В статье изложены наиболее важные особенности современных программируемых контроллеров не с точки зрения их аппаратного или программного обеспечения, а прежде всего с точки зрения их использования для реализации интеллектуальных алгоритмов в производственной практике, особенно в областях контроля, регулирования и технической диагностики с упором на быстрорастущую область управления техническим оборудованием зданий.
Обращается внимание на беспрецедентные возможности связи, позволяющие реализовать системы управления, диагностики и мониторинга в распределенном исполнении и с использованием математических и других программных продуктов.
В настоящее время традиционно используемое название «Программируемый логический контроллер» (ПЛК, PLC) больше не описывает характеристики современного программируемого автомата и поэтому иногда заменяется более точным названием «Программируемый контроллер автоматизации» (ПКА, PAC).
PLC (Programmable Logic Controllers) являются программируемыми логическими контроллерами, которые используются для автоматизации ручных процессов. Они могут быть настроены для управления цифровыми и аналоговыми устройствами.
PAC (Programmable Automation Controllers) похожи на PLC, но они имеют более высокую производительность, более высокую разрядность и могут выполнять более сложные вычисления.
Обычно они имеют больше функций и более сложную структуру. Они также способны запускать программы и приложения в отличие от PLC, которые могут только управлять другими устройствами.
Алгоритмические возможности современных ПЛК
Программируемый логический контроллер (ПЛК) представляют собой наиболее распространенный тип систем управления в производственной практике, в области строительной техники и во многих других областях применения. В то же время современные ПЛК существенно отличаются по своей конструкции, набору инструкций и коммуникационным возможностям от первых устройств этого типа, созданных более трети века назад.
Для современных ПЛК типичны: высокая вычислительная мощность, значительный объем памяти, возможность обмена данными и наличие передовых алгоритмов, основанных на новейших теоретических знаниях. Даже с помощью простых и дешевых компактных ПЛК часто можно реализовать относительно сложные и требовательные методы управления, регулирования и технической диагностики, заслуживающие модного ярлыка "умные" или "интеллектуальные".
В современных моделях ПЛК и систем управления и регуляторов на их основе, в том числе из категории микроПЛК, помимо традиционных программных инструкций для логических операций, счетчиков и таймеров, можно найти, например, предложение набора фиксированных и плавающих точечно-арифметические инструкции (помимо основных вычислительных операций и инструкций для корней и степеней с общим показателем, экспоненциальными и логарифмическими функциями, тригонометрическими функциями и их обратными функциями), с инструкциями по работе с таблицами и структурами данных, средствами для создания стековых структур и регистраторы данных и событий с отметками времени.
С таким «арсеналом» можно реализовать практически любые дискретные цифровые системы (например, общие регуляторы, цифровые фильтры, модели непрерывных систем, в том числе адаптивные, статистические расчеты и т. д.).
В распоряжении пользователя могут быть, например, инструкции для расчета среднеквадратичного отклонения, программирования ПИД-регулятора (возможно, с автонастройкой момента), пользовательские инструкции и подпрограммы для нечеткой логики, интерполяции табличных функций одной и двух переменных, пустое ядро нечеткого регулятора и т. д.
Аппарат табличных инструкций может быть использован для реализации не только конечных автоматов, сетей Петри и цепей Маркова, но и логических функций в многозначной и нечеткой логике и для нечеткого обобщения последовательных машин, для обучения и распознавание и т. д.
Их можно использовать для очень эффективного создания интеллектуальных алгоритмов. Нейронные сети также могут быть реализованы в ПЛК.
Современные системы разработки программ для ПЛК содержат мощные средства для поддержки алгоритмов управления, настройки и проверки контроллеров и моделирования управляемых систем, для реализации функций комфортного осциллографа, логического анализатора и анализатора сигналов или для проектирования нечетких регуляторы и нечеткие регуляторы.
Широкие коммуникативные навыки
Характерной особенностью современных ПЛК являются их коммуникационные возможности. Благодаря им ПЛК можно подключать к сетям и использовать для создания распределенных систем с различной топологией и способами связи.
Программируемые автоматы могут быть подчинены компьютерным системам и компьютерной сети. В то же время они также могут общаться на эквивалентном уровне в компьютерной сети.
