Как выбрать программируемый логический контроллер для задач автоматизации производства

Российские промышленные предприятия и компании, которые занимаются разработкой решений АСУ ТП, столкнулись с необходимостью поиска альтернативы программируемым логическим контроллерам (ПЛК) европейских, американских и японских производителей. В этой статье мы предлагаем вашему вниманию сравнительный обзор технических характеристик программируемых контроллеров Consyst Electronics. 

Ключевые критерии при выборе ПЛК

Рассмотрим ключевые критерии, на которые необходимо обратить внимание при выборе ПЛК.

• Максимально возможная локализация, допустимо производство элементной базы и готовых изделий в дружественных странах. Этот критерий подразумевает, что производство программируемых контроллеров должно быть размещено на территории страны, для которой они предназначены. Это позволяет снизить затраты на транспортировку, а также обеспечить возможность более быстрой и эффективной технической поддержки и обслуживания.

• Минимальные сроки поставки. При выборе ПЛК важно учитывать сроки поставки. Чем быстрее компания может получить необходимое оборудование, тем быстрее она сможет начать его внедрять в своих проектах.

• Использование в своих изделиях передовых отраслевых технологий. Выбор устройств для автоматизации, в которых применены передовые технологии, помогает производственным компаниям оставаться конкурентоспособными на рынке.

• Разработка проектов ПЛК в соответствии со стандартом МЭК 61131-3. Стандарт МЭК 61131-3 обеспечивает единый подход к разработке проектов систем управления вне зависимости от производителя контроллеров.

• Показатели надежности оборудования и его жизненный цикл не должны уступать лидерам рынка. ПЛК с высоким уровнем надежности и длительным жизненным циклом обычно стоят дороже, но при этом они обеспечивают более низкую совокупную стоимость владения на протяжении всего жизненного цикла АСУ ТП.

Семейство контроллеров Consyst Electronics

Весной 2023 года наша компания вывела на российский рынок свою линейку ПЛК. 

Она включает три серии контроллеров:

• компактные контроллеры L22;

• модульные контроллеры L52;

• контроллеры безопасности L5S.

Серия L22 представляет ПЛК класса «все в одном» и предназначена для автоматизации малых и средних объектов дискретных производств с максимальным числом дискретных сигналов до 684.

ПЛК серии L52 являются модульными и поддерживают технологии резервирования и горячей замены модулей, что предопределяет их применение для автоматизации непрерывных (процессных) производств в таких секторах промышленности, как энергетика, металлургия, химическая, горнодобывающая, нефтегазовая, целлюлозно-бумажная, фармацевтическая отрасли, водное хозяйство и т.п. Контроллеры L52 относятся к классу высокопроизводительных и способны управлять системами с числом сигналов более 10 000.

Для создания проектов автоматизации на основе ПЛК серий L22 и L52 в соответствии со стандартом МЭК 61131-3 предназначено свободное распространяемое программное обеспечение AT300.

В программируемых контроллерах безопасности L5S используется одноканальная архитектура с самодиагностикой 1oo1D, что обуславливает их соответствие уровню полноты безопасности 2 (SIL2). Оснащенные специальными технологиями, L5S позволяют создавать системы противоаварийной автоматической защиты ПАЗ (SIS) различных типов для опасных промышленных объектов: аварийного отключения (ESD), обнаружения горючих и токсичных газов (контроля загазованности, GDS), управления горелками (BMS), противопожарных систем (FGS) и др. Расширяемость L5S составляет до 992 дискретных или аналоговых сигналов безопасности.

Требования стандартов безопасности относятся не только к оборудованию, но и к программному обеспечению для работы с ним. Поэтому для программирования контроллеров безопасности L5S используется отдельная среда разработки ATS100, которая при этом имеет много общего с родственным приложением AT300.

Рассмотрим более подробно модельный ряд и возможности каждой серии контроллеров.

Серия L22

ПЛК данной серии имеют в своем составе четыре модели центральных процессоров (ЦП) и ряд дополнительных сигнальных и коммуникационных модулей расширения.

