November 20,2024
Análisis de la estructura básica, selección y diseño de PLC
Estructura básica La esencia de una controlador lógico programable Es una computadora dedicada al control industrial. Su estructura de hardware es básicamente la misma que la de una microcomputadora. La estructura básica es: 1. Fuente de alimentación La fuente de alimentación del controlador lógico programable (PLC) desempeña un papel fundamental en todo el sistema. Sin una fuente de alimentación adecuada y fiable, no puede funcionar correctamente. Por lo tanto, el fabricante del PLC también concede gran importancia al diseño y la fabricación de la fuente de alimentación. Generalmente, la fluctuación de la tensión de CA se encuentra en un rango de +10 % (+15 %), y el PLC puede conectarse directamente a la red eléctrica de CA sin necesidad de otras medidas. 2. Unidad central de procesamiento (CPU) La unidad central de procesamiento (CPU) es el centro de control del controlador lógico programable. Recibe y almacena el programa de usuario y los datos introducidos por el programador según las funciones asignadas por el programa del sistema; verifica el estado de la fuente de alimentación, la memoria, las E/S y el temporizador de advertencia, y puede diagnosticar errores de sintaxis en el programa de usuario. Al ponerse en funcionamiento, el controlador lógico programable recibe primero el estado y los datos de cada dispositivo de entrada local mediante un escaneo y los almacena en el área de imagen de E/S correspondiente. A continuación, lee el programa de usuario de la memoria de programa de usuario uno por uno. Tras interpretar el comando, los resultados de la operación lógica o aritmética se envían al área de imagen de E/S o al registro de datos según las instrucciones. Tras la ejecución de todos los programas de usuario, el estado de salida del área de imagen de E/S o los datos del registro de salida se transmiten finalmente al dispositivo de salida correspondiente, y el ciclo se repite hasta su finalización. Para mejorar aún más la confiabilidad del PLC, los PLC grandes también están equipados con CPU duales para formar un sistema redundante, o un sistema de votación de tres CPU, de modo que incluso si una CPU falla, todo el sistema puede seguir funcionando normalmente. 3. Memoria La memoria que almacena el software del sistema se denomina memoria del programa del sistema. La memoria que almacena el software de aplicación se denomina memoria de programa de usuario. 4. Circuito de interfaz de entrada y salida 4.1. El circuito de interfaz de entrada de campo consta de un circuito de acoplamiento óptico y un circuito de interfaz de entrada de microcomputadora, y sirve como canal de entrada de la interfaz entre el controlador lógico programable y el control de campo. 4.2. El circuito de interfaz de salida de campo está integrado con el registro de datos de salida, el circuito de selección y el circuito de solicitud de interrupción, y el controlador lógico programable emite la señal de control correspondiente al componente de ejecución de campo a través del circuito de interfaz de salida de campo. 5. Módulos funcionales Como conteo, posicionamiento y otros módulos funcionales. 6. Módulo de comunicación Selección de PLC y análisis de casos Al seleccionar un PLC, se deben analizar detalladamente las características del proceso y los requisitos de control, definir las tareas y el alcance del control, determinar las operaciones y acciones requeridas, y estimar el número de puntos de entrada y salida, la capacidad de memoria requerida, y determinar las funciones del PLC y las características de los dispositivos externos según los requisitos de control. Finalmente, se debe seleccionar un PLC con una mejor relación calidad-precio y diseñar el sistema de control correspondiente. A continuación detallaremos los puntos a los que se debe prestar atención a la hora de elegir un PLC: 1. Estimación de puntos de entrada y salida (E/S)Se debe considerar un margen adecuado al estimar el número de puntos de E/S. Generalmente, con base en el número estadístico de puntos de entrada y salida, se añade un margen expandible del 10 % al 20 % como dato estimado para el número de puntos de entrada y salida. 2. Estimación de la capacidad de memoria. La capacidad de memoria es el tamaño de la unidad de almacenamiento de hardware que el controlador programable puede proporcionar, y la capacidad del programa es el tamaño de la unidad de almacenamiento utilizada por el proyecto de aplicación del usuario en la memoria; por lo tanto, la capacidad del programa es menor que la capacidad de memoria. Para obtener una estimación precisa de la capacidad del programa durante el diseño y la selección, se suele utilizar la estimación de la capacidad de memoria como alternativa. En general, es de 10 a 15 veces el número de puntos de E/S digitales, más 100 veces el número de puntos de E/S analógicos. Este número representa el número total de palabras en la memoria (16 bits equivalen a una palabra), y el 25 % restante se considera un margen.3. Selección de funciones de control; esta selección incluye la selección de características como función de cálculo, función de control, función de comunicación, función de programación, función de diagnóstico y velocidad de procesamiento. (1) Función de operación; la función de operación de