Обмен данными между модулем центрального процессора и модулями ввода-вывода

При организации обмена данными между узлами ПЛК используются те же принципы, что и в ЭВМ с шинной организацией [21]. Центральный процессор под управлением операционной системы опрашивает входы ПЛК, размещает полученные данные в специальных областях, исполняет программу и передаёт новые значения на выходы ПЛК.

Каждый модуль ввода-вывода, входящий в состав ПЛК, есть не что иное, как периферийное устройство, конкретные характеристики и способы работы с которым задаются на этапе конфигурирования контроллера. Обмен данными с периферийными устройствами осуществляется с помощью портов ввода-вывода.

Каждому модулю ввода-вывода назначается свой уникальный диапазон портов ввода-вывода. Таким образом, центральный процессор ПЛК может обратиться к любому модулю ввода-вывода с запросом на чтение (модули ввода) или записи данных (модули вывода).

В состав каждого модуля входит один или несколько регистров данных – локальная память модуля. При обращении к модулю ввода-вывода центральный процессор передаёт по шине адреса адрес соответствующего порта ввода-вывода,

а по шине управления – тип операции (чтение из порта или запись в порт). Данные передаются по шине данных.

Таким образом, центральный процессор и модули ввода-вывода работают асинхронно: модули ввода непрерывно опрашивают свои входы, постоянно поддерживая в актуальном состоянии локальную память модуля, а центральный процессор периодически считывает значения из локальной памяти каждого модуля ввода во время фазы опроса входов (первая фаза рабочего цикла ПЛК). Модули вывода постоянно удерживают на выходах значения из своей локальной памяти.

Поэтому, как только значение локальной памяти модуля вывода изменяется центральным процессором во время фазы установки выходов (третья фаза рабочего цикла ПЛК), на выходах модуля вывода устанавливаются новые значения.

Режимы работы ПЛК

В каждый момент времени ПЛК находится в одном из состояний [22]:

• выключен (OFF);

• останов (STOP);

• запуск или рестарт (STARTUP);

• выполнение (RUN);

• неисправность (ERROR).

В состоянии «выключен» ПЛК находится при отсутствии напряжения питания. После включения питания контроллер переходит в состояние «останов».

В состоянии «останов» ПЛК проверяет, существуют ли фактически все конфигурированные модули, и устанавливает выходы в предварительно определённое начальное состояние. В состоянии «останов» программа пользователя не выполняется.

В состоянии «запуск» различают типы запуска «холодный рестарт», «теплый рестарт» и «горячий рестарт».

При теплом рестарте рабочий цикл ПЛК начинается с опроса входов контроллера при текущих значениях всех внутренних переменных программы. Теплый рестарт – это повторный запуск, который выполняется вручную после перехода в состояние «останов» в случае появления критического события (неисправности) обработка которого не описана в программе контроллера (например, срабатывание сторожевого таймера).

При холодном рестарте рабочий цикл ПЛК начинается с начала (также при теплом рестарте). Все внутренние переменные принимают предварительно заданные значения из загрузочной памяти. Холодный рестарт может быть автоматическим (например, после пропадания питания, потери информации, хранящейся в оперативной памяти) или ручным (например, с помощью кнопки перезапуска).

При горячем рестарте выполнение программы возобновляется в точке приостанова программы. ГОСТ Р 51840-2001 [20] определяет горячий рестарт как повторный запуск после пропадания питания в течение максимально допустимого промежутка времени при котором происходит восстановление работоспособности ПЛК, как если бы пропадания питания и не было. Возможность горячего рестарта требует наличия автономно питаемого таймера для определения времени отсутствия питания, а также наличия доступных пользователю средств для задания максимального времени отсутствия питания для обслуживаемого технологического процесса. Горячий рестарт поддерживается далеко не всеми контроллерами.

Первый запуск после загрузки в контроллер конфигурации или программы выполняется в режиме холодного рестарта. После успешного рестарта контроллер переходит в состояние «выполнение».

