Программируемый контроллер

Основная роль

Впервые эти вычислительные приборы были использованы в автомобильной промышленности в 60-х годах XX века для автоматизации линий сборки машин. Аппаратный способ программирования с одной стороны удешевлял производственный процесс, а с другой — требовал сложного перенастраивания одной технологической линии на другую. Для упрощения процесса настройки были выпущены контроллеры, имеющие в основе схему соединения реле.

Позднее появилась возможность программировать устройства с использованием машинно-ориентировочного языка. Однако такая настройка требовала внесения серьёзных изменений в систему управления, поэтому началась разработка языков программирования, упрощающих использование контроллеров. Сегодня основными являются классические алгоритмические языки и языки МЭК 61131−3.

Современные программируемые микроконтроллеры нашли довольно широкое применение. Их используют:

  • в сигнализации и противоаварийной защите;
  • в станках с числовым программным управлением;
  • в системах жизнеобеспечения зданий;
  • при архивировании и сборе информации;
  • в медицинской технике;
  • для управления роботизированной техникой и космическими кораблями;
  • при испытаниях различной продукции и т. д.

Программные локальные контроллеры выполняют роль не только автономного оборудования для управления работой различных технологических установок. Они также являются важной составляющей частью широкомасштабных систем больших предприятий.

Механизм действия

Существуют разные модели ПЛК, однако принцип работы контроллера любого типа одинаков.

Внутри логического элемента располагается светодиод, обеспечивающий электрически изолированный высокий сигнал. Возникновение такого сигнала происходит в момент, когда переменный ток напряжением 120 вольт устанавливается между общей и входной клеммой.

Работа программируемого контроллера определяется специальной программой, составляемой и просматриваемой с помощью компьютера, соединённого с портом программирования ПЛК. Программа логического элемента отличается от схемы реле отсутствием реальных контактов переключателя или катушек реле, необходимых для создания связей между входом и выходом внутри контроллера. Все контакты являются мнимыми.

Программируемый контроллер связан с кнопочным переключателем. Этот выключатель может находиться в двух положениях:

  1. Выключенном. Сигнал на вход не поступает. В соответствии с действующей программой выход будет обесточенным. Об этом свидетельствует погасший индикатор.
  2. Включенном. Сигнал попадёт на вход, все контакты в программе активируются. От закрытого контакта сигнал транслируется на катушку. При поступлении напряжения на неё выход осветится с помощью подключённого индикатора.

Все видимые на мониторе компьютера сигналы являются не реальными электрическими компонентами, а виртуальными. Их присутствие в программном обеспечении необходимо только для напоминания о том, что происходит в схеме.

В процессе функционирования программного логического контроллера компьютер играет второстепенную роль. Он необходим лишь для написания основной программы действий и отслеживания происходящих процессов. Все поступающие команды контроллер выполняет самостоятельно без участия ПК.

Программа логического элемента может быть изменена в любой момент. При корректировке отдельных команд необходимости в полной перенастройке всех подключённых компонентов нет. Алгоритмы действия логических элементов могут создаваться с помощью собственной лицевой панели, переносного программатора, монитора, мыши и клавиатуры.

Главным преимуществом программируемого логического контроля, в отличие от контроля посредством оборудования, является возможность использования сигналов неограниченное количество раз (в зависимости от потребностей).

Разновидности логических приборов

Широкий спектр задач, которые решаются с помощью программируемых устройств, оказывает влияние на выбор подходящего контроллера.

При этом следует учитывать основные характеристики прибора:

  • температурный режим;
  • надёжность;
  • наличие сертификатов на использование;
  • производитель.

При классификации ПЛК учитывается несколько факторов. Одним из них является расположение входных и выходных модулей. В соответствии с этим признаком контроллеры бывают:

  1. Моноблочными. Имеют единую конструкцию. Устройство ввода-вывода является стационарным и не подлежит замене.
  2. Модульными. Входы и выходы выполняются в виде отдельных корпусов, которые располагаются в единой корзине. Пользователь может самостоятельно выбирать комбинацию сменных модулей в зависимости от того, какую задачу они должны решить.
  3. Распределёнными. В них удалённые модули входа/выхода соединяются с модулем контроллера по сети на основе интерфейса RS-485. Такой способ соединения позволяет располагать элементы на расстоянии до 1 км от основного модуля.

