Pri načrtovanju sistema programabilnega logičnega krmilnika (PLC) je prvi korak opredelitev strategije krmiljenja; naslednji korak vključuje inženirsko izbiro specifične strojne opreme PLC. Značilnosti poteka procesa in specifične zahteve uporabe služijo kot primarna osnova za ta izbirni postopek. PLC in njegova pripadajoča oprema morajo biti integrirani in standardizirani, izbrani v skladu z načeli brezhibne integracije v celoten industrijski nadzorni sistem in enostavnosti funkcionalne širitve. Izbrani sistem PLC mora biti zrela in zanesljiva rešitev z dokazano uspešnostjo delovanja v ustreznem industrijskem sektorju. Poleg tega morajo biti konfiguracija strojne opreme sistema, zmožnosti programske opreme in funkcionalne lastnosti ustrezno usklajene z obsegom objekta in posebnimi nadzornimi zahtevami. Poznavanje PLC-jev, funkcijskih diagramov in ustreznih programskih jezikov pomaga znatno skrajšati čas programiranja. Zato je med fazami inženirske izbire in ocenjevanja bistveno izvesti podrobno analizo značilnosti procesa in zahtev za nadzor; to vključuje jasno opredelitev nadzornih nalog in obsega ter opredelitev potrebnih operacij in ukrepov. Kasneje-na podlagi teh nadzornih zahtev-je mogoče oceniti potrebno število vhodno/izhodnih (V/I) točk in kapaciteto pomnilnika ter določiti potrebne funkcije PLC-ja in specifikacije zunanjih naprav. Končno je cilj izbrati PLC, ki ponuja vrhunsko razmerje-cene in zmogljivosti, in oblikovati ustrezen nadzorni sistem.
Ocena V/I točke
Pri ocenjevanju števila V/I točk je ključnega pomena, da vključite ustrezno rezervo. Običajno se ocenjeno število V/I izpelje tako, da se statistično izračunanemu številu zahtevanih točk doda razširitvena rezerva od 10 % do 20 %. Pri oddaji dejanskega naročila bo morda treba zaokrožiti ocenjeno število V/I, da se uskladi s specifičnimi specifikacijami izdelka in konfiguracijami modulov, ki jih ponuja proizvajalec PLC.
Zmogljivost pomnilnika
"Zmogljivost pomnilnika" se nanaša na skupno velikost pomnilniških enot strojne opreme, ki jih zagotavlja sam PLC, medtem ko se "zmogljivost programa" nanaša na določen del tega pomnilnika, ki ga uporablja uporabniški program. Posledično je zmogljivost programa vedno manjša ali enaka skupni kapaciteti pomnilnika. V fazi načrtovanja, ker uporabniški program še ni bil napisan, ostaja natančna zmogljivost programa neznana in jo je mogoče določiti šele, ko je program v celoti odpravljen. Da bi olajšali postopek izbire z zagotavljanjem razumne ocene potrebnega prostora za shranjevanje, se skupna zmogljivost pomnilnika običajno uporablja kot približek zmogljivosti programa v fazi načrtovanja. Ni fiksne formule za oceno zahtevane kapacitete pomnilnika; čeprav se v literaturi pojavljajo različne formule, na splošno sledijo skupnemu pristopu: izračunajte 10- do 15-kratno število digitalnih V/I točk, dodajte 100-kratno število analognih V/I točk in uporabite to vsoto kot skupno število besed (kjer je ena beseda enaka 16 bitom) za pomnilnik. Poleg tega je treba upoštevati varnostno rezervo, ki ustreza 25 % te izračunane vrednosti.
Izbira krmilnih funkcij
Ta izbirni postopek vključuje izbiro posebnih značilnosti, kot so aritmetične funkcije, nadzorne funkcije, komunikacijske zmogljivosti, funkcije programiranja, diagnostična orodja in hitrost obdelave.
