Какие схемы не являются управляющими

Введение в теорию автоматического управления. Основные понятия теории управления техническим системами

Публикую первую главу лекций по теории автоматического управления, после которых ваша жизнь уже никогда не будет прежней.

Лекции по курсу «Управление Техническими Системами», читает Козлов Олег Степанович на кафедре «Ядерные реакторы и энергетические установки», факультета «Энергомашиностроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана. За что ему огромная благодарность.

Данные лекции только готовятся к публикации в виде книги, а поскольку здесь есть специалисты по ТАУ, студенты и просто интересующиеся предметом, то любая критика привествуется.

1. Основные понятия теории управления техническими системами

1.1. Цели, принципы управления, виды систем управления, основные определения, примеры

Развитие и совершенствование промышленного производства (энергетики, транспорта, машиностроения, космической техники и т.д.) требует непрерывного увеличения производительности машин и агрегатов, повышения качества продукции, снижения себестоимости и, особенно в атомной энергетике, резкого повышения безопасности (ядерной, радиационной и т.д.) эксплуатации АЭС и ядерных установок.

Реализация поставленных целей невозможна без внедрения современных систем управления, включая как автоматизированные (с участием человека-оператора), так и автоматические (без участия человека-оператора) системы управления (СУ).

Определение: Управление – это такая организация того или иного технологического процесса, которая обеспечивает достижение поставленной цели.

Теория управления является разделом современной науки и техники. Она базируется (основывается) как на фундаментальных (общенаучных) дисциплинах (например, математика, физика, химия и т.д.), так и на прикладных дисциплинах (электроника, микропроцессорная техника, программирование и т.д.).

Любой процесс управления (автоматического) состоит из следующих основных этапов (элементов):

• получение информации о задаче управления;
• получение информации о результате управления;
• анализ получаемой информации;
• выполнение решения (воздействие на объект управления).

Для реализации Процесса Управления система управления (СУ) должна иметь:

• источники информации о задаче управления;
• источники информации о результатах управления (различные датчики, измерительные устройства, детекторы и т.д.);
• устройства для анализа получаемой информации и выработки решения;
• исполнительные устройства, воздействующие на Объект Управления, содержащие: регулятор, двигатели, усилительно-преобразующие устройства и т.д.

Определение: Если система управления (СУ) содержит все перечисленные выше части, то она является замкнутой.

Определение: Управление техническим объектом с использованием информации о результатах управления называется принципом обратной связи.

Схематично такая система управления может быть представлена в виде:

Рис. 1.1.1 — Структура системы управления (СУ)

Если система управления (СУ) имеет структурную схему, вид которой соответствует рис. 1.1.1, и функционирует (работает) без участия человека (оператора), то она называется системой автоматического управления (САУ).

Если СУ функционирует с участием человека (оператора), то она называется автоматизированной СУ.

Если Управление обеспечивает заданный закон изменения объекта во времени независимо от результатов управления, то такое управление совершается по разомкнутому циклу, а само управление называется программным управлением.

К системам, работающим по разомкнутому циклу, относятся промышленные автоматы (конвейерные линии, роторные линии и т.д.), станки с числовым программным управлением (ЧПУ): см. пример на рис. 1.1.2.

Задающее устройство может быть, например, и “копиром”.

Поскольку в данном примере нет датчиков (измерителей), контролирующих изготавливаемую деталь, то если, например, резец был установлен неправильно или сломался, то поставленная цель (изготовление детали) не может быть достигнута (реализована). Обычно в системах подобного типа необходим выходной контроль, который будет только фиксировать отклонение размеров и формы детали от желаемой.

Автоматические системы управления подразделяются на 3 типа:

• системы автоматического управления (САУ);
• системы автоматического регулирования (САР);
• следящие системы (СС).

САР и СС являются подмножествами САУ ==> .

Определение: Автоматическая система управления, обеспечивающая постоянство какой-либо физической величины (группы величин) в объекте управления называется системой автоматического регулирования (САР).

Системы автоматического регулирования (САР) — наиболее распространенный тип систем автоматического управления.

Первый в мире автоматический регулятор (18-е столетие) – регулятор Уатта. Данная схема (см. рис. 1.1.3) реализована Уаттом в Англии для поддержания постоянной скорости вращения колеса паровой машины и, соответственно, для поддержания постоянства скорости вращения (движения) шкива (ремня) трансмиссии.

В данной схеме чувствительными элементами (измерительными датчиками) являются “грузы” (сферы). «Грузы» (сферы) также “заставляют” перемещаться коромысло и затем задвижку. Поэтому данную систему можно отнести к системе прямого регулирования, а регулятор — к регулятору прямого действия, так как он одновременно выполняет функции и “измерителя” и “регулятора”.

В регуляторах прямого действия дополнительного источника энергии для перемещения регулирующего органа не требуется.

В системах непрямого регулирования необходимо присутствие (наличие) усилителя (например, мощности), дополнительного исполнительного механизма, содержащего, например, электродвигатель, серводвигатель, гидропривод и т.д.

Примером САУ (системы автоматического управления), в полном смысле этого определения, может служить система управления, обеспечивающая вывод ракеты на орбиту, где управляемой величиной может быть, например, угол между осью ракеты и нормалью к Земле ==> см. рис. 1.1.4.а и рис. 1.1.4.б

1.2. Структура систем управления: простые и многомерные системы

В теории управления техническими системами часто бывает удобно систему разделить на набор звеньев, соединенных в сетевые структуры. В простейшем случае система содержит одно звено, на вход которого подается входной воздействие (вход), на входе получается отклик системы (выход).

В теории Управления Техническими Системам используют 2 основных способа представления звеньев систем управления:

— в переменных “вход-выход”;

— в переменных состояния (более подробно см. разделы 6…7).

Представление в переменных “вход-выход” обычно используется для описания относительно простых систем, имеющих один “вход” (одно управляющее воздействие) и один “выход” (одна регулируемая величина, см. рисунок 1.2.1).

Обычно такое описание используется для технически несложных САУ (систем автоматического управления).

В последнее время широкое распространение имеет представление в переменных состояния, особенно для технически сложных систем, в том числе и для многомерных САУ. На рис. 1.2.2 приведено схематичное представление многомерной системы автоматического управления, где u₁(t)…u_m(t) — управляющие воздействия (вектор управления), y₁(t)…y_p(t) — регулируемые параметры САУ (вектор выхода).

Рассмотрим более детально структуру САУ, представленную в переменных “вход-выход” и имеющую один вход (входное или задающее, или управляющее воздействие) и один выход (выходное воздействие или управляемая (или регулируемая) переменная).

Предположим, что структурная схема такой САУ состоит из некоторого числа элементов (звеньев). Группируя звенья по функциональному принципу (что звенья делают), структурную схему САУ можно привести к следующему типовому виду:

Рис. 1.2.3 — Структурная схема системы автоматического управления

Символом ε(t) или переменной ε(t) обозначается рассогласование (ошибка) на выходе сравнивающего устройства, которое может “работать” в режиме как простых сравнительных арифметических операций (чаще всего вычитание, реже сложение), так и более сложных сравнительных операций (процедур).

Так как y₁(t) = y(t)*k₁, где k₁ — коэффициент усиления, то ==>
ε(t) = x(t) — y₁(t) = x(t) — k₁*y(t)

Задача системы управления состоит в том (если она устойчива), чтобы “работать” на уничтожение рассогласования (ошибки) ε(t), т.е. ==> ε(t) → 0.

Следует отметить, что на систему управления действуют как внешние воздействия (управляющее, возмущающее, помехи), так и внутренние помехи. Помеха отличается от воздействия стохастичностью (случайностью) своего существования, тогда как воздействие почти всегда детерминировано.

Для обозначения управляющего (задающего воздействие) будем использовать либо x(t), либо u(t).

1.3. Основные законы управления

Если вернуться к последнему рисунку (структурная схема САУ на рис. 1.2.3), то необходимо “расшифровать” роль, которую играет усилительно-преобразующее устройство (какие функции оно выполняет).

Если усилительно-преобразующее устройство (УПУ) выполняет только усиление (или ослабление) сигнала рассогласования ε(t), а именно: , где – коэффициент пропорциональности (в частном случае = Const), то такой режим управления замкнутой САУ называется режимом пропорционального управления (П-управление).

Если УПУ выполняет формирование выходного сигнала ε1(t), пропорционального ошибке ε(t) и интегралу от ε(t), т.е. , то такой режим управления называется пропорционально-интегрирующим (ПИ-управление). ==> , где b – коэффициент пропорциональности (в частном случае b = Const).

Обычно ПИ-управление используется для повышения точности управления (регулирования).

Если УПУ формирует выходной сигнал ε₁(t), пропорциональный ошибке ε(t) и ее производной, то такой режим называется пропорционально-дифференцирующим (ПД-управление): ==>

Обычно использование ПД-управления повышает быстродействие САУ

Если УПУ формирует выходной сигнал ε₁(t), пропорциональный ошибке ε(t), ее производной, и интегралу от ошибки ==> , то такой режим называетсято такой режим управления называется пропорционально-интегрально-дифференцирующим режимом управления (ПИД-управление).

ПИД-управление позволяет зачастую обеспечить “хорошую” точность управления при “хорошем” быстродействии

1.4. Классификация систем автоматического управления

1.4.1. Классификация по виду математического описания

По виду математического описания (уравнений динамики и статики) системы автоматического управления (САУ) подразделяются на линейные и нелинейные системы (САУ или САР).

Каждый “подкласс” (линейных и нелинейных) подразделяется на еще ряд “подклассов”. Например, линейные САУ (САР) имеют различия по виду математического описания.
Поскольку в этом семестре будут рассматриваться динамические свойства только линейных систем автоматического управления (регулирования), то ниже приведем классификацию по виду математического описания для линейных САУ (САР):

1) Линейные системы автоматического управления, описываемые в переменных «вход-выход» обыкновенными дифференциальными уравнениями (ОДУ) с постоянными коэффициентами:

где x(t) – входное воздействие; y(t) – выходное воздействие (регулируемая величина).

Если использовать операторную («компактную») форму записи линейного ОДУ, то уравнение (1.4.1) можно представить в следующем виде:

где, p = d/dt — оператор дифференцирования; L(p), N(p) — соответствующие линейные дифференциальные операторы, которые равны:

2) Линейные системы автоматического управления, описываемые линейными обыкновенными дифференциальными уравнениями (ОДУ) с переменными (во времени) коэффициентами:

В общем случае такие системы можно отнести и к классу нелинейных САУ (САР).

3) Линейные системы автоматического управления, описываемые линейными разностными уравнениями:

где f(…) – линейная функция аргументов; k = 1, 2, 3… — целые числа; Δt – интервал квантования (интервал дискретизации).

Уравнение (1.4.4) можно представить в «компактной» форме записи:

Обычно такое описание линейных САУ (САР) используется в цифровых системах управления (с использованием ЭВМ).

4) Линейные системы автоматического управления с запаздыванием:

где L(p), N(p) — линейные дифференциальные операторы; τ — время запаздывания или постоянная запаздывания.

Если операторы L(p) и N(p) вырождаются (L(p) = 1; N(p) = 1), то уравнение (1.4.6) соответствует математическому описанию динамики звена идеального запаздывания:

а графическая иллюстрация его свойств привдена на рис. 1.4.1

5) Линейные системы автоматического управления, описываемые линейными дифференциальными уравнения в частных производных. Нередко такие САУ называют распределенными системами управления. ==> «Абстрактный» пример такого описания:

Система уравнений (1.4.7) описывает динамику линейно распределенной САУ, т.е. регулируемая величина зависит не только от времени, но и от одной пространственной координаты.
Если система управления представляет собой «пространственный» объект, то ==>

где зависит от времени и пространственных координат, определяемых радиусом-вектором

6) САУ, описываемые системами ОДУ, или системами разностных уравнений, или системами уравнений в частных производных ==> и так далее…

Аналогичную классификацию можно предложить и для нелинейных САУ (САР)…

Для линейных систем выполеняются следующие требования:

• линейность статической характеристики САУ;
• линейность уравнения динамики, т.е. переменные в уравнение динамики входят только в линейной комбинации.

Статической характеристикой называется зависимость выхода от величины входного воздействия в установившемся режиме (когда все переходные процессы затухли).

Для систем, описываемых линейными обыкновенными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами статическая характеристика получается из уравнения динамики (1.4.1) приравниванием нулю всех нестационарных членов ==>

На рис.1.4.2 представлены примеры линейной и нелинейных статических характеристик систем автоматического управления (регулирования).

Нелинейность членов, содержащих производные по времени в уравнениях динамики, может возникнуть при использовании нелинейных математических операций (*, /, , , sin, ln и т.д.). Например, рассматривая уравнение динамики некоторой «абстрактной» САУ

отметим, что в этом уравнении при линейной статической характеристики второе и третье слагаемые (динамические члены) в левой части уравнения — нелинейные, поэтому САУ, описываемая подобным уравнением, является нелинейной в динамическом плане.

1.4.2. Классификация по характеру передаваемых сигналов

По характеру передаваемых сигналов системы автоматического управления (или регулирования) подразделяются:

• непрерывные системы (системы непрерывного действия);
• релейные системы (системы релейного действия);
• системы дискретного действия (импульсные и цифровые).

Системой непрерывного действия называется такая САУ, в каждом из звеньев которой непрерывному изменению входного сигнала во времени соответствует непрерывное изменение выходного сигнала, при этом закон изменения выходного сигнала может быть произвольным. Чтобы САУ была непрерывной, необходимо, чтобы статические характеристики всех звеньев были непрерывными.

Системой релейного действия называется САУ, в которой хотя бы в одном звене при непрерывном изменении входной величины выходная величина в некоторые моменты процесса управления меняется “скачком” в зависимости от величины входного сигнала. Статическая характеристика такого звена имеет точки разрыва или излома с разрывом.

Системой дискретного действия называется система, в которой хотя бы в одном звене при непрерывном изменении входной величины выходная величина имеет вид отдельных импульсов, появляющиеся через некоторый промежуток времени.

Звено, преобразующее непрерывный сигнал в дискретный сигнал, называется импульсным. Подобный вид передаваемых сигналов имеет место в САУ с ЭВМ или контроллером.

Наиболее часто реализуются следующие методы (алгоритмы) преобразования непрерывного входного сигнала в импульсный выходной сигнал:

• амплитудно-импульсная модуляция (АИМ);
• широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

На рис. 1.4.5 представлена графическая иллюстрация алгоритма амплитудно-импульсной модуляции (АИМ). В верхней части рис. представлена временная зависимость x(t) — сигнала на входе в импульсное звено. Выходной сигнал импульсного блока (звена) y(t) – последовательность прямоугольных импульсов, появляющихся с постоянным периодом квантования Δt (см. нижнюю часть рис.). Длительность импульсов – одинакова и равна Δ. Амплитуда импульса на выходе блока пропорциональна соответствующей величине непрерывного сигнала x(t) на входе данного блока.

Данный метод импульсной модуляции был весьма распространен в электронно-измерительной аппаратуре систем управления и защиты (СУЗ) ядерных энергетических установок (ЯЭУ) в 70-х…80-х годах прошлого столетия.

На рис. 1.4.6 представлена графическая иллюстрация алгоритма широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В верхней части рис. 1.14 представлена временная зависимость x(t) – сигнала на входе в импульсное звено. Выходной сигнал импульсного блока (звена) y(t) – последовательность прямоугольных импульсов, появляющихся с постоянным периодом квантования Δt (см. нижнюю часть рис. 1.14). Амплитуда всех импульсов – одинакова. Длительность импульса Δt на выходе блока пропорциональна соответствующей величине непрерывного сигнала x(t) на входе импульсного блока.

Данный метод импульсной модуляции в настоящее время является наиболее распространенным в электронно-измерительной аппаратуре систем управления и защиты (СУЗ) ядерных энергетических установок (ЯЭУ) и САУ других технических систем.

Завершая данный подраздел, необходимо заметить, что если характерные постоянные времени в других звеньях САУ (САР) существенно больше Δt (на порядки), то импульсная система может считаться непрерывной системой автоматического управления (при использовании как АИМ, так и ШИМ).

1.4.3. Классификация по характеру управления

По характеру процессов управления системы автоматического управления подразделяются на следующие типы:

• детерминированные САУ, в которых входному сигналу однозначно может быть поставлен в соответствие выходной сигнал (и наоборот);
• стохастические САУ (статистические, вероятностные), в которых на данный входной сигнал САУ “отвечает” случайным (стохастическим) выходным сигналом.

Выходной стохастический сигнал характеризуется:

• законом распределения;
• математическим ожиданием (средним значением);
• дисперсией (среднеквадратичным отклонением).

Кроме приведенных основных видов классификации систем управления, существуют и другие классификации. Например, классификация может проводиться по методу управления и основываться на взаимодействии с внешней средой и возможности адаптации САУ к изменению параметров окружающей среды. Системы делятся на два больших класса:

1) Обыкновенные (несамонастраивающиеся) СУ без адаптации; эти системы относятся к разряду простых, не изменяющих свою структуру в процессе управления. Они наиболее разработаны и широко применяются. Обыкновенные СУ подразделяются на три подкласса: разомкнутые, замкнутые и комбинированные системы управления.

2) Самонастраивающиеся (адаптивные) СУ. В этих системах при изменении внешних условий или характеристик объекта регулирования происходит автоматическое (заранее не заданное) изменение параметров управляющего устройства за счет изменения коэффициентов СУ, структуры СУ или даже введения новых элементов.

Другой пример классификации: по иерархическому признаку (одноуровневые, двухуровневые, многоуровневые).

Блок-схемы алгоритмов. ГОСТ. Примеры

Схема — это абстракция какого-либо процесса или системы, наглядно отображающая наиболее значимые части. Схемы широко применяются с древних времен до настоящего времени — чертежи древних пирамид, карты земель, принципиальные электрические схемы. Очевидно, древние мореплаватели хотели обмениваться картами и поэтому выработали единую систему обозначений и правил их выполнения. Аналогичные соглашения выработаны для изображения схем-алгоритмов и закреплены ГОСТ и международными стандартами.

На территории Российской Федерации действует единая система программной документации (ЕСПД), частью которой является Государственный стандарт — ГОСТ 19.701-90 «Схемы алгоритмов программ, данных и систем» [1]. Не смотря на то, что описанные в стандарте обозначения могут использоваться для изображения схем ресурсов системы, схем взаимодействия программ и т.п., в настоящей статье описана лишь разработка схем алгоритмов программ.

Рассматриваемый ГОСТ практически полностью соответствует международному стандарту ISO 5807:1985.

Содержание:

Элементы блок-схем алгоритмов

Блок-схема представляет собой совокупность символов, соответствующих этапам работы алгоритма и соединяющих их линий. Пунктирная линия используется для соединения символа с комментарием. Сплошная линия отражает зависимости по управлению между символами и может снабжаться стрелкой. Стрелку можно не указывать при направлении дуги слева направо и сверху вниз. Согласно п. 4.2.4, линии должны подходить к символу слева, либо сверху, а исходить снизу, либо справа.

Есть и другие типы линий, используемые, например, для изображения блок-схем параллельных алгоритмов, но в текущей статье они, как и ряд специфических символов, не рассматриваются. Рассмотрены лишь основные символы, которых всегда достаточно студентам.

Примеры блок-схем

В качестве примеров, построены блок-схемы очень простых алгоритмов сортировки, при этом акцент сделан на различные реализации циклов, т.к. у студенты делают наибольшее число ошибок именно в этой части.

Сортировка вставками

Массив в алгоритме сортировки вставками разделяется на отсортированную и еще не обработанную части. Изначально отсортированная часть состоит из одного элемента, и постепенно увеличивается.

На каждом шаге алгоритма выбирается первый элемент необработанной части массива и вставляется в отсортированную так, чтобы в ней сохранялся требуемый порядок следования элементов. Вставка может выполняться как в конец массива, так и в середину. При вставке в середину необходимо сдвинуть все элементы, расположенные «правее» позиции вставки на один элемент вправо. В алгоритме используется два цикла — в первом выбираются элементы необработанной части, а во втором осуществляется вставка.

Блок-схема алгоритма сортировки вставками

В приведенной блок-схеме для организации цикла используется символ ветвления. В главном цикле (i < n) перебираются элементы необработанной части массива. Если все элементы обработаны — алгоритм завершает работу, в противном случае выполняется поиск позиции для вставки i-того элемента. Искомая позиция будет сохранена в переменной j в результате выполнения внутреннего цикла, осуществляющем сдвиг элементов до тех пор, пока не будет найден элемент, значение которого меньше i-того.

На блок-схеме показано каким образом может использоваться символ перехода — его можно использовать не только для соединения частей схем, размещенных на разных листах, но и для сокращения количества линий. В ряде случаев это позволяет избежать пересечения линий и упрощает восприятие алгоритма.

Сортировка пузырьком

Сортировка пузырьком, как и сортировка вставками, использует два цикла. Во вложенном цикле выполняется попарное сравнение элементов и, в случае нарушения порядка их следования, перестановка. В результате выполнения одной итерации внутреннего цикла, максимальный элемент гарантированно будет смещен в конец массива. Внешний цикл выполняется до тех пор, пока весь массив не будет отсортирован.

Блок-схема алгоритма сортировки пузырьком

На блок-схеме показано использование символов начала и конца цикла. Условие внешнего цикла (А) проверяется в конце (с постусловием), он работает до тех пор, пока переменная hasSwapped имеет значение true. Внутренний цикл использует предусловие для перебора пар сравниваемых элементов. В случае, если элементы расположены в неправильном порядке, выполняется их перестановка посредством вызова внешней процедуры (swap). Для того, чтобы было понятно назначение внешней процедуры и порядок следования ее аргументов, необходимо писать комментарии. В случае, если функция возвращает значение, комментарий может быть написан к символу терминатору конца.

Сортировка выбором

В сортировке выбором массив разделяется на отсортированную и необработанную части. Изначально отсортированная часть пустая, но постепенно она увеличивается. Алгоритм производит поиск минимального элемента необработанной части и меняет его местами с первым элементом той же части, после чего считается, что первый элемент обработан (отсортированная часть увеличивается).

Блок-схема сортировки выбором

На блок-схеме приведен пример использования блока «подготовка», а также показано, что в ряде случаев можно описывать алгоритм более «укрупнённо» (не вдаваясь в детали). К сортировке выбором не имеют отношения детали реализации поиска индекса минимального элемента массива, поэтому они могут быть описаны символом вызова внешней процедуры. Если блок-схема алгоритма внешней процедуры отсутствует, не помешает написать к символу вызова комментарий, исключением могут быть функции с говорящими названиями типа swap, sort, … .

На блоге можно найти другие примеры блок-схем:

Часть студентов традиционно пытается рисовать блок-схемы в Microsoft Word, но это оказывается сложно и не удобно. Например, в MS Word нет стандартного блока для терминатора начала и конца алгоритма (прямоугольник со скругленными краями, а не овал). Наиболее удобными, на мой взгляд, являются утилиты MS Visio и yEd [5], обе они позволяют гораздо больше, чем строить блок-схемы (например рисовать диаграммы UML), но первая является платной и работает только под Windows, вторая бесплатная и кроссплатфомренная. Все блок-схемы в этой статье выполнены с использованием yEd.

Нужны ли блок-схемы? Альтернативы

Частные конторы никакие блок-схемы не используют, в книжках по алгоритмам [6] вместо них применяют словесное описание (псевдокод) как более краткую форму. Возможно блок-схемы применяют на государственных предприятиях, которые должны оформлять документацию согласно требованиям ЕСПД, но есть сомнения — даже для регистрации программы в Государственном реестре программ для ЭВМ никаких блок-схем не требуется.

Тем не менее, рисовать блок-схемы заставляют школьников (примеры из учебников ГОСТ не соответствуют) — выносят вопросы на государственные экзамены (ГИА и ЕГЭ), студентов — перед защитой диплом сдается на нормоконтроль, где проверяется соответствие схем стандартам.

Разработка блок-схем выполняется на этапах проектирования и документирования, согласно каскадной модели разработки ПО, которая сейчас почти не применяется, т.к. сопровождается большими рисками, связанными с ошибками на этапах проектирования.

Появляются подозрения, что система образования прогнила и отстала лет на 20, однако аналогичная проблема наблюдается и за рубежом. Международный стандарт ISO 5807:1985 мало чем отличается от ГОСТ 19.701-90, более нового стандарта за рубежом нет. Там же производится множество программ для выполнения этих самых схем — Dia, MS Visio, yEd, …, а значит списывать их не собираются. Вместо блок-схем иногда применяют диаграммы деятельности UML [6], однако удобнее они оказываются, разве что при изображении параллельных алгоритмов.

Периодически поднимается вопрос о том, что ни блок-схемы, ни UML не нужны, да и документация тоже не нужна. Об этом твердят программисты, придерживающиеся методологии экстремального программирования (XP) [7], ходя даже в их кругу нет единого мнения.

В ряде случаев, программирование невозможно без рисования блок-схем, т.к. это один процесс — существуют визуальные языки программирования, такие как ДРАКОН [8], кроме того, блок-схемы используются для верификации алгоритмов (формального доказательства их корректности) методом индуктивных утверждений Флойда [9].

В общем, единого мнения нет. Очевидно, есть области, в которых без чего-то типа блок-схем обойтись нельзя, но более гибкой альтернативы нет. Для формальной верификации необходимо рисовать подробные блок-схемы, но для проектирования и документирования такие схемы не нужны — я считаю разумным утверждение экстремальных программистов о том, что нужно рисовать лишь те схемы, которые помогают в работе и не требуют больших усилий для поддержания в актуальном состоянии [10].

Блок-схема алгоритма

Схе́ма — графическое представление определения, анализа или метода решения задачи, в котором используются символы для отображения операций, данных, потока, оборудования и т. д. (ГОСТ 19.701-90 [1] ).

Блок-схема — распространенный тип схем, описывающий алгоритмы или процессы, изображая шаги в виде блоков различной формы, соединенных между собой стрелками.

Содержание

Стандарты выполнения

Правила выполнения схем определяются следующими документами:

• ГОСТ 19.701-90. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения. [1]

• ГОСТ 19.002-80. Схемы алгоритмов и программ. Правила выполнения. [2]
• ГОСТ 19.003-80. Схемы алгоритмов и программ. Обозначения условные графические. [3][4]

Данные документы в частности регулируют способы построения схем и внешний вид их элементов.

Основные элементы схем алгоритма

Описание других элементов схем можно найти в соответствующих ГОСТ (указаны выше).

Порядок выполнения действий задается путем соединения вершин дугами, что позволяет рассматривать блок-схемы не только как наглядную интерпретацию алгоритма, удобную для восприятия человеком, но и как взвешенный ориентированный граф. Однако не любой ориентированный граф, составленный из вершин указанных выше типов, является корректным алгоритмом. Например, из операторной вершины не может выходить более одной дуги. Поэтому на практике обычно ограничиваются рассмотрением подкласса граф-схем алгоритмов, удовлетворяющих свойствам безопасности, живости и устойчивости. [5]

Дракон-схемы

В последнее время появились структурные, математически строгие блок-схемы, которые называются «дракон-схемы». С появлением дракон-схем блок-схемы стали терять своё значение, так как они во всех отношениях уступают дракон-схемам.

Примечания

1. ↑ 12ГОСТ 19.701-90. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения
2. ↑ГОСТ 19.002-80. Схемы алгоритмов и программ. Правила выполнения
3. ↑ГОСТ 19.003-80. Схемы алгоритмов и программ. Обозначения условные графические. (ссылка 2)
4. ↑ГОСТ 19.003-80. Схемы алгоритмов и программ. Обозначения условные графические
5. ↑Закревский А. Д. О корректности параллельных алгоритмов логического управления // Известия АН СССР. Техническая кибернетика. — 1987. — № 4. — С. 106—112.

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Блок-схема алгоритма» в других словарях:

блок-схема алгоритма — контрольная диаграмма — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом Синонимы контрольная диаграмма EN control diagram … Справочник технического переводчика

блок-схема — — [http://www.iks media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324] блок схема [Лугинский Я. Н. и др. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике. 2 е издание М.: РУССО, 1995 616 с.] блок схема Условное изображение алгоритма,… … Справочник технического переводчика

блок-схема (программы или алгоритма) — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN flow diagram … Справочник технического переводчика

Блок-схема — в программировании графическое представление программы или алгоритма с использованием стандартных графических элементов (прямоугольников, ромбиков, трапеций и др.), обозначающих команды, действия, данные и т.п. По английски: Flowchart См. также:… … Финансовый словарь

Блок-схема — [block diagram, flowchart] – условное изображение алгоритма, программы для ЭВМ, процесса принятия решения, документооборота и т.п., предназначенное для выявления их структуры и общей последовательности операций. Пример Б. с. см. в статье Алгоритм … Экономико-математический словарь

Блок-схема — У этого термина существуют и другие значения, см. Блок. Пример блок схемы алгоритма вычисления факториала числа N Схема  графическое представление определения, анализа или метода решения задачи, в котором используются символ … Википедия

БЛОК-СХЕМА — условное изображение алгоритма решения задачи, документооборота, последовательности выполнения рабочих операций или процедур с помощью стрелок, соединительных линий и геометрических фигур различной формы, содержащих внутри символы управления или… … Большой экономический словарь

поэтапная блок-схема — представляет собой подробное графическое изображение структурной организации алгоритма, в котором каждый этап процесса переработки данных представляется в виде пронумерованных геометрических фигур (или блоков) … Толковый переводоведческий словарь

Алгоритм Дейкстры — Блок схема алгоритма Дейкстры. Алгоритмы поиска на гр … Википедия

аттестация информационных технологий в области качества служебной информации — Официальное подтверждение органом по сертификации или другим специально уполномоченным органом наличия необходимых и достаточных условий применения информационной технологии, обеспечивающих стабильность выполнения норм качества служебной… … Справочник технического переводчика

Программируемые логические контроллеры: принцип работы, виды и применение

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:

1. Упрощение отладки, замены.
2. Относительная дешевизна.
3. Гибкость, удобство модернизации.
4. 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.

Что такое контроллер?

Контроллер — управляющее устройство, применяемое в промышленности, на транспорте, в других отраслях и в быту, для автоматического управления оборудованием по заданному алгоритму. Контроллеры широко используются для управления технологическими процессами, поддержания физических параметров объекта управления на заданном уровне и схожих по содержанию задач.

Одним из самых перспективных типов контроллеров на сегодняшний день является электронный программируемый логический контроллер (ПЛК), алгоритмы работы которого описываются программно, хранятся во внутренней памяти контроллера и выполняются встроенным в ПЛК микропроцессором. Взаимодействие электронного контроллера с объектом управления происходит посредством входящих и исходящих электрических сигналов.

Программируемые логические контроллеры имеют относительно простую для понимания архитектуру и широко применяются во встраиваемых системах, системах автоматического контроля, защиты и управления. Конструктивно это, как правило, довольно компактное устройство, состоящее из одного или нескольких соединенных между собой электронных модулей, содержащих разъемы для подачи на контроллер питания и подключения внешних входных и выходных электрических линий, позволяющих контроллеру взаимодействовать с внешним миром.

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.

Программное обеспечение ПЛК

Современный ПЛК имеет развитый комплекс программных средств, состоящих из системного программного обеспечения ПЛК, предоставляемого производителем контроллера и сторонних или собственных программных средств, предназначенных для разработки, отладки и записи в контроллер пользовательских программ.

Системное программное обеспечение ПЛК, состоящее из операционной системы с интегрированным в нее набором драйверов, отвечает за выполнение контроллером пользовательского приложения, обслуживает низкоуровневую систему ввода-вывода контроллера, интерфейсы передачи данных, управляет распределением памяти, режимами энергопотребления, таймерами, осуществляет обработку ошибок, позволяя пользователю, разрабатывающему приложение, полностью сосредоточиться на алгоритмической части решения прикладной задачи.

Средства разработки и отладки пользовательских программ позволяют создавать и корректировать программы, реализующие алгоритмы работы контроллера, моделировать на ПК процесс выполнения программы контроллером, наблюдать за промежуточными результатами вычислений, а также записывать программное обеспечение в контроллер.

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».

Рабочая деятельность

Благодаря заранее определённым этапам работы логические контроллеры осуществляют непрерывную обработку и сбор данных. Весь процесс состоит из четырёх пунктов:

1. Вначале собирается вся важная информация и данные, входящие в прибор.
2. Далее все данные анализируются, обрабатываются.
3. Потом вся полученная информация при помощи сигнала передаётся на устройство вывода.
4. На интерфейсе дисплея отображаются обработанные данные.

В итоге, по ним пользователь может сделать выводы о функционировании машины.

Видео — Рабочий цикл контроллера

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 , «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.

Устройство и принцип работы контроллеров

Контроллеры представляют собой микропроцессорные устройства, выполняющие определенные действия по заложенной в них программе. По сути, контроллеры мало чем отличаются от микро-ЭВМ (компьютеров) и имеют одинаковые с ними основные узлы. Контроллеры, как и большинство существующих на сегодняшний день ЭВМ, построены по архитектуре фон Неймана: они содержат процессор (блок управления + арифметико-логическое устройство)

,
память
и
устройства ввода-вывода
. На рис. 1.1 приведена общая структурная схема контроллера. Однако надо отметить, что конкретные модели контроллеров могут не вполне соответствовать приведенной схеме.

Рис. 1.1. Общая структурная схема программируемых

Рассмотрим основные элементы контроллеров, приведенные на рис. 1.1.

. Основная часть любой ЭВМ, его функция – выполнять команды, записанные в памяти. Тип процессора не является основной характеристикой контроллеров (в отличие от персональных компьютеров), поскольку обычно от контроллеров не требуется очень высокого быстродействия; часто тип процессора даже не указывается в документации к контроллеру. Однако в последнее время развиваются так называемые SCADA-системы (системы контроля управления и диспетчеризации), которые предъявляют новые требования к контроллерам, в частности, поддержку современных сетевых технологий (Ethernet) и многозадачность. Поэтому в современных контроллерах могут применятся достаточно совершенные процессоры, например, Intel Pentium III и др. В то же время, в более простых контроллерах, работающих без связи с другими контроллерами и компьютерами, могут использоваться и более простые процессоры, например, Z80.

Память (ОЗУ и ПЗУ)

. Функция памяти – хранить программу и данные. Обычно контроллеры не имеют большого объема памяти, поскольку они работают под управлением упрощенных узкоспециализированных операционных систем с довольно скромными запросами. Программа контроллера также не занимает большого объема. Следовательно, контроллеры не имеют жестких дисков (в них нет никакой необходимости). Чтобы контроллер не «забывал» программу при выключении питания, память может быть энергонезависимой (EPROM, Erasable Programmable Read Only Memory), это альтернатива жестким дискам, более простая и дешевая, но с малой емкостью. Объем памяти не является важной характеристикой контроллера. Он может быть, например, несколько килобайт (у персональных компьютеров объем памяти составляет порядка сотен мегабайт, т.е. в сотни тысяч раз больше).

Клавиатурно-дисплейный модуль (КДМ)

. Предназначен для управления контроллером, ввода команд, программирования, мониторинга. Не особенно удобен для выполнения перечисленных функций, так как обычно контроллеры могут подключаться к компьютерам, выполняющим те же функции. Как правило, КДМ применяется для настройки контроллера «на месте», т.е. довольно нечасто. По этой причине КДМ обычно небольшой и простой.

Порты ввода-вывода

. Они служат для преобразования двоичной информации в какие-либо физические сигналы (как правило, в дискретные электрические) и обратно. Порты являются неотъемлемой частью любого микропроцессорного устройства, а контроллере они выполняют функцию ввода данных и выдачи управляющих воздействий. Внешние устройства, как правило, не подключаются к шине контроллера напрямую, поскольку их уровни сигналов обычно не совпадают с уровнями сигналов шины контроллера (лог.0 – 0,2 В, лог.1 – 5 В). Кроме того, подключение устройств к шине без гальванической развязки небезопасно, так как любые виды помех (из-за наводок, пробоев изоляции, коротких замыканий и т.д.) поступали бы напрямую в контроллер, что приводило бы к его неустойчивой работе и даже к выходу из строя. Поэтому порты ввода-вывода обеспечивают, во-первых, необходимое преобразование уровней сигналов, и во-вторых, гальваническую развязку.

Дискретные входные сигналы, как правило, несут информацию о замыкании или размыкании какого-либо контакта (рис. 1.2).

Рис. 1.2. контроллер с двумя дискретными входами

и с двумя релейными выходами

Дискретные выходные сигналы представляют собой управляемые контроллером «ключи», способные замыкать или размыкать цепь (рис. 1.2). Дискретные выходы могут быть релейными или транзисторными. Транзисторные выходы обладают высоким быстродействием и бесшумностью. Релейные выходы достаточно медленные и срабатывают с характерными для реле громкими «щелчками», однако они могут коммутировать цепи с большим напряжением, например, 220 В.

Аналоговые входные сигналы несут изменяющуюся информацию в форме тока или напряжения. Аналоговый сигнал может принимать произвольное значение из определенного диапазона, например, от 0 до 12 В. Такой сигнал не может непосредственно восприниматься контроллером, поскольку контроллер оперирует дискретной (двоичной), а не аналоговой информацией. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой контроллеры оснащаются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). На каждый аналоговый вход контроллер содержит отдельный АЦП.

Аналоговые выходные сигналы формируются в цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП), которые преобразуют двоичный цифровой код в аналоговый сигнал. Следует отметить, что АЦП и ЦАП могут и не находится непосредственно внутри контроллеров, а подключаться как дополнительные модули. АЦП и ЦАП рассматриваются в главе 3.

Шина контроллера связывает все его компоненты. Контроллеры содержат три основные шины. Шина данных используется для передачи данных между процессором и другими элементами. Адресная шина используется для передачи адреса в памяти (или порта ввода-вывода), по которому данные можно прочитать или сохранить. Шина управления используется для передачи сигналов управления из процессора другим элементам. Физически шины представляют собой группу проводящих дорожек на плате или проводов, по которым посылаются цифровые сигналы. Передача данных по шинам называется параллельной передачей. При последовательной передаче данных каждый бит по очереди передается по одному-единственному проводу. А при параллельной передаче данных, например при передаче двоичного числа 01101001 по шине передаются все восемь разрядов одновременно, и каждый разряд по своему отдельному проводу (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Параллельная (а) и последовательная (б) передачи данных

Интерфейс предназначен для связи контроллера с компьютером или другими элементами автоматизированной системы. Под интерфейсом понимают унифицированное аппаратно-программное устройство для передачи информации. То есть два разных устройства, обладающих одним интерфейсом, можно подключить друг к другу для обмена информацией. Унификация интерфейсов обеспечивает совместимость подключаемых устройств. Контроллеры могут обладать различными интерфейсами. Обычно контроллеры подключаются через интерфейс к ПЭВМ (рис. 1.1) для программирования и/или мониторинга работы, но могут подключаться также и к другим устройствам и даже к компьютерным сетям. Очевидно, что ПЭВМ, к которой производится подключение, должна обладать соответствующим интерфейсом. Основные типы интерфейсов рассмотрены в главе 4.

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.

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.

Как работает ПЛК

Перед применением ПЛК, в него необходимо загрузить системное ПО и пользовательскую программу, разработанную для решения конкретной прикладной задачи. Все программное обеспечение ПЛК обычно располагается в энергонезависимой памяти и защищено от повреждения в случае сброса питания. Изменение кода прикладной программы в памяти ПЛК может быть выполнено пользователем многократно.

Типовая схема работы ПЛК может быть описана следующим образом.

К внешним каналам ввода контроллера подключаются датчики, к каналам вывода — исполнительные механизмы. На контроллер подается питание и его системное ПО начинает циклически исполнять пользовательское приложение.

Цикл выполнения приложения состоит из следующих, последовательных этапов:

• системное ПО контроллера считывает состояние каждого входного канала контроллера и записывает его во внутреннюю память контроллера;
• системное ПО контроллера, последовательно, команда за командой, выполняет всё пользовательское приложение: каждая исполняемая команда приложения считывает из внутренней памяти необходимые ей данные, производит с ними вычисления и записывает результаты своих расчетов во внутреннюю память контроллера;
• системное ПО контроллера получает из внутренней памяти те значения, которые необходимо отобразить на выходе контроллера, и переводит выходные каналы в соответствующее состояние, после чего, весь цикл выполнения повторяется с начала.

Рассмотренный подход к архитектуре среды исполнения пользовательской программы, дает возможность реализовать логически параллельное исполнение контроллером нескольких задач в рамках одной пользовательской программы, позволяя автоматизировать управление несколькими одновременно происходящими процессами используя единственный ПЛК.

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.

Типы связи систем

Умное удаленное освещение дома

Связь для управления этой довольно сложной системой является немаловажным компонентом. Существует несколько основных типов связи:

• Беспроводная локальная. Этот тип связи имеет ограниченный радиус действия и производится с помощью радиосигнала, Wi-Fi, или же в крайнем случае Bluetooth. Управление осуществляется с любой точки помещения или даже придомовой территории. Однако, если дом многоэтажный и ещё выполнен из материала, который выполняет экранирующую функцию (обшитый железом или даже состоит бетонных плит с арматурной увязкой), то устанавливаются специальные, усиливающие беспроводной сигнал, приборы или же дополнительные радиоточки;
• Удалённая беспроводная связь. Она возможна при условии подключения контроллера умного дома к глобальным сетям или системам расширения связи, которые обеспечивают постоянный доступ к ним. Это такие сети, как GSM/GPRS, любой мобильны интернет. То есть, даже если отсутствует интернет можно отправить или получит смс на телефон о состоянии той или иной системы управляемой контроллером. Основные устройства связи это телефон (смартфон), планшет или ноутбук.
• Проводной локальный. Это один из устаревших и выходящих из обихода способов, но всё же обладающих хорошей надёжностью. Связь происходит по кабелю, витой паре или электрической проводке. Любой центральный или региональный контроллер умного дома имеет такое подключение. Расширение связи и функции происходит с помощью коммутатора, который создаёт несколько ответвлений. Управление осуществляется путём нажатия кнопок на панели управления, она может быть сенсорной или же механической. Но иногда и через компьютер можно выполнять соединение, но это не совсем удобно теряется мобильность в управлении.
• Проводной удаленный способ. Это довольно дорогой способ, так как подразумевает прокладку большого количества кабельной продукции. И чем дальше будет расположен блок управления тем проблемнее его связь с контроллером. Чаще всего такой метод связи применяется не для частных а для государственных организаций и структур для управления несложными процессами корпусов зданий и близлежащей территории. Для домашнего пользования применяется крайне редко.

То есть устройства, за счёт которых, и происходит непосредственное управление чаще всего идут в комплекте. Представляют они из себя графические панели управления с кнопочным или сенсорным воздействием, также это могут быть пульты дистанционного управления, настроенные на радиочастоту передатчика. Такие приборы управления, как мобильные телефоны, компьютеры или планшеты, естественно, приобретаются отдельно. Связь через них и управление происходит при помощи специально разработанного программного управления, которое и обеспечивает удалённый доступ при помощи интернета.

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.

Программирование без программиста

Одной из базовых идей, лежащих в основе использования ПЛК, является упрощение системы программирования и повышение наглядности языковых средств до уровня, доступного для понимания техническому специалисту хорошо знающему и непосредственно эксплуатирующему оборудование, но не обладающему специальными знаниями в области разработки программного обеспечения.

Такой специалист, получив простой и понятный инструмент выражения своих знаний об алгоритмах управления процессами, находящимися в его ведении, во многих случаях будет способен самостоятельно реализовать и отладить программу ПЛК, а при необходимости перенастроить параметры работы оборудования и своевременно изменить программу управления.

Зачастую качество программы ПЛК созданной таким специалистом оказывается выше, чем программы, написанной по его заданию профессиональным программистом не знакомым со всеми особенностями работы автоматизируемого процесса.