Når man designer et PLC-system (Programmable Logic Controller), er det første trin at definere styrestrategien; det efterfølgende trin involverer det tekniske valg af den specifikke PLC-hardware. Egenskaberne ved procesflowet og de specifikke applikationskrav tjener som det primære grundlag for denne udvælgelsesproces. PLC'en og dens tilhørende udstyr bør integreres og standardiseres, udvalgt efter principperne om sømløs integration i det overordnede industrielle kontrolsystem og let funktionel udvidelse. Det valgte PLC-system skal være en moden og pålidelig løsning med en dokumenteret track record for succesfuld drift inden for den relevante industrisektor. Ydermere skal systemets hardwarekonfiguration, softwarekapaciteter og funktionelle egenskaber matches passende til anlæggets skala og de specifikke kontrolkrav. Kendskab til PLC'er, funktionsdiagrammer og relevante programmeringssprog hjælper med at reducere programmeringstiden markant. Derfor er det i de tekniske udvælgelses- og estimeringsfaser vigtigt at udføre en detaljeret analyse af proceskarakteristika og kontrolkrav; dette indebærer klart at definere kontrolopgaverne og omfanget og identificere de nødvendige operationer og handlinger. Efterfølgende-baseret på disse kontrolkrav-kan man estimere det nødvendige antal input/output (I/O)-punkter og hukommelseskapacitet og bestemme de nødvendige PLC-funktioner og eksterne enhedsspecifikationer. Endelig er målet at vælge en PLC, der tilbyder en overlegen pris{10}}ydelsesforhold og at designe det tilsvarende kontrolsystem.
I/O Point Estimation
Når man estimerer antallet af I/O-punkter, er det afgørende at indarbejde en passende margin. Typisk udledes det estimerede I/O-antal ved at tage det statistisk beregnede antal krævede point og tilføje en udvidelsesmargin på 10 % til 20 %. Når du afgiver den faktiske ordre, kan det være nødvendigt at runde det estimerede I/O-tal for at tilpasse sig de specifikke produktspecifikationer og modulkonfigurationer, der tilbydes af PLC-producenten.
Hukommelseskapacitet
"Hukommelseskapacitet" refererer til den samlede størrelse af hardware-lagerenhederne, der leveres af PLC'en selv, hvorimod "programkapacitet" refererer til den specifikke del af denne hukommelse, der bruges af brugerens applikationsprogram. Følgelig er programkapaciteten altid mindre end eller lig med den samlede hukommelseskapacitet. I designfasen, da brugerens applikationsprogram endnu ikke er blevet skrevet, forbliver den nøjagtige programkapacitet ukendt og kan kun bestemmes, efter at programmet er blevet fuldstændig debugget. For at lette udvælgelsesprocessen ved at give et rimeligt estimat af det nødvendige lager, bruges den samlede hukommelseskapacitet typisk som en proxy for programkapaciteten under designfasen. Der er ingen fast formel til at estimere den nødvendige hukommelseskapacitet; mens forskellige formler optræder i litteraturen, følger de generelt en fælles tilgang: beregn 10 til 15 gange antallet af digitale I/O-punkter, tillæg 100 gange antallet af analoge I/O-punkter og brug denne sum som det samlede ordantal (hvor et ord er lig med 16 bit) for hukommelsen. Derudover skal en sikkerhedsmargin svarende til 25 % af denne beregnede værdi medregnes.
Valg af kontrolfunktioner
Denne udvælgelsesproces involverer valg af specifikke karakteristika såsom aritmetiske funktioner, kontrolfunktioner, kommunikationsmuligheder, programmeringsfunktioner, diagnostiske værktøjer og behandlingshastighed.
1. Aritmetiske funktioner
De aritmetiske funktioner i simple Programmerbare Logic Controllere (PLC'er) omfatter typisk grundlæggende logiske operationer, timing og tællefunktioner. Standard PLC'er udvider dette til at omfatte operationer såsom dataskift og sammenligning. Mere komplekse aritmetiske muligheder omfatter algebraiske operationer og dataoverførselsfunktioner. PLC'er i stor-skala inkorporerer yderligere analoge PID-kontrolalgoritmer og andre avancerede matematiske funktioner. Med fremkomsten af åbne systemer er moderne PLC'er universelt udstyret med kommunikationsmuligheder; specifikke produkter kan tilbyde kommunikation med enheder på lavere-niveau, peer-to-peer-kommunikation med andre PLC'er, kommunikation med højere-værtssystemer eller dataudvekslingsmuligheder med-fabriksdækkende eller virksomhedsnetværk. Når man vælger en model i designfasen, bør man basere valget på de specifikke krav til den aktuelle applikation, idet man kun vælger de aritmetiske funktioner, der virkelig er nødvendige. I de fleste applikationsscenarier er grundlæggende logiske operationer, timing og tællefunktioner tilstrækkelige; nogle applikationer kan kræve dataoverførsel og sammenligningsfunktioner; mens algebraiske operationer, numeriske konverteringer og PID-styringsalgoritmer typisk er reserveret til applikationer, der involverer analog signaldetektion og kontrol. Operationer såsom afkodning og kodning er påkrævet, når datavisningsfunktioner er nødvendige.