1. Aritmetične funkcije
Aritmetične funkcije preprostih programabilnih logičnih krmilnikov (PLC) običajno vključujejo osnovne logične operacije, časovne funkcije in funkcije štetja. Standardni PLC-ji to razširijo in vključujejo operacije, kot sta prestavljanje in primerjava podatkov. Kompleksnejše aritmetične zmožnosti vključujejo algebraične operacije in funkcije prenosa podatkov. Veliki-PLK-ji nadalje vključujejo analogne algoritme PID krmiljenja in druge napredne matematične funkcije. S prihodom odprtih sistemov so sodobni PLC-ji univerzalno opremljeni s komunikacijskimi zmogljivostmi; določeni izdelki lahko ponujajo komunikacijo z napravami na-nižji ravni, komunikacijo enak-z-enakim z drugimi PLC-ji, komunikacijo z gostiteljskimi sistemi-višje ravni ali zmožnosti izmenjave podatkov z omrežji-v celotnem obratu ali podjetji. Pri izbiri modela v fazi načrtovanja je treba izbrati na podlagi posebnih zahtev dejanske aplikacije in izbrati samo tiste aritmetične funkcije, ki so resnično potrebne. V večini aplikacijskih scenarijev zadoščajo osnovne logične operacije, funkcije za merjenje časa in štetje; nekatere aplikacije lahko zahtevajo zmogljivost prenosa podatkov in primerjave; medtem ko so algebraične operacije, numerične pretvorbe in algoritmi krmiljenja PID običajno rezervirani za aplikacije, ki vključujejo zaznavanje in krmiljenje analognega signala. Operacije, kot sta dekodiranje in kodiranje, so potrebne, ko so potrebne zmožnosti prikaza podatkov.
2. Nadzorne funkcije
Krmilne funkcije zajemajo algoritme, kot so krmiljenje PID, kompenzacija -naprej in krmiljenje razmerja; posebne izbrane funkcije je treba določiti na podlagi natančnih nadzornih zahtev aplikacije. Ker so PLC-ji zasnovani predvsem za zaporedno logično krmiljenje, se naloge analognega krmiljenja v večini scenarijev običajno izvajajo z namenskimi krmilniki z eno-zanko ali več{3}}zanko. Druga možnost je, da se včasih uporabljajo specializirani inteligentni V/I moduli za izvajanje določenih nadzornih funkcij-strategija, ki služi izboljšanju splošne hitrosti obdelave PLC-ja in ohranjanju zmogljivosti notranjega pomnilnika. Primeri takšnih specializiranih modulov vključujejo krmilne enote PID, -hitrostne števce, analogne vhodne module s kompenzacijo hitrosti in enote za pretvorbo ASCII.
3. Komunikacijske funkcije
Srednje{0}}do-veliki-sistemi PLC bi morali podpirati različne fieldbuse in standardne komunikacijske protokole (kot je TCP/IP). Poleg tega morajo biti ti sistemi sposobni vzpostaviti povezave z omrežjem za upravljanje obrata (prek TCP/IP), če to zahteva aplikacija. Komunikacijski protokoli so v skladu s komunikacijskimi standardi ISO/IEEE in predstavljajo odprto komunikacijsko omrežje.
Komunikacijski vmesniki sistema programabilnega logičnega krmilnika (PLC) vključujejo serijske in vzporedne komunikacijske vmesnike, komunikacijska vrata RIO, običajne vmesnike DCS in podobno. Za srednje{1}}do-velike-sisteme PLC morajo biti komunikacijska vodila (vključno z vmesniškimi napravami in kabli) konfigurirana z redundanco 1:1; ta komunikacijska vodila morajo biti skladna z mednarodnimi standardi, njihov komunikacijski doseg pa mora ustrezati dejanskim zahtevam določenega objekta.
