Програмируеми релета

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2009

Програмируеми релетаПрограмируеми релетаПрограмируеми релетаПрограмируеми релетаПрограмируеми релетаПрограмируеми релета

Характеристики и функционалност на съвременните модели микро PLC


    Класическото реле е елемент с дълга история. Изобретено през 1835 г. от Джоузеф Хенри, и до днес релето се радва на голямо приложение в техниката. Едно от съществените приложения на класическите релета е било изграждането на логически схеми, т.нар. релейно-контакторна логика. Днес, преобладаващата част от задачите в областта на автоматизацията се решават не с опроводена логика, а чрез програмируеми средства. По този начин потребителят разполага с повишена надеждност и гъвкав алгоритъм. Затова с течение на времето, в автоматизационните приложения класическото реле е изместено от т. нар. програмируеми релета.
В статията, която публикуваме в настоящия брой на сп. Инженеринг ревю, обръщаме специално внимание на важни технически характеристики на съвременните програмируеми релета. Поради обхватността на темата ще я продължим и в следващи броеве на списанието.

Познати са по различни наименования
Те могат да бъдат открити навсякъде – в индустрията за управление на отделна машина или малък агрегат, както и в сградната автоматизация – в осветителни и асансьорни уредби, в системи за отопление, вентилация и климатизация и алармени системи. В селското стопанство се използват за управление на оранжерии, доилни агрегати, системи за напояване и др. Трудно е да се изброят всички възможни приложения на гъвкаво средство за автоматизация като програмируемите релета. Това е и основната причина те да са толкова широко разпространени и да присъстват в продуктовите листи на почти всички компании от автоматизацията - и водещи, с доказано име и отвоюван пазарен дял, и тепърва пробиващи си път в областта. Можете да ги срещнете под различни наименования - програмируеми релета, логически релета или модули, микро PLC (от английския термин programmable logic controller – програмируем логически контролер), интелигентни или смарт релета и т.н. Независимо от конкретното използвано име, компаниите-производители и потребителите имат предвид “най-малкия събрат” на програмируемите контролери.

Компактни, с гъвкави алгоритми и ниска консумация
Ако трябва да се посочат някои общи характеристики на програмируемите релета, то неминуемо е добре да се започне с факта, че те са компактни (фиг. 1). В повечето случаи те са пригодени за монтаж на шина DIN35, но се предлагат и модели, предназначени за монтаж на щит.
На фигура 1 са показани типични размери на програмируеми релета, в мм и инчове, от различни производители. Както е видно, програмируемите релета са се наложили като алтернатива не само заради високата надеждност и гъвкавостта на алгоритмите, но и заради компактните размери. В редица случаи ниската електроконсумация на програмируемите релета е предпоставка за широкото им използване, което е от съществено значение за редица системи с автономно захранване.

Брой на входовете/изходите
Основна характеристика на програмируемите релета е броят на техните входове и изходи. Повечето производители ги предлагат в конфигурацията – базов модул и входно/изходни разширители. Обикновено базовият модул има от 8 до около 16 входове/изходи, но съществуват и модели с 30 входове/изходи. Посредством използването на подходящи разширители този брой би могъл да бъде увеличен чувствително. При някои модели достига до 140 входа/изходи. Съществуват и модели, при които чрез специализирана комуникация броят на входове/изходите може да достигне 272.
Базовият модул има четири вида входове/изходи – дискретни входове, дискретни изходи, аналогови входове и аналогови изходи. Необходимо е да се вземе под внимание, че видът на захранващото напрежение на базовия модул е обвързан с работните напрежения на дискретните му входове и изходи. Например, моделите със захранване от 24 VDC респективно работят с 24 V логика за входовете и изходите.
Предлаганите на пазара програмируеми релета могат да се разделят в две групи. Първата обхваща модели, работещи с 12 VDC, 24 VDC и 24 VAC. Втората група включва микро PLC, захранвани със 115 VAC/DC или 240 VAC/DC. Някои компании произвеждат и по-обобщени версии, например работещи с напрежения от 10,8 V AC/DC до 28,8 V AC/DC за първата група и, респективно, от 85 VAC/DC до 240 VAC/DC за втората група.