В состоянии «выполнение» ПЛК выполняет программу пользователя, обновляет входы и выходы, обслуживает прерывания и обрабатывает сообщения об ошибках.

При возникновении отказа, либо какого-то иного события, обработка которого не реализована в программе контроллера, ПЛК переходит в состояние «неисправность». Состояние «неисправность» фактически соответствует состоянию «останов», за одним исключением – на модуле центрального процессора загорается индикатор неисправности, а в диагностический буфер ПЛК заносится запись о времени и типе возникшей неисправности.

На рис. 2.12 представлена карта переходов ПЛК из состояния в состояние. При включении контроллер попадает в состояние «останов». В состояние «выключен» контроллер может перейти из любого другого состояния при отключении питания. Из состояния «останов», контроллер переходит в состояние «запуск». В зависимости от ситуации, при которой контроллер был переведён в состояние «останов», это может быть холодный, теплый или горячий рестарт. В случае неуспешного запуска контроллер переходит в состояние «неисправность».

При успешном запуске, ПЛК переходит в состояние «выполнение», в котором может находиться сколь угодно долго. Из состояния «выполнение» контроллер может перейти в состояние «Останов» по команде оператора или программной инструкции, либо в состояние «неисправность» в случае возникновения исключительной ситуации. Из состояния «неисправность» по команде оператора через состояние «останов» контроллер может быть переведён в состояние «запуск».

 

 

Загрузка конфигурации ПЛК выполняется в состоянии «останов». Загрузка программы может производиться как в состоянии «останов», так и в состоянии «выполнение». Нужно отметить, что загрузка программы в состоянии «выполнение» поддерживается далеко не всеми контроллерами и обычно является очень удобным свойством ПЛК, например, при поэтапной разработке программы ПЛК, управляющего непрерывным технологическим процессом.

Для защиты данных программы на случай выключения питания ПЛК применяется буферная батарея, которая позволяет сохранять состояние рабочей памяти. Если в состав ПЛК входит буферная батарея, то в таком контроллере может быть реализован запуск в режиме теплого и горячего рестарта.

 

2.7. ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МОДУЛЕЙ ВВОДА-ВЫВОДА ПЛК

Модуль дискретного ввода

Принципиальная электрическая схема типового модуля дискретного ввода приведена на рис. 2.13. Дискретные датчики (Д0 … Д7) представляют собой ключи (электронные или механические – неважно). Замыкание соответствующего ключа замыкает электрическую цепь, подключая светодиод соответствующей опто-пары к источнику питания датчиков. Ток, протекающий через светодиод опто-пары, переводит транзистор оптопары в проводящее состояние и потенциал на его коллекторе становится равен нулю (относительно внутренней земли модуля), что соответствует логической единице в ТТЛ-логике. Если ток через светодиод не протекает (ключ разомкнут), то транзистор закрывается и на коллекторе устанавливается напряжение +5В (логический нуль). Текущие значения дискретных входов (логические нули и единицы) сохраняются в регистре данных (локальная память модуля), откуда в любой момент могут быть переданы по системной шине ПЛК по запросу модуля центрального процессора.

 

 

Возможен вариант, при котором питание датчиков осуществляется переменным напряжением, электрическая схема подключения датчиков к модулю дискретного ввода выглядит следующим образом (рис. 2.14). Два противоположно включенных параллельных светодиода оптопары обеспечивают открытие транзисторного ключа на каждом полупериоде сигнала.

В обеих схемах (рис. 2.13, 2.14) оптопары обеспечивают гальваническую развязку входов модуля с внутренними цепями.

К основным характеристикам модуля дискретного ввода относятся следующие:

• количество входов (каналов) и способ подключения сигнальных линий.