Две младшие модели ЦП оснащены 24 встроенными входами/выходами, из которых 14 (12) -  это дискретные входы (24 В=), а 10 (8) – дискретные релейные выходы. L22 на 12 DI + 8 DO имеет дополнительно два входа и два выхода для ввода и вывода унифицированных аналоговых сигналов соответственно. Для программирования этих контроллеров используется встроенный порт RS-485.

К двум старшим моделям ПЛК L22 через встроенные входы можно подключить 24 дискретных сигнала с напряжением уровня 24 В=, а встроенные дискретные выходы позволяют управлять 16 внешними устройствами с напряжением питания 24 В= (модель с транзисторными выходными ключами) или 220 В~ (модель с релейными выходами). Оба этих контроллера в качестве основного интерфейса связи с внешними устройствами используют порт Ethernet, который позволяет подключаться из среды разработки для программирования и отладки, а также поддерживает обмен данными по протоколу Modbus-TCP в качестве сервера и клиента.

Напряжение питания для L22 с релейными дискретными выходами составляет 220 В~, а модель с транзисторными DO необходимо запитывать от источника 24 В=.

Встроенный порт RS-485 старших ЦП и второй встроенный порт RS-485 младших моделей предназначены для обмена данными с внешними устройствами по последовательному интерфейсу на скорости до 115 Кб/с по протоколу Modbus-RTU Master/Slave (поддерживаются оба режима) или с другими контроллерами L22 по специальному протоколу M2M (Machine Interconnection). Также возможна работа последовательного порта в беспротокольном режиме Free Port для программной реализации пользовательских протоколов.

Если встроенных портов или входов/выходов модуля ЦП L22 недостаточно для создания системы автоматизации требуемого уровня, существуют два способа увеличения возможностей ввода/вывода ПЛК.

1. Использование платы расширения

Ко всем моделям ЦП L22 можно подключить одну плату расширения, которые бывают следующих типов:

• 1 порт RS-232;

• 1 порт RS-485;

• 4 DI;

• 4 DO (транзисторы);

• 2 AI;

• 1 AO.

Плата расширения устанавливается в модуль ЦП без увеличения габаритных размеров модуля ЦП.

2. Использование модулей расширения

Модули расширения в ПЛК L22 подключаются непосредственно к ЦП и к друг другу через разъемы внутренней шины и скрепляются между собой при помощи специальных фиксаторов.

К младшим моделям можно подключить до четырех, а к старшим – до 20 дополнительных модулей расширения серии L22. Номенклатура модулей расширения включает следующие модели:

• 8/16/32 DI;

• 8/16/32 DO;

• 4/8 AI;

• 4 TC/RTD/NTC (датчики температуры);

• 2/4 AO;

• 4 AI + 2 AO;

• 2 порта RS-232/RS-485 (Modbus-RTU Master/Slave, Free Port), только для старших ЦП;

• PROFIBUS-DP slave (ведомый);

• 1 порт Ethernet (Modbus-TCP Server).

При максимальном использовании модулей расширения вместе с платой суммарное число дискретных сигналов, которые можно подключить к ПЛК серии L22, для старших моделей будет составлять:

• 24 DI + 16 DO (модуль ЦП) + 4 DI(DO) (плата расширения) + 20x32 DI(DO) = 684 дискретных вх/вых.

• Для аналоговых сигналов: 20x8 AI = 160 AI или 20x(4 AI + 2 AO) = 120 AI/AO или 20x4 AO = 80 AO.

Также старшие модели ЦП L22 имеют незаурядную для класса базовых ПЛК расширяемость по последовательным портам.

1xRS-485 (модуль ЦП) + 1xRS-485(RS-232) (плата расширения) + 4x2 RS-485/RS-232 = 10 последовательных портов на 1 ПЛК.

