Программируемые логические контроллеры (ПЛК) и промышленные сети

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) и промышленные сети связи образуют основу систем автоматизации технологических процессов, превращая разрозненное оборудование в единую, интеллектуальную и управляемую систему. Это «мозг» и «нервная система» современного промышленного предприятия.

1. Программируемые логические контроллеры (ПЛК)

1.1. Что такое ПЛК? Архитектура и принцип работы

ПЛК (Programmable Logic Controller) — это специализированная вычислительная машина, предназначенная для работы в промышленных условиях, предназначенная для автоматизации технологических процессов и управления оборудованием.

Базовая архитектура ПЛК:

1. Центральный процессор (ЦП, CPU): Выполняет пользовательскую программу, обрабатывает данные, управляет работой всех модулей.
2. Память:
   • ПЗУ (ROM): Для операционной системы и firmware.
   • ОЗУ (RAM): Для пользовательской программы и временных данных.
   • FLASH-память: Для долговременного хранения проекта, резервного копирования.
3. Модули ввода/вывода (I/O Modules):
   • Дискретные (цифровые) входы: Принимают сигналы «включено/выключено» (например, от кнопок, датчиков конца хода).
   • Дискретные (цифровые) выходы: Подают сигналы «включено/выключено» (например, на пускатели, лампы, клапаны).
   • Аналоговые входы: Принимают непрерывные сигналы (например, 4…20 мА, 0…10 В) с датчиков температуры, давления, расхода.
   • Аналоговые выходы: Формируют непрерывные сигналы для управления (например, скоростью привода, положением клапана).
   • Специализированные модули: Счетчики, модули позиционирования, модули связи и т.д.
4. Блок питания: Преобразует сетевое напряжение в низковольтное для питания ЦП и модулей.
5. Интерфейсы программирования и связи: Порты (Ethernet, RS-232, RS-485) для подключения программатора и интеграции в сеть.

Цикл работы ПЛК (Сканирующий цикл):

1. Ввод: Чтение и сохранение в память состояний всех физических входов.
2. Исполнение программы: Последовательное выполнение пользовательской программы (лестничных диаграмм, функциональных блоков и т.д.), использующей сохраненные значения входов.
3. Вывод: Обновление состояний всех физических выходов в соответствии с результатами выполнения программы.
   Этот цикл повторяется непрерывно. Его время (время сканирования) является ключевой характеристикой и может составлять от миллисекунд до десятков миллисекунд.

1.2. Классификация ПЛК

• По конструктивному исполнению:
  • Моноблочные (Compact): ЦП, питание и I/O собраны в одном корпусе. Просты в установке, но имеют ограниченную расширяемость.
  • Модульные (Modular): Состоят из стоек (шасси), в которые устанавливаются независимые модули (ЦП, питание, различные I/O). Обеспечивают высокую гибкость и масштабируемость.
• По производительности и функционалу:
  • Нано/Мини-ПЛК: Малые задачи (до 100 I/O).
  • Средние ПЛК: Универсальные решения для большинства задач (до 500 I/O).
  • Крупные ПЛК/Системы ПЛК: Сложные распределенные системы управления (более 1000 I/O).

1.3. Языки программирования ПЛК (стандарт МЭК 61131-3)

1. LD (Ladder Diagram) — Релейно-контактные схемы: Визуальный язык, похожий на схемы релейной автоматики. Интуитивно понятен электрикам.
2. FBD (Function Block Diagram) — Функциональные блоки: Визуальный язык, программа строится из соединения стандартных блоков (таймеры, счетчики, триггеры) и пользовательских блоков.
3. IL (Instruction List) — Список инструкций: Низкоуровневый язык, похожий на ассемблер. Используется редко.
4. ST (Structured Text) — Структурированный текст: Язык высокого уровня, похожий на Pascal. Идеален для сложных математических вычислений и алгоритмов.
5. SFC (Sequential Function Chart) — Последовательные функциональные блок-схемы: Язык для описания последовательностей и технологических циклов.

2. Промышленные сети связи

Промышленные сети (Fieldbus) связывают ПЛК, удаленные модули ввода/вывода, датчики, приводы и операторские панели (HMI) в единую систему, заменяя громоздкие кабельные жгуты.