Количество каналов обычно кратно восьми. По способу подключения модули могут быть с дифференциальными входами (каждый вход − отдельная пара проводов) и с общей точкой (передача сигнала относительно общего провода − земли, см. рис. 2.13);

 

 

• количество входов в группах. Если подключение сигнальных линий осуществляется с общей точкой, то несколько входов объединяются в одну группу с общей землей;

• тип сигнала (постоянное/переменное напряжение). Для переменного напряжения дополнительно указывается допустимый диапазон частот сигнала, [Гц];

• уровень логического нуля, [В];

• уровень логической единицы, [В];

• входное сопротивление, [кОм];

• максимальная частота переключения входного сигнала, [Гц] или задержка распространения входного сигнала, [с];

• наличие гальванической развязки (гальваническая изоляция, UПРОБОЯ). Отсутствие изоляции снижает стоимость модуля, но повышает риск выхода контроллера из строя при попадании на сигнальные линии датчика силового напряжения.

 

Модуль дискретного вывода

Принципиальная электрическая схема модуля дискретного вывода представлена на рис. 2.15. Программа ПЛК сохраняет нужное состояние дискретных выходов контроллера в области памяти дискретных выходов, которая затем, во время установки выходов записывается в регистр данных (локальную память модуля дискретного вывода). Модуль дискретного вывода устанавливает на своих выходах соответствующие значения. Логическая единица на любом из выходов регистра данных приводит к появлению разности потенциалов между выходами светодиода оптопары и, как следствие, протеканию тока через светодиод, что, в свою очередь, приводит открытию транзисторного ключа и подачи напряжения на соответствующий исполнительный механизм (ИМ, рис. 2.15). На рис. 2.15 приведена схема модуля дискретного вывода с транзисторными ключами с восемью выходами, объединёнными в одну группу с общей точкой (DO общ) и внешним источником питания постоянного тока. Для защиты транзисторных ключей от сгорания параллельно им подключены стабилитроны, которые ограничивают максимальный ток через транзисторный ключ.

 

 

Использование транзисторного ключа для управления дискретным выходом обеспечивает высокое быстродействие выходов; отсутствие механических контактов – высокую износостойкость. Однако транзисторный ключ не позволяет коммутировать большие токи, а также требует учитывать полярность коммутируемого напряжения, а значит, может работать только с постоянным напряжением.

Перечисленных недостатков лишены модули дискретного вывода с релейным выходом (рис. 2.16). Вход «Упр.» подключается к одному из выходов регистра данных. При появлении на входе «Упр.» логической единицы, т.е. потенциал на эмиттере становится равен нулю, транзистор открывается и через катушку реле протекает ток, что приводит к срабатыванию реле и замыканию контакта реле.

Контакты реле могут коммутировать напряжение любого вида (постоянное, переменное, любое другое). При появлении на входе «Упр.» логического нуля (потенциал +5 В) ток по цепи «база–эмиттер» не протекает и транзистор переходит в непроводящее состояние. Катушка реле обесточивается, реле отключается, и электрическая цепь исполнительного механизма разрывается. Поскольку катушка реле является индуктивной нагрузкой, то ток через неё моментально измениться не может (первое правило коммутации) [7]. Поэтому, чтобы защитить транзисторный ключ параллельно катушке реле включается диод. Когда через катушку протекает ток, через диод, включенный встречно, ток не течёт. При закрытии транзистора через диод протекает ток, индуцированный катушкой реле не вызывая увеличения потенциала на коллекторе транзистора.

 

На рис. 2.16 для управления включением реле используется обычный транзистор, а не оптопара, поскольку само реле выступает в качестве гальванической развязки.

Можно сказать, что реле является полной противоположностью транзисторного ключа: недостатки одного являются достоинствами другого. Реле позволяет коммутировать напряжение независимо от полярности. Реле, встраиваемые в модули дискретного вывода, обеспечивают коммутацию достаточно больших токов – до 8 Ампер. Для сравнения: транзисторные ключи обычно коммутируют токи не более 0,5 Ампер. Однако реле обладают сравнительно невысоким быстродействием и ограниченным ресурсом из-за искрения и обгорания контактов при размыкании цепи [26].

