Виды и особенности программируемых логических контроллеров (ПЛК)

Они заменяют релейные схемы, обеспечивая гибкость, надежность и простую модификацию логики управления.

Основные виды ПЛК

Классификация основана на архитектуре, производительности и применении:

1. По форм-фактору и расширяемости:

Компактные (моноблочные):

Компактные контроллеры представляют собой единый герметичный корпус, где интегрированы процессор, память, блок питания и фиксированное количество портов ввода/вывода. Типичная конфигурация включает до 40 дискретных точек (24V DC) и 2-4 аналоговых канала без возможности расширения. Эти устройства работают на процессорах с тактовой частотой 50-100 МГц с временем цикла 5-20 мс, используя 16-64 КБ памяти для программ. Монтируются на DIN-рейку, отличаются минимальным энергопотреблением (10-30 Вт) и рабочей температурой от -25°C до +55°C.

Основная сфера применения – локальные задачи автоматизации: управление насосными станциями (контроль уровня жидкости, защита от сухого хода), малые конвейерные линии (реверс, защитные блокировки), системы вентиляции (автоматическое включение по датчикам CO2) и уличное освещение (фотореле + таймер).

Ключевые преимущества включают низкую стоимость (от 100$), простой монтаж без проектирования системы и устойчивость к вибрациям до 1g. Главное ограничение – невозможность модернизации при изменении техпроцесса, что требует полной замены контроллера при расширении задач.

Модульные:

Модульная архитектура основана на установке компонентов в унифицированное шасси:

центральный процессорный модуль
сменные блоки дискретного/аналогового ввода-вывода
специализированные модули (управление приводами, высокочастотные счетчики)
коммуникационные интерфейсы

Стандартная конфигурация поддерживает до 3000 точек I/O с возможностью горячей замены модулей. Производительность обеспечивается многоядерными процессорами (ARM Cortex, Intel Atom) с временем цикла менее 1 мс и памятью до 512 МБ. Система требует отдельного блока питания 24V DC/220V AC мощностью 100-500 Вт с расчетом нагрузки.

Применяется в комплексных решениях: роботизированные сборочные линии (синхронизация манипуляторов), фасовочные комплексы (дозирование + упаковка), транспортные сортировщики (управление сервоприводами конвейеров) и системы водоподготовки (ПИД-регулирование реагентов).

Преимущества – гибкая адаптация под техпроцесс, поддержка резервирования критичных модулей и диагностика через промышленные шины (PROFINET, EtherCAT). Особенности эксплуатации включают необходимость проектирования распределения нагрузки на шину и регулярную замену вентиляторов охлаждения.

Рэковые (панельные):

Рэковые системы монтируются в 19-дюймовые телекоммуникационные стойки высотой 3-10 юнитов (133-445 мм) с обязательным резервированием компонентов. Конфигурация включает дублированные процессоры Xeon-class с ОЗУ до 64 ГБ, hot-swap блоки питания N+1 и коммутаторы Industrial Ethernet.

Ключевые параметры:

время реакции <100 мкс
поддержка TSN (Time-Sensitive Networking)
SIL 3 сертификация

Эксплуатируются в экстремальных условиях (-40°C…+70°C) с ИБП-питанием и резервированными сетевыми каналами через SFP-модули.

Критические применения: системы аварийной защиты АЭС (контроль нейтронных потоков), управление крекинг-установками НПЗ (регулирование температур в печах), диспетчеризация ТЭЦ (балансировка нагрузок) и автоматика железнодорожных узлов (управление стрелками).

Преимущества – пятидесятикратное превосходство в отказоустойчивости (MTBF >200 000 часов), встроенная виртуализация для запуска SCADA и соответствие стандартам взрывозащиты (ATEX Zone 2). Требуют сертифицированных серверных помещений с контролем влажности (30-70%) и регламентного обслуживания с заменой аккумуляторов резервных модулей каждые 3 года.

2. По производительности и функционалу:

Микропроцессорные (низкого класса):

Базируются на 8/16-битных микроконтроллерах (ARM Cortex-M, PIC) с тактовой частотой ≤50 МГц. Объем памяти ограничен 4-64 КБ Flash (для программы) и 1-8 КБ RAM (для данных). Время цикла сканирования составляет 10-100 мс, что приемлемо для простых процессов без жестких временных рамок.

Поддерживают исключительно базовые функции: булеву логику (AND/OR/NOT), релейную замену, таймеры TON/TOF (±100 мс точность) и счетчики CTU/CTD (диапазон 0-9999). Языки программирования — обычно только Ladder Diagram (LD) или FBD без сложных структур данных. Интерфейсы связи: RS-232/485 (Modbus RTU), редко 10/100 Mbps Ethernet.

Типовые применения: управление дренажными насосами по уровню воды, автоматика простых прессов (цикл «пуск-стоп»), контроль температуры в термошкафах с релейным выходом. Ограничения: невозможность работы с аналоговыми сигналами, отсутствие ПИД-регуляторов, непригодность для синхронизированных задач.

