Принцип работы контроллера. Программируемые логические контроллеры (ПЛК): принцип работы, устройство и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое программируемый логический контроллер (ПЛК). Как устроен и работает ПЛК. Какие бывают виды ПЛК. Где применяются программируемые логические контроллеры. Каковы преимущества использования ПЛК в автоматизации.

Содержание

Что такое программируемый логический контроллер (ПЛК)

Программируемый логический контроллер (ПЛК) — это специализированное микропроцессорное устройство, предназначенное для автоматизации технологических процессов. ПЛК представляет собой «мозг» системы автоматизации, который собирает информацию с датчиков, обрабатывает ее согласно заложенной программе и выдает управляющие сигналы на исполнительные механизмы.

Основные функции ПЛК:

Сбор и обработка данных с датчиков
Логическая обработка сигналов
Формирование управляющих воздействий
Обмен данными с другими устройствами
Архивирование данных
Человеко-машинный интерфейс

Принцип работы программируемого логического контроллера

Принцип работы ПЛК основан на циклическом выполнении пользовательской программы. Один рабочий цикл контроллера включает следующие этапы:

Опрос входов — считывание состояний дискретных и аналоговых входов
Выполнение пользовательской программы
Обновление выходов — установка новых состояний выходов
Диагностика и обслуживание системы

Время выполнения одного цикла обычно составляет несколько миллисекунд. Это позволяет ПЛК быстро реагировать на изменения контролируемого процесса.

Устройство и архитектура ПЛК

Типовая архитектура программируемого логического контроллера включает следующие основные компоненты:

Центральный процессор (CPU)
Память программ и данных
Модули ввода-вывода
Источник питания
Коммуникационные интерфейсы

Центральный процессор выполняет программу пользователя и управляет работой всех узлов контроллера. Память хранит программу, промежуточные данные и настройки. Модули ввода-вывода обеспечивают связь с датчиками и исполнительными механизмами. Коммуникационные интерфейсы позволяют ПЛК обмениваться данными с другими устройствами.

Виды программируемых логических контроллеров

По конструктивному исполнению ПЛК подразделяются на следующие основные виды:

Моноблочные ПЛК

Имеют фиксированный набор входов/выходов в едином корпусе. Простые и недорогие, но ограниченные по функционалу.

Модульные ПЛК

Состоят из отдельных модулей (процессорный, ввода-вывода, коммуникационные), устанавливаемых на единую шину. Обладают гибкостью конфигурации.

Распределенные ПЛК

Модули ввода-вывода располагаются удаленно от процессорного блока и связываются по сети. Позволяют создавать распределенные системы управления.

Области применения ПЛК

Программируемые логические контроллеры широко применяются в различных отраслях промышленности и инфраструктуры:

Автоматизация производственных линий и станков

Управление инженерными системами зданий
Системы противоаварийной защиты
Управление робототехникой
Автоматизация транспортных систем
Управление энергетическими объектами
Автоматизация водоснабжения и водоотведения

Преимущества использования ПЛК

Применение программируемых логических контроллеров в системах автоматизации дает следующие основные преимущества:

Гибкость и легкость модификации алгоритмов управления
Высокая надежность и отказоустойчивость
Компактность и малое энергопотребление
Легкость интеграции в сложные системы управления
Удобство диагностики и обслуживания
Сокращение затрат на кабельные связи

Благодаря своим преимуществам ПЛК стали стандартом де-факто в промышленной автоматизации, вытеснив релейно-контактные схемы управления.

Программирование ПЛК

Для программирования логических контроллеров используются специальные языки, определенные стандартом МЭК 61131-3:

Ladder Diagram (LD) — язык релейно-контактных схем
Function Block Diagram (FBD) — язык функциональных блоков
Structured Text (ST) — структурированный текст
Instruction List (IL) — список инструкций
Sequential Function Chart (SFC) — последовательные функциональные схемы

Наиболее популярны графические языки LD и FBD, так как они интуитивно понятны инженерам-технологам. Для написания сложных алгоритмов используется текстовый язык ST.

Тенденции развития ПЛК

Основные тенденции в развитии программируемых логических контроллеров:

Повышение вычислительной мощности
Расширение функциональных возможностей
Миниатюризация
Развитие коммуникационных возможностей
Интеграция с облачными платформами
Усиление кибербезопасности

Современные ПЛК превращаются в мощные вычислительные устройства, способные решать сложные задачи управления и обработки данных на уровне АСУ ТП.

Промышленные контроллеры (ПЛК) | LAZY SMART

Современную промышленность невозможно представить без систем автоматизации. Сложность производственных процессов делает невозможным управление ими вручную, к тому же системы автоматики обходятся гораздо дешевле, чем обслуживающий персонал, да и работают они быстрее и надёжнее. Да что говорить о промышленности – в настоящее время практически ни одно здание не обходится без автоматики. Школы, больницы, детские сады, офисные и складские помещения, загородные дома и коттеджи – все эти объекты оснащены инженерными системами с автоматическим управлением. Несмотря на многообразие применений и сфер использования все системы автоматики работают по одному принципу и обладают схожей структурой, в центре которой находится «мозг» системы – программируемый логический контроллер (ПЛК).

С чего всё начиналось?

Все начиналось с построения релейно-контактных систем управления, представляющих из себя огромные шкафы, набитые проводами и релейными модулями. В эти шкафы приходили сигналы от датчиков, а на выходе формировались команды исполнительным устройствам. Кроме того, что они были больших размеров, такие системы управления неудобны тем, что они совершенно не гибкие: для того, изменить логику управления, необходимо вручную перебирать всю электрическую схему. С развитием микропроцессорной техники на смену релейным шкафам пришли ПЛК – устройства, выполняющие те же функции, но имеющие принципиально другой механизм преобразования входных сигналов в выходные. Такое преобразование в ПЛК выполняется в соответствии с записанной программой. С появлением контроллеров размеры систем управления уменьшились в десятки раз, значительно упростился процесс их разработки и последующих изменений.

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).

Системы реального времени

Все системы можно условно разделить на системы жёсткого и мягкого реального времени.

В системах жёсткого реального времени реакция ПЛК не должна превышать определённый временной порог. При увеличении времени реакции система теряет свою работоспособность.

В системах мягкого реального времени при увеличении времени реакции может происходить сильное ухудшение качества управления, но работоспособность при этом не теряется.

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.

Цифровые интерфейсы ПЛК

Изначально ПЛК предназначались для управления последовательными логическими процессами. Современные контроллеры помимо логических операций способны выполнять цифровую обработку сигналов. Они могут обмениваться информацией с другими устройствами, такими как панели оператора, GSM-модули, частотные преобразователи, серверы сбора данных и др.

ПЛК могут иметь распределённую структуру, когда модули входов и выходов находятся на значительном удалении от самого контроллера, вблизи объекта управления. Несколько ПЛК, управляющие разными частями одной системы, могут объединяться в сеть для обмена информаций и согласования управляющих действий, а так же передачи всей информации о системе в центральный диспетчерский пункт.

В этих случаях обмен удалённых модулей и устройствами с ПЛК осуществляется по цифровым интерфейсам с использованием специализированных протоколов, таких как Modbus RTU, ModBus TCP, CANopen, Profibus, EtherNet IP и других.

Что такое программируемый логический контроллер и принцип его работы

a:2:{s:4:»TEXT»;s:16704:»
     Задачей https://techtrends.ru/catalog/programmiruemye-logicheskie-kontrollery/» target=»_blank»>программируемого логического контроллера является сбор данных, их обработка и преобразование, сохранение в памяти необходимой информации, создание команд управления, которые поступают посредством входов и передаются посредством выходов. Входы и выходы подключаются к датчикам и ключам, к механизмам устройства управления.

     Логические контроллеры осуществляют свою работу практически без участия оператора, что позволяет работать в режиме реального времени в жестких условиях эксплуатации, даже при наличии неблагоприятных условий окружающей среды.

     На заре развития промышленной автоматики логические контроллеры были созданы по типу релейных схем с фиксированной логикой работы. При нарушении алгоритма приходилось основательно изменять действующую схему.

     С внедрением и быстрым распространением микропроцессоров автоматика производственного процесса стала строиться на основе микропроцессоров. Однако роль логических контроллеров не перестала оставаться актуальной, они просто заняли свою отдельную нишу применения.

     Сегодня релейные схемы оснащаются программным обеспечением, что превращает программируемые логические контроллеры в микропроцессорное устройство, обеспечивающее сбор информации, ее переработку, сохранение и передачу команд к узлам выполняющего устройства.

     При этом ЛПК контроллер по принципу своей работы существенно отличается от микропроцессорных устройств, поскольку программное обеспечение ЛПК контроллера имеет две части, первой из которых является системное программное обеспечение. Оно функционирует по аналогии с компьютерной операционной системой и обеспечивает:

    управление внутренними узлами контроллера;
    взаимодействие составляющих компонентов;
    осуществление внутренней диагностики.

     Системное обеспечение заключено в постоянную память процессора и вступает в работу через несколько миллисекунд после подключения ПЛК к сети.

     ПЛК контроллер работает циклично, при этом каждый цикл сопровождается чтением данных и имеет 4 фазы:

    первая представляет собой опрос входов;
    на второй фазе осуществляется выполнение действий, установленных пользовательской программой;
    третья фаза устанавливает значения входов;
    на четвертой фазе производятся дополнительные операции, например, производится диагностика, подготавливаются данные для отладчика, визуализация.

     Системное ПО осуществляет работу первой фазы. После опроса входов управление передается программе, находящейся в памяти. Это программа, созданная пользователем для решения определенных задач, содержит те действия, которые должны совершаться, после их выполнения управление передается на системный уровень. Простота схемы действий освобождает создателя программы от необходимости изучения системы аппаратного управления. Для создания программы инженеру достаточно владеть информацией о том, с какого входа поступает сигнал и как он должен откликаться на выход.

     Время отклика на сигнал зависит от длительности одного цикла действующей программы.

     Отличием ПЛК контроллеров от комбинационных аппаратов заключается в том, что они обладают памятью, что позволяет им реагировать на текущие события. Память также позволяет перепрограммировать, осуществлять управление во времени, производить цифровую обработку сигналов, что поднимает ЛПК контроллер на более совершенный уровень.

Входы и выходы

http://www.techtrends.ru/catalog/omron/sistemy_avtomatizatsii/programmiruemye_logicheskie_kontrollery/»>Программируемый логический контроллер может иметь входы трех типов. Это:

    аналоговый;
    дискретный;
    специальный.

     Один дискретный вход принимает один бинарный электронный сигнал. При этом практически все стандартные входы принимают электрический сигнал мощностью 24 Вт, при типовом значении тока 10 мА.

     Аналоговый вход обеспечивает прием аналогового сигнала, отражающего уровень напряжения или тока. При этом в каждый временной момент напряжение и ток соответствуют определенной физической величине: температуре, весу, давлению, положению, скорости, частоте и т.д.

     Поскольку программируемые логические контроллеры представляют собой цифровую вычислительную технику, то аналоговые сигналы подвергаются преобразованию. Для осуществления преобразования аналогового сигнала в цифровой в программируемых логических контроллерах применяются 10-12-ти разрядные преобразователи. В условиях современного автоматизированного производства этого показателя достаточно для обеспечения точности управления техническим процессом. Применение преобразователей этого класса на производстве оправдано и тем, что преобразователи более высокой разрядности реагируют на индустриальные помехи, которые неизбежны в условиях, где работает контроллер.

     Поскольку все аналоговые входы многоканальные, то приходится использовать коммутатор, посредством которого осуществляется подключение входа АЦП к требуемому модулю.

     Таким образом, все аналоговые и дискретные входы обеспечивают потребности промышленной автоматики, поэтому необходимость в использовании специальных входов возникает крайне редко, и требуется при необходимости обработки отдельных сигналов с большими временными затратами, что обусловлено программным затруднением.

     В основном, ПЛК со специализированными входами применяются там, где необходим подсчет импульсов, измерение длительности и фиксация фронтов.

     Такой вход может быть использован там, где необходимо измерить скорость и положение вращения вала, поскольку такое устройство оснащено поворотными шифраторами, формирующими определенное количество импульсов, рассчитанных на каждый оборот вала. При этом частота импульсов очень высокая и равна нескольким мегагерцам. Даже если ПЛК оснащен быстродействующим процессором, подсчет импульсов будет занимать большое количество времени. В этом случае, использование специального входа будет оправдано, поскольку обеспечит обработку входных импульсов и формирование сигналов необходимой величины для реализации программы.

     Другой тип специализированных входов — входы прерывания, они обеспечивают быстрый запуск пользовательских задач, которые необходимо выполнять при прерывании работы основной программы. Этот тип специализированных входов широко используется и является достаточно востребованным.

Классификация ПЛК по типу конструкции

     По своей конструкции ПЛК могут быть:

    модульными, оснащающимися различным набором модулей входов и выходов, предусмотренных реализации конкретной задачи;
    моноблочными, оснащенными определенным количеством входов и выходов;
    распределительными, оснащенными модулями, отдельными входами и выходами, установка которых возможна на существенном расстоянии.

Языки программирования

     Технологический язык дает возможность всем участникам процесса — инженерам, технологам и программистам, понимать суть задачи и находить ее решение. Так, если технолог дает установку на необходимые процессы, он не использует формализованный алгоритм процесса, вследствии чего программист, при создании программы, вынужден вникать в суть технологического процесса. В то же время, создавая программу, программист остается единственным участником процесса, понимающим язык программ.

     В связи с этим, возникают сложности, для преодоления которых и был придуман технологический язык, одинаково понятный всем участникам процесса. Именно технологический язык позволил упростить процесс программирования.

     Сегодня разработаны технологические языки, а также установлен стандарт МЭК-61131-3, который был разработан Международной Электротехнической Комиссией.