Ролята на разширителните модули
От съществено значение е и въпросът за разширителните модули. Благодарение на тях, програмируемите релета намират много по-широко и по-разнообразно приложение. Както вече бе посочено, посредством разширителни модули броят на входовете/изходите би могъл да се увеличи неколкократно спрямо тези на базовия модул. Друго преимущество на архитектурата с разширителни модули е, че така се дава възможност на проектанта да направи по-оптимална конфигурация с програмируеми релета. Например, ако в приложението се контролират няколко аналогови величини, е възможно да се избере разширителен модул с аналогови входове. По този начин, наличните входове/изходи да се използват максимално.
Разширителните модули се свързват с базовия по два начина – директно, чрез специален куплунг (фиг. 2), или посредством комуникационен кабел те се изнасят на разстояние (обикновено то е в интервала 20 - 60 метра).
Към групата на разширителните модули, освен допълнителни входове и изходи се отнасят захранващи и комуникационни модули, операторски панели и др.

Характеристики на цифровите входове
По отношение на цифровите входове, много важна е характеристиката за напреженовите нива, съответстващи на състоянията „включено” и „изключено” (б.ред. това, което контролерът възприема като „единица” и „нула”). Съгласно спецификациите на водещ международен производител, състоянието „включено” е над 8 VDC за версията, захранвана на 12 VDC, и от 8 до 28.8 VDC за модела, работещ на 24 VDC. Състоянието „изключено” се възприема съответно за напрежения под 4 VDC за 12-волтовия вариант и под 5 VDC за модел, захранван на 24 VDC. По отношение на напрежения със стойност между изброените прагове на сработване, състоянието остава без промяна, т.е. възприема се предходното състояние. За цифровите входове, работещи на 24 VAC, състояние „включено” се отнася до напрежения от 14 до 26,4 VAC, а състояние „изключено” - от 0 до 6 VAC. При версиите, работещи на 240 VAC, нивата за цифровите входове са съответно състояние „включено” – от 0 до 40 VAC, а състояние „изключено” – от 79 до 264 VAC.
Големината на тока, протичащ през цифровия вход при различните производители, е от порядъка на 2 до 4 mA, което се отнася за версиите 12 VDC, 24 VDC и 24 VAC, и около 0,5 mA за работещите на 240 VAC. Добре е да се има предвид, че при някои производители големината на тока е 0,03 mA, а при други, умишлено е завишена до 6 mA.

Времето за сработване
често е много важен параметър по отношение на цифрови входове. Програмируемите релета все пак са програмируеми контролери от най-ниския клас. Времето за сработване на стандартния им цифров вход е от порядъка на 40-50 ms, в зависимост от работното напрежение. Предлагат се продукти с време на сработване както 10 ms, така и 80 ms. Някои модели имат различни времена на преход между двете състояния – от “изключено” към „включено” и от “включено” към „изключено”.
Необходимо е времената на сработване да се отчитат от разработчиците на система с програмируеми релета, тъй като те могат да се окажат твърде големи за някои бързи процеси. По тази причина почти всички производители предлагат модели с т. нар. „бързи” цифрови входове (наричат се още броячни входове). При тях времената за преход са сведени под 1 ms, което дава възможност да работят на честоти до 1 kHz. Съществуват и специални модели програмируеми релета, имащи броячни входове за честота до 10 kHz. Като правило броячните входове се предлагат за версиите, работещи на 24 VDC.

