Програмовані логічні контролери стандарту МЕК 61131

ТДА16-1 (20.07.16)
Програмовані логічні
контролери стандарту
МЕК 61131
Олександр Пупена (pupena_san@ukr.net)
www.asu.in.ua
17.07.2016 ПЛК pupena_san@ukr.net 1
Програма та місце проведення конференції – за посиланням

Місце в загальній архітектурі
Інші (не ПЛК) варіанти:
• DCS (інша структура і парадигма)
• PC-base
• пристрої IEC 61499
• конфігуровані локальні/мережні
регулятори
• …

Спрощена фізична структура системи
Терміни: PLC (ПЛК), канали, модулі, блоки, CPU, AI, DI, AO, DO, CP, Rack (Шасі), Slot,
fieldbus, RIO/DIO, середовище розробки, real-time

Варіанти фізичної структури ПЛК
компактний (моноблочний)
компактний з можливістю розширення
модульний

Варіанти фізичної структури ПЛК
з розподіленими I/O ПЛК з вбудованим HMI

Централізований I/O vs розподілений
Централізований (модулі I/O) Розподілений (RIO – віддалені модулі I/O)
за місцем ЦПУ ПЛК можливий на відстані, по місцю датчиків/ВМ, або
навіть в полі (IP-67) – зручність монтажу, економія
кабельної продукції
той самий бренд, малий вибір
варіантів, але перевірена сумісність
можливий інший бренд, великий вибір варіантів,
можлива певна несумісність
максимальна швидкість взаємодії з
ЦПУ
можливі великі швидкості (RTE – Real Time
Ethernet)
гаряча заміна дефектних модулів гаряча заміна дефектних модулів
легка заміна дефектних модулів:
вийняв - вставив
легка заміна дефектних модулів (не у всіх
випадках): вийняв старий, змінив перемикачі на
новому, вставив
топологія – зірка (кабелі в один щит) топологія – шина (інколи з відгалуженнями), кільце
(надійність), інколи дерево (AS-i)
діагностування стану діагностування стану
проблематична організація гарячого
резервування
гаряче резервування базується на RIO

Розподілені I/O – автомат станів (приклад
Profibus DP)
Стан Поведінка
Power_ON /
Reset
DP slave включили або
перевантажили і почалася
внутрішня ініціалізація
WPRM
Wait for
Parameter
DP slave очікує параметри від DP
Master
WCFG
Wait for
Configuration
DP slave очікує телеграму
Check_Configuration від DP Master
DXCHG
Data Exchange
DP slave циклічно обмінюється
даними процесу і за необхідності
відповідає діагностичним запитом
Робота з віддаленими модулями I/O аналогічна до локальних.

Фізична структура ПЛК (продовження)
Широкий вибір на ринку, в т.ч. за критеріями:
• температурний діапазон
• тип живлення
• IP (ступінь захисту), вібростійкість
• відповідність SIL
• монтажні особливості
• особливості підключення
• архітектурна сумісність з іншими виробниками
• ….

Фізична структура ПЛК: резервування
140CRP
140CRP
140NOE
140NOE
мережа I/O (адаптована під гаряче резервування)
основний ПЛК резервний ПЛК I/O
I/OI/O
I/O
мережа I/O

Приклад структури системи

Конфігурування та програмування
Принципи:
• орієнтована на задачі реального часу, циклічне виконання задач
• мінімум програмування, максимум конфігурування
• мінімум помилок (макропрограми, відсутність вказівників, прямого
доступу до пам'яті …)
• захищеність від зависання (сторожові таймери)
• масштабованість, як малі так і великі системи на тому ж ПЛК,
можливість нарощування
• відкритість до зв'язку з засобами інших виробників (стандартизація)
• максимальна універсальність, мінімальний час адаптації до бренду
(стандартизація)
• можливість імпорту/експорту даних, програм
• максимальна зручність і простота налагодження, швидкий пошук
логічних помилок в коді

Середовище розробки та виконання,
приклад Unity PRO
• Як правило, середовище розробки платне для ПЛК великої та середньої
канальності, безкоштовне для малої канальності

Функціональна структура

Програмні задачі (Task): однозадачне середовище
виконання
задача (Task)
основний
час для ОС
час виконання задачі контролюється ОС ПЛК -
не більше ніж T watch dog (сторожовий
таймер), якщо більше – задача аварінйо
зупиняється !