Из других интересных особенностей ПЛК L22 следует отметить:

• часть встроенных дискретных входов могут работать в режиме высокоскоростных счетчиков – 1 канал до 20 кГц или 4 канала до 100 кГц, в зависимости от модели (кроме ЦП на 24 DI/16 релейных DO);

• определенное количество встроенных дискретных входов можно использовать в качестве входов аппаратных прерываний или для захвата коротких импульсов (до шести и восьми соответственно – в зависимости от модели, кроме ЦП на 24 DI/16 релейных DO);

• модель на 24 DI/16 транзисторных DO оснащена четырьмя каналами высокоскоростных импульсных выходов до 100 кГц для управления шаговыми двигателями или сервоприводами для задач позиционирования;

• съемные клеммные блоки, которые позволяют существенно ускорить монтаж или оперативно провести замену устройства;

• возможность переноса части модулей расширения в отдельные сборки для узких шкафов управления или вынос модулей в другие шкафы при помощи специальных кабелей переноса внутренней шины – до трех кабелей длиной 2 м на одну систему;

• поддержка календаря и часов реального времени для всех моделей (для младших – без сохранения значений при отсутствии питания);

• возможность хранения резервной копии программы на внешнем USB-накопителе для младших моделей или карте памяти microSD – для старших ЦП;

• дополнительный встроенный источник напряжения 24 В= в старших моделях на 40 дискретных входов/выходов.

Объем памяти программ для младших ЦП L22 составляет 128 Кб, для старших – 256 Кб.

Память для хранения данных имеет объем 10 Кб или 64 Кб (из них энергонезависимая 2 Кб или 8 Кб соответственно) – для младших и старших ПЛК.

Быстродействие всех компактных контроллеров Consyst находится на хорошем современном уровне: время выполнения операций с битами − от 100 нс.

Принимая во внимание характеристики и функциональные возможности ПЛК L22, можно рекомендовать их к использованию в машиностроении, пищевой промышленности, этикетировке и маркировке продукции, для автоматизации насосных станций, систем отопления и вентиляции и др. 

Серия L52

Конструкция ПЛК L52 предполагает установку модулей в специальные шасси, образуя таким образом стойки (корзины). Поскольку модули устанавливаются независимо друг от друга, существует возможность использования технологии оперативной горячей замены модулей при возникновении неисправности.

Конструкция ПЛК L52 предполагает установку модулей в специальные шасси, образуя таким образом стойки (корзины). Поскольку модули устанавливаются независимо друг от друга, существует возможность использования технологии оперативной горячей замены модулей при возникновении неисправности.

Контроллер L52 всегда состоит из одной или двух стоек центрального процессора (в конфигурации без резервирования или с резервированием соответственно) и одной или более стоек системы ввода/вывода.

В стойке ЦП устанавливаются модули следующего типа:

• питания;

• центральный процессор;

• коммуникационные (стойки ЦП);

• синхронизации резервирования (для конфигурации с резервированием).

В резервируемой конфигурации с двумя стойками ЦП все перечисленные модули резервируются. Для обмена данными и синхронизации активной и резервной стоек ЦП применены гигабитные резервируемые оптоволоконные линии связи.

Стойки ввода/вывода (расширения) состоят из:

• интерфейсного модуля;

• коммуникационных модулей (стойки ввода/вывода);

• сигнальных модулей.

Обмен данными между ЦП и системой ввода/вывода осуществляется через полевые сети:

• PROFIBUS-DP;

• POWERLINK;

• H-TCP (проприетарный протокол на базе Ethernet).

Выбор сети из перечисленных или их комбинаций определяется особенностями производственного объекта: его топологией, общим числом полевых сигналов, необходимостью интеграции сторонних устройств и т.д.

Поддерживается резервирование линий связи между стойкой ЦП и стойками расширения для всех вариантов подключения. 

Такая структура контроллеров L52 дает возможность гибко комбинировать расположение стоек ввода/вывода − локально или удаленно, в рамках одной сети системы ввода/вывода L52.

Линейка модулей ЦП L52 состоит из трех моделей: 20, 22 и 24, которые отличаются друг от друга быстродействием, объемами памяти, расширяемостью, максимальным числом программных компонентов и др. При этом конфигурацию L52 с двойной резервируемой стойкой ЦП можно организовать на любом ЦП. 