Системы управления отдельными производственными машинами, вспомогательными, транспортными и погрузочно-разгрузочными механизмами, системы управления складами и другими связанными с ними рабочими местами могут взаимодействовать друг с другом, которые, таким образом, участвуют в реализации интегрированных систем управления цехами, операциями или целыми предприятиями и могут также быть частью информационной и управляющей системы всей компании.
Уровень соединения датчиков и исполнительных механизмов часто рассматривается как распределенный, например, через промышленные шины.
В зданиях для контроля температуры в отдельных помещениях используются распределенные системы класса IRC (Individual Room Control).
В области технического оснащения зданий применяется шина EIB (и ее аналоги), где в коммуникацию также входят контроллеры освещения, обогревателей и жалюзи, диммеры и другие элементы управления.
Широко используется сеть мобильной связи для удаленной передачи данных о состоянии технологического оборудования или здания (например, данные о температуре в помещениях, о их занятости, передача предупреждений, аварийных сообщения и т. д.), но и управлять дистанционно (например, включать или выключать отопление, включать сауну, запускать полив и т. д.).
Интеграция с более высокими уровнями автоматизации
ПЛК, обменивающиеся данными через мощный компьютерный интерфейс Ethernet и через Интернет, становятся стандартом. Таким образом, автоматизированная операция или здание могут быть интегрированы в глобальную систему контроля и мониторинга.
Можно, например, управлять, контролировать и оптимизировать работу обширных производственных объектов, систем водохранилищ, очистных сооружений, распределительных сетей (например, для подачи тепла, воды, газа, электричества и других продуктов) и транспортных систем (например, для решения телематики водных дорог, оптимизации движения в городе или регионе, управления работой множества перекрестков и туннелей, оптимизации мультимодальных транспортных систем и т. д.).
Промышленные шины (например, Profibus, CAN) и стандарты программной связи позволяют соединить системы управления и программные продукты разных производителей в одну разнородную систему. Они позволяют подключать ПЛК (или составленную из них распределенную систему) к различным программным продуктам, работающим как на отдельных компьютерах, так и в сети, например, к системе разработки и обслуживания или к системе документирования и визуализации диспетчерского управления.
ПЛК может быть не только средством реализации диспетчерских рабочих мест но и выполнять функции коммуникационного интерфейса между технологическим оборудованием и информационной системой предприятия.
Связь и распределенный интеллект
Возможность подключения ПЛК к сетям и создания из них распределенных систем также открывает путь к реализации параллельных интеллектуальных систем, части (подсистемы) которых могут участвовать в реализации общего алгоритма.
Таким образом можно эффективно решать, например, не только крупномасштабные задачи, основанные на аппарате конечных автоматов и сетей Петри, но и нейронных сетей, алгоритмов на нечетких нейронах и многие другие задачи, требующие численных расчетов.
Невообразимые возможности предлагает обширная компьютерная сеть, участники которой параллельно решают общую вычислительную задачу.
Усовершенствованные ПЛК и системы их разработки также могут обмениваться данными с мощными программными продуктами для математики и моделирования, которые можно успешно использовать для решения даже самых сложных задач числового и графического представления, например, адаптации модели управляемой системы в соответствии с измеренными данными, оптимизации параметров контроллера, требовательные задачи оптимизации, распознавания и принятия решений, статистической оценки и фильтрации, регулятивные задачи, решаемые в частотной области, обучение нейронных сетей, реализация генетических алгоритмов и т. д.
Программируемый автомат может тогда получать и использовать только результаты этих сложных операций (например, данные о структуре универсального регулятора, настройки оптимальных параметров ПИД-регулятора, данные об идентифицированной модели системы, прогноз дальнейшего развития процесса и его параметров, веса обученной нейронной сети, данные о возникшем или вероятном дефекте и его причине.
Например, ПЛК можно подключить к продукту для математики и моделирования Matlab/Simulink. Динамические компоненты среды могут изменять свою структуру при проектировании.
Легко добиться того, чтобы математическая программа получила необходимые данные от управляемого процесса, на их основе идентифицировала управляемую систему, оптимизировала процесс управления и передала данные для оптимальных настроек регулятора, или изменил свою структуру.
Другой способ подключения системы Matlab к источнику данных из реального технологического процесса — подключение ее к системе визуализации категории SCADA, в которой за последнее десятилетие произошел большой сдвиг в сторону открытой коммуникации.