     Все производители должны придерживаться установленного стандарта и предлагать устройства, оснащенные одинаковыми по интерфейсу и принципу действия командами.

     Этот стандарт включает в себя 5 языков:

    языком функциональных релейных блоков является Sequential Function Chart;
    для функциональных блоковых диаграмм, предусмотрен язык Function Block Diagram;
    для релейных диаграмм, принят язык Ladder Diagrams;
    язык структурированного текста Statement List напоминает Паскаль;
    языком инструкций является Instruction List , он представляет собой ассемблер, оснащенный аккумулятором и переходом по метке.

     LAD — это простой язык, напоминающий логическую схему реле, что позволяет любому инженеру составить программу. FBM похож на схему логических элементов, что также упрощает создание программ для инженеров.

     Выбор языка, в основном, базируется на личном опыте программирующего инженера. При этом некоторые действия легко откликаются на один язык, создавая определенные трудности в другой области. Для решения таких задач создана возможность переконвертирования готовой программы с одного языка на другой.

     Самыми распространенными сегодня языками программирования являются LAD, STL, FBD, которые наиболее часто предусмотрены производителями ЛПК самых известных компаний.
«;s:4:»TYPE»;s:4:»HTML»;}

конструкция и принцип работы программируемого прибора

Некоторые ошибочно считают, что термин «контроллер» происходит от слова «контроль» и подразумевает проверку или учёт чего-либо. На самом деле это понятие пришло к нам из английского языка и в переводе означает «управление». Исходя из этого, становится понятно, что программируемые логические контроллеры (ПЛК) принято использовать для управления автоматизированным электрооборудованием.

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:

Выключенном. Сигнал на вход не поступает. В соответствии с действующей программой выход будет обесточенным. Об этом свидетельствует погасший индикатор.
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:

Моноблочными. Имеют единую конструкцию. Устройство ввода-вывода является стационарным и не подлежит замене.
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.
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.

Программируемые логические контроллеры, их функции и виды

Программируемые логические контроллеры входят в оборудование, отвечающее за автоматизацию процессов. Плк-системы используются в малых предприятиях, крупных производствах.

ПЛК — что это такое?

Плк-контроллер представляет собой микрокомпьютер с упрощенным алгоритмом, выполняющий типовые функции в заданном режиме. Применяют его и в бытовой технике, не только в сложных роботизированных устройствах. Унификация элементов, их взаимозаменяемость повышает надежность системы. Упрощает ремонт и отладку.

История создания

В 60 годах 20 века для управления телефонными станциями, промышленным оборудованием использовались сложные схемы с реле. Они не отличались повышенной надежностью или ремонтопригодностью. Инженерам одной из компаний, американской General Motors, была поставлена цель по созданию нового оборудования. Задачи, на которые оно было рассчитано, выглядели так:

Упрощение отладки, замены.
Относительная дешевизна.
Гибкость, удобство модернизации.
Снижение риска отказов.

Изобретение, создание микросхем и блоков управления на их основе позволило решить заданные вопросы.

Терминология, объясняющая, что такое ПЛК (PLC), внесена в международные и европейские стандарты качества МЭК, EN.

Структура и устройство ПЛК

Любой плк Siemens или аналогичный, других производителей, ориентирован на выполнение конкретных действий. Микроконтроллер опрашивает блоки ввода информации, чтобы принять решение, сформировать на выходе готовую команду. Упрощенно схема стандартного элемента включает:

вход;
центр;
выход.

Входные цепи образованы набором датчиков (аналоговых или цифровых), переключающих устройств, смарт-систем. В центральном блоке расположены: процессор, обрабатывающий команды, модуль памяти и средства коммуникации. Выходные цепи отвечают за передачу сигнала на моторы привода, вентиляцию, осветительную арматуру. Туда же допускается подключить управляющее смарт- устройство архитектуры ардуино или подобное. Необходимо также выполнить условие подключения ПЛК к цепям питания. Без них устройство работать не будет. Внешний компьютер через унифицированный интерфейс используется для отладки, программирования контроллера.

Принцип работы ПЛК

По сути, микроконтроллер достаточно близок к реле. Только вместо механических контактов и катушек в нем — электронные цепи. Понять принцип действия будет легко любому инженеру, знакомому со схемами, основами электротехники.

Датчик освещенности на входе подает сигнал в блок обработки данных. В нормальном состоянии процессор не реагирует. Как только сенсор определит падение освещения, изменится его сопротивление, центральный блок задействует цепи питания электроламп.

Для управления ПЛК, его программирования используется бытовой ПК. Несколько отдельных микроконтроллеров образуют каскад с усложненными задачами. Системы «умный дом», автоматика включения двигателя насоса для закачки воды в накопительный бак давно содержат в себе подобные блоки.

Сложные микроконтроллерные устройства обеспечивают охрану, защиту периметра (квартиры), включая связь с полицией (владельцем) через модем, подъем тревоги при проникновении нарушителей, разрушении механизма закрытия двери.

Первый этап работы устройства состоит из экспресс-теста задействованного оборудования. Одновременно идет загрузка операционной среды, управляющих программ. Все как в настольном ПК при старте Windows. Предусмотрена пошаговая отработка команд (отладка), при которой допускается мониторинг, корректировка переменных.

Для простоты восприятия рабочий, шаговый режим ПЛК разбит на типовые циклы. Они повторяются во время функционирования устройства. В каждом цикле, «маршрутной карте» заключаются 3 действия:

Сканирование, обращение к внешним датчикам. Запись значений (состояния) в ячейки памяти.

Анализ действующей программы. Внесение требуемых корректив на основании данных предыдущего шага.

Передача результата вычислений на блоки выхода.

Завершается цикл быстрым переходом к первому этапу «урока».

Типы ПЛК

Все ПЛК, выпускаемые Schneider Electric, Mitsubishi, Beckhoff, Omron, Segnetics или Unitronics, четко разделяются по типам. Это же относится к классификации российской продукции, представленной компаниями «Овен», «Контар», «Текон» и другими. Конструктивно устройства принято обозначать как моноблочные и модульные.

В первом типе содержится полный набор входных, выходных цепей, процессор, источник энергии. Во втором предусмотрена сборка готового ПЛК из отдельных частей. Согласно МЭК 61131, количество и состав модулей варьируются в соответствии с назначением, характеристиками поставляемого заказчику устройства.

Модульный микроконтроллер может управлять посредством Ethernet соединения малопроизводительным собратом, выполняющим специфично назначенные функции (диагностика состояния периметра, безопасность охраняемой зоны). Маломощный адаптер питания в этом случае является отдельным модулем. Обобщенно функциональные возможности второго вида превосходят первый. Но в отдельных ситуациях (микроконтроллер управления чайником Berghof) достаточно моноблочного ПЛК.

Главное достоинство такой конструкции — компактность. При этом полностью завершенная конструкция платы, блока контроллера оборудуется дисплеем и устройством ввода-вывода, кнопочной панелью. Типичный пример — «умный» автоматный моноблок, отвечающий за стабилизацию напряжения.

Из нескольких ПЛК, смонтированных на стандартную рейку, набирается укрупненный узел управления. Первоначально конфигурация микроконтроллеров подразумевала замену существовавших релейных, полупроводниковых схем. Со временем задачи усложнились, но и сохранившиеся ограниченно производительные 8 и 16 разрядные процессоры по-прежнему востребованы в промышленности.

Ограничения ПЛК

Не стоит полагать, что наличие программируемого контроллера способно решить все глобальные проблемы пользователя. ПЛК, работающие на основе протоколов Codesys, Modbus (для модульных решений), обладают ограниченной сферой применения. Их выбор обусловлен поставленной задачей. Попытку создать универсальные ПЛК вряд ли можно признать целесообразной.

Подобный ход лишает технологический процесс гибкости. Создание требуемой конфигурации осуществляется комплектацией готового моноконтроллера, согласно проекту заказчика. В исключительных ситуациях проблему решают сборкой мегаустройства из дискретных блоков. Последний вариант предпочтительнее: каждый элемент допускается оборудовать индивидуальным пультом ввода команд, сенсорной панелью, устройством отображения данных.

Роль каналов обмена данными играют кабельные медные шины, оптоволоконная связь. Успешно используются варианты стандартизированных интерфейсов RS-232, RS-485 (кабель), промышленных Profibus или CAN. Не возбраняется коммутация по беспроводным линиям (Wi-Fi).

Место ПЛК в системе управления

Современные контроллеры выполняют несколько функций. Они могут быть «ведущими» или «ведомыми», находиться в центре схемы. Чаще всего они сосредоточены в начальной цепи автоматизации.

До создания миниатюрных интегральных схем рука оператора буквально не успевала переключать режимы на пульте цепи управления. Использование контроллерных блоков «Сегнетикс», «Дельта» и подобных способствовало снятию нагрузки с человека.

Ее переложили «на плечи» машин с выводом на экран данных мониторинга, отображенных в виде мнемосхем и изменяемых параметров. На ПЛК возлагаются задачи по опросу датчиков и регистров, обработке поступающей информации.

Без микроконтроллеров не было бы РСУ, АСУ, сложных автоматных комплексов управления технологическими процессорами. Используя сетевой трафик, ПЛК анализируют данные, успевая проверять состояние портов входа. Главный недостаток, особенность микроконтроллеров состоит в необходимости прошивки, создания программы для работы.

Впрочем, его следует воспринимать двояко: индивидуально создаваемое ПО позволяет проектировать узкоспециализированные изделия под конкретные задачи.

Назначение переменных в ПЛК

Перед тем как начинать программирование, необходимо назначить переменные. Это условная метка (флаг) для обозначения отработки командного кода. Данные манипуляции характерны для единичных действий: запуск комплекса, когда требуется сброс состояния.

Подобная ситуация возникает при отключении электроэнергии. Зафиксированная переменная позволяет пропустить обмен сигналами, ускорить инициализацию ПЛК.

Основы программирования ПЛК. Реле и контроллер‌‌

Возможность программирования, безусловно, является главным достоинством систем с ПЛК. Чтобы сделать восприятие процесса предельно понятным, разработчики изобрели визуальное отображение управляющих цепей в виде релейных контактных блоков.

На профессиональном языке такой метод обозначается аббревиатурой LD (logo LAD). В дальнейшем работа ПЛК представляется как взаимодействие отдельных логических элементов. Они выполняют действия таймеров, релейных ячеек, счетчиков. Считается, что благодаря подобной унификации, освоить принципы программирования может каждый. Причем независимо от профильной профессии.

Среда программирования

Программисты предпочитают использовать для создания прикладных комплексов среду Си, Кодесис, как наиболее универсальную. Применение регламентируется стандартом IEC 61131. На базе Codesys пишутся языки программирования для ПЛК: LD, SFC, FBD, IL, STL.

Языки программирования ПЛК

Создатели микроконтроллеров обеспечили взаимодействие разрабатываемых устройств с несколькими универсальными языками программирования. Условно их разделяют на графические и текстовые. Это допускает компиляцию готового программного продукта из блоков, созданных на разных языках.

Обманчивая простота программирования скрывает трудности, с которыми обязательно столкнется излишне самоуверенный инженер. Составить простейшие команды под силу неопытному пользователю. Для реализации сложных понадобится получение специальных навыков.

Удаленное управление и мониторинг

Различные интерфейсы управления встраиваются в контролеры уже на стадии проектирования. Предусмотрена синхронизация с АСУ (SCADA и подобные). Оператор контактирует с ПЛК посредством интегрированной панели, устройства ввода-вывода, либо удаленно. Для этого по помехозащищенному каналу, кабельной сети к блоку подключается HMI, специализированный интерфейс взаимодействия между человеком и машиной.

Каким из доступных способов выполнить реализацию, с помощью простейшего клавиатурного модуля или сенсорной панели — решать заказчику. В последнее время активно используются «облачные» хранилища, виртуальные серверы. Не остаются в стороне и стандартные, Intranet (локальные) и Internet (внешние) подключения.

Реализация веб-интерфейса допускается также и без проводов, в сети Wi-Fi. Описанные методы невероятно расширяют возможности оператора. Упрощают контроль работающего комплекса ПЛК.

Применение контроллеров

Современный ПЛК, недорогой и надежный, находит применение в ПИД-регуляторах, счетчиках типа «Меркурий», промышленных устройствах серии DVP. Компактность блоков позволяет встраивать их в бытовую технику, монтировать в щитах и шкафах совместно с прочим электрооборудованием.

Энкодер, подключенный к контроллеру, применяется в автомобилестроении, реагируя на изменение угла поворота руля. Удобно использовать ПЛК при создании комплексов с ЧПУ, автоматизированных систем запуска аварийной откачки сточных вод в канализации. Видеонаблюдение, интегрированное в охранный пост, создаст полноценный обзор зоны наблюдения для оператора.

Все требуемые данные при этом будут сохранены на носителе информации (переданы в сеть), а в случае опасности сигнал тревоги будет подан автоматически. Цепочке контроллеров под силу управлять работой цеха металлообработки, пошивочной мастерской. В домашнем варианте ПЛК без участия человека включит свет, накачает воду из колодца в бак до требуемого уровня.

Производители ПЛК

На рынке представлены компании из России, США, ФРГ, Японии. Это Texas Instruments, Carel, Delta Electronics, Schneider Electric, Mitsubishi, Beckhoff, Omron, Segnetics, Unitronics. Отечественную продукцию представляют марки «Овен», «Контар», «Текон».

Выбор конкретного решения зависит от предъявляемых заказчиком требований, условий работы. А чтобы разобраться, чем ПЛК100, ПЛК110 отличается от ПЛК160, ПЛК323 потребуется обладание квалификацией, возможно — консультации специалистов.

На что обращать внимание при покупке

До приобретения ПЛК нужно кое-что уточнить. Вот эти факторы:

Универсальность программной среды. Единые языки для всех аппаратных платформ.