2. Kontrolfunktioner
Kontrolfunktioner omfatter algoritmer såsom PID-kontrol, feed-forward-kompensation og forholdskontrol; de specifikke funktioner, der vælges, bør bestemmes ud fra de præcise kontrolkrav til applikationen. Da PLC'er primært er designet til sekventiel logisk kontrol, håndteres analoge kontrolopgaver i de fleste scenarier typisk ved hjælp af dedikerede enkelt-sløjfe eller multi-sløjfecontrollere. Alternativt bruges specialiserede intelligente I/O-moduler nogle gange til at udføre specifikke kontrolfunktioner-en strategi, der tjener til at forbedre PLC'ens overordnede behandlingshastighed og bevare intern hukommelseskapacitet. Eksempler på sådanne specialiserede moduler omfatter PID-kontrolenheder, høj-hastighedstællere, analoge inputmoduler med hastighedskompensation og ASCII-konverteringsenheder.
3. Kommunikationsfunktioner
Mellem-til-stor- PLC-systemer bør understøtte en række feltbusser og standardkommunikationsprotokoller (såsom TCP/IP). Ydermere, når det kræves af applikationen, bør disse systemer være i stand til at etablere forbindelser med anlæggets ledelsesnetværk (via TCP/IP). Kommunikationsprotokoller skal overholde ISO/IEEE kommunikationsstandarder og skal udgøre et åbent kommunikationsnetværk.
Kommunikationsgrænsefladerne i PLC-systemet (Programmable Logic Controller) skal omfatte serielle og parallelle kommunikationsgrænseflader, RIO-kommunikationsporte, almindelige DCS-grænseflader og lignende. For mellemstore-til-store- PLC-systemer skal kommunikationsbusserne (inklusive interfaceenheder og kabler) konfigureres med 1:1 redundans; disse kommunikationsbusser skal overholde internationale standarder, og deres kommunikationsrækkevidde skal opfylde de faktiske krav i det specifikke anlæg.
Inden for PLC-systemets kommunikationsnetværk skal kommunikationshastigheden for netværket på det øverste-niveau overstige 1 Mbps, og kommunikationsbelastningen må ikke overstige 60 %. De primære former for kommunikationsnetværk til PLC-systemer er som følger:
1) En pc fungerer som masterstation, mens flere PLC'er af samme model fungerer som slavestationer og danner et simpelt PLC-netværk;
2) En enkelt PLC fungerer som masterstation, mens andre PLC'er af samme model fungerer som slavestationer og danner et master-slave-PLC-netværk;
3) PLC-netværket forbinder til en stor-DCS via en specifik netværksgrænseflade, der fungerer som et undernet af DCS'en;
4) Et proprietært PLC-netværk (et kommunikationsnetværk specifikt for en bestemt producents PLC-produkter).
For at lette kommunikationsbelastningen på CPU'en-og baseret på de faktiske krav til netværkskonfigurationen bør-kommunikationsprocessorer, der er udstyret med forskellige kommunikationsfunktioner (f.eks. punkt-til-punkt, feltbus), vælges.