Отдельные виды логических аппаратов могут комбинироваться. Таким способом создаётся программируемое оборудование с увеличенным количеством каналов.

ПЛК можно устанавливать на стену, панель, дверцу шкафа или DIN-рейку. В специальном оборудовании могут использоваться бескорпусные одноплатные приборы.

В разных сферах используются различные программируемые контроллеры. В зависимости от области применения они делятся на универсальные, специализированные, коммуникационные и ПИД-контроллеры. Часто с их помощью осуществляется контроль позиционирования и перемещения, а также управление роботами.

Процессорный модуль

Важная функциональная роль в ПЛК отводится главному процессорному модулю. Он включает в себя центральный и процессорный аппарат, запоминающие устройства, сторожевой датчик и часы, отображающие реальное время. Главными параметрами такого модуля считаются тактовая частота, разрядность, тип поддерживающих портов, операции с плавающей точкой, температурный режим работы и потребляемая мощность.

Устройства, отвечающие за обработку большого количества цифровых данных, комплектуются дополнительным математическим процессорным модулем, выполняющим действия с плавающей точкой, либо сигнальным процессором, производящим математические действия за один такт и позволяющим ускорить свёртку. Для процессоров этого типа важной характеристикой является ёмкость памяти.

В роли сторожевого датчика может использоваться счётчик, считывающий импульсы тактового генератора и периодически перезапускающийся с помощью работающего процессора.

Встроенные часы кварцевого типа питаются от батарейки и продолжают показывать время даже в случае выключения логического контроллера. Они требуются для управления работой уличных осветительных приборов, охранных систем и другого оборудования, работа которого привязана к астрономическому времени.

С помощью главного процессорного модуля осуществляется сбор информации из входных модулей и отправка на модуль выхода, обмен сведениями при программировании прибора, стёк протоколов промышленной сети.

Также процессор отвечает за начальную загрузку операционной системы и выполнение ею основных задач, исполнение загрузочного модуля программы, установленной пользователем, и контроль за обменными актами памяти.

Принцип работы ПЛК

ПЛК работает по циклическому принципу. В самом начале цикла ПЛК сканирует состояния входов, на которые поступают сигналы от датчиков и устройств. Затем в соответствии с алгоритмом программы происходит вычисление состояния выходов. В конце рабочего цикла контроллер устанавливает каждый выход в состояние, которое было определено.

1. Чтение состояний входов

2. Выполнение программы пользователя

3. Запись состояний выходов

Указанные этапы цикла выполняются последовательно – это означает, что изменения состояний входов не будут «замечены» контроллером во время выполнения программы. По этой причине одним из важнейших параметров ПЛК является время реакции. Если оно окажется больше, чем минимальный период изменения состояний входов, некоторые события, происходящие в системе, будут «пропущены» контроллером.

Также стоит учесть, что и датчики реагируют на изменения в системе не мгновенно. Поэтому полное время реакции системы управления складывается из времени реакции ПЛК и времени реакции датчиков.

Время реакции системы — время с момента изменения состояния системы до момента выработки соответствующей реакции (принятия решения).

Входы и выходы ПЛК

Дискретные входы – предназначены для ввода сигналов от дискретных датчиков (кнопки, тумблеры, концевые выключатели, термостаты и др.). Напряжение сигнала унифицировано для всех ПЛК и составляет 24 В. Проще говоря, при «появлении» на входе контроллера напряжение 24 В – ПЛК будет считать этот вход «включенным», то есть он примет значение логической «1» в восприятии контроллера.