Наличие контролеров с распределенным, интегрированным вводом-выводом.

Реализация связи ПЛК со стационарным компьютером.

Специализированное оборудование. Это микросистемы, ориентированные на работу с облачным сервисом (вариант оповещения по мобильной связи, почте).

Открытая архитектура отдельных ПЛК.

Данный перечень создает направление для движения как покупателей, так и производителей. Какой из перечисленных критериев окажется в приоритете, решает заказчик. С дружественным ПО эксплуатация станет удобнее. Так утверждают опытные инженеры-наладчики.

Что же выбрать

ПЛК 110 «Овен» или Simatic s7 производства «Сименс», Modicon m340, Segnetics trim5 четко подчинены встроенной инструкции. Работают по разработанному производителем алгоритму. Программное обеспечение разных марок не всегда совместимо, это учитывается при модернизации (замене) или комплектации технологических цепочек средствами автоматизации.

Кому-то термины step7, ms4, opc, pixel ни о чем не говорят. Разобраться с каталогом, обилием информации помогут специалисты. Расшифровка обозначения микроконтроллера, выбор программы ПЛК для человека неосведомленного станут непосильной задачей. Отличие, оценка, сравнение представленных решений также достаточно сложны, чтобы приступать к ним без подготовки.

Выбрать свой прибор помогут отзывы, обзоры, опыт эксплуатации владельцев контроллеров. Нужный микронтролллер — не обязательно дорогой. Цена определяется выполняемыми функциями, маркой прибора. Описание, настройка параметров приводятся в паспорте устройства.

Там же находится перечень портов ввода-вывода, краткое пособие как подключать изделие. Для отдельных типов может понадобиться преобразователь напряжения, его характеристики производитель обязан указать в руководстве по эксплуатации. А хороший контроллер — тот, который справляется с поставленными задачами.

Принципы работы контроллера заряда для солнечной батареи

Устанавливая солнечные панели, нужно знать принцип работы контроллера солнечной батареи. Фотоэлементы подсоединяют к аккумулятору через контроллер. Правильная схема работы контроллера солнечной батареи обеспечивает эффективный заряд накопителя. Ведь панели вырабатывают напряжение довольно малого номинала, и поэтому вначале накапливают энергию для дальнейшего преобразования. Далее постоянное напряжение трансформируется инвертором в переменное 220 В и используется для запитки обычных электроприборов.

Функции контроллеров

Аккумуляторы — капризны, при неправильной эксплуатации они теряют свою емкость или вовсе перестают работать. Это происходит по двум причинам:

перезаряд
недозаряд

Первая причина обусловлена тем, что напряжение заряда больше номинального напряжения аккумулятора. Если не отсоединить устройство в тот момент, когда оно зарядилось до номинального значения — происходит вскипание жидкости в его ячейках с дальнейшим испарением жидкого электролита. А это служит причиной потери емкости. Ячейки с электролитом могут утратить герметичность, вследствии высокого давления, образующегося при кипении жидкости. В таком случае девайс теряет свойство накапливать энергию.

Вторая причина заключается в том, что аккумуляторы не любят, когда их заряжают не полностью. И через несколько циклов заряда разряда могут потерять первоначальную емкость. В большинстве случаев это обратимый процесс, все зависит от изношенности батареи. Утрата емкости обусловлена так называемым «эффектом памяти». Особенно это явление актуально у свинцовых накопителей. Существуют экземпляры с электродами из других материалов, которым этот эффект практически не присущ. Но стоят они дороже. Свинцовые накопители хороши тем, что могут давать большие пиковые токи, что хорошо при питании двигателей и потребителей индуктивного и емкостного характера.

На практике аккумуляторы подключают к панелям последовательно с контроллером заряда. Это приспособление помогает функционировать батареям в оптимальном режиме независимо от всего и оберегает их от преждевременного износа. Эти модули следят за состоянием батареи и в зависимости от этого подают на клеммы определенные значения напряжения и тока. При дневном освещении модуль фотоэлементов генерирует определенную мощность. Ее значение указывают в инструкции, но следует помнить, что она была снята в режиме холостого хода. При подсоединении аккумулятора они уменьшатся, так как он имеет некоторое внутреннее сопротивление. Рекомендовано производить заряд током в 10 раз меньшим, чем мощность батареи. На практике этого сложно добиться так как сопротивление аккумулятора меняется при заряде. В разряженном состоянии оно наибольшее, в заряженном — наименьшее. Поэтому правильно регулировать зарядный ток динамически.

Типы схемотехники

Принцип работы контроллера зависит от его типа. Он может быть построен по двум основным схемотехникам, каждая из которых имеет свои плюсы и минусы:

Первая подразумевает использование широтно импульсной модуляции, а ее аббревиатура является сокращением от Power Width Modulation. Чем больше заряжается батарея, тем больше скважность заряжающих импульсов тока. То есть зарядка происходит импульсами одинаковой амплитуды. Частота повторения импульсов тем выше, чем меньше напряжение на клеммах.

Второй тип совершеннее первого, и хотя и использует ШИМ, но намного разумнее. Дело в том, что сопротивление батареи в ходе заряда меняется, то есть нелинейно. Солнечная панель же выдает на холостом ходу стабильное значение мощности. При работе на батарею, напряжение, выдаваемое источником, — проседает. Ток также уменьшается. Рассогласование сопротивлений ведет к потерям мощности. MPPT контроллеры имеют постоянное внутреннее сопротивление для входящего тока. А это позволяет наиболее полно использовать мощность. Далее она попадает на преобразователь, отдающий такое напряжение и ток, которые в данный момент времени оптимальны. Встроенный преобразователь устанавливает на клеммах такой ток и напряжение, которые в данный момент эффективнее ее зарядят. В результате батарея не испытывает перегрузок и автоматически отключается после цикла зарядки.

Сравнение типов схемотехники

MPPT контроллеры совершеннее тем, что наиболее полно вытягивают из источника электроэнергии мощность. Их КПД выше, что заметно при наличии большого числа панелей. Но их схемотехника сложнее, а значит и дороже. Для многих маломощных электростанций вполне применимы и PWP-девайсы, а потери не так существенны. MPPT модули более “умные” и могут работать не только в режиме накопления, но и питания нагрузки.

Схема и принцип работы контроллера заряда солнечной батареи

Солнечная энергетика пока что ограничивается (на бытовом уровне) созданием фотоэлектрических панелей относительно невысокой мощности. Но независимо от конструкции фотоэлектрического преобразователя света солнца в ток это устройство оснащается модулем, который называют контроллер заряда солнечной батареи.

Действительно, в схему установки фотосинтеза солнечного света входит аккумуляторная батарея – накопитель энергии, получаемой от солнечной панели. Именно этот вторичный источник энергии обслуживается в первую очередь контроллером.

В представленной нами статье разберемся в устройстве и принципах работы этого прибора, а также рассмотрим способы его подключения.

Содержание статьи:

Контроллеры для солнечных батарей

Электронный модуль, называемый контроллером для солнечной батареи, предназначен выполнять целый ряд контрольных функций в процессе заряда/разряда .

Когда на поверхность солнечной панели, установленной, к примеру, на крыше дома, падает солнечный свет, фотоэлементами устройства этот свет преобразуется в электрический ток.

Галерея изображений

Фото из

Контроллер — обязательная составляющая гелиостанции, вырабатывающей электрический ток из энергии солнечного света

Владельцам частных мини электростанций и желающим обзавестись солнечной энергетической установкой представлено сейчас два вида контроллеров: PWM (или ШИМ) и MPPT

Контролеры ШИМ обеспечивают выполнение многоступенчатого заряда аккумулятора. С их помощью осуществляется наполнение, выравнивание, поглощение и поддержка заряда

Недорогие модели контроллеров для бытовых солнечных установок снабжены светодиодной индикацией, позволяющей следить за рабочими характеристиками и техническим состоянием батареи

MPPT (maximum power point tracking) — контроллеры более высокого уровня и цены. В них предусмотрено отслеживание точки максимальной мощности

Для небольших солнечных электростанций, в составе которых одна-две панели, достаточно возможностей контроллеров ШИМ (PWM)

Оба вида контроллеров, как и подключенные к схеме аккумуляторы должны устанавливаться в помещении, так как в их конструкции имеются чувствительные к температуре датчики

В покупке контроллера нет необходимости, если вы приобретаете комплексную солнечную станцию. В ее изолированном корпусе есть весь набор устройств, требующихся для обработки и накопления электроэнергии

Контроллеры для солнечных панелей

Контроллер с широко-импульсной модуляцией

Прибор для многоуровневого заряда батареи

Бюджетная модель со светодиодной индикаций

Контроллер для солнечной станции МРРТ

Небольшая гелиостанция для дачи

Подключение солнечных панелей к аппаратуре

Комплекс из солнечных батарей и аппаратуры

Полученная энергия, по сути, могла бы подаваться непосредственно на аккумулятор-накопитель. Однако процесс зарядки/разрядки АКБ имеет свои тонкости (определённые уровни токов и напряжений). Если пренебречь этими тонкостями, АКБ за короткий срок эксплуатации попросту выйдет из строя.

Чтобы не иметь таких грустных последствий, предназначен модуль, именуемый контроллером заряда для солнечной батареи.

Помимо контроля уровня заряда аккумулятора, модуль также отслеживает потребление энергии. В зависимости от степени разряда, схемой контроллера заряда аккумулятора от солнечной батареи регулируется и устанавливается уровень тока, необходимый для начального и последующего заряда.

В зависимости от мощности контроллера заряда аккумуляторных батарей солнечной энергетической установки, конструкции этих устройств могут иметь самую разную конфигурацию

В общем, если говорить простым языком, модуль обеспечивает беззаботную «жизнь» для АКБ, что периодически накапливает и отдаёт энергию устройствам-потребителям.

Применяемые на практике виды

На промышленном уровне налажен и осуществляется выпуск двух видов электронных устройств, исполнение которых подходит для установки в схему солнечной энергетической системы:

Устройства серии PWM.
Устройства серии MPPT.

Первый вид контроллера для солнечной батареи можно назвать «старичком». Такие схемы разрабатывались и внедрялись в эксплуатацию ещё на заре становления солнечной и ветряной энергетики.

Принцип работы схемы PWM контроллера основан на алгоритмах широтно-импульсной модуляции. Функциональность таких аппаратов несколько уступает более совершенным устройствам серии MPPT, но в целом работают они тоже вполне эффективно.

Одна из популярных в обществе моделей контроллера заряда АКБ солнечной станции, несмотря на то, что схема устройства выполнена по технологии PWM, которую считают устаревшей

Конструкции, где применяется технология Maximum Power Point Tracking (отслеживание максимальной границы мощности), отличаются современным подходом к схемотехническим решениям, обеспечивают большую функциональность.

Но если сравнивать оба вида контроллера и, тем более, с уклоном в сторону бытовой сферы, MPPT устройства выглядят не в том радужном свете, в котором их традиционно рекламируют.

Контроллер типа MPPT:

имеет более высокую стоимость;
обладает сложным алгоритмом настройки;
даёт выигрыш по мощности только на панелях значительной площади.

Этот вид оборудования больше подходит для систем глобальной солнечной энергетики.

Контроллер, предназначенный под эксплуатацию в составе конструкции солнечной энергетической установки. Является представителем класса аппаратов MPPT – более совершенных и эффективных

Под нужды обычного пользователя из бытовой среды, имеющего, как правило, панели малой площади, выгоднее купить и с тем же эффектом эксплуатировать ШИМ-контроллер (PWM).

Структурные схемы контроллеров

Принципиальные схемы контроллеров PWM и MPPT для рассмотрения их обывательским взглядом – это слишком сложный момент, сопряжённый с тонким пониманием электроники. Поэтому логично рассмотреть лишь структурные схемы. Такой подход понятен широкому кругу лиц.

Вариант #1 – устройства PWM

Напряжение от солнечной панели по двум проводникам (плюсовой и минусовой) приходит на стабилизирующий элемент и разделительную резистивную цепочку. За счёт этого куска схемы получают выравнивание потенциалов входного напряжения и в какой-то степени организуют защиту входа контроллера от превышения границы напряжения входа.

Здесь следует подчеркнуть: каждая отдельно взятая модель аппарата имеет конкретную границу по напряжению входа (указано в документации).

Так примерно выглядит структурная схема устройств, выполненных на базе PWM технологий. Для эксплуатации в составе небольших бытовых станций такой схемный подход обеспечивает вполне достаточную эффективность

Далее напряжение и ток ограничиваются до необходимой величины силовыми транзисторами. Эти компоненты схемы, в свою очередь, управляются чипом контроллера через микросхему драйвера. В результате на выходе пары силовых транзисторов устанавливается нормальное значение напряжения и тока для аккумулятора.

Также в схеме присутствует датчик температуры и драйвер, управляющий силовым транзистором, которым регулируется мощность нагрузки (защита от глубокой разрядки АКБ). Датчиком температуры контролируется состояние нагрева важных элементов контроллера PWM.

Обычно уровень температуры внутри корпуса или на радиаторах силовых транзисторов. Если температура выходит за границы установленной в настройках, прибор отключает все линии активного питания.

Вариант #2 – приборы MPPT

Сложность схемы в данном случае обусловлена её дополнением целым рядом элементов, которые выстраивают необходимый алгоритм контроля более тщательно, исходя из условий работы.

Уровни напряжения и тока отслеживаются и сравниваются схемами компараторов, а по результатам сравнения определяется максимум мощности по выходу.

Схемное решение в структурном виде для контроллеров заряда, основанных на технологиях MPPT. Здесь уже отмечается более сложный алгоритм контроля и управления периферийными устройствами

Главное отличие этого вида контроллеров от приборов PWM в том, что они способны подстраивать энергетический солнечный модуль на максимум мощности независимо от погодных условий.