Характеристики на релейни цифровите изходи
Цифровите изходи на предлаганите модели програмируеми релета могат да бъдат два вида – релейни и транзисторни. Релейните изходи се предлагат за всички захранващи напрежения, докато транзисторните изходи - само за правотоковите на 12 V и 24 V. Релейните цифрови изходи в общия случай могат да комутират токове до 10 A, при чисто резистивен товар, и до около 3 A - при индуктивен товар. Съобразно спецификациите, комутируемата мощност би могла да варира в широки граници, в зависимост от вида на товара и от стойността на напрежението. Обикновено тя е около 1000 W за чисто резистивен товар и захранващо напрежение 240 VAC и около 350 VA за индуктивни товари на 240 VAC.
Броят и честотата на превключване също зависи от вида и големината на товара. Например, ако гарантираният брой на чисто механичните комутации е над 1 000 000 цикъла, то при резистивен товар 3A/240 VAC, той е около 300 000 (фиг. 3 и фиг. 4). При конвенционални луминесцентни лампи пада до максимум 25 000 възможни комутации. Аналогично, честотата на превключване би могла да бъде до 10 Hz, до 2 Hz и до 0,5 Hz за посочените видове и големини на товара. Много производителите предвиждат и защита на релейните изходи посредством миниатюрни предпазители.


Специфики на транзисторни цифрови изходи
При транзисторните изходи, максималните стойности на комутируемия ток са между 0,3 A и около 2 A, за различните модели. Повечето производители предвиждат електронна защита на транзисторния изход, която ограничава тока на късо съединение до максимално допустимия и не позволява възникването на авария. Необходимо е да се знае, че в повечето случаи не е позволено запаралелване на изходите (б.ред. например с цел по-висока товароносимост), тъй като това би могло да причини повреда.
Обикновено честотата на превключване при чисто резистивен товар е по-висока от 10 Hz, а при индуктивен -около 2 Hz.
В редица случаи е много важно да има галванично разделяне на цифровите изходи. За разлика от релейните изходи, при които галваничното разделяне се обезпечава от самото реле, при транзисторните това не е задължително. В някои от моделите се използва разделяне чрез оптронна двойка, например.
Полезна е и функцията „контрол на цифровия изход”, вградена в някои типове програмируеми релета. Чрез нея се извършва прочит на състоянието на изходите, независимо от задействането им.

Характеристики на аналоговите входове
Макар и ограничени като брой, аналоговите входове рязко увеличават областта на приложение на програмируемите релета. Предлагат се за устройства, работещи с правотоково захранване, 12 или 24 VDC. При повечето модели са предвидени от 1 до 6 аналогови входа в базовия модул. За тези, при които липсват или са необходими допълнителни аналогови измервания, могат да се използват специални разширителни модули. Като правило, аналогов вход се комбинира с цифров, а съответният режим на работа на входа (цифров или аналогов) се задава по софтуерен път.
При логическите релета аналоговите модули преобладаващо са с диапазон на входното напрежение от 0 до 10 V (при някои от 0 до +/- 10 V). Също така са със сравнително ниска разрешаваща способност – 9 или 10 бита (от 10 до 20 mV) и много рядко 12 бита. Съществуват и модели с 8 бита, която е напълно достатъчна за определени приложения. Входното съпротивление варира в границите от 50 до над 100 kW, но е добре да се внимава с модели, при които е сравнително ниско – около 10 kW.

Допълнителни възможности на аналоговите входове
Ако се налага да се работи с най-разпространения унифициран сигнал 4 – 20 mA, е необходимо просто да се добави прецизен резистор, паралелно на съответния вход. Необходимо е той да се монтира в непосредствена близост до клемите на модула, при възможност - на самите тях. Например, ако резисторът е 250 W/0,250 W/0,5%, то напрежението на входа ще варира от 1 до 5 V. Важно е да се отчете и специфицираният входен импеданс за съответния аналогов вход.
Предлагат се програмируеми релета, имащи аналогови входове, предназначени за работа със сигнал 0-20 mA, като някои осигуряват дори и захранване на токовия контур. По този начин се създава удобство в редица индустриални приложения, в които сигналът 4 - 20 mA е много разпространен. Съществуват и редица специализирани модели, имащи аналогови входове, подходящи за директно свързване на платинени термометри (Pt100) или на някои от разпространените типове термодвойки.
В автоматизационни приложения, за които са характерни аналогови измервания, задължително следва да се отчетат два важни параметъра – точност и време за измерване. Програмируемите релета имат сравнително скромни възможности – пълната им точност е в границите от 1 до 4%, а необходимото време за еднократно измерване - от порядъка на 10 – 30 ms.