Однозадачне виконання: циклічне vs періодичне
циклічне
періодичне
- різна тривалість задачі
- без пауз між викликами задачі
- однакова періодичність
виклику задачі
- під час пауз виділяється
більший час ЦПУ на
комунікації

Коли опитуються входи і записуються виходи?
- обробка входів/виходів, організація задач,
специфічні для різних ПЛК
- якщо опитування входів на початку задачі (образ
процесу), а запис виходів в кінці задачі, то образ
процесу не змінюється протягом виконання задачі,
а виходи оновлюються тільки по закінченню
- деякі ПЛК мають можливість проводити
запис/читання з I/O в будь якому місці програми
(наприклад в S7300/400 - PIW/PQW)
- у деяких ПЛК змішаний підхід - і образ процесу і
пряме звернення

Багатозадачність
Декілька задач, для кожної своя умова виклику (не обов'язково по часу),
можуть бути свої watchdog.

Типи задач
● CoDeSys
● Cyclic – періодичний виклик
● Freewheeling – ціклічно по колу
● Event – за зміною значення змінної або іншої
програмної події
● External Event – апаратне переривання
S7 1200 (TIA Portal)
Залежить від ПЛК!
M340 (Unity PRO)

Пріоритетність виконання задач
(приклад Unity PRO)

Програмна структура: POU - Program
Organizational Unit
Задача
CoDeSys Unity PRO
POU викликаються в Задачі; POU можуть викликати інші POU; усі POU в
ланцюжку виконуються в контексті тієї ж Задачі

Типи POU
Unity PRO: Section (ака Program), Function Block, Function/Procedure (тільки
бібліотечні)

Адресація каналів
Різні підходи прив'язки до каналів:
• топологічна адресація, визначається розміщенням каналу
в структурі (не потребує конфігурування адресації);
• наприклад %I2.4.3 відповідає за значення дискретного входу в 2-
му шасі, 4-й модуль, 3-й канал
• виділення адрес для каналів - mapping (відображення) на
певну область пам'яті (можливо поіменовану) під час
конфігурування;
• наприклад %IW100 може містити значення будь-якого
аналогового входу, куди захоче розробник
• змішане (або, і)

Топологічна адресація
Різні рівні і кількість в ієрархії:
• адреса PLC, пристрою на шині
• номер шасі
• номер модуля/блока
• номер каналу на модулі
• номер ком. порту
%IW0.1.23.4.5
шасі ком.модуля
ком. модуль
ком. порт
номер пристрою
модуль на пристрої
канал на
модулі
аналоговий вхід
приклад 2
приклад 1

Виділення адрес для каналів

Адресація
%IX або %I – область дискретних входів
%IW – область значень аналогових входів (у багатьох ПЛК пересікається з %I)
%QX або %Q – область дискретних виходів
%QW – область значень аналогових виходів (у багатьох ПЛК пересікається з %Q)
%MX або %M – область внутрішніх бітів
%MW – область внутрішніх слів (у багатьох ПЛК пересікається з %MW)
… інші варіанти
• топологічна адресація - %IW0.4.3
• нетопологічна адресація - %IW130
• поіменована адресація через змінні

Змінні
Типи
• INT (як правило 16-бітний!), UINT, DINT (32-бітний), UDINT
• BOOL
• BYTE
• REAL
• STRING
• ARRAY
• STRUCT (UDT)
• …
Найменування: в деяких ПЛК назви зберігаються тільки в проекті на ПК
(синоніми адрес); в деяких ПЛК змінним не обов'язково явно вказуються
адреси
Область видимості: сильно залежить від ПЛК; в ряді ПЛК усі змінні є
глобальними!