Дискретные выходы – предназначены для управления устройствами по принципу «включить/выключить» (магнитные пускатели, лампочки, клапаны и др.). Дискретный выход – это обычный контакт, который может замкнуть или разомкнуть управляющую или питающую цепь устройства.

Аналоговые входы – предназначены для ввода непрерывного сигнала с датчиков и других устройств. Существует два основных вида унифицированных аналоговых сигналов: по току – 4..20 мА, по напряжению 0..10 В. Например, датчик температуры имеет диапазон -10 — +70 °С, тогда 4мА на выходе соответствует -10 °С, а 20мА – это +70 °С. С аналоговыми сигналом по напряжению всё аналогично.

Аналоговые выходы – предназначены для плавного управления устройствами. Унифицированные значения аналогового сигнала на выходах такое же, как и на входах – 4..20мА (0..10В). Например, вентиль может поворачиваться в пределах от 0° до 90°. Ток 4мА повернёт его в положение 0°, а 20мА – в положение 90°. Для того, чтобы повернуть его на 45°, нужно подать на него управляющий сигнал 8мА. Таким образом, меняя значение силы тока на выходе, контроллер может поворачивать вентиль на заданный угол.

Специализированные входы/выходы – не унифицированы, применяются для подключения нестандартных датчиков и исполнительных устройств со специфическим уровнем сигнала, питанием и программной обработкой.

Контроллер для электровелосипеда и электроскутера

Т.к. коллекторные двигатели и соответствующие контроллеры для электровелосипедов уже практически не применяются, в этой статье будут рассматриваться контроллеры для бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC, PMSM). Такие контроллеры получили широчайшее распространение и контроллер для электровелосипеда купить проще простого.

Итак, зачем нужен контроллер? Во-первых он нужен для того чтобы электродвигатель, как внешний, так и мотор-колесо (далее МК) в принципе мог запуститься. Ведь у батареи два полюса – «плюс» и «минус», а у МК три фазных провода, и подключить, напрямую не получится. Контроллер создает вращающееся магнитное поле в обмотке статора, получая обратную связь о положении ротора либо по датчикам Холла, либо по противо-ЭДС (при управлении двигателями без датчиков). Во-вторых, контроллер обеспечивает управление двигателем: позволяет регулировать скорость вращения электродвигателя, обеспечивает торможение двигателем (рекуперация). Контроллер работает по принципу понижающего преобразователя, и благодаря этому, фазный ток, протекающий по обмоткам электродвигателя, может значительно превышать батарейный ток, протекающий от батареи до контроллера. Именно контроллер определяет мощность, поступающую в электродвигатель, если у Вас есть МК номинальной мощностью 1кВт, то при «правильном» контроллере возможно кратковременно «вкачивать» до 2-2,5кВт мощности, при постоянном контроле температуры, разумеется.

Подключение контроллера электровелосипеда

С подключением контроллера электровелосипеда обычно не возникает проблем, но если Вы делаете это в первый раз, то вас может отпугнуть обилие разноцветных проводов. Если Вы купили комплект контроллер + мотор-колесо, то их разъемы должны совпадать, если нет, то общий принцип такой: толстые черный» -» и красный» +» провода подключаются к батарее (не перепутайте полярность!); три толстых провода, обычно синий + зеленый + желтый подключаются к соответствующим фазным проводам трехфазного электродвигателя; пучок из 5 тонких проводков черный + красный + синий + зеленый + желтый (питание и сигналы датчиков Холла) подключаются к соответствующим проводам МК; одиночный тонкий красный провод – «зажигание», при замыкании этого провода на» +» батареи контроллер включается; три провода черный + красный + зеленый (иногда белый) это ручка газа; с остальными проводами четкой системы уже нет, они могут быть различных цветов. В момент подключения контроллера к батарее может возникнуть «искра», даже могут подгореть разъемы, не пугайтесь, это заряжаются входные конденсаторы контроллера. Избежать этого можно кратковременно соединив контроллер и батарею через резистор в несколько десятков Ом или используя автомобильную лампочку, после зарядки конденсаторов можно будет соединить их напрямую.