На рис. 2.16 показано реле с нормально разомкнутым (нормально открытым) контактом. Т.е. при отсутствии питания катушки реле цепь разомкнута. Возможно, использование в составе модуля дискретного вывода реле с нормально замкнутыми (нормально закрытыми) контактами. Такие реле реализуют инверсную логику и используются в системах управления в тех случаях, когда по требованиям безопасности при пропадании питания контроллера цепи дискретного выхода должны оставаться замкнутыми. Иногда релейный выход называют выходом типа «сухой контакт».

Промежуточное положение между транзисторными и релейными дискретными выходами занимают модули с симисторовыми выходами (рис. 2.17). Симисторы довольно часто называют «твердотельными реле», термин появился как перевод соответствующего английского термина –solid state relay. Они имеют высокое быстродействие, в них отсутствуют механические контакты и одновременно их конструкция не накладывает никаких ограничений на характер питающего напряжения.

 

На рис. 2.17 представлен один из вариантов реализации схемы управления симисторовым выходом. С помощью маломощного симистора, входящего в состав оптопары осуществляется управление обычными силовыми симисторами, которые замыкают электрическую цепь, подключая исполнительный механизм к источнику питания [26, 27].

К основным характеристикам модуля дискретного вывода относятся следующие:

• количество выходов (каналов) и способ подключения сигнальных линий (с общим проводом, изолированные);

• количество выходов в группах;

• тип сигнала. Тип сигнала зависит в первую очередь от того, как реализован коммутирующий элемент. Соответственно различают модули с транзисторными ключами, реле и симисторами. Иногда встречаются модули с транзисторными ключами и внутренним источником напряжения. В этом случае уже говорят не о замыкании или размыкании электрической цепи с помощью дискретного выхода, а о подаче/снятии напряжения на дискретном выходе;

• для транзисторных ключей указываются:

      напряжение логического нуля, [В];

      напряжение логической единицы, [В];

      максимальный выходной ток логической единицы, [А];

• для релейных выходов указываются:

     логика – прямая или инверсная (нормально открытые или нормально закрытые контакты реле);

     номинальное коммутируемое напряжение, [В];

     коммутационная способность контактов (максимальный коммутируемый ток), [А];

     количество циклов срабатывания контактов (обычно – до нескольких миллионов);

• для симисторовых выходов указываются:

     номинальное коммутируемое напряжение, [В];

     максимальный коммутируемый ток, [А];

• частота переключений выходов при разных типах нагрузки (активная, индуктивная, емкостная), [Гц]. При этом указывается предельно допустимая индуктивность [Гн] и ёмкость [мкФ] нагрузки;

• наличие гальванической развязки.

 

Модуль аналогового ввода

  Обработка аналоговых сигналов начинается с фильтрации всех высокочастотных помех, наводимых в сигнальных проводах при передаче сигнала, с помощью фильтра низких частот (ФНЧ, рис. 2.21). Отфильтрованные измерительные сигналы собираются в мультиплексоре. Это устройство, которое имеет адресные входы, несколько информационных входов и один выход. В зависимости от адреса, один из входов коммутируется на выход. Основное назначение мультиплексора – уменьшить общую стоимость модуля аналогового ввода за счёт применения только одного устройства обработки сигналов (в данном случае – аналогово-цифровой преобразователь, АЦП), которое обычно существенно дороже мультиплексора для всех входных сигналов. В АЦП происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой. К выходам АЦП подключаются параллельно все регистры данных (РД) буфера данных [1].