un PLC simple incluye operación lógica, temporización y conteo; la función de operación de un PLC ordinario también incluye desplazamiento de datos, comparación y otras funciones de operación; las funciones de operación más complejas incluyen operación algebraica, transmisión de datos, etc.; los PLC grandes también incluyen operación PID analógica y otras funciones de operación avanzadas. Con la aparición de los sistemas abiertos, los PLC ahora tienen funciones de comunicación. Algunos productos se comunican con computadoras de nivel inferior, otros con la misma computadora o con una computadora de nivel superior, y otros también tienen la función de comunicación de datos con la red de fábrica o empresa. Al diseñar y seleccionar, debemos partir de los requisitos de la aplicación real y seleccionar razonablemente las funciones de operación requeridas. En la mayoría de las aplicaciones, solo se requieren operación lógica y temporización y conteo. Algunas aplicaciones requieren transmisión y comparación de datos. Para la detección y el control analógicos, se utilizan operación algebraica, conversión numérica y operación PID. Se requieren operaciones de decodificación y codificación para mostrar los datos. (2) Funciones de control: Las funciones de control incluyen operaciones de control PID, control de compensación de avance, control de relación, etc., que deben determinarse según los requisitos de control. El PLC se utiliza principalmente para el control lógico secuencial. Por lo tanto, se suelen utilizar controladores de lazo simple o múltiple para el control analógico. En ocasiones, también se utilizan unidades inteligentes de entrada y salida dedicadas para completar las funciones de control requeridas, aumentar la velocidad de procesamiento del PLC y optimizar la memoria. Por ejemplo, se utilizan unidades de control PID, contadores de alta velocidad, unidades analógicas con compensación de velocidad, unidades de conversión de código ASC, etc. (3) Función de comunicación: Los sistemas PLC grandes y medianos deben ser compatibles con diversos buses de campo y protocolos de comunicación estándar (como TCP/IP), y deben poder conectarse a la red de gestión de la fábrica (TCP/IP) cuando sea necesario. El protocolo de comunicación debe cumplir con los estándares de comunicación ISO/IEEE y ser una red de comunicación abierta. La interfaz de comunicación del sistema PLC debe incluir interfaces de comunicación en serie y en paralelo (RS 232C/422A/485), puerto de comunicación RIO, Ethernet industrial, interfaz DCS común, etc.; las principales formas de la red de comunicación del sistema PLC son las siguientes: 1) El PC es la estación maestra y varios PLC del mismo modelo son estaciones esclavas, formando una red PLC simple; 2) Un PLC es la estación maestra y otros PLC del mismo modelo son estaciones esclavas, formando una red PLC maestro-esclavo; 3) La red PLC está conectada a un DCS grande como una subred del DCS a través de una interfaz de red específica; 4) Red PLC dedicada (red de comunicación PLC dedicada de cada fabricante). Para reducir la tarea de comunicación de la CPU, de acuerdo con las necesidades reales de la composición de la red, se deben seleccionar procesadores de comunicación con diferentes funciones de comunicación (como punto a punto, bus de campo, Ethernet industrial). (4) Función de programación; Modo de programación sin conexión: El PLC y el programador comparten una CPU. Cuando el programador está en modo de programación, la CPU solo le proporciona servicios y no controla el equipo de campo. Una vez completada la programación, el programador pasa al modo de ejecución, donde la CPU controla el equipo de campo y no puede programarse. La programación sin conexión puede reducir los costos del sistema, pero su uso y depuración son incómodos. Modo de programación en línea: La CPU y el programador tienen sus propias CPU. La CPU del host es responsable del control de campo e intercambia datos con el programador dentro de un ciclo de escaneo. El programador envía el programa o los datos compilados en línea al host. En el siguiente ciclo de escaneo, el host ejecuta el programa recién recibido. Este método es más costoso, pero la depuración y el funcionamiento del sistema son convenientes, y se utiliza a menudo en PLC grandes y medianos. (5) Función de diagnósticoLa función de diagnóstico del PLC incluye el diagnóstico de hardware y software. El diagnóstico de hardware determina la ubicación de la falla mediante la lógica del hardware, mientras que el diagnóstico de software se divide en diagnóstico interno y diagnóstico externo. El diagnóstico del rendimiento y la función internos del PLC mediante software se denomina diagnóstico interno, y el diagnóstico del intercambio de información entre la CPU del PLC y los componentes externos de entrada y salida mediante software se denomina diagnóstico externo.La fortaleza de la función de diagnóstico del PLC afecta directamente las capacidades técnicas requeridas de los operadores y el personal de mantenimiento, y afecta el tiempo promedio de reparación. (6) Velocidad de procesamientoEl PLC funciona en modo de escaneo. Desde la perspectiva de los requisitos de tiempo real, la velocidad de procesamiento debe ser lo más rápida posible. Si la duración de la señal es menor que el tiempo de escaneo, el PLC no podrá