4. Programmeringsfunktioner
Offline programmeringstilstand: I denne tilstand deler PLC'en og programmeringsenheden en enkelt CPU. Når programmeringsenheden er i "programmeringstilstand", dedikerer CPU'en sine tjenester udelukkende til programmeringsenheden og kontrollerer ikke feltenheder. Når programmeringen er afsluttet, skifter programmeringsenheden til "kørselstilstand", hvorefter CPU'en genoptager kontrollen over feltenhederne, og programmeringsoperationer kan ikke udføres. Offline programmeringstilstand kan reducere systemomkostningerne, selvom det kan være mindre bekvemt til brug og fejlretning. Online programmeringstilstand: I denne tilstand har CPU'en og programmeringsenheden hver deres egne dedikerede CPU'er. Værts-CPU'en er ansvarlig for feltkontroloperationer og udveksler data med programmeringsenheden inden for en enkelt scanningscyklus; programmeringsindretningen transmitterer de nyligt oprettede eller modificerede programdata til værts-CPU'en, og i den efterfølgende scanningscyklus udfører værts-CPU'en systemlogikken baseret på det nyligt modtagne program. Selvom denne tilstand medfører højere omkostninger, tilbyder den større bekvemmelighed for systemfejlfinding og betjening og anvendes ofte i mellemstore-til-store- PLC-systemer. Der er fem standardiserede programmeringssprog: tre grafiske sprog-Sequential Function Charts (SFC), Ladder Diagrams (LD) og Function Block Diagrams (FBD)-og to tekst-baserede sprog-Instruktionslister (IL) og Structured Text (ST). Det valgte programmeringssprog skal overholde den relevante standard (IEC 61131-3); desuden bør det understøtte forskellige alternative programmeringsformer - såsom C, Basic osv. - for at opfylde de specifikke kontrolkrav for specialiserede applikationer.
5. Diagnostiske funktioner
Diagnosefunktionerne i en PLC (Programmable Logic Controller) omfatter både hardware- og softwarediagnostik. Hardwarediagnostik bruger hardware-baseret logik til at lokalisere hardwarefejl, mens softwarediagnostik er kategoriseret i intern og ekstern diagnostik. Intern diagnostik involverer brug af software til at vurdere PLC'ens interne ydeevne og funktionalitet; ekstern diagnostik involverer brug af software til at evaluere dataudvekslingsmulighederne mellem PLC'ens CPU og eksterne komponenter, såsom input/output (I/O) moduler.
Robustheden af en PLC's diagnostiske funktioner har direkte indflydelse på den tekniske færdighed, der kræves af drifts- og vedligeholdelsespersonale, såvel som den gennemsnitlige tid til reparation (MTTR).
6. Behandlingshastighed
Programmerbare logiske controllere fungerer ved hjælp af en scannings-baseret mekanisme. Fra perspektivet af realtidskrav til ydeevne bør behandlingshastigheden være så hurtig som muligt. hvis varigheden af et inputsignal er kortere end PLC'ens scanningstid, kan controlleren muligvis ikke registrere signalet, hvilket resulterer i datatab.
Behandlingshastigheden er påvirket af faktorer som længden af brugerprogrammet, CPU'ens processorkraft og kvaliteten af softwaren. PLC'er har hurtige kontaktresponstider og høje driftshastigheder, hvor udførelsestiden for hver binær instruktion typisk spænder fra 0,2 til 0,4 mikrosekunder (µs); derfor er de velegnet til applikationer, der kræver streng kontrol og hurtige reaktionsmuligheder. Scanningscyklussen (processorscanningstid) bør opfylde følgende kriterier: for små--PLC'er bør scanningstiden ikke overstige 0,5 ms pr. 1.000 instruktioner (0,5 ms/K); for medium-til{11}}store--PLC'er bør scanningstiden ikke overstige 0,2 ms pr. 1.000 instruktioner (0,2 ms/K).
Controller typer
Baseret på deres fysiske struktur er PLC'er bredt klassificeret i to kategorier: integrale (monoblok) typer og modulære typer. Baseret på deres driftsmiljø er de klassificeret i to kategorier: felt-monterede enheder og kontrol-rums-enheder. Baseret på CPU-ordlængde er de desuden kategoriseret i 1-bit, 4-bit, 8-bit, 16-bit, 32-bit og 64-bit systemer. Fra et applikationsorienteret-perspektiv vælges PLC'er typisk ud fra deres specifikke kontrolfunktioner eller det nødvendige antal input/outputpunkter. Integrerede -programmerbare logiske controllere (PLC'er) har et fast antal I/O-punkter; som følge heraf har brugerne begrænset fleksibilitet i deres valg, hvilket gør dem velegnede til små kontrolsystemer. Modulær type PLC'er tilbyder omvendt en bred vifte af I/O-kort eller plug-in-moduler, hvilket giver brugerne mulighed for rationelt at vælge og konfigurere det specifikke antal I/O-punkter, der kræves til deres styresystemer. Denne modularitet letter bekvem og fleksibel funktionel udvidelse, hvilket gør dem generelt velegnede til mellemstore til store kontrolsystemer.