Схемой таких устройств реализуются несколько методов контроля:

возмущения и наблюдения;
возрастающей проводимости;
токовой развёртки;
постоянного напряжения.

А в конечном отрезке общего действия применяется ещё алгоритм сравнения всех этих методов.

Способы подключения контроллеров

Рассматривая тему подключений, сразу нужно отметить: для установки каждого отдельно взятого аппарата характерной чертой является работа с конкретной серией солнечных панелей.

Так, например, если используется контроллер, рассчитанный на максимум входного напряжения 100 вольт, серия солнечных панелей должна выдавать на выходе напряжение не больше этого значения.

Любая солнечная энергетическая установка действует по правилу баланса выходного и входного напряжений первой ступени. Верхняя граница напряжения контроллера должна соответствовать верхней границе напряжения панели

Прежде чем подключать аппарат, необходимо определиться с местом его физической установки. Согласно правилам, местом установки следует выбирать сухие, хорошо проветриваемые помещения. Исключается присутствие рядом с устройством легковоспламеняющихся материалов.

Недопустимо наличие в непосредственной близости от прибора источников вибраций, тепла и влажности. Место установки необходимо защитить от попадания атмосферных осадков и прямых солнечных лучей.

Техника подключения моделей PWM

Практически все производители PWM-контроллеров требуют соблюдать точную последовательность подключения приборов.

Техника соединения контроллеров PWM с периферийными устройствами особыми сложностями не выделяется. Каждая плата оснащена маркированными клеммами. Здесь попросту требуется соблюдать последовательность действий

Подключать периферийные устройства нужно в полном соответствии с обозначениями контактных клемм:

Соединить провода АКБ на клеммах прибора для аккумулятора в соответствии с указанной полярностью.
Непосредственно в точке контакта положительного провода включить защитный предохранитель.
На контактах контроллера, предназначенных для солнечной панели, закрепить проводники, выходящие от солнечной батареи панелей. Соблюдать полярность.
Подключить к выводам нагрузки прибора контрольную лампу соответствующего напряжения (обычно 12/24В).

Указанная последовательность не должна нарушаться. К примеру, подключать солнечные панели в первую очередь при неподключенном аккумуляторе категорически запрещается. Такими действиями пользователь рискует «сжечь» прибор. В более подробно описана схема сборки солнечных батарей с аккумулятором.

Также для контроллеров серии PWM недопустимо подключение инвертора напряжения на клеммы нагрузки контроллера. Инвертор следует соединять непосредственно с клеммами АКБ.

Порядок подключения приборов MPPT

Общие требования по физической инсталляции для этого вида аппаратов не отличаются от предыдущих систем. Но технологическая установка зачастую несколько иная, так как контроллеры MPPT зачастую рассматриваются аппаратами более мощными.

Для контроллеров, рассчитанных под высокие уровни мощностей, на соединениях силовых цепей рекомендуется применять кабели больших сечений, оснащённые металлическими концевиками

Например, для мощных систем эти требования дополняются тем, что производители рекомендуют брать кабель для линий силовых подключений, рассчитанный на плотность тока не менее чем 4 А/мм². То есть, например, для контроллера на ток 60 А нужен кабель для подключения к АКБ сечением не меньше 20 мм².

Соединительные кабели обязательно оснащаются медными наконечниками, плотно обжатыми специальным инструментом. Отрицательные клеммы солнечной панели и аккумулятора необходимо оснастить переходниками с предохранителями и выключателями.

Такой подход исключает энергетические потери и обеспечивает безопасную эксплуатацию установки.

Структурная схема подключения мощного контроллера MPPT: 1 – солнечная панель; 2 – контроллер MPPT; 3 – клеммник; 4,5 – предохранители плавкие; 6 – выключатель питания контроллера; 7,8 – земляная шина

Перед подключением к прибору следует убедиться, что напряжение на клеммах соответствует или меньше напряжения, которое допустимо подавать на вход контроллера.

Подключение периферии к аппарату MTTP:

Выключатели панели и аккумулятора перевести в положение «отключено».
Извлечь защитные предохранители на панели и аккумуляторе.
Соединить кабелем клеммы аккумулятора с клеммами контроллера для АКБ.
Подключить кабелем выводы солнечной панели с клеммами контроллера, обозначенными соответствующим знаком.
Соединить кабелем клемму заземления с шиной «земли».
Установить температурный датчик на контроллере согласно инструкции.

После этих действий необходимо вставить на место ранее извлечённый предохранитель АКБ и перевести выключатель в положение «включено». На экране контроллера появится сигнал обнаружения аккумулятора.

Далее, после непродолжительной паузы (1-2 мин), поставить на место ранее извлечённый предохранитель солнечной панели и перевести выключатель панели в положение «включено».

Экран прибора покажет значение напряжения солнечной панели. Этот момент свидетельствует об успешном запуске энергетической солнечной установки в работу.

Выводы и полезное видео по теме

Промышленностью выпускаются устройства многоплановые с точки зрения схемных решений. Поэтому однозначных рекомендаций относительно подключения всех без исключения установок дать невозможно.

Однако главный принцип для любых типов приборов остаётся единым: без подключения АКБ на шины контроллера соединение с фотоэлектрическими панелями недопустимо. Аналогичные требования предъявляются и для включения в схему . Его следует рассматривать как отдельный модуль, подключаемый на АКБ прямым контактом.

Если у вас есть необходимый опыт или знания, пожалуйста, поделитесь им с нашими читателями. Оставляйте свои комментарии в расположенном ниже блоке. Здесь же можно задать вопрос по теме статьи.

ПЛК: классификация, принцип работы, выбор

Опубликовано 19.02.2018

Классификация ПЛК

ПЛК — программируемые логические контроллеры (промышленные контроллеры).

Programmable Automation Controller (PAC)

Контроллеры для автоматизации крупных дискретно-непрерывных производств на базе открытых стандартов и сети Industrial Ethernet.

DCS PLC

ПЛК в составе распределённых систем управления (РСУ) для автоматизации крупных опасных непрерывных производств с резервированием ЦПУ, модулей ввода-вывода, блоков питания и полевых шин.

Programmable Logic Controller (PLC)

Программируемые логические контроллеры для автоматического управления преимущественно дискретными операциями (упаковка, инструментальная обработка, конвейерные системы, сборка и т. п.).

Large PLC

ПЛК для автоматизации крупных дискретных производств.

Small PLC

ПЛК для автоматизации небольших производств, OEM-производителей автоматических линий и технологических установок.

NC-based PLC

ПЛК в станках с ЧПУ (в конструктиве стойки ЧПУ).

Motion Controller

Контроллеры для управления сервоприводами в системах управления движением: ЧПУ, контурное управление, позиционирование, синхронизация скорости и положения (электронный редуктор).

PLC-based Motion Controller

Контроллер движения в конструктиве ПЛК.

Drive-based Motion Controller

Контроллер движения в конструктиве сервопривода.

NC-based Motion Controller

Контроллер движения в конструктиве стойки ЧПУ.

Safety PLC

Large Safety PLC

Контроллеры для ПАЗ опасных непрерывных производств.

Small Safety PLC

Контроллеры в системах приборной безопасности травмоопасных машин, представляющих угрозу здоровью и жизни персонала (прессы, станки, роботы и т.п.).

Remote Terminal Unit (RTU)

Управляемые по радиоканалам телеметрические контроллеры для автоматизации удалённо расположенных объектов (компрессорные станции, скважины, канализационные насосные станции и т. п.).

PC-based PLC

ПК-совместимые контроллеры.

Soft-PLC

Программа, реализующий функции ПЛК на базе ПК:

Включает PLC систему реального времени
Может инсталлироваться на любой ПК с установленной коммуникационной картой для связи с удалёнными входами-выходами (Remote I/O) или картой входов-выходов (PC-based I/O)
Использует рабочую память ПК
Для сложных задач управления программа может разрабатываться на C/C++ и встраиваться в цикл PLC

Slot-PLC

ПЛК в формате PC-card (PCI, ISA):

Устанавливается в свободный слот ПК
Запитывается от ПК, но имеет вход для подключения ИБП
Имеет встроенную память и слот для расширения памяти
Буферная батарейка защищает данные оперативной памяти
Работает независимо от CPU компьютера
Имеет выход на промышленную шину, может использовать стандартные модули удалённого ввода-вывода
Имеет встроенную PLC систему реального времени
Может иметь в комплекте OPC-сервер для связи с PC
Может иметь в комплекте софт HMI

OPLC

Два-в-одном: PLC + OP в одном корпусе (контроллер в конструктиве операторской панели).

Logic Relay

Интеллектуальные программируемые реле – микроконтроллеры для простейших задач релейной логики (таймеры, часы реального времени, счётчики, компараторы, булевские операции) с ограниченным функционалом (память, количество дискретных входов-выходов, расширяемость, коммуникабельность).

Принцип работы ПЛК

ПЛК предназначены для автоматического управления дискретными и непрерывными технологическими процессами.

Основные принципы работы ПЛК:

Цикличность
Работа в реальном масштабе времени, обработка прерываний

Цикличность работы ПЛК

В одном цикле ПЛК последовательно выполняет следующие задачи:

Самодиагностика
Опрос датчиков, сбор данных о текущем состоянии технологического процесса
Обмен данными с другими ПЛК, промышленными компьютерами и системами человеко-машинного интерфейса (HMI)
Обработка полученных данных по заданной программе
Формирование сигналов управления исполнительными устройствами

Время цикла

Время выполнения одного цикла программы зависит от:

размера программы
количества удалённых входов-выходов
скорости обмена данными с распределённой периферией
быстродействия ЦПУ

Время цикла (время квантования) должно быть настолько маленьким, чтобы ПЛК успевал за скоростью изменения переменных процесса (см. теорию автоматического управления), в противном случае процесс станет неуправляемым.

Watchdog

Строжевой таймер следит за тем, чтобы время цикла не превышало заданное.

Обработка прерываний

По прерываниям ПЛК запускает специальные программы обработки прерываний.

Типы прерываний:

Циклические прерывания по времени (например, каждые 5 секунд)
Прерывание по дискретному входу (например, по сработке концевика)
Прерывания по программным и коммуникационным ошибкам, превышению времени цикла, неисправностям модулей, обрывам контуров

Модули ПЛК

Корзина для установки модулей
Стабилизированный блок питания AC/DC (~220В/=24В)
Центральное процессорное устройство (ЦПУ) с интерфейсом для подключения программатора, переключателем режимов работы, индикацией статуса, оперативной (рабочей) памятью, постоянной памятью для хранения программ и блоков данных
Интерфейсные модули для подключения корзин расширения локального ввода-вывода и распределённой периферии
Коммуникационные модули для обмена данными с другими контроллерами и промышленными компьютерами
Модули ввода-вывода
Прикладные модули (синхронизация, позиционирование, взвешивание и т.п.)

Функции устройств ввода

Электрическое подключение и питание технологических датчиков (дискретных и аналоговых)
Диагностика состояния (обрыв провода, контроль граничных значений, короткое замыкание и т.п.)
Формирование цифровых значений (машинных слов) технологических параметров
Передача этих данных в память ПЛК для дальнейшей обработки

Функции устройств вывода

Электрическое подключение исполнительных устройств
Диагностика состояния (обрыв провода, контроль граничных значений, короткое замыкание и т.п.)
Приём управляющих машинных слов из памяти ПЛК
Формирование управляющих сигналов (дискретных и аналоговых)

Типы устройств ввода-вывода

Модули локального ввода-вывода располагаются:

в одной корзине с ЦПУ
в соседних корзинах в одном шкафу с ЦПУ
в корзинах в соседних шкафах в одном помещении с ЦПУ

Модули распределённого ввода-вывода (децентрализованная периферия) располагаются удалённо (в другом здании или в поле по по месту управления) и связываются с ЦПУ по промышленной полевой шине. Станции удалённого ввода-вывода могут иметь взрывозащищённое исполнение или повышенный класс защиты корпуса (например, IP67) и устанавливаться без шкафа

Функции коммуникационных модулей

Коммуникационные модули предназначены для обмена данными:

с удалёнными модулями ввода-вывода (Profibus, Modbus и др.)
с программаторами, панелями оператора (HMI) и другими контроллерами
с полевыми устройствами (HART, Foundation Fieldbus и др.)
с сервоприводами (SERCOS)
с промышленными компьютерами верхнего уровня (Industrial Ethernet и др.)
по радиоканалам (GSM, GPRS)
по телефонным линиям
по Internet (встроенные web-серверы публикуют на своих страницах статусную информацию)

Выбор ПЛК

Выбор платформы автоматизации

Выбор платформы определяет и весь ваш будущий выбор.

ПЛК является первым пунктом в выборе платформы.

Правильный выбор платформы позволяет минимизировать расходы жизненного цикла системы управления:

склад запасных частей и сервисное обслуживание
обучение и сертификацию обслуживающего персонала
приобретение лицензий на средства разработки прикладного ПО
интеграцию (бесшовная интеграция)
миграцию (переход со старого оборудования на новое)
программы и сикдки для ключевых клиентов

Определение количества точек ввода-вывода

Желательно максимально точно определить общее количество точек ввода-вывода (с учётом резервирования), чтобы подобрать ПЛК соответствующей производительности, или заранее предусмотреть модель контроллера с большим запасом по расширяемости.

