tempo di scansione, il PLC non sarà in grado di eseguire la scansione del segnale, con conseguente perdita di dati del segnale. La velocità di elaborazione è correlata alla lunghezza del programma utente, alla velocità di elaborazione della CPU, alla qualità del software, ecc. Attualmente, i contatti del PLC hanno una risposta rapida e un'elevata velocità. Il tempo di esecuzione di ciascuna istruzione binaria è di circa 0,2-0,4 Ls, quindi può adattarsi alle esigenze dell'applicazione con elevati requisiti di controllo e requisiti di risposta rapida. Il ciclo di scansione (ciclo di scansione del processore) dovrebbe soddisfare i seguenti requisiti: il tempo di scansione del piccolo PLC non è superiore a 0,5 ms/K; il tempo di scansione del PLC di grandi e medie dimensioni non è superiore a 0,2 ms/K. 4. Selezione del modello (1) Tipi di PLCIl PLC è diviso in due categorie in base alla struttura: tipo integrale e tipo modulare. È diviso in due categorie in base all'ambiente applicativo: installazione sul campo e installazione in sala controllo. È diviso in 1 bit, 4 bit, 8 bit, 16 bit, 32 bit, 64 bit, ecc. in base alla lunghezza della parola della CPU. Dal punto di vista dell'applicazione, può essere solitamente selezionato in base alla funzione di controllo o ai punti di ingresso e uscita. I punti di I/O del PLC integrale sono fissi, quindi gli utenti hanno meno spazio di scelta e sono utilizzati in piccoli sistemi di controllo; il PLC modulare fornisce una varietà di schede I/O o schede plug-in, quindi gli utenti possono ragionevolmente selezionare e configurare i punti di I/O del sistema di controllo. L'espansione della funzione è comoda e flessibile ed è generalmente utilizzata in sistemi di controllo di grandi e medie dimensioni. (2) Selezione dei moduli di input e output; la selezione dei moduli di input e output deve essere coerente con i requisiti dell'applicazione. Ad esempio, per i moduli di input, devono essere considerati requisiti dell'applicazione quali livello del segnale, distanza di trasmissione del segnale, isolamento del segnale e metodo di alimentazione del segnale. Per i moduli di output, deve essere considerato il tipo di modulo di output da selezionare. In genere, i moduli di output a relè hanno le caratteristiche di basso prezzo, ampio intervallo di tensione, breve durata e lungo tempo di risposta; i moduli di output a tiristori sono adatti per commutazioni frequenti e occasioni di carico induttivo a basso fattore di potenza, ma sono più costosi e hanno una scarsa capacità di sovraccarico. I moduli di output hanno anche un'uscita CC, un'uscita CA e un'uscita analogica, che devono essere coerenti con i requisiti dell'applicazione. In base ai requisiti dell'applicazione, è possibile selezionare ragionevolmente moduli di input e output intelligenti per migliorare il livello di controllo e ridurre i costi dell'applicazione. Valutare se è necessario un rack di espansione o un rack I/O remoto. (3) Selezione dell'alimentazioneL'alimentazione del PLC, oltre alla progettazione e alla selezione del PLC in base ai requisiti del manuale del prodotto quando si introduce l'apparecchiatura, l'alimentazione del PLC deve essere progettata e selezionata in base ai requisiti del manuale del prodotto. In generale, l'alimentazione del PLC deve essere progettata e selezionata con un'alimentazione a 220 V CA, che sia coerente con la tensione della rete elettrica domestica. Per applicazioni importanti, deve essere utilizzato un gruppo di continuità o un alimentatore stabilizzato in tensione. Se il PLC stesso ha un alimentatore utilizzabile, deve essere verificato se la corrente fornita soddisfa i requisiti dell'applicazione, altrimenti deve essere progettato un alimentatore esterno. Per evitare che l'alimentatore esterno ad alta tensione venga introdotto nel PLC a causa di un funzionamento errato, è necessario isolare i segnali di ingresso e uscita e talvolta è possibile utilizzare un semplice diodo o un tubo fusibile per l'isolamento. (4) Selezione della memoria: grazie allo sviluppo della tecnologia dei chip integrati nei computer, il prezzo della memoria è diminuito. Pertanto, per garantire il normale funzionamento del progetto applicativo, la capacità di memoria del PLC è generalmente richiesta per essere almeno di 8K di memoria in base a 256 punti I/O. Quando sono richieste funzioni di controllo complesse, è necessario selezionare una capacità maggiore e una memoria di grado superiore. (5) Considerazioni economicheQuando si sceglie un PLC, si dovrebbe considerare il rapporto prestazioni-prezzo. Quando si considera l'efficienza economica, si dovrebbero anche considerare fattori come la scalabilità, l'operabilità e il rapporto input-output dell'applicazione, fare confronti e tenerne conto, e infine selezionare un prodotto più soddisfacente.Il numero di punti di input e output ha un impatto diretto sul prezzo. Ogni scheda di input e output aggiuntiva aumenterà il costo. Quando il numero di punti aumenta fino a un certo valore, anche la capacità di memoria corrispondente, il rack, la scheda madre, ecc. aumenteranno di conseguenza. Pertanto, l'aumento del numero di punti ha un impatto sulla selezione della CPU, sulla capacità di memoria, sulla gamma di funzioni di controllo, ecc. Dovrebbe essere pienamente considerato durante la stima e la selezione per fare in modo che l'intero sistema di controllo abbia un rapporto prestazioni-prezzo più ragionevole.
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