Программируемые логические контроллеры (ПЛК - Programmable logic controllers - PLC) продолжают развиваться по мере расширения их возможностей в применении к инновационным технологиям и робототехнике. Разработка этих элементов начиналась как замена проводным релейным системам управления. Постепенно были добавлены различные математические и логические функции для возможностей манипулирования различными сменными и стационарными узлами машин и оборудования. Сегодня ПЛК являются предпочтительным контроллером для подавляющего большинства автоматизированных процессов не только в промышленной робототехнике на производстве, но и во многих смежных отраслях. Они сами стали выпускаться в гораздо меньших корпусах, с более быстрыми процессорами, сетевыми и беспроводными интерфейсами, заточенными под современные различные интернет-технологии.

Эти компоненты, в настоящее время, являются наиболее широко используемой технологией управления промышленными процессами. Современный ПЛК - это микрокомпьютер промышленного класса, который позволяет запрограммировать выполнение целого ряда функций управления и исполнительных процессов. Само его появление устранило большую часть проблем с привязкой к жёсткости проводных систем, на которых были построены обычные релейные схемы управления. Другие преимущества появления таких устройств включают простоту программирования и установки на устройства, высокую скорость управления, совместимость с внутренней сетью всего предприятия, удобство устранения неполадок, внешнего тестирования и самодиагностики, а также высокую надёжность, в сравнении с релейными системами.

Программируемый логический контроллер может быть предназначен для нескольких входных и выходных устройств, отрабатывает в расширенном диапазоне температур, будучи невосприимчивым к электрическим помехам и устойчив к вибрации и ударам. Программы для управления и эксплуатации производственного технологического оборудования и машин обычно хранятся в энергонезависимой или работающей от батареи памяти. ПЛК является примером системы, работающей в реальном времени, поскольку выходные данные системы, управляемой ПЛК, зависят порой и от входных сигналов.

Таким образом, типы этих устройств - это, по сути, цифровой компьютер, предназначенный для использования в управлении механизмами машин и оборудования. В отличие от персонального компьютера, они были разработаны для работы в промышленных условиях и оснащены специальными интерфейсами ввода/вывода и зашитыми в их памяти языком программирования для управления. Распространённая аббревиатура, используемая в промышленности для обозначения компьютерных устройств управления - «PC», может ввести в заблуждение, поскольку это также аббревиатура обозначающая «персональный компьютер». Поэтому большинство производителей робототехники обозначают на схемах программируемый контроллер «PLC».

Первоначально разработанные устройства использовались для замены релейной логики, но их постоянно расширяющийся спектр функций означал, что они смогли быть использованы во многих и более сложных приложениях. Поскольку структура ПЛК основана на тех же принципах, что и в компьютерной архитектуре, они способны не только выполнять задачи коммутационных реле с контуром управления, но и выполнять другие задачи, такие как синхронизация, подсчёт, вычисление, сравнение и обработка аналоговых сигналов.

Программируемые контроллеры обладают рядом преимуществ по сравнению с обычным релейным типом управления. Реле должны быть подключены к питанию для выполнения определённой функции. При изменении системных требований необходимо изменить или модифицировать проводку подводящую сигнал к реле. В крайних случаях, например, в автомобильной промышленности, приходилось заменять целые панели управления, поскольку было экономически нецелесообразно перемонтировать старые панели при каждой смене модели. Программируемый контроллер устранил большую часть проводов, связанных с обычными релейными схемами управления. Он мал и недорог по сравнению с аналогичными системами управления и технологическим процессом на основе реле. Современные системы управления по-прежнему включают реле, но они редко используются для функций, завязанных на исполнение логики.

Помимо экономии средств, программируемые контроллеры обеспечивают множество других преимуществ:
• Повышенная надёжность. После того, как программа написана и протестирована, её можно легко загрузить на другие ПЛК. Поскольку вся логика содержится в постоянной памяти ПЛК, вероятность ошибки логического подключения исключена. Программа заменяет большую часть внешней проводки, которая обычно требуется для управления процессом. Проводка, хотя и по-прежнему требуется для подключения полевых/внешних устройств, процесс её подключения менее трудоёмкий при подсоединении в цепь. Данные компоненты герметичны, что также обеспечивает надёжность при эксплуатации, присущую твердотельным компонентам.

• Большая гибкость. Проще создать и изменить программу, чем подключать и перемонтировать всю схему. В ПЛК взаимосвязи между входами и выходами определяются пользовательской программой, а не способом, которым они взаимосвязаны. Производители оригинального оборудования могут предоставлять обновления системы, просто отправляя новую программу. Конечные пользователи могут модифицировать программу в полевых условиях, или, при желании, безопасность может быть обеспечена аппаратными функциями, такими как блокировка ключей и программные пароли.