Дискретные входы (стандартные и быстродействующие импульсные)
Аналоговые входы для подключения датчиков:

токовых (0..20мА, 4..20мА)
«напряженческих» (-10..+10В, 0..+10В)
термопар и термосопротивлений (способ подключения: 2-х, 3-х или 4-х проводное подключение)

Дискретные выходы (мокрый контакт)
Релейные выходы (сухой контакт):

тип нагрузки (резистивная, индуктивная, резистивно-индуктивная)
величина тока (в Амперах)
напряжение (~220В, =24В)

Аналоговые выходы:

токовые (0..20мА, 4..20мА)
«напряженческие» (-10..+10В, 0..+10В)

Интерфейсы для подключения угловых или линейных датчиков скорости, положения (энкодеров, резольверов, синусно-косинусных)

Определение архитектуры системы управления

Составить список объектов автоматизации (производственных площадок, цехов, участков, технологических линий, подсистем)
Определиться с количеством ПЛК: если объекты управляются независимо друг от друга и вводятся в эскплуатацию поочередно, то можно предусмотреть для них отдельные контроллеры
В зависимости от объёма и скорости обмена данными, территориального расположения объектов управления необходимо выбрать тип и топологию промышленной сети, требуемое коммуникационное оборудование
Для минимизации длины кабельных соединений используются станции распределённого ввода-вывода
Расписать точки ввода вывода по контроллерам, шкафам локального и децентрализованного ввода-вывода, определить количество и типы модулей ввода-вывода с учётом запаса по свободным каналам ввода-вывода
В зависимости от направления обмена данными между ПЛК необходимо правильно выбрать конфигурацию Master – Slave (Ведущий – Ведомый): контроллеры типа Slave не могут обмениваться данными друг с другом

Масштабируемость

Масштабируемость – это возможность подобрать промышленный контроллер оптимальной конфигурации под конкретную задачу (не переплачивая за избыточную функциональность), а при необходимости расширения – просто добавить недостающие модули без замены старых.

Выбор блоков питания

Контроллеры подключаются к стабилизированным импульсным источникам питания. Необходимо аккуратно подсчитать суммарный ток, потребляемый всеми модулями контроллера и подобрать блок питания с соответствующей нагрузочной способностью.

Пример последствий неправильного выбора блока питания

Выходные модули установки приготовления клея для варки целлюлозы иногда отключались и испорченный клей приходилось выбрасывать тоннами. К финскому проекту ни у кого претензий не возникало. Заменили все модули ввода-вывода — не помогло. Грешили на случайные помехи из-за плохого заземления. Оказалось, что в определённых ситуациях (как-бы случайно) срабатывало такое «большое» количество входов и выходов, что суммарный потребляемый ими ток на мгновение превышал допустимый выходной ток блока питания и модули вывода отключались. Заменили блок питания на более мощный и проблема была решена.

Программное обеспечение

Очень полезен программный симулятор, с помощью которого можно отладить программу без подключения к ПЛК
Удобно, если для программирования ПЛК можно использовать стандартный ноутбук и стандартный кабель (USB или Ethernet)
Проще найти программиста, если контроллер поддерживает стандартные языки программирования IEC61131:

LD (Ladder Diagram) – графический язык релейной логики
IL (Instruction List) – список инструкций
FBD (Function Block Diagram) – графический язык диаграмм логических блоков
SFC (Sequential Function Chart) – графический язык диаграмм состояний
ST (Structured Text) – текстовый язык программирования высокого уровня

Системы ЧПУ

Как создаются игровые контроллеры

С тех пор, как были видеоигры, были игровые контроллеры. Они различаются по форме, материалам и расположению кнопок, но у каждой одна и та же цель: хорошо управлять игрой. Но как они построены? Как они переводят нажатие кнопки в прыжок? Как беспроводные контроллеры подключаются к устройству? Что нужно для создания удобного и простого в использовании устройства?

Чтобы понять, как устроен игровой контроллер, вам нужно знать, как он работает.По сути, у каждой кнопки внизу есть кусок металла. Когда кнопка нажата, она встречается с двумя проводящими полосами на печатной плате и замыкает цепь. Контроллер обнаруживает соединение и отправляет данные в ЦП любого устройства, с которым он связан. Оттуда ЦП сравнивает данные игры или программы, чтобы отреагировать на действие, соответствующее нажатию кнопки. Все это происходит практически мгновенно (это называется «задержкой ввода», когда команды регистрируются не сразу).

Этот процесс объясняет две универсальные функции всех контроллеров: печатную плату и какую-то оболочку. Корпус традиционно сделан из пластика и отформован по форме контроллера. Стоит отметить, что простой дизайн игрового контроллера может занять месяцы. Создание уникального, но удобного дизайна в течение длительного времени — задача не из легких. Например, контроллер PlayStation DualShock часто считается самым эргономичным контроллером из когда-либо созданных, с его крылатой формой и удобным расположением кнопок.

Другие формы ввода включают круглые пластиковые палочки с резиновым покрытием, называемые джойстиками. Джойстики используются для движения и прицеливания и работают совершенно иначе, чем кнопки. Переменные резисторы, называемые потенциометрами, расположены под прямым углом под джойстиками. Через потенциометры постоянно течет ток, но он зависит от сопротивления. Сопротивление увеличивается или уменьшается при наклоне джойстика (или при нажатии вниз, если консоль имеет эту функцию).Угол определяется контроллером и отправляется на консоль, которая переводит направление на экран. Эта форма управления известна как «аналоговое управление».

Входные нажатия обычно передаются через беспроводное или проводное соединение. В основном вы найдете проводные контроллеры для старых систем, таких как Nintendo GameCube или Sega Genesis. Они работают так же, как и любое проводное соединение, при этом команды кнопок передаются по кабелю или проводу. Беспроводные контроллеры используют инфракрасный порт или Bluetooth для передачи данных.Кроме того, в некоторых системах контроллеры встроены прямо в консоль. В основном это портативные системы, такие как PlayStation Vita или Nintendo Game Boy. По этой причине даже клавиатура ноутбука считается контроллером (особенно если вы играете в компьютерную игру).

А как насчет управления движением? В таких системах, как Nintendo Wii и PlayStation Move, помимо подсказок кнопок используются элементы управления движением. В этих игровых контроллерах используются акселерометры. Крошечные чипы удерживают пластины на месте с помощью пружин.Когда пульт поворачивается, пружины прижимаются пластинами. Чем больше движется контроллер, тем больше смещается пластина вместе с ним. Акселерометр измеряет, как каждая пластина движется относительно других и остальной части контроллера, и система переводит это в синхронизированное движение.

Некоторые контроллеры также имеют функцию грохота, которая отключается при выполнении определенных действий. Двигатели находятся в ручках или захватах контроллеров. Эти двигатели удерживают неуравновешенный груз, который вращается при подаче питания на двигатель.Двигатель будет пытаться раскачиваться, чтобы стабилизировать вес, но он надежно закреплен в контроллере. Это приводит к сильной вибрации контроллера.

По-своему игровые контроллеры похожи на небольшие специализированные компьютеры. Используя схемы и электричество, они выполняют специальные функции, помогающие пользователю. И так же, как компьютеры, некоторые из них более мощные или более простые в использовании, чем другие. Некоторые из них простые, некоторые сложные, но у каждого есть своя цель: подарить нам часы удовольствия от наших любимых игр.

Узнайте больше о мире производства и узнайте, как делаются гантели, микрочипы и Nintendo Switch.

Как работает PlayStation | HowStuffWorks

Контроллер является основным пользовательским интерфейсом PlayStation. И так же, как геймпад, поставляемый с оригинальной Nintendo Entertainment System, радикально отличался от предыдущих контроллеров, контроллер PSX снова изменил правила. Благодаря своей крылатой форме и множеству удобно расположенных кнопок он удобен в использовании и в то же время мощный.

Стандартный контроллер PSX имеет 14 кнопок! К ним относятся:

четыре кнопки, расположенные в виде навигационной панели слева вверху
кнопки запуска и выбора вверху в середине
четыре кнопки действий вверху справа
две кнопки действий слева спереди
две кнопки действий спереди справа

Хотя каждую кнопку можно настроить для выполнения определенного и отличительного действия, все они работают по одному и тому же принципу. По сути, каждая кнопка представляет собой переключатель, замыкающий цепь при нажатии.Небольшой металлический диск под кнопкой соприкасается с двумя полосами проводящего материала на печатной плате внутри контроллера. Пока металлический диск находится в контакте, он проводит электричество между двумя полосами. Контроллер определяет, что цепь замкнута, и отправляет эти данные в PSX. ЦП сравнивает эти данные с инструкциями в игровом программном обеспечении для этой кнопки и инициирует соответствующий ответ. Также под каждым рычагом направляющей имеется металлический диск.Если вы играете в игру, в которой нажатие на направленную панель заставляет персонажа приседать, возникает аналогичная цепочка соединений с момента нажатия на панель до момента, когда персонаж приседает.

Новые модели Dual Shock Контроллеры PSX имеют аналоговых джойстиков , а также стандартные кнопки. Эти джойстики работают совершенно иначе, чем кнопки, описанные выше. Два потенциометра (переменные резисторы) расположены под прямым углом друг к другу под джойстиком.Ток постоянно течет через каждую из них, но величина тока определяется величиной сопротивления. Сопротивление увеличивается или уменьшается в зависимости от положения джойстика. Контролируя выходной сигнал каждого потенциометра, PSX может определять точный угол, под которым удерживается джойстик, и запускать соответствующий отклик на основе этого угла. В играх, которые их поддерживают, подобные аналоговые функции позволяют потрясающе контролировать игровой процесс.

Еще одна особенность контроллера Dual Shock, собственно причина его названия, — это с обратной связью по усилию .Эта функция обеспечивает тактильную стимуляцию определенных действий в игре. Например, в гоночной игре вы можете почувствовать резкую вибрацию, когда ваша машина врезается в стену.

Обратная связь по усилию фактически достигается за счет использования очень распространенного устройства — простого электродвигателя. В контроллере Dual Shock используются два мотора, по одному в каждой рукоятке. Вал каждого двигателя удерживает неуравновешенный груз. Когда на двигатель подается питание, он раскручивает груз. Поскольку вес неуравновешен, двигатель пытается раскачиваться.Но поскольку двигатель надежно закреплен внутри контроллера, колебание трансформируется в дрожащую вибрацию самого контроллера. Теперь давайте подробнее рассмотрим, как контроллер взаимодействует с PSX.

Вот что делает каждый вывод:

ДАННЫЕ — Этот вывод передает сигнал, который контроллер отправляет на PSX при каждом нажатии кнопки. Это 8-битная последовательная передача.
КОМАНДА — этот вывод используется PSX для отправки информации на контроллер. Такая информация может вызвать срабатывание двигателей в контроллере Dual Shock в нужный момент.Он также использует 8-битную последовательную передачу.
Не используется
ЗАЗЕМЛЕНИЕ
ПИТАНИЕ — Этот вывод подает 5 вольт на контроллер от PSX.
SELECT — этот вывод используется PSX для уведомления контроллера о входящих данных.
ЧАСЫ — этот вывод передает сигнал синхронизации, отправляемый от PSX к контроллеру.
Не используется
ПОДТВЕРЖДЕНИЕ — этот вывод отправляет сигнал на PSX от контроллера после каждой команды, полученной на выводе 2.

Работа, типы, преимущества и применение

Как следует из названия, эта статья даст точное представление о структуре и работе ПИД-регулятора. Однако, вдаваясь в подробности, давайте познакомимся с ПИД-регуляторами. ПИД-регуляторы находят широкое применение в управлении производственными процессами. Примерно 95% операций с обратной связью в секторе промышленной автоматизации используют ПИД-регуляторы. ПИД означает пропорционально-интегрально-производная.Эти три контроллера объединены таким образом, что вырабатывает управляющий сигнал. В качестве контроллера обратной связи он обеспечивает управляющий выход на желаемых уровнях. До изобретения микропроцессоров ПИД-регулирование реализовывалось с помощью аналоговых электронных компонентов. Но сегодня все ПИД-регуляторы обрабатываются микропроцессорами. Программируемые логические контроллеры также имеют встроенные инструкции ПИД-регулятора. Из-за гибкости и надежности ПИД-регуляторы традиционно используются в приложениях для управления технологическими процессами.

Что такое ПИД-регулятор?

Термин PID обозначает пропорциональную интегральную производную и представляет собой один из видов устройств, используемых для управления различными переменными процесса, такими как давление, расход, температура и скорость в промышленных приложениях. В этом контроллере устройство обратной связи контура управления используется для регулирования всех переменных процесса.

Этот тип управления используется для управления системой в направлении целевого местоположения, в противном случае — на уровне. Он почти везде используется для контроля температуры и используется в научных процессах, автоматизации и бесчисленном количестве химических веществ.В этом контроллере обратная связь с обратной связью используется для поддержания реального выхода метода, близкого к цели, в противном случае — в фиксированной точке, если это возможно. В этой статье обсуждается конструкция ПИД-регулятора с используемыми в них режимами управления, такими как P, I и D.

История

История ПИД-регулятора такова. В 1911 году Элмер Сперри разработал первый ПИД-регулятор. После этого в TIC (Taylor Instrumental Company) был внедрен бывший пневматический контроллер с полной настройкой в 1933 году.Спустя несколько лет инженеры по управлению устранили ошибку установившегося состояния, которая обнаруживается в пропорциональных контроллерах, путем перенастройки конца на какое-то ложное значение до тех пор, пока ошибка не станет равной нулю.

Эта перенастройка включала ошибку, известную как пропорционально-интегральный контроллер. После этого, в 1940 году, был разработан первый пневматический ПИД-регулятор посредством производного действия для уменьшения проблем с перерегулированием.

В 1942 году компания Ziegler & Nichols ввели правила настройки, чтобы инженеры обнаруживали и устанавливали подходящие параметры ПИД-регуляторов.Наконец, в середине 1950-х годов автоматические ПИД-регуляторы получили широкое распространение в промышленности.