Аналогови изходи
В сравнение с вече разгледаните входове и изходи, аналоговите изходи са най-слабо разпространени. При много от предлаганите модели, те просто отсъстват. Все пак, някои компании предлагат базови модули с по един аналогов изход или разширителни модули, с 2 или 4 аналогови изхода.
Характерно за тях е, че могат да работят като източници на напрежение 0-10 V, с минимално съпротивление на товара 1 kW, или като токови изходи 0 - 20 mA/4 - 20 mA. Разрешаващата им способност е 10 или 12 бита, а точността - около 1 - 2%. При аналоговите изходи, времето за преобразуване е сравнително малко, обикновено под 2 ms.

Вградени функции в релетата
Вградените функции са сред основните причини за широката приложна област на програмируемите релета. Благодарение на тях, е възможно бързо и лесно да се конфигурират сравнително сложни алгоритми. Производителите използват различни наименования на поддържаните от релетата функции. Въпреки това, те могат да се разделят в няколко групи:
Логически (булеви) функции. Това са функции като and (и), or (или), not (не), nand (и-не), xor (изключващо или) и т.н. Обикновено програмируемите релета поддържат минимален набор от 6 до 10 логически функции, а някои модели - значително по-голям брой.
Аритметични функции. Към тях принадлежат функции от типа на add (аритметична сума), sub (изваждане), mul (умножение), div (деление). Не всички модели програмируеми релета ги поддържат. Следва да се има предвид, че към вградените аритметични функции се поставят някои ограничения. Например, релетата на един от водещите производители поддържа и четирите изброени функции, но те работят само с цели числа в интервала от -2 147 483 648 до +2 147 483 647.
Функции за времезакъснение. Би могло да се твърди, че това са полезни функции, предлагани в разнообразни модификации и под различни наименования. Те могат да бъдат открити в почти всички предлагани модели. Сред най-използваните от тях са: on-delay (времезакъснение по преден фронт), off -delay (времезакъснение по заден фронт), оn/оff –delay и мн. др. На фиг. 5 е показан пример за функцията on-delay, където Trg – тригерен вход, Q - изход, T – интервал на времезакъснение (параметър). Когато входът Trg премине в състояние On, започва да тече интервалът T. При изтичането му се задейства изходът Q, който остава включен, докато входът Trg не премине в състояние off.
Броячни функции. На практика, представляват различни броячи – на сумиране, на изваждане или на сумиране/изваждане. Освен двоичния им изход, в програмата може да се използва и натрупаната стойност за различни изчисления.

Функции за аналогова обработка
Позволяват извършването на различни манипулации с величините, измерени чрез аналоговите входове. Сред най-често срещаните е аnalog threshold trigger (аналогов прагов тригер), който е показан на фиг. 6. На нея е показана времедиаграма за аналогов прагов тригер, където Q – изход на функцията, Ax – аналогова величина, имаща стойност между 0 и 1000, а оn и оff са параметри, които се задават или получават от други функции. Те определят праговете за превключване на тригера.
Други подобни функции са аnalog differential trigger (аналогов диференциален тригер), аnalog comparator (аналогов компаратор) и аnalog watchdog (аналогов „страж”). Последната функция изисква две стойности, които се съхраняват в енергонезависимата памет. Ако аналоговата величина надхвърли високата стойност или се понижи под по-ниската, се включва изходът на функцията. Тя е удобна за създаване на аларми. Към функциите за аналогова обработка се отнася и т.нар. аnalog amplifier (аналогов усилвател), както и много други.
Специални функции, поддържани от релетата
Могат да бъдат с най-различно предназначение. Сред често използваните са: рulse generator (импулсен генератор), random generator (генератор на случайни числа), pulse width modulator (широчинно-импулсен модулатор), real time clock (часовник за реално време), PID регулатор, message texts (текстови съобщения) и други.
Функцията RTC дава възможност управлението, извършвано чрез програмируеми релета, да се осъществява в реално време. За тази цел се вграждат и други функции, като броячи на седмици, месеци и години. Някои модели предлагат и допълнителни екстри, като например смяна на лятно и зимно часово време. Освен това, работата на RTC се осигурява и при временно отпадане на захранването. При различните модели този период варира от 60 до 250 часа. Някои модели разполагат и със специален разширителен модул, който поддържа захранването на RTC повече от година. Например, водещ доставчик предлага разширителен модул, чрез който контролерите получават радиосигнал за точно време с цел синхронизация на функцията RTC. По този начин няколко програмируеми релета, поддържащи функцията RTC, могат да работят в пълен синхрон, без да имат пряка връзка помежду си.
Друга широко използвана функция е message texts. Тя дава възможност върху дисплея на релето да се изведат различни съобщения, измежду предварително запаметените. Техният брой би могъл да бъде 128 и повече. Съобщенията се визуализират във вид на текст, на барграф или посредством други графични инструменти.