Скорость выполнения битовых операций составляет от 15 нс для младшей модели и от 7 нс – для старшей, а объемы памяти программ и памяти данных исчисляются мегабайтами, что в итоге позволяет использовать ПЛК серии L52 для автоматизации сложных крупных промышленных объектов с суммарным числом сигналов более 10 000.

Для обмена данными с другими ПЛК или верхним уровнем в контроллерах L52 используется сеть Ethernet и протокол Modbus-TCP (Server и Client), а в среднесрочной перспективе ожидается поддержка стандарта OPC-UA Server. Линии связи Ethernet при необходимости также резервируются.

Набор коммуникационных и сигнальных модулей системы ввода/вывода контроллеров L52 включает в себя:

• одно- и четырехпортовые модули последовательной связи;

• 16/32 DI;

• 8 (реле)/16/32 DO;

• 6/8 AI (включая модуль с гальванической изоляцией между каналами);

• 6/8 TC/RTD (датчики температуры);

• 4/8 AO (включая модуль с гальванической изоляцией между каналами);

• двухканальный модуль скоростного счета;

• четырнадцатиканальный модуль SOE (регистрации последовательности событий).

По совокупности своих возможностей ПЛК L52 могут стать достойным выбором для применения на ответственных участках непрерывных производств, в том числе в задачах с повышенными требованиями к отказоустойчивости систем автоматизации.

Среда разработки AT300 для контроллеров L22 и L52 дает возможность создавать управляющие программы на языках CFC, ST, LD, SFC стандарта МЭК 61131-3. Типы данных, операторы, организация программ также соответствуют этому стандарту. Работу программного кода можно проверить с помощью встроенного эмулятора. AT300 отличается скромными размерами дистрибутива и установки, а также высокой скоростью работы даже на ПК с минимальными характеристиками.

Серия L5S

В контроллерах безопасности L5S применяется ряд специальных аппаратных и программных технологий, которые необходимы для соответствия этих ПЛК уровню полноты безопасности (УПБ) SIL2.

Среди них можно отметить:

• глубокую самодиагностику, которая выполняется при подаче питания и периодически;

• систему мониторинга всех напряжений питания электронных компонентов;

• независимый аппаратный сторожевой таймер в каждом модуле безопасности;

• асимметричную гетерогенную архитектуру микропроцессора модуля ЦП;

• проверку целостности пользовательских программ методом декомпиляции в среде разработки ATS100.

Охват самодиагностики оборудования (показатель DC) L5S для контура Дискретный вход -> Процессор -> Дискретный выход составляет 96,6%.

Доля безопасных отказов (SFF) достигает величины 98,7%.

Структура модульных ПЛК L5S аналогична L52: одна или две (в резервируемой конфигурации) стойки ЦП с подключаемыми стойками системы ввода/вывода.

Важным отличием L5S от L52 является способ связи ЦП с модулями ввода/вывода – это специализированная сеть безопасности PROFIsafe на базе PROFIBUS, в которой возможно резервирование линий связи между всеми узлами сети.

Отдельно необходимо отметить, что применение нерезервируемой конфигурации L5S с одной стойкой ЦП не снижает заявленный УПБ (уровень полноты безопасности). Резервируемая конфигурация может потребоваться для повышения отказоустойчивости системы безопасности.

Серия L5S включает в себя следующие модули Safety:

• питания;

• центральный процессор;

• мастер-модуль PROFIsafe;

• синхронизации резервирования (для конфигурации с дублированием стойки ЦП);

• сигнальные 8DI/8DO/8AI.

В контроллер L5S можно установить до 124 модулей ввода/вывода сигналов безопасности. Поэтому максимальная расширяемость ПЛК этой серии составляет 8 каналов x 124 модуля = 992 входа/выхода системы безопасности.

Допускается подключение к контроллеру L5S ряда стандартных модулей системы ввода/вывода серии L52 по сети PROFIBUS-DP, но только при условии их использования вне системы безопасности, например, для контроля состояния объекта на HMI, реализации функций стандартного управления и т.п.