Znotraj komunikacijskega omrežja sistema PLC mora komunikacijska hitrost omrežja zgornje-nivoje presegati 1 Mbps, komunikacijska obremenitev pa ne sme presegati 60 %. Primarne oblike komunikacijskih omrežij za sisteme PLC so naslednje:
1) PC deluje kot glavna postaja, medtem ko več PLC-jev istega modela deluje kot podrejene postaje in tvori preprosto omrežje PLC;
2) Posamezen PLC deluje kot glavna postaja, medtem ko drugi PLC-ji istega modela delujejo kot podrejene postaje in tvorijo glavno-podrejeno omrežje PLC;
3) Omrežje PLC se poveže z-razširjenim DCS prek posebnega omrežnega vmesnika, ki deluje kot podomrežje DCS;
4) Lastniško omrežje PLC (komunikacijsko omrežje, specifično za izdelke PLC določenega proizvajalca).
Za razbremenitev komunikacijske delovne obremenitve CPE-in na podlagi dejanskih zahtev omrežne konfiguracije-je treba izbrati komunikacijske procesorje, opremljene z različnimi komunikacijskimi zmogljivostmi (npr. točka-to-točka, fieldbus).
4. Funkcije programiranja
Način programiranja brez povezave: V tem načinu si PLC in naprava za programiranje delita en CPU. Ko je naprava za programiranje v "načinu za programiranje," CPE svoje storitve posveti izključno napravi za programiranje in ne nadzoruje naprav na terenu. Ko je programiranje končano, se naprava za programiranje preklopi v "način delovanja", pri čemer CPE nadaljuje z nadzorom terenskih naprav in operacij programiranja ni mogoče izvesti. Način programiranja brez povezave lahko zmanjša sistemske stroške, čeprav je morda manj priročen za uporabo in odpravljanje napak. Način spletnega programiranja: V tem načinu imata CPE in naprava za programiranje vsak svoj namenski CPE. Gostiteljska CPE je odgovorna za operacije nadzora na terenu in izmenjuje podatke z napravo za programiranje v enem ciklu skeniranja; naprava za programiranje prenese novo ustvarjene ali spremenjene programske podatke v gostiteljski CPE, v naslednjem ciklu skeniranja pa gostiteljski CPE izvede sistemsko logiko na podlagi novo prejetega programa. Medtem ko ta način povzroča višje stroške, ponuja večjo priročnost za odpravljanje napak v sistemu in delovanje ter se pogosto uporablja v srednje{6}}do-velikih-sistemih PLC. Obstaja pet standardiziranih programskih jezikov: trije grafični jeziki-Zaporedni funkcijski diagrami (SFC), lestvični diagrami (LD) in funkcijski blokovni diagrami (FBD)-ter dva besedilna-jezika-Seznami navodil (IL) in strukturirano besedilo (ST). Izbrani programski jezik mora biti v skladu z ustreznim standardom (IEC 61131-3); poleg tega bi moral podpirati različne alternativne oblike programiranja - kot so C, Basic itd. - za izpolnjevanje posebnih nadzornih zahtev specializiranih aplikacij.
5. Diagnostične funkcije
Diagnostične zmožnosti programabilnega logičnega krmilnika (PLC) zajemajo diagnostiko strojne in programske opreme. Diagnostika strojne opreme uporablja-logiko, ki temelji na strojni opremi, da natančno določi lokacijo napak strojne opreme, medtem ko je diagnostika programske opreme razvrščena v notranjo in zunanjo diagnostiko. Notranja diagnostika vključuje uporabo programske opreme za oceno notranje zmogljivosti in funkcionalnosti PLC-ja; zunanja diagnostika vključuje uporabo programske opreme za ovrednotenje zmogljivosti izmenjave podatkov med CPE PLC-ja in zunanjimi komponentami, kot so vhodno/izhodni (I/O) moduli.
Robustnost diagnostičnih funkcij PLC-ja neposredno vpliva na tehnično usposobljenost osebja za upravljanje in vzdrževanje, kot tudi na srednji čas do popravila (MTTR).
6. Hitrost obdelave
Programabilni logični krmilniki delujejo z uporabo mehanizma, ki-temelji na skeniranju. Z vidika zahtev glede zmogljivosti-v realnem času mora biti hitrost obdelave čim hitrejša; če je trajanje vhodnega signala krajše od časa skeniranja PLC-ja, krmilnik morda ne zazna signala, kar povzroči izgubo podatkov.
Na hitrost obdelave vplivajo dejavniki, kot so dolžina uporabniškega programa, procesorska moč procesorja in kakovost programske opreme. PLC-je odlikujejo hitri kontaktni odzivni časi in visoke operativne hitrosti, pri čemer je čas izvajanja za vsako binarno navodilo običajno v razponu od 0,2 do 0,4 mikrosekunde (µs); zato so -primerni za aplikacije, ki zahtevajo strog nadzor in hitre odzivne zmogljivosti. Cikel skeniranja (čas skeniranja procesorja) mora izpolnjevati naslednja merila: za majhne -PLK-je čas skeniranja ne sme presegati 0,5 ms na 1000 ukazov (0,5 ms/K); za srednje{10}}do-velike-PLK-je čas skeniranja ne sme preseči 0,2 ms na 1000 navodil (0,2 ms/K).
Vrste krmilnikov
Na podlagi njihove fizične strukture so PLC-ji na splošno razvrščeni v dve kategoriji: integralni (monoblok) tipi in modularni tipi. Glede na okolje delovanja so razvrščeni v dve kategoriji: enote-nameščene na terenu in enote nameščene-v-kontrolnem prostoru. Poleg tega so glede na dolžino besede procesorja razvrščeni v 1-bitne, 4-bitne, 8-bitne, 16-bitne, 32-bitne in 64-bitne sisteme. Z vidika,-ki je usmerjen v uporabo, so PLC-ji običajno izbrani glede na njihove posebne nadzorne funkcije ali zahtevano število vhodno/izhodnih točk. Integrirani-programabilni logični krmilniki (PLC) imajo fiksno število V/I točk; posledično imajo uporabniki omejeno prilagodljivost pri izbiri, zaradi česar so primerni za manjše krmilne sisteme. Nasprotno pa PLC-ji modularnega tipa ponujajo široko paleto V/I kartic ali vtičnikov, kar uporabnikom omogoča racionalno izbiro in konfiguracijo določenega števila V/I točk, potrebnih za njihove krmilne sisteme. Ta modularnost omogoča priročno in prilagodljivo funkcionalno razširitev, zaradi česar so na splošno primerni za srednje do velike krmilne sisteme.
Vhodno/izhodne vrste
Diskretni signali (preklopne količine): nanašajo se predvsem na diskretne vhode in diskretne izhode-natančneje, pomožne kontakte, povezane z različnimi napravami. Primeri vključujejo pomožne kontakte releja v regulatorju temperature transformatorja (ki spremenijo stanje, ko se transformator pregreje), pomožne kontakte odmičnega stikala ventila (ki spremenijo stanje, ko se ventil odpre ali zapre), pomožne kontakte kontaktorja (ki spremenijo stanje, ko se kontaktor aktivira) in pomožne kontakte termičnega preobremenitvenega releja (ki spremenijo stanje, ko se štafetna potovanja). Ti signali se običajno prenašajo na PLC ali celovito zaščitno napravo. Napajanje za te kontakte običajno zagotavlja PLC ali zaščitna naprava sama; ker kontakti nimajo lastnega notranjega vira napajanja, se imenujejo "pasivni kontakti" (ali "suhi kontakti") in so razvrščeni kot diskretni vhodi v kontekstu PLC-ja ali zaščitne naprave.