Интерфейсни специфики
Както вече бе посочено, повечето от интелигентните релета да разполагат с дисплей и бутони. Чрез тях е възможно да се въведе цялата програма, да се наблюдава изпълнението й, както и да се правят необходимите корекции. Повечето модели предвиждат и защита на програмата чрез въвеждане на парола.
Стремежът на производителите е да се опрости максимално клавиатурата. Дисплеят се конфигурира в зависимост от конкретните изисквания. Повечето модели програмируеми релета позволяват на дисплея да бъдат извеждани съобщения на различни езици (на съответните азбуки, включително и на кирилица). Всичко това прави програмируемите релета универсално средство за автоматизация.
Важно е да се отбележи, че когато програмируемите релета са снабдени с дисплей и бутони, позволеният температурен обхват е по-тесен, обикновено от 0 до +55 градуса Целзий. Това е и причината при някои модели те да липсват и работният им температурния обхват да е от -25 до +55 градуса Целзий.

Комуникационни възможности на програмируемите релета
Чрез различните комуникационни технологии програмируемите релета могат да бъдат интегрирани в по-голяма система. Също така е възможно да се мониторират, параметризират и контролират дистанционно. Някои от производителите залагат на собствени протоколи за комуникация, но повечето използват масово разпространените. Сред най-често използваните са DeviceNET, CAN, AS-interface, PROFIBUS DP, Ethernet и др. Съществуват модели, при които е предвидена връзка с PC чрез серийна комуникация RS-232 или USB.
Една от водещите компании в бранша предлага интересна възможност – комуникацията с програмируемите релета се извършва чрез GSM мрежа. По този начин съответното микро PLC се мониторира, „докладвайки” за състоянието на входовете си чрез SMS. От друга страна, чрез SMS е възможно дистанционно да бъде задействан всеки от изходите му. Алармените съобщения се изпращат на до пет различни получатели, с дефиниран приоритет. Предвидена е възможност за изпращане на SMS и при отпадане на захранването.

Райзвойна дейност чрез специализиран софтуер
На практика всички производители на програмируеми релета дават възможност за развойна дейност чрез специализиран софтуер. Повечето компании го предоставят безплатно за изтегляне от Интернет. Чрез него е възможно да се създава програма, да се отстраняват грешки, да се симулира действието й, както и да се зарежда в паметта на програмируемото реле. Възможно е вече заредена програма да бъде прочетена, както и да се нанесат корекции в нея. На фиг. 7 са показани изгледи от екрани на развоен софтуер за програмируеми релета.
Програмите се пишат на специализирани езици, най-често Ladder diagram (диаграми във вид на релейно-контакторни схеми) или FBD (Function Block Diagram – диаграми от функционални блокове). Голямо удобство за потребителя, работещ със специализирания софтуер, е, че той може да разполага с вече създадени програми, които да използва (или фрагменти от тях) при разработването на нова програма. Като правило, развойният софтуер е предвиден за работа под операционните системи Windows (98 SE, NT4.0, ME, 2000, XP или Vista), Mac OS X и Linux.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top