Быстродействие модуля центрального процессора L5S составляет 13 нс на выполнение битовой операции, объем памяти программ - 3,1 Мб, памяти данных – 2,4 Мб. Это позволяет реализовывать на базе L5S комплексные системы безопасности со сложными алгоритмами.

Для связи с верхним уровнем используется резервируемая сеть Ethernet и протокол Modbus-TCP (Server/Client). По умолчанию L5S позволяет только считывать данные из своей памяти данных по Modbus-TCP, а операции записи запрещены. 

Исходя из изложенной информации, можно сделать вывод о назначении ПЛК безопасности серии L5S – создание систем противоаварийной защиты (ПАЗ) с требуемым УПБ SIL2 (или ниже) для защиты людей, окружающей среды и оборудования. Стандартно такие системы работают параллельно с системами управления технологическим процессом на базе стандартных ПЛК и независимо от них. Но в отдельных случаях L5S допускает создание гибридных систем, обеспечивающих функции безопасности и управления процессом одновременно.

Среда разработки ATS100 для ПЛК L5S имеет интерфейс, во многом схожий с AT300. Поэтому разработчик, умеющий работать с одним из этих приложений, сможет в минимальные сроки освоить другое. Тем не менее, между ними есть и существенные отличия. Например, в ATS100 для программирования контроллера безопасности можно использовать либо редактор языка LD, либо FBD вместо CFC. Также в ATS100 применяются дополнительные меры проверки при любом изменении программного кода, поскольку они напрямую влияют на алгоритм работы системы безопасности.

Заказной код компонентов для всех ПЛК Consyst формируется следующим образом:

LMN_(a)bc_uvw.

Значения символов:

• L – закрепленная буква для всей линейки ПЛК Consyst;

• M – принимает значения 2 или 5 и обозначает класс ПЛК: базовый или модульный;

• N – принимает значения 2 или S и обозначает ПЛК стандартного ряда или безопасности;

• (a) – показывает число каналов передачи данных (при наличии);

• bc – кодируют функциональное назначение: CU – модуль центрального процессора, AI – сигнальный модуль аналогового ввода и т.п.;

• uvw – обозначают тип оборудования: DP – модуль сети PROFIBUS-DP (PROFIsafe), UI – унифицированные аналоговые сигналы тока или напряжение, R – релейные дискретные выходы и т.п.

Примеры:

• L22_40CU_T – модуль ЦП серии L22 со встроенными 24 DI/16 DO транзисторного типа;

• L22_32DI_DC – модуль расширения серии L22 на 32 канала ввода дискретных сигналов 24 В=;

• L52_6TB_CU – шасси для стойки ЦП контроллера серии L52 на 6 слотов;

• L52_CU_24 – модуль ЦП серии L52, старшая модель 24;

• L52_CP_PL – коммуникационный модуль серии L52, мастер сети POWERLINK;

• L52_CI_PL – интерфейсный модуль серии L52, для связи стойки расширения с мастером сети POWERLINK;

• L52_4CM_RS – коммуникационный модуль серии L52, 4 порта RS-485 (Modbus-RTU Master/Slave);

• L52_8AI_U – сигнальный модуль серии L52, 8 каналов аналогового ввода сигналов  ±10 В/0-10 В/0-5 В;

• L5S_PM_24VDC – модуль питания серии L5S, входное напряжение 24 В=;

• L5S_8DI_SOE – сигнальный модуль серии L5S, 8 каналов дискретного ввода с поддержкой функции SOE (регистрация последовательности событий).

Таким образом, наименование любого модуля ПЛК Consyst позволяет получить представление о его назначении без использования справочной литературы.

Сравнительная таблица основных характеристик всех серий ПЛК Consyst Electronics представлена в таблице ниже.

Загрузить программное обеспечение AT300 и ATS100, а также найти дополнительную информацию о программируемых логических контроллерах Consyst Electronics можно по ссылке. Наш учебный центр проводит обучение по всем линейкам ПЛК.