Типы контроллеров для электровелосипедов

и электроскутеров

По типу обратной связи с двигателем контроллеры подразделяются на: предназначенные для работы с датчиками Холла; предназначенные для работы без датчиков; универсальные, способные работать как с датчиками Холла, так и без.

Контроллеры различаются по форме выходного сигнала: одни создают сигналы прямоугольной формы (так называемый меандр, такие контроллеры обычно дешевле),

другие могут создавать чистую синусоиду. Существует и промежуточный вариант «модифицированная синусоида», можно сказать сглаженный меандр, но такие контроллеры не пользуются популярностью.

При использовании меандровых контроллеров Вы получите немного большую скорость вращения, чем при использовании синусных, но за это придется расплачиваться повышенным шумом двигателя, возникающем из-за микровибрации обмоток двигателя под действием сигнала такой формы. При использовании синусного контроллера Вы будете наслаждаться тишиной, но немного потеряете в максимальной скорости при таком же напряжении батареи.

Контроллеры могут по-разному реагировать на сигналы ручки газа, в одних вы управляете скоростью, в других мощностью, или даже крутящим моментом.

Как выбрать контроллер для электровелосипеда?

На контроллере, как правило, имеется маркировка с основными его параметрами: номинальное рабочее напряжение, максимальный батарейный ток, иногда указывается номинальная мощность электродвигателя для которого этот контроллер предназначен. Например, если на контроллере имеется вот такая маркировка,

то это означает, что этот контроллер для бесщеточного электродвигателя номинальной мощностью 350Вт, предназначен для подключения к батарее номинальным напряжением 36В (максимальное напряжение около 44В); минимальное напряжение батареи, при котором контроллер отключится 31,5В; максимальный батарейный ток 25А. Датчики Холла должны быть расположены в электродвигателе через 60, либо 120 электрических градусов. Чтобы определить мощность контроллера нужно умножить максимальное напряжение на максимальную силу тока, в результате получим максимальную мощность контроллера, т.е. 44В*25А=1100Вт. Разброс по мощности контроллеров очень широк, для электровелосипедов обычно применяются контроллеры номинальной мощностью от 350-2кВт, для электроскутеров 1-4кВт, электромотоциклов 5-10кВт, электромобилей 10-50кВт и более.

Контроллер, предназначенный для работы с 36В батареей нельзя подключать к более высоковольтным батареям, сначала нужно вскрыть контроллер и убедиться, что установленные внутри силовые транзисторы и конденсаторы рассчитаны на такое напряжение, также может потребоваться замена резистора в делителе напряжения. Так что без опыта работы с паяльником лучше не экспериментировать. Существуют универсальные контроллеры с широким диапазоном входного напряжения, например 48-72В, или даже 24-100В.

Как купить подходящий контроллер для электровелосипеда или электроскутера?

Выбор контроллеров в настоящее время позволяет не бросаться на первые обнаруженные модели в интернете, а выбрать действительно именно то, что нужно. В отличие от обычных интернет-магазинов, предлагающих контроллеры есть продвинутые мастерские, позволяющие дополнительно вывести провода из контроллера под необходимые вам функции. Большинство печатных плат контроллеров имеют максимальный функционал, но изначально при поставке он выводится не весь. Допустим, может быть отключена рекуперация или не выведен задний ход или круиз-контроль. Эти и многие другие функции можно вывести сразу при покупке контроллера по приемлемой цене. В дополнение можно сказать, что существуют различные ценовые линейки контроллеров. В Москве представлены контроллеры, начиная от контроллеров для внутреннего Китайского рынка выполненные по схеме дешево и сердито, предназначенные для того чтобы ехать, они как в основном двух режимные, способные работать как с датчиками Холла, так и без них. Далее идут экспорные китайские контроллеры с подключаемыми дисплеями и беспроводным управлением и немецкие и американские контроллеры, представляющие линейку дорогих контроллеров электровелосипедов.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *