Programmeeritava loogikakontrolleri (PLC) süsteemi kavandamisel on esimene samm juhtimisstrateegia määratlemine; järgnev samm hõlmab konkreetse PLC riistvara tehnilist valikut. Protsessi voo omadused ja spetsiifilised rakenduse nõuded on selle valikuprotsessi peamiseks aluseks. PLC ja sellega seotud seadmed peaksid olema integreeritud ja standarditud, valitud vastavalt üldisesse tööstusliku juhtimissüsteemi sujuva integreerimise ja funktsionaalse laiendamise lihtsuse põhimõtetele. Valitud PLC-süsteem peaks olema küps ja usaldusväärne lahendus, millel on vastavas tööstussektoris tõestatud edukas toimimine. Lisaks peavad süsteemi riistvara konfiguratsioon, tarkvara võimalused ja funktsionaalsed funktsioonid olema sobivalt sobitatud rajatise ulatuse ja konkreetsete juhtimisnõuetega. PLC-de, funktsioonitabelite ja asjakohaste programmeerimiskeelte tundmine aitab oluliselt vähendada programmeerimisaega. Seetõttu on tehniliste valiku- ja hinnanguetappide ajal oluline läbi viia protsessi omaduste ja juhtimisnõuete üksikasjalik analüüs; see hõlmab kontrolliülesannete ja -ulatuse selget määratlemist ning vajalike toimingute ja tegevuste kindlaksmääramist. Seejärel -nende juhtimisnõuete põhjal-saab hinnata vajalikku sisend-/väljundpunktide (I/O) arvu ja mälumahtu ning määrata vajalikud PLC funktsioonid ja välisseadmete spetsifikatsioonid. Lõpuks on eesmärk valida PLC, mis pakub parimat hinna{10}}jõudlussuhet, ja kavandada vastav juhtimissüsteem.
I/O punkti hinnang
I/O punktide arvu hindamisel on ülioluline lisada asjakohane varu. Tavaliselt tuletatakse hinnanguline I/O arv, võttes statistiliselt arvutatud vajalike punktide arvu ja lisades laiendusvaru 10% kuni 20%. Tegeliku tellimuse esitamisel võib osutuda vajalikuks hinnanguline sisend-/väljundarv ümardada, et viia see vastavusse PLC tootja pakutavate konkreetsete toote spetsifikatsioonide ja mooduli konfiguratsioonidega.
Mälu maht
"Mälu maht" viitab PLC enda pakutavate riistvarasalvestusüksuste kogumahule, samas kui "programmi maht" viitab selle mälu konkreetsele osale, mida kasutaja rakendusprogramm kasutab. Järelikult on programmi maht alati väiksem või võrdne kogumälu mahuga. Kuna kasutaja rakendusprogramm ei ole veel koostatud, jääb kavandamise etapis täpne programmi maht teadmata ja seda saab määrata alles pärast programmi täielikku silumist. Valikuprotsessi hõlbustamiseks vajaliku salvestusruumi mõistliku hinnangu andmise abil kasutatakse projekteerimisetapis tavaliselt programmi mahu puhverserverina kogu mälumahtu. Vajaliku mälumahu hindamiseks pole kindlat valemit; Kuigi kirjanduses leidub erinevaid valemeid, järgivad need üldiselt ühtset lähenemisviisi: arvutatakse 10-15-kordne digitaalsete I/O-punktide arv, liidetakse 100-kordne analoog-I/O-punktide arv ja kasutatakse seda summat sõnade koguarvuna (kus üks sõna võrdub 16 bitti) mälu jaoks. Lisaks tuleks arvesse võtta ohutusvaru, mis võrdub 25% sellest arvutatud väärtusest.
Juhtimisfunktsioonide valik
See valikuprotsess hõlmab konkreetsete omaduste, nagu aritmeetilised funktsioonid, juhtimisfunktsioonid, sidevõimalused, programmeerimisfunktsioonid, diagnostikavahendid ja töötlemiskiirus, valimist.