Блок-схема ПИД-регулятора

Система с обратной связью, такая как ПИД-регулятор, включает в себя систему управления с обратной связью. Эта система оценивает переменную обратной связи, используя фиксированную точку, чтобы генерировать сигнал ошибки. Исходя из этого, он изменяет вывод системы. Эта процедура будет продолжаться до тех пор, пока ошибка не достигнет нуля, в противном случае значение переменной обратной связи станет эквивалентным фиксированной точке.

Этот контроллер дает хорошие результаты по сравнению с контроллером типа ВКЛ / ВЫКЛ. В контроллере типа ВКЛ / ВЫКЛ доступны всего два условия для управления системой. Когда значение процесса ниже фиксированной точки, оно включается. Точно так же он выключится, когда значение будет выше фиксированного значения. Выходной сигнал нестабилен в контроллерах такого типа и часто колеблется в районе фиксированной точки. Однако этот контроллер более устойчив и точен по сравнению с контроллером типа ВКЛ / ВЫКЛ.

Работа ПИД-регулятора

При использовании недорогого простого контроллера ВКЛ-ВЫКЛ возможны только два состояния управления, например, полностью ВКЛЮЧЕНО или полностью ВЫКЛЮЧЕНО. Он используется для приложения с ограниченным управлением, где этих двух состояний управления достаточно для цели управления. Однако колебательный характер этого управления ограничивает его использование, и поэтому он заменяется ПИД-регуляторами.

ПИД-регулятор поддерживает выходной сигнал таким образом, чтобы при операциях с обратной связью не было ошибки между переменной процесса и уставкой / желаемым выходом.PID использует три основных режима управления, которые описаны ниже.

P- Контроллер

Пропорциональный или П-регулятор выдает выходной сигнал, пропорциональный текущей ошибке e (t). Он сравнивает желаемое или заданное значение с фактическим значением или значением процесса обратной связи. Полученная ошибка умножается на пропорциональную константу, чтобы получить результат. Если значение ошибки равно нулю, то этот выход контроллера равен нулю.

P-controller

Этот контроллер требует смещения или ручного сброса при использовании отдельно.Это потому, что он никогда не достигает стационарного состояния. Он обеспечивает стабильную работу, но всегда поддерживает установившуюся ошибку. Скорость отклика увеличивается при увеличении пропорциональной постоянной Kc.

Ответ P-контроллера

I-Controller

Из-за ограничений p-контроллера, где всегда существует смещение между переменной процесса и уставкой, необходим I-контроллер, который обеспечивает необходимые действия для устранения установившейся ошибки.Он интегрирует ошибку за период времени, пока значение ошибки не достигнет нуля. Он содержит значение для конечного устройства управления, при котором ошибка становится равной нулю.

ПИ-регулятор

Интегральное управление уменьшает свой выходной сигнал при возникновении отрицательной ошибки. Это ограничивает скорость ответа и влияет на стабильность системы. Скорость отклика увеличивается за счет уменьшения интегрального усиления Ki.

Реакция ПИ-регулятора

На приведенном выше рисунке, когда коэффициент усиления I-регулятора уменьшается, установившаяся ошибка также продолжает уменьшаться.В большинстве случаев используется ПИ-регулятор, особенно там, где не требуется высокая скорость реакции.

При использовании ПИ-регулятора выход I-регулятора ограничен некоторым диапазоном, чтобы преодолеть условия интегральной намотки, когда интегральный выход продолжает увеличиваться даже в состоянии нулевой ошибки из-за нелинейностей в установке.

D-контроллер

I-контроллер

не может предсказать будущее поведение ошибки. Таким образом, он нормально реагирует на изменение уставки.D-контроллер преодолевает эту проблему, предвидя будущее поведение ошибки. Его выход зависит от скорости изменения ошибки по времени, умноженной на производную константу. Это дает толчок для выхода, тем самым увеличивая отклик системы.

ПИД-регулятор

На приведенном выше рисунке ответ D, контроллер больше по сравнению с ПИ-регулятором, а также время установления выхода уменьшено. Это улучшает стабильность системы за счет компенсации фазовой задержки, вызванной I-контроллером.Увеличение производного усиления увеличивает скорость отклика.

Отклик ПИД-регулятора

Итак, наконец, мы заметили, что, комбинируя эти три контроллера, мы можем получить желаемый отклик для системы. Разные производители разрабатывают разные алгоритмы ПИД-регулирования.

Типы ПИД-регуляторов

ПИД-регуляторы

подразделяются на три типа: двухпозиционные, пропорциональные и стандартные. Эти контроллеры используются на основе системы управления, пользователь может использовать контроллер для регулирования метода.

Управление ВКЛ / ВЫКЛ

Двухпозиционный метод управления — это простейший тип устройства, используемого для регулирования температуры. Выход устройства может быть включен / выключен без центрального состояния. Этот контроллер включит выход сразу после того, как температура пересечет фиксированную точку. Контроллер предельного значения — это один из видов контроллеров ВКЛ / ВЫКЛ, в которых используется фиксирующее реле. Это реле сбрасывается вручную и используется для отключения метода при достижении определенной температуры.

Пропорциональное управление

Контроллер этого типа предназначен для устранения цикличности, связанной с управлением ВКЛ / ВЫКЛ.Этот ПИД-регулятор снижает нормальную мощность, подаваемую на нагреватель, когда температура достигает фиксированной точки.

Этот контроллер имеет одну функцию для управления нагревателем, чтобы он не превышал фиксированную точку, но достигал фиксированной точки для поддержания постоянной температуры.
Это пропорциональное действие может быть достигнуто путем включения и выключения выхода на короткие периоды времени. На этот раз при дозировании изменится соотношение времени включения и выключения для регулирования температуры.

ПИД-регулятор стандартного типа

Этот тип ПИД-регулятора объединяет пропорциональное управление посредством интегрального и производного управления, чтобы автоматически помогать устройству компенсировать изменения в системе. Эти модификации, интеграл и производная выражаются в единицах измерения, основанных на времени.

Эти контроллеры также обозначаются своими обратными значениями RATE & RESET соответственно. Условия PID должны быть настроены отдельно, в противном случае они должны быть настроены для конкретной системы методом проб и ошибок.Эти контроллеры обеспечивают наиболее точное и устойчивое управление 3 типами контроллеров.

ПИД-регуляторы реального времени

В настоящее время на рынке доступны различные типы ПИД-регуляторов. Эти контроллеры используются для требований промышленного управления, таких как давление, температура, уровень и расход. После того, как эти параметры управляются с помощью ПИД-регулятора, можно выбрать использование отдельного ПИД-регулятора или любого ПЛК.
Эти отдельные контроллеры используются везде, где требуется проверка одного или двух контуров, а также управления иным образом в условиях, когда это сложно справа от входа в более крупные системы.

Эти устройства управления предоставляют различные варианты управления соло и двойным контуром. ПИД-контроллеры автономного типа обеспечивают несколько конфигураций с фиксированной точкой для создания нескольких автономных сигналов тревоги.
Эти автономные контроллеры в основном включают ПИД-регуляторы от Honeywell, регуляторы температуры от Yokogawa, контроллеры автонастройки от OMEGA, Siemens и контроллеры ABB.

ПЛК

используются как ПИД-контроллеры в большинстве приложений промышленного управления. Расположение блоков ПИД может быть выполнено внутри PAC или PLC, чтобы предоставить лучший выбор для точного управления PLC.Эти контроллеры умнее и мощнее по сравнению с отдельными контроллерами. Каждый ПЛК включает блок ПИД в программном обеспечении.

Методы настройки

Перед тем, как ПИД-регулятор заработает, он должен быть настроен в соответствии с динамикой контролируемого процесса. Разработчики предоставляют значения по умолчанию для терминов P, I и D, и эти значения не могут дать желаемой производительности и иногда приводят к нестабильности и снижению производительности управления.Для настройки ПИД-регуляторов разработаны различные типы методов настройки, которые требуют от оператора большого внимания для выбора наилучших значений пропорционального, интегрального и производного коэффициентов усиления. Некоторые из них приведены ниже.

ПИД-регуляторы

используются в большинстве промышленных приложений, но необходимо знать настройки этого регулятора, чтобы правильно настроить его для генерации предпочтительного выходного сигнала. Здесь настройка — это не что иное, как процедура получения идеального ответа от контроллера путем установки наилучших пропорциональных коэффициентов усиления, интегральных и производных коэффициентов.

Требуемый выходной сигнал ПИД-регулятора может быть получен путем настройки регулятора. Существуют различные методы получения требуемого выходного сигнала от контроллера, такие как метод проб и ошибок, метод Цейглера-Николса и кривая реакции процесса. Наиболее часто используемые методы — это метод проб и ошибок, метод Zeigler-Nichols и т. Д.

Метод проб и ошибок: Это простой метод настройки ПИД-регулятора. Пока система или контроллер работают, мы можем настроить контроллер.В этом методе, во-первых, мы должны установить значения Ki и Kd равными нулю и увеличивать пропорциональный член (Kp) до тех пор, пока система не достигнет колебательного поведения. Как только он начнет колебаться, отрегулируйте Ki (интегральный член), чтобы колебания прекратились, и, наконец, отрегулируйте D, чтобы получить быстрый отклик.

Метод кривой реакции процесса: Это метод настройки без обратной связи. Он дает ответ, когда к системе применяется пошаговый ввод. Первоначально мы должны применить некоторый управляющий выход к системе вручную и записать кривую отклика.

После этого нам нужно вычислить наклон, мертвое время, время нарастания кривой и, наконец, подставить эти значения в уравнения P, I и D, чтобы получить значения усиления членов ПИД.

Кривая реакции процесса

Метод Цейглера-Николса: Цейглер-Николс предложил методы с обратной связью для настройки ПИД-регулятора. Это метод непрерывного цикла и метод затухающих колебаний. Процедуры для обоих методов одинаковы, но поведение колебаний разное. При этом, во-первых, мы должны установить постоянную p-регулятора Kp на конкретное значение, в то время как значения Ki и Kd равны нулю.Пропорциональное усиление увеличивается до тех пор, пока система не будет колебаться с постоянной амплитудой.

Коэффициент усиления, при котором система производит постоянные колебания, называется предельным усилением (Ku), а период колебаний — предельным периодом (Pc). Как только он будет достигнут, мы можем ввести значения P, I и D в ПИД-регулятор по таблице Зиглера-Николса в зависимости от используемого регулятора, например, P, PI или PID, как показано ниже.

Таблица Цейглера-Николса

Структура ПИД-регулятора

ПИД-регулятор

состоит из трех частей: пропорционального, интегрального и производного управления.Совместная работа этих трех контроллеров дает стратегию управления процессом. ПИД-регулятор управляет переменными процесса, такими как давление, скорость, температура, расход и т. Д. Некоторые приложения используют ПИД-регуляторы в каскадных сетях, где два или более ПИД-регуляторов используются для управления.

Структура ПИД-регулятора

На приведенном выше рисунке показана структура ПИД-регулятора. Он состоит из блока PID, который передает свой вывод блоку процесса. Процесс / завод состоит из устройств конечного управления, таких как приводы, регулирующие клапаны и другие устройства управления, для управления различными процессами на производстве / заводе.

Сигнал обратной связи от технологической установки сравнивается с заданным значением или опорным сигналом u (t), и соответствующий сигнал ошибки e (t) подается в алгоритм ПИД. В соответствии с вычислениями пропорционального, интегрального и производного управления в алгоритме, контроллер выдает комбинированный ответ или управляемый выходной сигнал, который применяется к устройствам управления установкой.

Всем приложениям управления не нужны все три элемента управления. Комбинации, такие как элементы управления PI и PD, очень часто используются в практических приложениях.

Приложения

Приложения ПИД-регулятора включают следующее.

Лучшее применение ПИД-регулятора — регулирование температуры, при котором контроллер использует вход датчика температуры, а его выход может быть связан с элементом управления, таким как вентилятор или нагреватель. Как правило, этот контроллер представляет собой просто один элемент в системе контроля температуры. Вся система должна быть исследована, а также учтена при выборе правильного контроллера.

Контроль температуры печи

Как правило, печи используются для обогрева, а также для хранения огромного количества сырья при очень высоких температурах.Обычно занимаемый материал имеет огромную массу. Следовательно, требуется большое количество инерции, и температура материала не изменяется быстро, даже когда применяется большое количество тепла. Эта функция приводит к умеренно стабильному сигналу PV и позволяет производному периоду эффективно корректировать неисправность без резких изменений FCE или CO.

Контроллер заряда MPPT

Вольт-амперная характеристика фотоэлектрического элемента в основном зависит от диапазона температур, а также освещенности.В зависимости от погодных условий ток и рабочее напряжение будут постоянно меняться. Таким образом, чрезвычайно важно отслеживать самые высокие показатели PowerPoint эффективной фотоэлектрической системы. ПИД-регулятор используется для определения точки MPPT, давая ПИД-регулятору фиксированные значения напряжения и тока. После изменения погодных условий трекер поддерживает стабильные ток и напряжение.

Преобразователь силовой электроники

Мы знаем, что преобразователь — это приложение силовой электроники, поэтому ПИД-регулятор в основном используется в преобразователях.Каждый раз, когда преобразователь подключается к системе на основе изменения нагрузки, выходной сигнал преобразователя будет изменен. Например, инвертор связан с нагрузкой; при увеличении нагрузки подается огромный ток. Таким образом, параметр напряжения, а также сила тока нестабильны, но могут изменяться в зависимости от требований.

В этом состоянии этот контроллер будет генерировать сигналы ШИМ для активации IGBT инвертора. В зависимости от изменения нагрузки на ПИД-регулятор подается ответный сигнал, поэтому он выдаст ошибку n.Эти сигналы генерируются на основе сигнала неисправности. В этом состоянии мы можем получить изменяемый ввод и вывод через аналогичный инвертор.