Мови
LD
ST/SCL
IL/STL
FBD/CFC
SFC/Grafcet
• стандарт IEC 61131-3: ПЛК підтримує як мінімум одну з 5-ти
• «заточені» під різні задачі
• виробники дуже люблять «діалекти», звідси несумісність і різність реалізацій
• мови в ПЛК можуть бути нерівнозначні за можливостями
• деякі середовища дозволяють конвертацію між мовами

ST/SCL
●ST - Structured Text
● текстова, C/Pascal/Basic подібна
● вирази та інструкції
● доступні умовні розгалуження, цикли
● послідовне виконання
● як правило, найбільш гнучка, люблять програмісти і автоматники
● як правило, присутня в ПЛК середньої та великої канальності

IL/STL
●IL - Instruction List
● текстова, орієнтовані на список інструкцій
● базуються на акумуляторах
● маленькі інструкції
● в деяких ПЛК єдина мова, інші мови - тільки представлення
● популярна тільки в ряді платформ (STL в S7 300/400, VIPA)

LD
●LD – Ladder Diagram
● графічна, РКС (релейно-контакнті
схеми)
● орієнтована переважно на
дискретну логіку
● добре сприймається електриками
● послідовне виконання зверху до
низу, зліва – направо
● функціональність сильно залежить
від реалізації
● в багатьох ПЛК (малої
канальності) є єдиною мовою
програмування

РКС і LD
або

FBD/CFC
●FBD – Function Block Diagram
● графічна, базується на потоках даних
● при нормальній реалізації «заточена» під регулювання, люблять
«регулювальні» автоматники і електронники
● функціональні блоки та функції з’єднуються входами/виходами
● послідовність виконання зверху-вниз, зліва-направо, задається
номером виконання
● в багатьох реалізаціях дуже обмежена (напр. Simatic), звідси часто
дискредитується, але там є CFC
● в деяких ПЛК (малої канальності) є єдиною мовою програмування

FBD/CFC і функціональна схема контуру
регулювання
Рис. 6.30. Приклад контуру регулювання з використанням
бібліотечних блоків та мови FBD
ПЛК (Програма користувача)
%QW4.1
Аналого-
вий вхід
Аналого-
вий вихід
4-20 мА 4-20 мА
%IW3.3
комунікаційний канал
HMI (операторська панель) або SCADA)
H1
HC1
зада
не
ВМ
25 ºС
TI1
HS1
1.45
25 c
Kp
Ti
дійсне

Керування логікою виконання в FBD та LD
• EN (Enable) –
можливість
логіки «якщо-
то»
• в деяких
реалізаціях ПЛК
відсутня (але
обов'язкова в IEC
61131-3)

SFC/Grafcet
●SFC – Sequential Function Chart
● графічна, базується на станах і
переходах
● дуже потужна для керування
періодичними процесами
● ресурсоємна (при повноцінній
реалізації), багато вбудованих
функцій контролю (налаштування
та контроль часу виконання кроку,
сигналізація …)
● добре сприймається технологами в
якості опису технологічного
процесу

SFC (приклад)

Бібліотека
• включає в себе готові функції,
процедури, функціональні блоки, сильно
спрощує життя розробнику
• програма як взамозвязаний набір
бібліотечних елементів
• часто є критерієм вибору платформи
• більшість сучасних середовищ розробки
для ПЛК середньої і великої канальності
дають можливість розробляти власні
бібліотечні елементи!
• таймери, лічильники, робота з
датою/часом, масивами, перетворення
типів, математичні, регулювання,
керування приводами …

Навігація в середовищі розробки

Конфігурування, налаштування
• багато функцій конфігуруються а не
програмуються
• конфігурація модулів в т.ч. RIO
зберігаються в центральному ЦПУ

Інструменти відлагодження програм
• анімаційні таблиці змінних (watch)
• анімація програм
• анімаційні графічні екрани
• самописці
• точки зупинки
• …

Приклади анімації програм в режимі виконання
https://www.youtube.com/watch?v=l1yp_VwcA88

Імітатор ПЛК
• імітатори ПЛК (simulator) - імітують роботу ПЛК на ПК розробника
• деякі мають можливість з'єднання по TCP/IP -> SCADA+simulator
відлагодження ПЗ АСУТП без наявного обладнання!
• ресурси ПК імітатору дає можливість вбудовувати складну
програмну модель об'єкту на тих же IEC 61131-3