 

 

С помощью мультиплексора входы модуля поочерёдно подключаются ко входу АЦП. Одновременно с переключениями мультиплексора дешифратор буфера данных переключает подачу разрешающего сигнала «запись» (WR) на управляющий вход очередного регистра данных. Таким образом, цифровой сигнал на выходе АЦП, соответствующий i-тому входу запоминается в i-том регистре данных локальной памяти модуля. Управление переключениями мультиплексора и дешифратора осуществляет функциональный узел «Логика управления переключениями», который обычно реализуется микроконтроллером модуля. Частота переключений мультиплексора определяется временем АЦ-преобразования, что, в свою очередь, влияет на стоимость АЦП и модуля аналогового ввода в целом: чем меньше время преобразования, тем выше стоимость. От времени АЦ-преобразования зависит и частота обновления значений в регистрах данных.

Так, например, для модуля аналогового ввода со временем АЦ-преобразования 500 мс и восемью каналами, значение в регистре данных для каждого входа будет обновляться один раз в четыре секунды. Другими словами – частота сканирования или частота выборки в этом случае составляет 0,25 Гц.

Таким образом, модуль аналогового ввода представляет собой экстраполятор нулевого порядка с определённым периодом квантования. Экстраполятор нулевого порядка может рассматриваться как фильтр низких частот (теорема Котельникова-Шеннона, [2]), в связи с этим некоторые производители модулей позволяют настраивать время АЦ-преобразования. Иногда от настроенного времени АЦ-преобразования зависит точность преобразования.

Буфер данных (локальная память модуля) хранит результаты последнего измерения значений сигналов для каждого входа. По запросу центрального процессора эти данные передаются по системной шине для размещения в соответствующей области памяти.

Электрическая схема модуля аналогового ввода представлена на рис. 2.22.

В составе модуля используются два мультиплексора (АМХ) – по одному на каждый провод измерительной цепи. Использование одного мультиплексора можно встретить в модулях с общей точкой подключения каналов, однако обычно такие модули редко используются, поскольку такая конструкция приводит к возникновению резистивной связи между измерительными каналами. Иногда два аналоговых мультиплексора конструктивно объединяются в одну микросхему.

Обратите внимание, гальваническая развязка расположена после АЦП. Хотя АЦП – дорогое устройство, однако, изготовление гальванической развязки аналогового сигнала с линейной характеристикой ещё более дорогостоящая и трудноосуществимая задача, поэтому гальванически развязывают линии передачи дискретных сигналов после АЦП.

При подключении токовых информационных сигналов сила тока оценивается по падению напряжения на шунтирующем сопротивлении с известным номиналом. Многие производители встраивают прецизионные шунтирующие сопротивления в модули аналогового ввода, поэтому при измерении токового сигнала достаточно подключить сопротивление параллельно входу модуля аналогового ввода (рис. 2.23).

 

 

 

Модуль аналогового вывода

Функциональная схема модуля аналогового вывода представлена на рис. 2.24. Значения из области аналоговых выводов пересылаются в локальную память модуля. К информационным выходам каждого регистра данных (РД) через гальваническую развязку (ГР) подключен цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), который преобразует цифровой код на входе в уровень напряжения на выходе. Аналоговый сигнал с выхода ЦАП поступает на фильтр низких частот и далее, через выходной усилительный каскад (ВК) – на входы исполнительных устройств и механизмов. Здесь уже не используется мультиплексор. Во-первых, стоимость ЦАП не так высока, а во-вторых, и это главное, при использовании мультиплексора пришлось бы включать в состав модуля функциональное устройство способное хранить значение сигнала не в виде цифрового кода, а в аналоговой форме в виде уровня напряжения, что труднореализуемо.

 

 

Реализация выходного усилительного каскада может быть выполнена различными способами. Например, компания ICPCon (Тайвань) [29] при реализации модуля аналогового вывода I-8024 использует следующую схему (рис. 2.25). Аналоговый сигнал может передаваться напряжением, либо током. В случае использования аналогового сигнала напряжения, исполнительное устройство подключается к выходам U и GND. Фактически, на выходе модуля поддерживается заданное напряжение, при этом реальное напряжение на исполнительном механизме никак не контролируется. В случае использования токового сигнала, на клемму выхода U дополнительно подключается выход I, который используется для организации обратной связи по току.