2.1. Иерархия сетей в АСУ ТП

1. Уровень управления предприятием (IT-уровень): Ethernet (TCP/IP). Связь между АСУ ТП и ERP/MES-системами.
2. Цеховой уровень (Control Level): Промышленный Ethernet (Profinet, EtherNet/IP). Связь между ПЛК, HMI, серверами.
3. Полевой уровень (Field Level): Промышленные сети (Profibus DP, DeviceNet, Modbus RTU) и промышленный Ethernet. Связь ПЛК с удаленными I/O, датчиками, приводами.
4. Уровень датчиков/исполнительных механизмов (Sensor/Actuator Level): Простые и недорогие сети (AS-i, IO-Link) для подключения простейших устройств.

2.2. Ключевые промышленные сетевые протоколы

1. Profibus (Process Field Bus)

• Типы:
  • Profibus DP (Decentralized Periphery): Для быстрого обмена данными с удаленными I/O и приводами. До 12 Мбит/с.
  • Profibus PA (Process Automation): Для подключения датчиков во взрывоопасных зонах, с питанием по шине.
• Топология: Шина (линейная).
• Физический уровень: RS-485.
• Преимущества: Широкая распространенность, огромная номенклатура устройств.

2. Profinet (Process Field Net)

• Промышленный Ethernet на базе стандарта IEEE 802.3.
• Классы:
  • Profinet RT (Real-Time): Для задач с временем цикла ~10 мс.
  • Profinet IRT (Isochronous Real-Time): Для синхронных задач с жесткими временными требованиями (<1 мс), например, управление движением.
• Топология: Звезда, кольцо (с поддержкой редукдантности).
• Преимущества: Высокая скорость (100/1000 Мбит/с), использование стандартного Ethernet, простота интеграции с IT-системами.

3. EtherNet/IP (Ethernet Industrial Protocol)

• Протокол от ODVA, использует стандартный Ethernet и протокол CIP (Common Industrial Protocol).
• Применение: Широко распространен в Северной Америке, популярен во всем мире.
• Преимущества: Открытость, совместимость с стандартным Ethernet, поддержка большого количества вендоров.

4. Modbus

• Простой, открытый и старый протокол.
• Варианты:
  • Modbus RTU/ASCII: На основе RS-485/RS-232. Классика для связи ПЛК с простыми устройствами.
  • Modbus TCP/IP: Поверх Ethernet.
• Преимущества: Простота, низкая стоимость реализации, повсеместная поддержка.

5. Специализированные сети нижнего уровня

• AS-Interface (Actuator-Sensor Interface): Простая и дешевая сеть для подключения бинарных датчиков и исполнительных механизмов. Питание и данные по одному неэкранированному кабелю.
• IO-Link: Точечная связь «ведущий-ведомый» для интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов. Позволяет передавать не только значения, но и параметры, диагностику.

2.3. Критерии выбора промышленной сети

• Требования к времени отклика (детерминизм): Profinet IRT, EtherCAT.
• Стоимость: Modbus, AS-i.
• Распространенность в отрасли и доступность устройств: Profibus, Profinet, EtherNet/IP.
• Условия эксплуатации: Устойчивость к помехам (витая пара, оптоволокно).
• Наследие (Legacy Equipment): Поддержка устаревшего оборудования.

3. Тенденции и будущее: Industrie 4.0 и IIoT

• OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture): Становится стандартом для безопасльного и независимого от производителя обмена данными на верхнем уровне, обеспечивая семантическую интероперабельность.
• TSN (Time-Sensitive Networking): Расширение стандартного Ethernet, позволяющее обеспечивать детерминированную передачу данных в одной сети с обычным трафиком. Основа для будущей конвергенции IT и OT (Operational Technology).
• Периферия с интеллектом: Распределенные периферийные устройства с возможностями обработки данных, уменьшающие нагрузку на центральный ПЛК.
• Облачные технологии и аналитика: Прямая передача данных с полевого уровня в облако для предиктивной аналитики и удаленного мониторинга.

Заключение

Связка «ПЛК + промышленная сеть» — это фундамент, на котором строится любая современная система автоматизации. ПЛК обеспечивают надежное и предсказуемое логическое управление, а промышленные сети — эффективный обмен данными между всеми компонентами системы.

Понимание архитектуры ПЛК, языков программирования и особенностей различных сетевых протоколов позволяет проектировщикам и инженерам создавать гибкие, масштабируемые и надежные АСУ ТП, способные отвечать вызовам цифровой трансформации промышленности — Industrie 4.0.