• Более низкая стоимость. Девайсы изначально разрабатывались для замены логики релейного управления, и экономия средств была настолько значительной, что использование релейного управления становится морально устаревшим, за исключением приложений, требующих работы с очень большими токами или требующих постоянного наличия электропитания. Как правило, если приложение имеет более полудюжины управляющих реле, установка ПЛК, вероятно, обойдётся в разы дешевле.

• Коммуникационные возможности. Данное устройство может взаимодействовать с другими контроллерами или компьютерным оборудованием для выполнения таких функций, как диспетчерское управление, сбор данных, мониторинг устройств и параметров процесса, а также загрузка и выгрузка программ.

• Более быстрое время отклика. ПЛК предназначены для высокоскоростных приложений и процессов, требующих мониторинга в реальном времени. Программируемый контроллер работает в режиме реалтайм, что означает, что событие, происходящее в полевых условиях, приведёт к мгновенному выполнению операции или выводу необходимой информации на устройства отслеживания. Машинам, обрабатывающим тысячи элементов в секунду, и объектам, которые проводят перед датчиком лишь доли секунды, требуется способность ПЛК к быстрому реагированию.

• Проще устранять неполадки. Это оборудование имеет функции резидентной диагностики и переопределения, которые позволяют пользователям легко отслеживать и устранять проблемы с программным и аппаратным обеспечением. Чтобы найти и устранить проблемы, пользователи могут отображать управляющую программу на мониторе и наблюдать за её выполнением в режиме реального времени.

Давайте рассмотрим из каких компонентов состоят программируемые логические контроллеры:

Любой типичный ПЛК можно условно разделить на модули, каждый из которых выполняет свои задачи. Это центральный процессор (CPU), секция ввода/вывода (I/O), источник питания и устройство программирования. Термин «архитектура» может относиться к аппаратному обеспечению, программному обеспечению или к комбинации того и другого. Открытая архитектура позволяет легко подключать систему к устройствам и программам других производителей.

В открытых архитектурах используются готовые компоненты, соответствующие утверждённым общеупотребимым стандартам. Система с закрытой архитектурой - это система, дизайн которой является запатентованным, что затрудняет подключение к другим системам. Большинство систем ПЛК на самом деле являются проприетарными, поэтому, в таком случае, вы должны убедиться, что любое универсальное оборудование или программное обеспечение, которое вы хотите использовать, совместимо с вашим конкретным ПЛК. Кроме того, хотя основные концепции одинаковы во всех методах программирования, могут быть небольшие различия в адресации, распределении памяти, извлечении и обработке данных для разных моделей. Следовательно, программы для контроллеров не всегда могут быть взаимозаменяемы между различными производителями ПЛК.

Существует два способа реализации интерфейсов ввода-вывода информации (входов/выходов) в котроллер: стационарный и модульный. Фиксированный ввод-вывод типичен для небольших ПЛК, которые поставляются в одном корпусе без отдельных съёмных блоков. Процессор и интерфейс упакованы в один корпус, и терминалы ввода-вывода будут иметь фиксированное количество встроенных контакторов. Главным преимуществом этого вида компоновки является более низкая стоимость. Количество доступных точек ввода-вывода варьируется и обычно может быть увеличено за счёт покупки дополнительных единиц фиксированного интерфейса определённого типа. Одним из недостатков фиксированного типа является его недостаточная гибкость: вы ограничены в том, что вы можете получить в количествах и типах, продиктованных форм-фактором контроллера. Кроме того, для некоторых моделей, если какая-либо часть устройства выходит из строя, необходимо заменить все устройство целиком.

Модульный тип ввод-вывод разделён на отсеки, в которые могут быть вставлены отдельные модули. Эта функция значительно увеличивает ваши возможности и гибкость при использовании устройства. Вы можете выбрать один из модулей, доступных у производителя, и микшировать их любым удобным для вас способом. Базовый модульный контроллер состоит из стойки, источника питания, процессорного модуля (CPU), модулей ввода-вывода (I/O modules) и интерфейса оператора для программирования и мониторинга. Модули подключаются к стойке. Когда модуль внедряется в стойку, он осуществляет электрическое соединение с помощью серии контактов, называемых объединительной платой. Процессор ПЛК также подключён к объединительной плате и может взаимодействовать со всеми модулями в стойке.

Источник питания подаёт питание через данную плату постоянного тока на другие подключаемые модули. Для больших систем ПЛК этот источник питания обычно не обеспечивает питание полевых устройств, так как в целях безопасности, разнесён с источником питания внешних компонентов. В более крупных системах питание полевых устройств обеспечивается внешними источниками переменного тока (AC) или постоянного тока (DC). Для некоторых небольших микро-ПЛК-систем источник питания может использоваться для питания и исполняющих элементов.

Процессор (CPU) является «мозгом» программируемого контроллера. Типичный процессор обычно состоит из микропроцессора для реализации логики и управления коммуникациями между модулями. Процессору требуется оперативная память для хранения результатов логических операций, выполняемых микропроцессором и постоянная энергонезависимая память для хранения биоса, настроек и языка программирования. Разделы ППЗУ могут быть полностью перезаписываемы, или только частично. В последних типах закрытые разделы прошивки перепрограммировать можно только заводских условиях производителем или посредством взлома.

Центральный процессор управляет всей деятельностью девайсов и сконструирован таким образом, что пользователь может ввести нужную программу в логике релейной архитектуры. Программа самодиагностики выполняется как часть повторяющегося процесса, называемого сканированием. Типичное сканирование начинается с того, что центральный процессор считывает состояние входов. Затем выполняется прикладная программа. Как только выполнение программы завершено, центральный процессор выполняет внутренние диагностические и коммуникационные задачи. Затем обновляется статус всех выходных данных. Этот процесс повторяется непрерывно до тех пор, пока ПЛК находится в рабочем режиме.

Система ввода-вывода формирует сигналы на интерфейс, с помощью которого внешние исполнительные устройства подключаются к контроллеру. Целью этого процесса является настройка различных сигналов, принимаемых от внешних полевых устройств или отправляемых на них. Устройства ввода, такие как кнопки, концевые выключатели и датчики, жёстко подключены к входным клеммам. Выходные устройства, такие как небольшие двигатели, пускатели двигателей, электромагнитные клапаны и индикаторные лампы, также подключаются к выходным клеммам. Для электрической изоляции внутренних компонентов от входных и выходных клемм в контроллерах обычно используют оптический изолятор, который использует свет для соединения цепей вместе. Внешние устройства часто называются «полевыми», «исполнительными» или «реальными». Термины «field» или «real world» используются для отличия интерфейсов для реальных внешних компонентов системы, которые существуют и должны быть физически подключены, от внутренней пользовательской коммуникации, которая дублирует функции реле, таймеров и счётчиков.

Программирующее устройство используется для ввода нужной программы в память процессора. Программа может быть введена с использованием релейной «лестничной»/«ступенчатой» логики, которая является одним из самых популярных языков программирования. Вместо слов язык программирования в этих элементах используются графические символы, которые показывают предполагаемый результат. Программа похожа на схему для схемы управления реле. Это специальный язык, написанный для того, чтобы людям, знакомым с релейно-логическим управлением, было легко программировать ПЛК. Ручные программирующие устройства иногда используются для программирования небольших ПЛК, поскольку они недороги и просты в использовании. После подключения к девайсу их можно использовать для ввода и мониторинга исполнения программ. Как компактные портативные устройства, так и портативные компьютеры часто используются на заводах для устранения неполадок оборудования, изменения программ и переноса программ на несколько машин.

Персональный компьютер (ПК) или ноутбук является наиболее часто используемым программирующим устройством. Большинство контроллеров имеют доступное программное обеспечение, позволяющее использовать ПК в качестве устройства программирования. Это ПО позволяет пользователям создавать, редактировать, документировать, хранить и устранять неполадки в программах лестничной логики. Монитор компьютера способен отображать на экране больше символьных элементов, чем ручные программаторы, что упрощает интерпретацию всех ступеней исполнения программы. Компьютер взаимодействует с процессором через последовательный или параллельный канал передачи данных или по сетевому протоколу Ethernet. Если блок программирования не используется, его можно отсоединить от сети и извлечь. Удаление блока программирования не повлияет на работу пользовательской программы.

Сама программа - это разработанный пользователем набор инструкций, который направляет все модули на выполнение необходимых действий в определённой последовательности. Язык программирования предоставляет правила для объединения инструкций таким образом, чтобы они производили желаемые действия. Релейная лестничная логика (Relay Ladder Logic - RLL) - это стандартно распространённый язык программирования, используемый в ПЛК. Его происхождение основано на электромеханическом релейном управлении. Программа логической лестницы реле графически представляет ступени контактов, катушек и специальных блоков команд. RLL изначально был разработан для удобства использования и понимания его пользователями. Впоследствии, он был несколько изменён, чтобы соответствовать растущим требованиям отраслевых потребностей в контроле за множеством механизмов одновременно.