Input/outputtyper
Diskrete signaler (omskiftningsmængder): Disse refererer primært til diskrete input og diskrete udgange-specifikt, de hjælpekontakter, der er forbundet med forskellige enheder. Eksempler omfatter hjælpekontakterne på et relæ i en transformers temperaturregulator (som skifter tilstand, når transformeren overophedes), hjælpekontakterne på en ventils knastkontakt (som skifter tilstand, når ventilen åbner eller lukker), hjælpekontakterne på en kontaktor (som skifter tilstand, når kontaktoren aktiveres), og den genbelastede tilstand af hjælpekontakten (relæets overbelastning) ture). Disse signaler overføres typisk til en PLC eller en omfattende beskyttelsesenhed. Strømforsyningen til disse kontakter leveres generelt af PLC'en eller beskyttelsesenheden selv; da kontakterne ikke har deres egen interne strømkilde, omtales de som "passive kontakter" (eller "tørre kontakter") og klassificeres som diskrete indgange i forbindelse med PLC'en eller beskyttelsesenheden.
1. Digitale mængder
Fysiske mængder, der er diskrete-både med hensyn til tid og størrelse-omtales som digitale mængder. De signaler, der repræsenterer disse digitale størrelser, kaldes digitale signaler. Elektroniske kredsløb designet til at fungere ved hjælp af digitale signaler er kendt som digitale kredsløb.
For eksempel: Når et elektronisk kredsløb bruges til at tælle antallet af dele, der er output fra en automatiseret produktionslinje, sendes et signal til kredsløbet for hver del, der leveres, hvilket får det til at registrere en optælling på "1". Omvendt, når der ikke leveres nogen dele, er signalet påført til kredsløbet "0". Signalet, der repræsenterer antallet af dele, er således diskontinuerligt-både tidsmæssigt og kvantitativt-og gør det til et digitalt signal. Den mindste mængdeenhed i denne sammenhæng er en enkelt enhed (1).
2. Analoge mængder
Fysiske mængder, der er kontinuerlige-enten med hensyn til tid eller størrelse-omtales som analoge størrelser. De signaler, der repræsenterer disse analoge størrelser, kaldes analoge signaler. Elektroniske kredsløb designet til at fungere ved hjælp af analoge signaler er kendt som analoge kredsløb.
For eksempel: Spændingssignalet udsendt af et termoelement under drift er et analogt signal. Da temperaturen, der måles, under ingen omstændigheder kan gennemgå øjeblikkelige, bratte spring, er det resulterende spændingssignal kontinuerligt-både tidsmæssigt og kvantitativt. Desuden har hver specifik værdi, der tages af dette spændingssignal under dets kontinuerlige variationsproces, en konkret fysisk betydning-nemlig den svarer til en specifik temperaturaflæsning. Konverteringsprincipper
1. En Digital-til-Analog Converter (DAC) er et system, der konverterer digitale signaler til analoge signaler; dette opnås typisk gennem lav-pasfiltrering. Det digitale signal gennemgår først afkodning-det vil sige, at de digitale koder konverteres til tilsvarende spændingsniveauer for at danne et -trappe-lignende signal-hvorefter det udsættes for lav-pasfiltrering.
Ifølge signal- og systemteori kan det digitale trappe--lignende signal ses som en foldning af et ideelt impuls--samplet signal og et rektangulært impulssignal. Som følge heraf er spektret af det digitale signal ifølge Konvolutionssætningen produktet af spektret af det impuls--samplede signal og spektret af den rektangulære impuls (kendt som Sa-funktionen). Ved at anvende den reciproke af Sa-funktionen til spektral kompensation kan det oprindelige samplede signal således gendannes fra det digitale signal. Ifølge samplingsætningen giver anvendelse af ideel lav-pasfiltrering til spektret af det samplede signal endvidere spektret af det originale analoge signal.
I praktiske implementeringer anvendes disse teoretiske principper ikke direkte, da det er teknisk udfordrende at generere skarpe, ideelle samplede signaler. Derfor er disse to filtreringstrin (Sa-funktionskompensationen og den ideelle lav-pasfiltrering) typisk kombineret (kaskadekoblet). Da de ideelle filtreringsegenskaber, der kræves af dette system, er fysisk urealiserbare, kan faktiske systemer desuden kun give en tilnærmelse af denne proces.
2. En Analog-til-Digital Converter (ADC) er et system, der konverterer analoge signaler til digitale signaler; denne proces involverer filtrering, sampling og holding og kodning.
Det analoge signal gennemgår først bånd-begrænsende filtrering og passerer gennem et sample-and-hold-kredsløb og transformeres derved til et trappe--lignende signal. Efterfølgende passerer dette signal gennem en encoder, som konverterer hvert særskilt spændingsniveau i trappesignalet til en tilsvarende binær kode.