Контролеры (ПЛК)

1. Назначение и роль ПЛК

Программируемые логические контроллеры (ПЛК, PLC) — это ключевое звено в системах автоматизации, обеспечивающее связь между датчиками, исполнительными устройствами, человеко-машинными интерфейсами (HMI) и системами верхнего уровня SCADA. ПЛК выполняют сбор данных, их обработку, хранение и формирование управляющих воздействий.

В простых системах контроллеры работают автономно, напрямую взаимодействуя с объектом управления. В сложных архитектурах ПЛК выполняют функции не только локального контроллера, но и удалённого терминала RTU, становясь частью распределённой системы реального времени.

По сути, ПЛК — это специализированное микропроцессорное устройство, аналогичное по структуре персональному компьютеру, но предназначенное исключительно для промышленного оборудования.

2. Устройство ПЛК

Классический ПЛК включает четыре основных функциональных блока:

Блок ввода

Предназначен для подключения датчиков и получения дискретных или аналоговых сигналов:

• Дискретные входы (DI) — сигнал 0/1.
   
• Аналоговые входы (AI) — напряжение/ток в заданном диапазоне.
   

Внутренняя структура аналогового ввода включает:

• прецизионные усилители для нормализации сигнала;
   
• мультиплексоры для последовательного опроса нескольких каналов;
   
• АЦП для преобразования значения в цифровую форму.
   

От качества компонентов зависит разрешение, точность и помехоустойчивость системы.

Специальные типы входов:

• HSI (High-Speed Input) — высокоскоростной подсчёт импульсов до 1 МГц;
   
• RTD/TC — подключение термопар (J, K) и датчиков сопротивления Pt100;
   
• счётчики импульсов — для расхода и учёта продукции.
   

Блок вывода

Формирует управляющие сигналы для исполнительных устройств:

Типы выходов:

• релейные — для коммутации нагрузки,
   
• транзисторные ключи — для быстродействующих задач, поддерживают ШИМ.
   

Дополнительные модули:

• HSO (High-Speed Output) — высокоскоростной вывод, необходимый для сервоприводов и синхронного управления приводами.
   

Блок анализа (ЦПУ)

Содержит:

• центральный процессор,
   
• RAM,
   
• ROM для программ,
   
• RTC (часы реального времени).
   

ЦПУ выполняет алгоритмы управления и обеспечивает непрерывный цикл опроса и обновления выходов.

Блок интерфейсов связи

Типовые порты:

• USB,
   
• RS-232 / RS-422 / RS-485,
   
• Ethernet.
   

Основные протоколы:

• Modbus RTU/TCP/ASCII,
   
• Profinet,
   
• EtherCAT.
   

3. Принцип работы ПЛК

ПЛК работает циклически. Типовой цикл состоит из четырёх этапов:

1) Сканирование входов (Input Scan)

Обновление данных с датчиков:

• пример: AI = 30°C.
   

2) Исполнение управляющей программы

Обработка логики в соответствии с алгоритмом:

• если T > 25°C → включить вентилятор.
   

3) Обновление выходов (Output Update)

Передача управляющих сигналов:

• DO1 = 1 → вентилятор запущен.
   

4) Коммуникации и сервисные задачи

Обслуживание обмена данными, диагностика, обновление HMI/SCADA.

Скорость выполнения цикла зависит от аппаратной платформы ПЛК, а частота опроса входов — от динамики технологического процесса. При необходимости применяются:

• приоритетные задачи,
   
• прерывания для мгновенной реакции,
   
• адаптивная частота опроса при аномалиях датчиков.
   

Распределённые системы управления позволяют реализовывать многоконтурные регуляторы, распределять вычислительную нагрузку и обеспечивать высокую отказоустойчивость.

4. Программирование ПЛК

Программирование регламентировано стандартом IEC 61131-3 (ГОСТ Р МЭК 61131-3). Он определяет пять языков:

1. LD (Ladder Diagram) — релейно-контактные схемы.
    
2. FBD (Function Block Diagram) — функциональные блоки.
    
3. SFC (Sequential Function Chart) — пошаговые процессы.
    
4. ST (Structured Text) — структурированный текст, аналог Pascal/C.
    
5. IL (Instruction List) — низкоуровневый язык (устаревший).
    

Основные IDE:

• TIA Portal,
   
• Codesys,
   
• RSLogix.
   

Графические языки понятны техническим специалистам, а ST даёт широкие возможности при работе со сложной логикой, математикой и обработкой данных.

5. Типы ПЛК

1. Моноблочные ПЛК

• ПЛК и I/O находятся на одной плате.
   
• До 32 точек ввода-вывода.
   
• Часто имеют ограниченные возможности расширения.
   
• Подходят для малых автономных систем.
   

2. Модульные ПЛК

• ЦПУ, I/O, коммуникации — в виде отдельных модулей.
   
• Масштабируются до сотен/тысяч каналов.
   
• 8–32 слота в шасси.
   
• Возможность выбора ЦПУ различной производительности.
   
• Используются в средних и крупных АСУ ТП.
   

3. Распределённые ПЛК

• Модули соединены по сети, расстояние до 1,2 км.
   
• Возможность распределения функций между несколькими ЦПУ.
   
• Поддержка горячего резервирования.
   
• Децентрализация улучшает отказоустойчивость и гибкость.
   

6. Как выбрать ПЛК

Ключевые параметры:

1. Количество дискретных и аналоговых I/O.
    
2. Наличие специализированных входов (RTD, HSC).
    
3. Возможность расширения и будущей модернизации.
    
4. Требования к скорости реакции.
    
5. Необходимость резервирования.
    

Рекомендации:

• для малых проектов — моноблочные ПЛК;
   
• для гибких и развиваемых систем — модульные;
   
• для крупных объектов с распределёнными процессами — распределённые ПЛК.
   

7. Области применения ПЛК

Первый ПЛК появился в 1968 году по заказу Hydramatic как замена ненадёжным релейным схемам. Сегодня ПЛК используются во всех сферах:

• промышленное производство,
   
• сельское хозяйство,
   
• транспорт,
   
• энергетика,
   
• ЖКХ,
   
• инфраструктурные объекты.
   

ПЛК позволяют:

• минимизировать человеческий фактор,
   
• повышать безопасность,
   
• снижать издержки,
   
• обеспечивать непрерывную работу оборудования.
   

ПЛК — фундамент современных автоматизированных систем управления.