escanearla, lo que resultará en la pérdida de datos de la señal. La velocidad de procesamiento está relacionada con la longitud del programa de usuario, la velocidad de procesamiento de la CPU, la calidad del software, etc. Actualmente, los contactos del PLC tienen una respuesta rápida y alta velocidad. El tiempo de ejecución de cada instrucción binaria es de aproximadamente 0,2 a 0,4 ls, por lo que puede adaptarse a las necesidades de las aplicaciones con altos requisitos de control y requisitos de respuesta rápida. El ciclo de escaneo (ciclo de escaneo del procesador) debe cumplir con los siguientes requisitos: el tiempo de escaneo de los PLC pequeños no es superior a 0,5 ms/K; el tiempo de escaneo de los PLC grandes y medianos no es superior a 0,2 ms/K. 4. Selección del modelo (1) Tipos de PLCLos PLC se dividen en dos categorías según su estructura: integrales y modulares. Según el entorno de aplicación, se dividen en dos categorías: instalación en campo e instalación en sala de control. Se dividen en 1 bit, 4 bits, 8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits, etc., según la longitud de palabra de la CPU. Desde el punto de vista de la aplicación, generalmente se puede seleccionar según la función de control o los puntos de entrada y salida. Los puntos de E/S de los PLC integrales son fijos, por lo que los usuarios tienen menos margen de elección y se utilizan en sistemas de control pequeños; los PLC modulares ofrecen una variedad de tarjetas de E/S o tarjetas enchufables, lo que permite a los usuarios seleccionar y configurar razonablemente los puntos de E/S del sistema de control. La expansión de funciones es conveniente y flexible, y generalmente se utiliza en sistemas de control grandes y medianos. (2) Selección de módulos de entrada y salida: La selección de módulos de entrada y salida debe ser coherente con los requisitos de la aplicación. Por ejemplo, para los módulos de entrada, se deben considerar requisitos como el nivel de señal, la distancia de transmisión, el aislamiento y el método de alimentación. Para los módulos de salida, se debe considerar el tipo de módulo. Generalmente, los módulos de salida de relé se caracterizan por su bajo precio, amplio rango de voltaje, corta vida útil y largo tiempo de respuesta. Los módulos de salida de tiristor son adecuados para conmutaciones frecuentes y cargas inductivas de bajo factor de potencia, pero son más caros y tienen baja capacidad de sobrecarga. Los módulos de salida también incluyen salida de CC, salida de CA y salida analógica, que deben ser coherentes con los requisitos de la aplicación. Según los requisitos de la aplicación, se pueden seleccionar módulos de entrada y salida inteligentes para mejorar el nivel de control y reducir los costos. Considere si se necesita un rack de expansión o un rack de E/S remotas. (3) Selección de la fuente de alimentaciónAdemás de diseñar y seleccionar la fuente de alimentación del PLC según los requisitos del manual del producto al introducir el equipo, la fuente de alimentación del PLC debe diseñarse y seleccionarse según dichos requisitos. En general, la fuente de alimentación del PLC debe diseñarse y seleccionarse con una fuente de alimentación de 220 V CA, que sea compatible con el voltaje de la red eléctrica doméstica. Para aplicaciones importantes, se debe utilizar un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) o una fuente de alimentación con tensión estabilizada. Si el PLC cuenta con una fuente de alimentación utilizable, se debe verificar si la corriente suministrada cumple con los requisitos de la aplicación; de lo contrario, se debe diseñar una fuente de alimentación externa. Para evitar que la fuente de alimentación externa de alto voltaje se introduzca en el PLC debido a un mal funcionamiento, es necesario aislar las señales de entrada y salida; en ocasiones, se puede utilizar un diodo o un tubo fusible simple para el aislamiento. (4) Selección de memoria: Debido al desarrollo de la tecnología de chips integrados en computadoras, el precio de la memoria ha disminuido. Por lo tanto, para garantizar el correcto funcionamiento del proyecto, la capacidad de memoria del PLC generalmente requiere al menos 8K de memoria, de acuerdo con 256 puntos de E/S. Cuando se requieren funciones de control complejas, se recomienda seleccionar una memoria de mayor capacidad y calidad. (5) Consideraciones económicasAl elegir un PLC, considere la relación precio-rendimiento. Al considerar la rentabilidad, considere también factores como la escalabilidad, la operatividad y la relación entrada-salida de la aplicación, compare y téngalos en cuenta para, finalmente, seleccionar el producto más satisfactorio.El número de puntos de entrada y salida tiene un impacto directo en el precio. Cada tarjeta de entrada y salida adicional incrementará el costo. Cuando el número de puntos alcanza un valor determinado, la capacidad de memoria, el rack, la placa base, etc., también aumentarán en consecuencia. Por lo tanto, el aumento en el número de puntos influye en la selección de la CPU, la capacidad de memoria, el rango de funciones de control, etc. Es importante considerarlo cuidadosamente durante la estimación y selección para que el sistema de control tenga una relación rendimiento-precio más razonable.
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