1. Aritmeetilised funktsioonid
Lihtsate programmeeritavate loogikakontrollerite (PLC) aritmeetilised funktsioonid hõlmavad tavaliselt põhilisi loogikatoiminguid, ajastus- ja loendusfunktsioone. Standardsed PLC-d laiendavad seda, et hõlmata selliseid toiminguid nagu andmete nihutamine ja võrdlemine. Keerulisemad aritmeetilised võimalused hõlmavad algebralisi tehteid ja andmeedastusfunktsioone. Suuremahulised PLC-d sisaldavad lisaks analoogseid PID-juhtimisalgoritme ja muid täiustatud matemaatilisi funktsioone. Avatud süsteemide tulekuga on kaasaegsed PLC-d universaalselt varustatud sidevõimalustega; konkreetsed tooted võivad pakkuda sidet madalama-taseme seadmetega, peer-to-peer-to-peer-sidet teiste PLC-dega, sidet kõrgema-taseme hostsüsteemidega või andmevahetusvõimalusi tehase-üleste või ettevõttevõrkudega. Projekteerimisetapis mudeli valimisel tuleks lähtuda tegeliku rakenduse spetsiifilistest nõuetest, valides ainult need aritmeetilised funktsioonid, mis on tõeliselt vajalikud. Enamiku rakenduste stsenaariumide puhul piisab põhilistest loogikatoimingutest, ajastus- ja loendusfunktsioonidest; mõned rakendused võivad vajada andmeedastus- ja võrdlusvõimalusi; samas kui algebralised operatsioonid, numbrite teisendused ja PID-juhtimisalgoritmid on tavaliselt reserveeritud rakendustele, mis hõlmavad analoogsignaali tuvastamist ja juhtimist. Kui on vaja andmete kuvamise võimalusi, on vaja selliseid toiminguid nagu dekodeerimine ja kodeerimine.
2. Juhtimisfunktsioonid
Juhtimisfunktsioonid hõlmavad selliseid algoritme nagu PID-juhtimine, feed{0}}edasisuunaline kompensatsioon ja suhte juhtimine; konkreetsed valitud funktsioonid tuleks kindlaks määrata rakenduse täpsete juhtimisnõuete alusel. Kuna PLC-d on mõeldud peamiselt järjestikuse loogika juhtimiseks, teostatakse enamiku stsenaariumide puhul analoogjuhtimise ülesandeid tavaliselt spetsiaalsete ühe-ahela või mitme{3}}ahela kontrollerite abil. Alternatiivina kasutatakse mõnikord spetsiaalseid intelligentseid sisend-/väljundmooduleid teatud juhtimisfunktsioonide täitmiseks-, mille eesmärk on suurendada PLC üldist töötlemiskiirust ja säästa sisemälu mahtu. Selliste spetsialiseeritud moodulite näideteks on PID-juhtmoodulid, kiired{7}loendurid, kiiruse kompenseerimisega analoogsisendimoodulid ja ASCII-muundurid.
3. Sidefunktsioonid
Keskmise-kuni-suure-mahuga PLC-süsteemid peaksid toetama mitmesuguseid väljasiine ja standardseid sideprotokolle (nt TCP/IP). Lisaks peaksid need süsteemid, kui rakendus seda nõuab, suutma luua ühendusi tehase haldusvõrguga (TCP/IP kaudu). Sideprotokollid peavad vastama ISO/IEEE sidestandarditele ja moodustavad avatud sidevõrgu.
Programmeeritava loogikakontrolleri (PLC) süsteemi sideliidesed peavad sisaldama jadaliideseid ja paralleelseid sideliideseid, RIO-sideporte, ühiseid DCS-liideseid ja muud sarnast. Keskmise -kuni -suure- PLC süsteemide puhul peavad sidesiinid (sh liideseseadmed ja kaablid) olema konfigureeritud 1:1 liiasusega; need sidesiinid peavad vastama rahvusvahelistele standarditele ja nende sideulatus peab vastama konkreetse rajatise tegelikele nõuetele.
PLC-süsteemi sidevõrgus ei tohi ülemise-taseme võrgu side kiirus ületada 1 Mbps ja sidekoormus ei tohi ületada 60%. PLC-süsteemide sidevõrkude peamised vormid on järgmised:
1) Arvuti toimib ülemjaamana, samas kui mitu sama mudeli PLC-d toimivad alamjaamadena, moodustades lihtsa PLC võrgu;
2) Üks PLC toimib ülemjaamana, teised sama mudeli PLC-d aga alamjaamadena, moodustades ülem-alam-PLC võrgu;
3) PLC-võrk ühendub suuremahulise-DCS-iga kindla võrguliidese kaudu, mis toimib DCS-i alamvõrguna;
4) patenteeritud PLC-võrk (teatud tootja PLC-toodetele omane sidevõrk).
Protsessori sidekoormuse leevendamiseks-ja võrgukonfiguratsiooni tegelike nõuete alusel- tuleks valida erinevate sidevõimalustega (nt punkt{4}}punkt-punkt, väljasiin) varustatud sideprotsessorid.
4. Funktsioonide programmeerimine
Võrguühenduseta programmeerimisrežiim: selles režiimis jagavad PLC ja programmeerimisseade ühte CPU-d. Kui programmeerimisseade on "programmeerimisrežiimis", pühendab CPU oma teenused ainult programmeerimisseadmele ega juhi väliseadmeid. Kui programmeerimine on lõpetatud, lülitub programmeerimisseade "töörežiimi", mille järel protsessor jätkab väliseadmete juhtimist ja programmeerimistoiminguid ei saa teha. Võrguühenduseta programmeerimisrežiim võib vähendada süsteemikulusid, kuigi see võib olla kasutamise ja silumise jaoks vähem mugav. Võrguprogrammeerimisrežiim: selles režiimis on CPU-l ja programmeerimisseadmel mõlemal oma spetsiaalne protsessor. Host-CPU vastutab välijuhtimistoimingute eest ja vahetab andmeid programmeerimisseadmega ühe skannimistsükli jooksul; programmeerimisseade edastab vastloodud või muudetud programmi andmed host-CPU-le ja järgnevas skannimistsüklis täidab host-CPU süsteemiloogika, mis põhineb äsja vastuvõetud programmil. Kuigi see režiim toob kaasa suuremad kulud, pakub see suuremat mugavust süsteemi silumisel ja töötamisel ning seda kasutatakse sageli keskmise{6}}kuni -suurtes{8}} PLC-süsteemides. Seal on viis standardiseeritud programmeerimiskeelt: kolm graafilist keelt-Järjedfunktsioonide diagrammid (SFC), redeldiagrammid (LD) ja funktsiooniplokkskeemid (FBD)-ning kaks teksti{12}}põhist keelt-juhiste loendid (IL) ja struktureeritud tekst (ST). Valitud programmeerimiskeel peab vastama asjakohasele standardile (IEC 61131-3); Lisaks peaks see toetama erinevaid alternatiivseid programmeerimisvorme (nt C, Basic jne), et vastata spetsiaalsete rakenduste spetsiifilistele juhtimisnõuetele.
5. Diagnostilised funktsioonid
Programmeeritava loogikakontrolleri (PLC) diagnostikavõimalused hõlmavad nii riistvara kui ka tarkvara diagnostikat. Riistvaradiagnostika kasutab riistvara{1}}põhist loogikat, et määrata kindlaks riistvaratõrgete asukoht, samas kui tarkvaradiagnostika liigitatakse sise- ja välisdiagnostikaks. Sisediagnostika hõlmab tarkvara kasutamist PLC sisemise jõudluse ja funktsionaalsuse hindamiseks; väline diagnostika hõlmab tarkvara kasutamist, et hinnata andmevahetusvõimalusi PLC protsessori ja väliste komponentide, näiteks sisend/väljund (I/O) moodulite vahel.
PLC diagnostikafunktsioonide töökindlus mõjutab otseselt operatiiv- ja hoolduspersonali tehnilist pädevust, samuti keskmist remondiaega (MTTR).
6. Töötlemise kiirus
Programmeeritavad loogikakontrollerid töötavad skannimis{0}}põhise mehhanismi abil. Reaalajas-jõudlusnõuete seisukohast peaks töötlemiskiirus olema võimalikult kiire; kui sisendsignaali kestus on lühem kui PLC skannimise aeg, ei pruugi kontroller signaali tuvastada, mille tulemuseks on andmete kadu.
Töötlemiskiirust mõjutavad sellised tegurid nagu kasutajaprogrammi pikkus, protsessori töötlemisvõimsus ja tarkvara kvaliteet. PLC-del on kiire kontakti reageerimisaeg ja suur töökiirus, kusjuures iga kahendkäsu täitmisaeg jääb tavaliselt vahemikku 0,2–0,4 mikrosekundit (µs); järelikult sobivad need hästi-rakendustele, mis nõuavad ranget juhtimist ja kiiret reageerimist. Skaneerimistsükkel (protsessori skannimisaeg) peaks vastama järgmistele kriteeriumidele: väikese-mastaabiga PLC-de puhul ei tohiks skannimisaeg ületada 0,5 ms 1000 juhise kohta (0,5 ms/K); keskmise{10}}kuni -suure{12}}mastaabiga PLC-de puhul ei tohiks skannimisaeg ületada 0,2 ms 1000 juhise kohta (0,2 ms/K).
Kontrollerite tüübid
Füüsilise struktuuri alusel jaotatakse PLC-d laias laastus kahte kategooriasse: integraalsed (monoblokitüübid) ja modulaarsed tüübid. Töökeskkonna põhjal liigitatakse need kahte kategooriasse: väli-paigaldatud seadmed ja juht-ruumi-paigaldatud seadmed. Lisaks jaotatakse need protsessori sõna pikkuse põhjal 1-bitisteks, 4-bitisteks, 8-bitideks, 16-bitideks, 32-bitideks ja 64{20}}bitideks. Rakenduspõhisest{21}}perspektiivist lähtudes valitakse PLC-d tavaliselt nende konkreetsete juhtimisfunktsioonide või nõutava arvu sisend-/väljundpunktide alusel. Integreeritud -tüüpi programmeeritavad loogikakontrollerid (PLC) sisaldavad fikseeritud arvu I/O-punkte; järelikult on kasutajatel valiku tegemisel piiratud paindlikkus, mistõttu need sobivad väikesemahuliste juhtimissüsteemide jaoks. Modulaarset tüüpi PLC-d, vastupidi, pakuvad laias valikus I/O-kaarte või pistikmooduleid, võimaldades kasutajatel ratsionaalselt valida ja konfigureerida oma juhtimissüsteemide jaoks vajalikku sisend-väljundpunktide arvu. See modulaarsus hõlbustab mugavat ja paindlikku funktsionaalsuse laiendamist, muutes need üldiselt sobivaks keskmise kuni suuremahuliste juhtimissüsteemide jaoks.
Sisend/väljund tüübid
Diskreetsed signaalid (lülituskogused): need viitavad peamiselt diskreetsetele sisenditele ja diskreetsetele väljunditele,{0}}täpsemalt erinevate seadmetega seotud abikontaktidele. Näited hõlmavad trafo temperatuuriregulaatoris oleva relee abikontakte (mis muudavad olekut trafo ülekuumenemisel), klapi nukklüliti abikontakte (mis muudavad olekut klapi avanemisel või sulgumisel), kontaktori abikontakte (mis muudavad olekut kontaktori käivitumisel) ja relee ülekoormuse oleku muutmisel abikontaktid (relee ülekoormuskontaktid). Need signaalid edastatakse tavaliselt PLC-sse või terviklikku kaitseseadmesse. Nende kontaktide toiteallikaks on üldjuhul PLC või kaitseseade ise; kuna kontaktidel ei ole oma sisemist toiteallikat, nimetatakse neid "passiivseteks kontaktideks" (või "kuivadeks kontaktideks") ja need klassifitseeritakse PLC või kaitseseadme kontekstis diskreetsete sisenditena.
1. Digitaalsed kogused
Füüsikalisi suurusi, mis on diskreetsed-nii ajas kui ka suuruses-, nimetatakse digitaalseteks suurusteks. Neid digitaalseid suurusi esindavaid signaale nimetatakse digitaalsignaalideks. Elektroonilisi vooluahelaid, mis on loodud töötama digitaalsete signaalide abil, nimetatakse digitaalahelateks.
Näiteks: kui automatiseeritud tootmisliinist väljuvate osade arvu loendamiseks kasutatakse elektroonilist vooluringi, saadetakse ahelasse iga tarnitud osa kohta signaal, mis paneb selle registreerima loenduse "1". Ja vastupidi, kui osi ei tarnita, on vooluringile antud signaal "0". Seega on osade arvu tähistav signaal katkendlik-nii ajaliselt kui ka kvantitatiivselt-, muutes selle digitaalseks. Väikseim koguseühik selles kontekstis on üksikühik (1).
2. Analoog kogused
Füüsikalisi suurusi, mis on pidevad -kas ajas või suuruses-, nimetatakse analoogsuurusteks. Neid analoogsuurusi esindavaid signaale nimetatakse analoogsignaalideks. Analoogsignaalidega töötamiseks mõeldud elektroonilisi vooluahelaid nimetatakse analooglülitusteks.
Näiteks: termopaari pingesignaal töö ajal on analoogsignaal. Kuna mõõdetav temperatuur ei saa mingil juhul läbida hetkelisi järske hüppeid, on tulemuseks olev pingesignaal pidev -nii ajaliselt kui ka kvantitatiivselt. Lisaks on igal konkreetsel väärtusel, mille see pingesignaal võtab selle pideva muutumise protsessi käigus, konkreetne füüsiline tähtsus,{3}}nimelt vastab see konkreetsele temperatuurinäidule. Konversiooni põhimõtted
1. Digitaal---analoogmuundur (DAC) on süsteem, mis teisendab digitaalsignaalid analoogsignaalideks; see saavutatakse tavaliselt madalpääs-filtreerimisega. Digitaalne signaal läbib esmalt dekodeerimise, -st digitaalsed koodid teisendatakse vastavateks pingetasemeteks, et moodustada-trepilaadne signaal-, misjärel sellele allutatakse madalpääsfiltreerimine.
Signaali- ja süsteemiteooria kohaselt võib digitaalset trepi{0}}taolist signaali vaadelda ideaalse impulss-diskreetsignaali ja ristkülikukujulise impulsssignaali konvolutsioonina. Järelikult on konvolutsiooniteoreemi kohaselt digitaalsignaali spekter impulss--diskreetsignaali spektri ja ristkülikukujulise impulsi spektri (tuntud kui Sa funktsioon) korrutis. Seega, kasutades spektraalseks kompenseerimiseks funktsiooni Sa pöördväärtust, saab digitaalsest signaalist taastada algse diskreetimissignaali. Lisaks annab diskreetiteoreemi kohaselt ideaalse madalpääsfiltri- rakendamine diskreedisignaali spektrile algse analoogsignaali spektri.
Praktilistes rakendustes neid teoreetilisi põhimõtteid otseselt ei rakendata, kuna teravate, ideaalsete diskreetsete signaalide genereerimine on tehniliselt keeruline. Seetõttu on need kaks filtreerimisetappi (Sa-funktsiooni kompenseerimine ja ideaalne madalpääs{2}}filtreerimine) tavaliselt kombineeritud (kaskaad). Veelgi enam, kuna selle süsteemi jaoks nõutavad ideaalsed filtreerimisomadused on füüsiliselt teostamatud, saavad tegelikud süsteemid anda sellele protsessile vaid ligikaudse ülevaate.
2. Analoog-to{2}}digitaalmuundur (ADC) on süsteem, mis teisendab analoogsignaalid digitaalsignaalideks; see protsess hõlmab filtreerimist, diskreetimist ja hoidmist ning kodeerimist.
Analoogsignaal läbib kõigepealt riba-piirava filtreerimise ja läbib proovi-ja-hoidmisahelat, muutes seeläbi trepi-signaaliks. Seejärel läbib see signaal kodeerija, mis teisendab iga trepisignaali erineva pingetaseme vastavaks kahendkoodiks.