1. Digitalne količine
Fizikalne količine, ki so diskretne-tako v smislu časa kot velikosti-, se imenujejo digitalne količine. Signali, ki predstavljajo te digitalne količine, se imenujejo digitalni signali. Elektronska vezja, zasnovana za delovanje z digitalnimi signali, so znana kot digitalna vezja.
Na primer: Ko se elektronsko vezje uporablja za štetje števila izhodnih delov iz avtomatizirane proizvodne linije, se vezju pošlje signal za vsak dobavljeni del, zaradi česar se zabeleži število "1". Nasprotno, ko se deli ne dostavijo, je signal, uporabljen v vezju, "0." Tako je signal, ki predstavlja število delov, diskontinuiran-tako časovno kot kvantitativno-, zaradi česar je digitalni signal. Najmanjša količinska enota v tem kontekstu je ena enota (1).
2. Analogne količine
Fizikalne količine, ki so zvezne-bodisi v smislu časa ali velikosti-, se imenujejo analogne količine. Signali, ki predstavljajo te analogne količine, se imenujejo analogni signali. Elektronska vezja, zasnovana za delovanje z analognimi signali, so znana kot analogna vezja.
Na primer: napetostni signal, ki ga med delovanjem oddaja termočlen, je analogni signal. Ker temperatura, ki se meri, pod nobenim pogojem ne more doživeti trenutnih, nenadnih skokov, je dobljeni signal napetosti neprekinjen-tako časovno kot kvantitativno. Poleg tega ima vsaka določena vrednost, ki jo sprejme ta napetostni signal med postopkom njegovega neprekinjenega spreminjanja, konkreten fizični pomen-in sicer ustreza določenemu odčitku temperature. Načela pretvorbe
1. Digitalno-v-analogni pretvornik (DAC) je sistem, ki pretvori digitalne signale v analogne signale; to se običajno doseže z nizkoprepustnim-filtriranjem. Digitalni signal je najprej podvržen dekodiranju-, kar pomeni, da se digitalne kode pretvorijo v ustrezne napetostne nivoje, da tvorijo stopničast-signal,-nato pa je izpostavljen nizkopasovnemu-filtriranju.
V skladu s teorijo signala in sistema lahko na digitalni stopničast-signal gledamo kot na konvolucijo idealnega impulznega-vzorčenega signala in pravokotnega impulznega signala. Posledično je po konvolucijskem izreku spekter digitalnega signala zmnožek spektra impulznega-vzorčenega signala in spektra pravokotnega impulza (znanega kot funkcija Sa). Tako lahko z uporabo recipročne vrednosti funkcije Sa za spektralno kompenzacijo izvirni vzorčeni signal obnovimo iz digitalnega signala. Poleg tega v skladu s teoremom o vzorčenju uporaba idealnega nizkopasovnega-filtriranja za spekter vzorčenega signala daje spekter izvirnega analognega signala.
V praktičnih izvedbah se ta teoretična načela ne uporabljajo neposredno, saj je ustvarjanje ostrih, idealnih vzorčenih signalov tehnično zahtevno. Zato sta ti dve stopnji filtriranja (kompenzacija Sa-funkcije in idealno nizko{2}}filtriranje) običajno združeni (kaskadno). Poleg tega, ker so idealne lastnosti filtriranja, ki jih zahteva ta sistem, fizično neuresničljive, lahko dejanski sistemi zagotovijo le približek tega procesa.
2. Analogni-to-digitalni pretvornik (ADC) je sistem, ki pretvori analogne signale v digitalne signale; ta postopek vključuje filtriranje, vzorčenje in hrambo ter kodiranje.
Analogni signal je najprej podvržen filtriranju-za omejevanje pasu in gre skozi vzorčno{1}}in-zadrževalno vezje, s čimer se spremeni v stopničast-signal. Nato gre ta signal skozi kodirnik, ki pretvori vsako ločeno napetostno raven znotraj signala stopnišča v ustrezno binarno kodo.