Среднего класса:

Оснащаются 32-битными процессорами (ARM Cortex-A, Intel Atom) частотой 300-800 МГц. Память расширена до 256-2048 КБ Flash + 64-512 КБ RAM. Время цикла сокращено до 1-10 мс за счет оптимизации ядра. Ключевые функциональные улучшения:

Полная поддержка аналоговых сигналов: 12-16 бит АЦП/ЦАП (диапазон 0-10V, 4-20 мА), термопары типа K/J
Встроенные ПИД-регуляторы (до 8 контуров) с автотюнингом
Расширенные коммуникации: Ethernet/IP, PROFINET RT, CANopen
Обработка строк, массивы данных, простые математические операции (sin/cos)
Программирование: все языки IEC 61131-3 (включая ST и SFC), возможность создания UDF (пользовательских функций). Области применения: управление линиями розлива (дозирование насосами + конвейерная синхронизация), СКУД зданий (регулирование вентиляции по CO₂), мойки автомобилей (последовательность фаз «пена-вода-сушка»). Примеры: Siemens S7-1200, Schneider Electric M221, Omron CP1L.

Высокопроизводительные:

Используют многоядерные CPU (Intel Core i7, Cortex-R82) с частотой >1.5 ГГц и памятью ≥1 ГБ RAM + 4 ГБ Flash. Время реакции ≤0.1 мс критично для задач real-time. Функциональные особенности:

Motion Control: управление 32+ осями сервоприводов (EtherCAT, POWERLINK), интерполяция траекторий
Вычисления: обработка float с точностью IEEE 754, матричные операции, FFT-анализ
Интеграция: OPC UA серверы, MES-совместимость (ISA-95), REST API, облачные протоколы (MQTT)
Сети: TSN (Time-Sensitive Networking), 5G для IIoT, Fiber Channel
Безопасность: SIL 3 / PL e сертификация, криптозащита Firmware
Программирование: поддержка C/C++, Python, многозадачность с приоритетами. Применение: роботизированные сборочные комплексы (синхронизация 6-осевых манипуляторов), фармацевтические линии (верификация упаковки через vision-системы), испытательные стенды аэрокосмических двигателей. Платформы: B&R X20, Rockwell ControlLogix, Siemens S7-1500.

Ключевые особенности ПЛК

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) отличаются высокой надежностью при работе в экстремальных условиях: температурный диапазон от -20°C до +60°C (у отдельных моделей до -40°C/+85°C), устойчивость к вибрациям, защита от пыли и влаги (класс IP20-IP67), подавление электромагнитных помех. Срок службы достигает 10-15 лет благодаря промышленному исполнению и долгосрочной доступности компонентов.

Детерминированность работы обеспечивается строгим циклическим сканированием:

Чтение физических состояний входов (дискретных/аналоговых).
Исполнение пользовательской программы с гарантированным временем выполнения.
Обновление выходных сигналов.
Выполнение фоновых задач (диагностика, обмен данными через сети).
Это гарантирует предсказуемую реакцию на события, критичную для real-time систем.

Модульность архитектуры позволяет наращивать конфигурацию под задачи:

Дискретные модули ввода/вывода (24V DC, 220V AC).
Аналоговые модули (4-20 мА, 0-10V, Pt100, термопары).
Спецмодули: управление сервоприводами, счетчики импульсов, позиционирование, коммуникационные интерфейсы (PROFIBUS, EtherCAT, RS-485).

Программирование по стандарту МЭК 61131-3 поддерживает языки:

LD (Ladder Diagram) для релейной логики.
FBD (Function Block Diagram) для ПИД-регуляторов.
ST (Structured Text) для алгоритмов.
SFC (Sequential Function Chart) для последовательностей.
Среды разработки (TIA Portal, CODESYS, Studio 5000) зависят от производителя.

Коммуникации интегрируют ПЛК в промышленные сети:

Полевой уровень: IO-Link, CANopen.
Уровень управления: PROFINET, EtherNet/IP.
Корпоративный уровень: OPC UA, MQTT.
Обеспечивают связь с HMI, SCADA, серверами и другим оборудованием.

Встроенные функции включают:

Таймеры (TON, TOF), счетчики (CTU, CTD).
Арифметические/логические операции.
ПИД-регуляторы с автонастройкой.
Обработку прерываний и самодиагностику.

Безопасность реализована через:

Парольную защиту программ.
Аппаратные ключи доступа.
Для Safety-PLC: резервирование каналов, мгновенный переход в безопасное состояние при ошибке, соответствие SIL 3/PL e.

Ключевые тренды: поддержка TSN (Time-Sensitive Networking) для микросекундной синхронизации, интеграция с IIoT через 5G/OPC UA, развитие SoftPLC на базе CODESYS.

Важные аспекты выбора ПЛК

Требования к производительности: Скорость сканирования, сложность алгоритмов.
Количество и типы сигналов I/O: Текущие и будущие потребности.
Коммуникационные интерфейсы: Совместимость с существующим оборудованием и сетями.
Условия эксплуатации: Температура, влажность, вибрация, степень защиты (IP).
Требования к безопасности: Необходимость Safety-PLC.
Поддержка языков МЭК 61131-3 и удобство IDE.
Надежность производителя и доступность техподдержки/комплектующих.

Заключение

ПЛК являются «мозгом» современной промышленной автоматизации. Понимание их видов (от компактных до мощных рэковых систем) и ключевых особенностей (надежность, детерминизм, модульность, соответствие МЭК 61131-3, развитые коммуникации) позволяет эффективно выбирать и применять контроллеры для решения широкого спектра задач управления технологическими процессами. Тренды развития включают усиление интеграции с IT-системами (IIoT, облака), использование TSN (Time-Sensitive Networking), увеличение вычислительной мощности и рост популярности программных ПЛК (SoftPLC), работающих на ПК или промышленных серверах.