Завантаження, зміна
• окрім виконавчого проекту, завантаження вихідного коду (не завжди)
• зміна програми без зупинки ПЛК!
• доступ з паролем
• завантаження через зв'язані між собою ПЛК (шлюзування)
• …

Діагностика ПЛК
• діагностичні індикатори на ЦПУ і модулях
• діагностичні вікна середовища розробки
• діагностичний буфер
• діагностичні функції та змінні
• можливість програмної обробки
• підтримка діагностики на рівні мереж
• інтеграція діагностики з SCADA/HMI

Приклад діагностичного вікна

Комунікації
• fieldbus (промислові мережі)
• рівня розподіленої периферії (RIO, приводи)
• рівня датчиків/ВМ (+ живлення по мережі)
• рівня ПЛК (між ПЛК/SCADA)
• Типові сервіси
• неявний (без програмного ініціювання) обмін I/O для розподіленої
периферії і датчиків:
• конфігурується, діагностується, автомат станів
• максимально наближений до локального I/O
• як правило функціонує методом Polling
• неявний обмін Global Data для розподіленої бази даних:
• для реалізації спільного Application між різними ПЛК одного рівня
• конфігурується, діагностується
• як правило функціонує методом Publisher/Subscriber
• явний обмін повідомленнями читання/запис об'єктів,
відправка/отримання повідомлення (прив'язаний до циклу),
клієнт/сервер
• функції програмування/конфігурування пристрою, діагностичні
функції

Комунікації (продовження)
• сумісність та обмеження
• підтримка «рідних» протоколів
• модульність: набір за необхідністю потрібної мережі
• підтримка відкритих протоколів: великі бренди підтримують
«великі» протоколи
• «тотальна» підтримка Modbus RTU та Modbus/TCP
• все прямує до Ethernet TCP/IP: TCP/IP, mail, http (WEB Server), ftp,
snmp, dhcp
• до Ethernet TCP/IP йде RTE (Real Time Ethernet), поширені
представники в Україні: Ethernet IP, Profinet.
• прграмісту як правило доступний інтерфейс до Application Layer, тільки
деякі вендори надають інтерфейс Open TCP
• для Ethernet TCP/IP повна відсутність кіберзахисту - все відкрито!
• технологія OPC вирішує проблему сумісності зі SCADA;
• OPC UA – перспективний напрям, реалізація планується на рівні ПЛК
• безпосередня інтеграція в Cloud зараз не підтримується, але можлива
через шлюзування та SCADA

Висновки для парадигми ПЛК
• на даний момент великий вибір і функціональні можливості
• висока швидкодія
• сучасні не тільки для дискретного керування а і аналогового
регулювання (PAC)
• домінує в Україні, але українські бренди не є домінуючими
• централізований підхід, але є розподілена периферія і
можливість глобальних даних (розподіленої БД) програм
декількох ПЛК
• окремі БД ПЛК та SCADA/HMI (програє в порівнянні з DCS), але
імпорт/експорт тегів навіть лінк зі SCADA/HMI, але як правило
того ж вендора
• не тільки пропрієтарні а і відкриті протоколи, відкритість все
збільшується
• можливість роботи з засобами інших вендорів

Висновки для парадигми ПЛК (продовження)
• простіше, швидше, надійніше за програмування PC Based, але
потребує певних знань в програмуванні, складніше для
експлуатаційного персоналу КВПіА (програє DCS і кофігурованим
контролерам та регуляторам)
• не таке гнучке в порівнянні PC Based, не дозволяє низькорівневого
програмування
• підтримка єдиного стандарту IEC 61131: перехід на іншу платформу
- адаптація до середовища а не вивчення мови програмування,
базовий перехід можливий через тижневе навчання
• як правило платне середовище розробки, під Windows
• підтримка дуже важливих речей: діагностика, налагоджування,
заливка на льоту …

Програмовані логічні контролери стандарту МЕК 61131

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Програмовані логічні контролери стандарту МЕК 61131

Similar to Програмовані логічні контролери стандарту МЕК 61131 (20)

More from Пупена Александр

More from Пупена Александр (20)

Програмовані логічні контролери стандарту МЕК 61131