Применение ПИД-регулятора: управление с обратной связью для бесщеточного двигателя постоянного тока

Интерфейс ПИД-регулятора

Дизайн и интерфейс ПИД-регулятора могут быть выполнены с помощью микроконтроллера Arduino. В лаборатории ПИД-контроллер на базе Arduino разработан с использованием платы Arduino UNO, электронных компонентов, термоэлектрического охладителя, а языки программирования, используемые в этой системе, — C или C ++.Эта система используется для контроля температуры в лаборатории.

Параметры PID для конкретного регулятора находятся физически. Функция различных параметров ПИД может быть реализована за счет последующего контраста между различными формами контроллеров.
Эта система сопряжения может эффективно рассчитывать температуру с погрешностью ± 0,6 ℃, в то время как постоянная температура регулируется путем простого небольшого отклонения от предпочтительного значения. Концепции, используемые в этой системе, обеспечат недорогие, а также точные методы управления физическими параметрами в предпочтительном диапазоне в лаборатории.

Таким образом, в этой статье обсуждается обзор ПИД-регулятора, который включает в себя историю, блок-схему, структуру, типы, работу, методы настройки, интерфейс, преимущества и приложения. Мы надеемся, что смогли предоставить базовые, но точные знания о ПИД-регуляторах. Вот простой вопрос для всех вас. Среди различных методов настройки, какой метод лучше всего использовать для достижения оптимальной работы ПИД-регулятора и почему?

Просим вас дать свои ответы в разделе комментариев ниже.

Фото:

Блок-схема ПИД-регулятора

от wikimedia
Структура ПИД-регулятора, П-регулятор, П — ответ контроллера и ПИД-регулятор от blog.opticontrols
P — ответ регулятора от controls.engin.umich
ПИ-регулятор, ответ от m.eet
PID Controller ответ от wikimedia
Таблица Зейглера-Николса от controls.engin

Определение контроллера

Что такое контроллер?

Контроллер — это физическое лицо, которое несет ответственность за всю деятельность, связанную с бухгалтерским учетом, включая высокоуровневый учет, управленческий учет и финансовую деятельность в компании.Финансовый контролер обычно подчиняется главному финансовому директору фирмы (CFO), хотя в небольших компаниях эти две должности могут быть совмещены. В обязанности контролера входит помощь в составлении операционных бюджетов, надзор за финансовой отчетностью и выполнение основных обязанностей, связанных с расчетом заработной платы.

Контроллер выполняет множество задач, которые могут включать в себя подготовку бюджетов и управление важными графиками составления бюджета во всей организации. Это включает сбор, анализ и консолидацию финансовых данных.Хотя диспетчер не всегда ведет годовой бюджет, он отслеживает отклонения, обобщает тенденции и исследует бюджетные дефициты. Контроллер сообщает руководству о существенных отклонениях бюджета или расходах.

Понимание работы контроллеров

Функции контроллера различаются в зависимости от компании из-за размера и сложности бизнеса и отрасли. Вариант положения контроллера называется контролером.Контроллер обычно занимает более высокую должность, которая чаще встречается в государственных или некоммерческих организациях. Небольшие компании требуют большей универсальности контролера, в то время как более крупные компании могут распределить следующие должностные обязанности между другими сотрудниками, включая финансового директора и казначея.

Контроллер организации может участвовать в наборе, подборе и обучении персонала. Должность требует оценки результатов работы, руководства сотрудниками и выполнения дисциплинарных мер по мере необходимости.Финансовый контролер часто поддерживает уровень образования, продолжая профессиональное образование посредством семинаров, вебинаров или возможностей обучения.

Что касается возможностей трудоустройства, Бюро статистики труда (BLS) прогнозирует 10-летний прогноз роста финансовых менеджеров (контролеров) с 2019 по 2029 год на уровне 15%, что «намного быстрее, чем в среднем».

Ключевые выводы

Контроллер осуществляет надзор за финансовым здоровьем компании.
В зависимости от потребностей компании контролер может также отвечать за найм и обучение персонала, который будет работать в финансовом отделе.
Контроллеры несут ответственность не только за расчет чистой прибыли, но и за соблюдение налоговых, разрешительных и лицензионных требований.

Требования к контроллерам

При приеме на работу на должность контролера компании часто требуют, чтобы кандидаты обладали как минимум 10-летним опытом работы в сфере прямого бухгалтерского учета или финансов. Часто требуется степень бакалавра в области бухгалтерского учета, финансов или делового администрирования, в то время как степень магистра не требуется, но желательна.Профессиональные сертификаты, включая лицензию сертифицированного бухгалтера, могут не требоваться, но, как правило, предпочтительнее.

Особые соображения

Контролер работает с внешними аудиторами, чтобы обеспечить соблюдение надлежащих стандартов отчетности. Кроме того, контролер устанавливает, контролирует и обеспечивает внутренний контроль над финансовой отчетностью. Контроллерам публично торгуемых компаний часто поручается ведение публичной финансовой отчетности.

Контроллер бизнеса следит за будущим законодательством, которое влияет на налогообложение и операции.Эта обязанность включает мониторинг будущих рисков и обеспечение выполнения надлежащих разрешений, лицензий или операционных требований. Наряду с подачей финансовых отчетов на контролера могут быть возложены обязанности по подготовке налоговой отчетности, включая подачу налоговых деклараций штата, федеральных налогов или отраслевых налогов.

Как работают ПИД-регуляторы

Пропорционально-интегрально-производный (ПИД) регулятор может использоваться как средство управления температурой, давлением, расходом и другими параметрами процесса.Как следует из названия, ПИД-регулятор сочетает в себе пропорциональное управление с дополнительными интегральными и производными регулировками, которые помогают устройству автоматически компенсировать изменения в системе.

Основы ПИД-регулятора

Назначение ПИД-регулятора — заставить обратную связь соответствовать заданному значению, например, термостату, который заставляет блок нагрева и охлаждения включаться или выключаться в зависимости от заданной температуры. ПИД-регуляторы лучше всего использовать в системах, которые имеют относительно небольшую массу и быстро реагируют на изменения энергии, добавляемой к процессу.Его рекомендуется использовать в системах, где нагрузка часто изменяется, и ожидается, что контроллер будет автоматически выполнять компенсацию из-за частых изменений уставки, количества доступной энергии или массы, которую необходимо контролировать.

Принцип работы ПИД-регулятора

Принцип работы ПИД-регулятора заключается в том, что пропорциональные, интегральные и производные члены должны настраиваться или «настраиваться» индивидуально. На основе разницы между этими значениями вычисляется поправочный коэффициент, который применяется к входным данным.Например, если в духовке холоднее, чем требуется, нагрев будет увеличиваться. Вот три шага:

Пропорциональная настройка включает корректировку цели пропорционально разнице. Таким образом, целевое значение никогда не достигается, потому что, когда разница приближается к нулю, то же самое происходит и с применяемой коррекцией.
Интегральная настройка пытается исправить это, эффективно суммируя ошибку, полученную в результате действия «P», для увеличения поправочного коэффициента. Например, если температура в духовке остается ниже температуры, «I» будет действовать для увеличения напора.Однако вместо того, чтобы останавливать нагрев при достижении цели, «I» пытается свести кумулятивную ошибку к нулю, что приводит к перерегулированию.
Производная настройка пытается минимизировать это перерегулирование путем снижения поправочного коэффициента, применяемого по мере приближения к цели.

Принцип работы ПИД-регулятора температуры

Техническое обучение Техническое обучение

Что такое ПИД-регулятор, их типы и как он работает?

Конструкция и работа ПИД-регуляторов

ПИД-регулятор — это наиболее распространенный алгоритм управления, используемый в промышленной автоматизации и приложениях, и более 95% промышленных контроллеров относятся к ПИД-регулятору.ПИД-регуляторы используются для более точного и точного управления различными параметрами.

Чаще всего они используются для регулирования температуры, давления, скорости, расхода и других переменных процесса. Благодаря надежным характеристикам и функциональной простоте, они были приняты в огромных промышленных приложениях, где более точное управление является главным требованием. Давайте посмотрим, , как работает ПИД-регулятор ?

Что такое ПИД-регулятор?

Комбинация пропорционального, интегрального и производного воздействий чаще называется действием ПИД-регулятора, отсюда и название: PID (пропорционально-интегрально-производная) контроллер .Эти три основных коэффициента меняются в каждом ПИД-регуляторе для конкретного приложения, чтобы получить оптимальный отклик.

Получает входной параметр от датчика, который называется фактической переменной процесса. Он также принимает желаемый выходной сигнал привода, который называется установленной переменной, а затем вычисляет и объединяет пропорциональные, интегральные и производные отклики для вычисления выходной мощности привода.

Рассмотрим типичную систему управления, показанную на рисунке выше, в которой переменная процесса процесса должна поддерживаться на определенном уровне.Предположим, что переменной процесса является температура (в градусах Цельсия). Для измерения переменной процесса (т.е. температуры) используется датчик (скажем, RTD).

Уставка — это желаемый отклик процесса. Предположим, что процесс должен поддерживаться на уровне 80 градусов по Цельсию, а затем заданная точка составляет 80 градусов по Цельсию. Предположим, что измеренная датчиком температура составляет 50 градусов по Цельсию (что является не чем иным, как переменной процесса), но заданная температура составляет 80 градусов по Цельсию.

Это отклонение фактического значения от желаемого значения в алгоритме ПИД-регулирования приводит к выдаче выходного сигнала на исполнительный механизм (здесь это нагреватель) в зависимости от комбинации пропорционального, интегрального и производного откликов. Таким образом, ПИД-регулятор непрерывно изменяет выходной сигнал привода до тех пор, пока параметр процесса не станет равным заданному значению. Это также называется системой управления с обратной связью с обратной связью .

Работа ПИД-регулятора

При ручном управлении оператор может периодически считывать переменную процесса (которая должна контролироваться, например, температура, расход, скорость и т. Д.)) и отрегулируйте управляющую переменную (которой нужно манипулировать, чтобы привести управляющую переменную к заданным пределам, таким как нагревательный элемент, клапаны потока, мощность двигателя и т. д.). С другой стороны, при автоматическом управлении измерение и регулировка выполняются автоматически на постоянной основе. Все современные промышленные контроллеры относятся к автоматическому типу (или контроллерам с обратной связью), которые обычно предназначены для выполнения одного или комбинации управляющих воздействий. Эти управляющие воздействия включают

Двухпозиционный контроллер
Пропорциональный контроллер
Пропорционально-интегральный контроллер
Пропорционально-производный контроллер
Пропорционально-интегрально-производный контроллер

двухпозиционного регулятора возможны два состояния для управления регулируемой переменной, т.е.е., либо полностью ВКЛ (когда переменная процесса ниже уставки), либо полностью ВЫКЛЮЧЕНА (когда переменная процесса выше уставки). Таким образом, выходной сигнал будет иметь колебательный характер. Для достижения точного управления в большинстве отраслей промышленности используется ПИД-регулятор (, PI или PD в зависимости от области применения). Давайте посмотрим на эти управляющие воздействия.

П-контроллер

Пропорциональное управление или просто П-контроллер выдает управляющий выход, пропорциональный текущей ошибке.Здесь ошибка — это разница между уставкой и переменной процесса (т. Е. E = SP — PV). Это значение ошибки, умноженное на пропорциональное усиление (Kc), определяет выходной отклик, или, другими словами, пропорциональное усиление определяет отношение пропорционального выходного отклика к значению ошибки.

Например, величина ошибки равна 20, а Kc равно 4, тогда пропорциональный отклик будет 80. Если значение ошибки равно нулю, выходной сигнал или отклик контроллера будут нулевыми. Скорость отклика (переходная характеристика) увеличивается за счет увеличения значения пропорционального усиления Kc.Однако, если Kc увеличивается за пределы нормального диапазона, переменная процесса начинает колебаться с большей скоростью, что вызовет нестабильность системы. Хотя P-контроллер обеспечивает стабильность переменной процесса с хорошей скоростью отклика, всегда будет ошибка между уставкой и фактической переменной процесса. В большинстве случаев этот контроллер снабжен ручным сбросом или смещением, чтобы уменьшить ошибку при использовании отдельно. Однако этот контроллер не может обеспечить нулевое состояние ошибки.Следовательно, в ответе p-регулятора всегда будет постоянная ошибка, как показано на рисунке.

I-Controller

D-Controller Response

Производный контроллер ( или просто D-Controller) видит, насколько быстро изменяется переменная процесса в единицу времени, и производит выходной сигнал, пропорциональный скорости изменение. Выходная производная равна скорости изменения ошибки, умноженной на константу производной. D-контроллер используется, когда переменная процессора начинает изменяться с высокой скоростью.

В таком случае D-контроллер перемещает конечное устройство управления (например, регулирующие клапаны или двигатель) в таком направлении, чтобы противодействовать быстрому изменению параметра процесса. Следует отметить, что сам по себе D-контроллер не может использоваться для каких-либо управляющих приложений.

Действие по производной увеличивает скорость отклика, потому что оно дает толчок для вывода, таким образом предвидя будущее поведение ошибки. D-контроллер быстрее реагирует на изменения переменной процесса, если член производной велик (что достигается увеличением постоянной производной или времени Td).

В большинстве ПИД-регуляторов реакция D-регулирования зависит только от переменной процесса, а не от ошибки. Это позволяет избежать скачков на выходе (или внезапного увеличения производительности) в случае внезапного изменения заданного значения оператором. Кроме того, большинство систем управления используют меньшее время производной td, поскольку отклик производной очень чувствителен к шуму в переменной процесса, что приводит к получению чрезвычайно высокой выходной мощности даже при небольшом уровне шума.

Следовательно, путем комбинирования пропорциональных, интегральных и производных управляющих сигналов формируется ПИД-регулятор.ПИД-регулятор находит универсальное применение; однако необходимо знать настройки ПИД-регулятора и правильно его настроить для получения желаемого результата. Настройка означает процесс получения идеального отклика от ПИД-регулятора путем установки оптимального усиления пропорциональных, интегральных и производных параметров.

Существуют различные методы настройки ПИД-регулятора для получения желаемого отклика. Некоторые из этих методов включают метод проб и ошибок, метод кривой реакции процесса и метод Цейглера-Николса.Чаще всего используются методы Цейглера-Николса и методы проб и ошибок.

Речь идет о ПИД-регуляторе и его работе. Благодаря простоте конструкции контроллера, ПИД-регуляторы применимы для множества процессов. А также его можно настроить на любой процесс, даже не зная детальной математической модели процесса. Некоторые из приложений включают в себя управление скоростью двигателя на основе ПИД-регулятора, регулирование температуры, регулирование давления, регулирование расхода, уровня жидкости и т. Д.

ПИД-регуляторы реального времени

На сегодняшнем рынке доступны ПИД-регуляторы различных типов. , который может использоваться для всех промышленных нужд контроля, таких как уровень, расход, температура и давление.При принятии решения об управлении такими параметрами для процесса с помощью ПИД-регулятора варианты включают использование ПЛК или автономного ПИД-регулятора.

Автономные ПИД-регуляторы используются там, где необходимо контролировать и контролировать один или два контура, или в ситуациях, когда доступ к более крупным системам затруднен. Эти специализированные устройства управления предлагают множество вариантов для одноконтурного и двухконтурного управления. Автономные контроллеры PID предлагают несколько конфигураций уставок, а также генерируют несколько независимых аварийных сигналов.

Некоторые из этих автономных контроллеров включают регуляторы температуры Yokogava, ПИД-регуляторы Honeywell, ПИД-регуляторы OMEGA с автонастройкой, ПИД-регуляторы ABB и ПИД-регуляторы Siemens.

В большинстве приложений управления ПЛК используются в качестве ПИД-регуляторов. Блоки PID встроены в PLC / PAC и предлагают расширенные возможности для точного управления. ПЛК более интеллектуальны и мощны, чем автономные контроллеры, и упрощают работу. Каждый ПЛК содержит блок ПИД в своем программном обеспечении, будь то ПЛК Siemens, ABB, AB, Delta, Emersion или Yokogava.

На рисунке ниже показан блок ПИД-регулятора Allen Bradley (AB) и его окно настройки.

На рисунке ниже показан блок Siemens PID .

На рисунке ниже показаны ВП ПИД-регулятора , предлагаемые набором инструментов LabVIEW PID.

Похожие сообщения:

Настоящая наука за дрейфом контроллера

Если у вас когда-либо были призрачные вводы в ваш джойстик управления, вы не могли поймать редкую ошибку, пропустить точный прыжок или упасть с края обрыва в бездонная пустота, вы можете стать жертвой дрейфа ручки управления.Это раздражает, что, как известно, сложно исправить и, похоже, становится все более серьезной проблемой. Если вы хотите знать, почему это происходит (и как это исправить?), Мы должны больше разбираться в науке, лежащей в основе того, как на самом деле работает ваш контроллер. название: электроны. Перемещение электронов с места на место — это то, как мы генерируем электрический ток, и этот ток обеспечивает энергию, которая позволяет нашим устройствам работать.

Как работает ваш контроллер

Под пластиковой или металлической оболочкой вашего устройства находится его электрический каркас: печатная плата.Будь то ваш телефон, компьютер или игровой контроллер, все важные детали, обеспечивающие работу вашей электроники, находятся на этой печатной плате. Печатная плата предназначена для передачи тока в разные места для достижения разных целей. Чтобы подавать сигнал при нажатии кнопки, например, или загорается питание, или определять положение джойстика. Эти платы тщательно спроектированы так, чтобы ток мог течь только по дорожкам из проводящего материала (обычно из меди) и нигде больше.

Эволюция контроллера PlayStation

Этот ток необходимо точно контролировать, потому что, если он работает неограниченно, он невероятно быстро сжигает ваш источник энергии и генерирует большое количество тепла, которое может повредить компоненты и сделать ваше устройство сломанным и бесполезным. Мы ограничиваем протекание этого электрического тока, размещая на печатной плате резистивные элементы или зазоры. Промежутки создают разрыв в цепи, так что ток будет течь только в том случае, если что-то вставлено, чтобы завершить его.Резистивные элементы по-прежнему проводят ток, но они замедляют и уменьшают общий ток, который движется по этому конкретному пути, поэтому мы можем отправлять разное количество энергии в разные части печатной платы в зависимости от работы, которую нам нужно выполнить. По сути, чем больше резистивная материальная энергия должна проходить через него, тем меньше ток.

Вы играли в PlayStation 5?

ДА НЕТ

Например: если вы нажмете кнопку, токопроводящий элемент войдет в контакт с печатной платой.Это заполняет промежуток и замыкает цепь, позволяя току течь, генерируя сигнал, который сообщает, что кнопка была нажата. Этот конкретный тип входа либо включен, либо выключен, представлен сигналом, который сообщает либо 0, либо 1, который мы называем цифровым сигналом.

Происходит дрейф

Для джойстика нам нужно знать не только, был ли он нажат, но и насколько сильно и в каком направлении. Нам нужен сигнал, аналогичный входу, отсюда мы и получили термин «аналоговый джойстик».

Мы достигаем этого в электронике, изменяя величину тока, генерируемого для различных входов джойстика. Когда вы нажимаете ручку управления, вы фактически вращаете два маленьких колеса под ней в электрическом компоненте, называемом потенциометром. Эти колеса контактируют с дорожкой из резистивного материала и действуют аналогично тому, как кнопки заполняют промежуток в цепи; разница здесь в том, что это не просто сигнал включения или выключения. количество резистивного материала, через который должен протекать ток, определяется ориентацией колеса, и небольшой кусок металла, называемый дворником, который перемещается вместе с ним, выбирая, где по трассе производится подключение к цепи.Помните, что чем больше резистивный материал в цепи, тем меньше ток. Если вы заклините палку в сторону, она повернет колесо до упора, так что вся резистивная дорожка будет использована для завершения пути для цепи. Если вы просто слегка подтолкнете его, очиститель переместится, чтобы использовать только небольшую часть поверхности дорожки для пути, по которому будет течь ток. Каждая разная ориентация приводит к разному количеству тока и уникальному сигналу.

Ваш контроллер регистрирует текущие значения с каждого колеса и сообщает их как позиции x и y вашего стика.Затем он передает эту информацию игровой консоли, чтобы двигаться вперед, вращать камеру или делать то, что разработчики игр хотят, чтобы это движение стика представляло.

При правильной работе существует соотношение 1: 1 между сообщаемым током и положением стика. Когда мы испытываем дрейф стика, что-то вызывает изменение текущего значения, когда мы фактически не меняем положение стика. Это может происходить по бесчисленным причинам: может быть что-то вроде пыли или чешуек кожи вдоль резистивной дорожки или на поверхности. стеклоочиститель, который непредсказуемо изменит ток между контактами.Проводящий материал вдоль дорожки может быть поврежден из-за износа, что приведет к изменению сопротивления в определенных ее частях, вызывая плохой сигнал. В производственном процессе могла быть ошибка, вызвавшая проблемы с гусеницей прямо из коробки; не разбирая контроллер и не проверяя сигнал потенциометра физически, это практически невозможно сказать.

Из-за того, что день за днем появляется все больше и больше сообщений о дрейфе, где-то должна быть системная проблема.

Nintendo в течение многих лет сталкивалась с негативной реакцией по поводу дрейфа Joy-Con, в прошлом году против Microsoft был подан коллективный иск из-за дрейфа контроллера Xbox, а теперь Sony столкнулась с собственными юридическими проблемами после того, как контроллеры PS5 DualSense демонстрируют те же проблемы. всего через несколько месяцев после запуска. Если немного покопаться, можно найти жалобы на дрейф и на контроллерах Valve; это кажется почти универсальным.

Лично у меня было три контроллера PS4, которые начали дрейфовать, и оба моих Joy-Cons, слева и справа.Странно то, что у меня есть полдюжины контроллеров GameCube, которые использовались в течение двух десятилетий, которые я до сих пор время от времени использую для Smash, и у меня никогда не было таких проблем. Я не думаю, что Nintendo забыла, как делать функциональные контроллеры; это похоже на неисправность нового оборудования.

Почему появляются новые контроллеры?

Если вы взломаете контроллер DualShock, Xbox или Switch Pro, вы обнаружите, что во всех них одинаковая базовая конструкция потенциометра. Люди из iFixit проделали некоторую исследовательскую работу и отследили марку и модель потенциометров, обнаруженных внутри контроллера PS5, и обнаружили, что они рассчитаны на 100 000 или 2 миллиона «циклов», в зависимости от конкретной используемой модели.«Циклы» — это немного расплывчато, но, кажется, означает одно полное движение ручки по одной оси. Грубая математика от iFixit предполагает, что может пройти всего несколько сотен часов, прежде чем потенциометры начнут изнашиваться, и вы потенциально можете дрейфовать.

Их анализ действительно хорош, и я думаю, что он позволяет выявить наиболее вероятную причину, по которой мы видим, что проблемы смещения становятся настолько заметными; конструкция, используемая в современных контроллерах, имеет принципиально ограниченный срок службы, и это четко не афишируется.

Когда доходит до этого, мне кажется, что это и инженерная проблема, и проблема связи.В инженерных кругах часто встречается пословица. ваш дизайн * должен * состоять из 3-х вещей: хорошего, дешевого и надежного. Вы можете выбрать только 2. Производители контроллеров, похоже, сосредоточились на первых двух, а третий упал. Мы ожидаем, что современные контроллеры будут иметь высокую точность. Мы хотим иметь возможность мягко подталкивать палку, когда мы крадемся, а затем толкать ее вперед, когда бежим, и чтобы это точно отображалось в игре. Эта точно настроенная обратная связь требует высокого уровня чувствительности, а это делает ее уязвимой для проблем, о которых мы говорили.Контроллеры также должны быть доступными. Если вы поищете в Интернете запасные потенциометры, вы сможете найти их всего за пару долларов. Возможно, существуют потенциометры более высокого качества, которые могут выдержать больший износ, но они будут более дорогими и увеличат стоимость устройства. Когда вы уже берете 60, 70 или 80 долларов за контроллер, это большая просьба к вашим клиентам.

Итак, что у нас осталось, так это золотая середина, где у нас высокая чувствительность, * относительно * низкая стоимость, но надвигающаяся вероятность того, что ваш контроллер может выйти из строя без какого-либо предупреждения.Я думаю, если бы у нас было более четкое сообщение от производителей оборудования о том, как долго, как ожидается, прослужат контроллеры, мы могли бы в некоторой степени избежать этой негативной реакции. Неужели они действительно ожидают, что они начнут выдавать после нескольких сотен часов использования, но просто не афишируют это? Большинство контроллеров поставляются со стандартной годовой гарантией, но один год может означать совершенно другое время использования в зависимости от ваших игровых привычек.

Лучший контроллер для ПК

Я думаю, что дрейф Joy-Con — это то, где это больше всего больно.Их конструкция потенциометров немного отличается, но они по-прежнему работают на тех же фундаментальных принципах, о которых мы говорили, используя переменное сопротивление и ток для переключения положения ручки. Однако большая разница в том, что их потенциометр расположен под джойстиком, по сравнению с другими контроллерами, имеющими вертикальную ориентацию, что, кажется, делает их особенно уязвимыми для пыли и грязи, проникающей внутрь и грязной. Когда ваш Joy-Con начинает дрейфовать, это особенно неприятно, когда у нас десятилетия консолей и контроллеров Nintendo были сделаны из Nintendonium; будучи классно прочным и долговечным.Создается впечатление, что пока вы хорошо заботитесь о контроллерах, они прослужат бесконечно. Очевидно, что с этой технологией все обстоит иначе.

Все это говорит о том, что в будущем довольно ясно, что нужно что-то изменить в том, как производители контроллеров справляются с этим. С моей точки зрения, они могут пойти по нескольким путям, ни один из которых не является особенно хорошим решением:

Как компании (могут) исправить дрейф

Они могут изменить то, как мы отслеживаем движение с аналоговых джойстиков; сосредоточиться на использовании потенциометров более высокого качества, которые не так легко изнашиваются, и попытаться спроектировать их таким образом, чтобы они были в большей степени изолированы от пыли и других загрязнений.Это определенно сделало бы дрейф менее распространенным, но, вероятно, не решило бы полностью проблему. Помимо потенциометров, они могут использовать и другие технологии: нечто вроде эффекта Холла может отслеживать положение ручки с помощью датчиков магнитного поля без физического контакта, полностью избегая проблем с износом и пылью. Конечно, контроллеры, похоже, пришли к одной и той же базовой конструкции примерно 20 лет назад, поэтому такие радикальные изменения потребуют большого количества инженерных работ и, вероятно, будут стоить еще больше.

Другой вариант — сделать контроллеры более модульными, чтобы вы могли легко заменять потенциометры, когда они начинают выходить из строя. Как правило, производители не хотят, чтобы вы открывали контроллеры и могли повредить внутренние части. Nintendo особенно использует очень необычные винты, казалось бы, назло, просто чтобы убедиться, что вы не можете легко попасть в свое оборудование. Однако я мог вообразить что-то вроде перемычки на N64, которая была разработана таким образом, чтобы пользователи могли заменять внутренние компоненты без необходимости открывать систему и подвергать ее внутренности элементам.

Последний вариант, и я уверен, наименее популярный — это просто более четко указать ожидаемый срок службы контроллеров. Если бы мы знали, что контроллеры действительно рассчитаны на работу в 1000 часов, или что бы там ни было, мы могли бы хотя бы планировать заранее и не думать, что просто бросаем кости, сколько осталось времени до того, как наши контроллеры начнут работать со сбоями.