Наиболее часто используемыми программными интерфейсами здесь являются OLE, COM и Microsoft OLE Automation. Подключение может быть постоянным или ограниченным по времени (например, для разовой идентификации, анализа или решения по оптимизации).
Также для подключения можно использовать архивы баз данных измеренных значений, которые могут создавать SCADA-системы. Данные обычно хранятся в стандартных форматах или они могут быть легко преобразованы в эти форматы.
Управление бивалентными и мультивалентными системами
Необходимость связи между системами и целесообразность использования интеллектуальных алгоритмов управления и технической диагностики можно проиллюстрировать на примере теплотехники и управления энергопотреблением в зданиях.
Энергозатраты здесь значительны, и за счет управления качеством можно добиться значительной экономии. Тенденция использования экологических и возобновляемых источников проявляется в интеграции двух или более различных источников тепла (например, тепловой насос с солнечным источником, котел на биомассе вместе с электрическим котлом и аккумулятором тепла) в общую систему отопления. как двухвалентная или поливалентная система.
Но недостаточно соединить только сами источники тепла с необходимыми трубами и фитингами. Не менее важно связать их системы управления и обеспечить их взаимную связь в конечном виде передачи данных и команд. Об этой необходимости часто забывают как производители частичных технологий (например, источников тепла), так и владельцы зданий.
Больше информации, больше пользы
Подобно бивалентным и мультивалентным системам отопления целесообразно объединить другие системы управления, контроля и безопасности в один блок, в котором доступна вся необходимая информация о состоянии всей системы.
Их можно эффективно использовать не только для разумного управления и оптимизации производственного процесса или энергетического режима здания, но и для обеспечения долгосрочного качества и эксплуатационной надежности всех участвующих компонентов.
В зданиях целесообразно совмещать и предоставлять данные о потреблении электроэнергии, воды и газа вместе с сигналами от охранных устройств (от проникновения, пожара, а возможно и от затопления). Значительный синергетический эффект может быть достигнут за счет продуманной обработки проекта.
Качество процессов регулирования
В зданиях расположено значительно больше регуляторов, чем в промышленных процессах, и здесь также потребляется очень значительная часть всей необходимой энергии (чаще всего на обогрев и охлаждение). В то же время известно, что значительная часть регуляторов устарела и неправильно настроена, в связи с чем регулирующие процессы имеют низкое качество.
Недостаточный комфорт пользователя и температурный дискомфорт (ощущение жары или холода) — это лишь некоторые из последствий, но ненужные потери энергии более значительны.
Во многих случаях трудно обеспечить длительные удовлетворительные настройки регулятора (чаще всего усиление компонентов ПИД-регулятора и задание формы и положения эквитермических кривых) из-за изменчивости регулируемых систем (отопление или кондиционирование) и из-за внешних воздействий.
Обычно настройки, подходящие для одного времени года, не подходят для других сезонов. Поэтому большое значение имеют адаптивные и самонастраивающиеся регуляторы (которые непрерывно автоматически подстраиваются под изменяющиеся условия в управляемой системе) или робастные регуляторы, обеспечивающие удовлетворительное качество управления даже для условий, отличных от номинальных.
Не всегда нужно просто адаптировать традиционные параметры ПИД-регулятора или настроить форму эквитермической кривой.
Также может быть полезна адаптация времени перехода между активным режимом и режимом затухания. Текущее состояние знаний позволяет реализовать алгоритмы предиктивного управления, способные прогнозировать будущее развитие регулируемой величины или возмущения (на основе внутренней модели, соответствующих расчетно-статистических методов или с помощью нейронной сети) и заранее реагировать на них.
Системы правил, нечеткая и многозначная логика
Теория управления автоматически предполагает, что точное описание (математическая модель) управляемой системы известно. И неявно предполагается, что это линейная, нестационарная система, обычно с одним входом и одним выходом. Но на практике это почти никогда не выполняется.
Другой подход основан на словесном описании принципов регулирования в виде свода правил. Также можно использовать образец записи ответа оператора, успешно управляющего системой в ручном режиме исходя из своего опыта, технического чутья и «здравого смысла».
Правила или шаблоны (стандарты) можно относительно легко преобразовать в программу для ПЛК, заменив таким образом оператора (более или менее успешно) и автоматизировав операцию. В этом контексте обычно говорят о нечеткой логике, но часто о простой многозначной логике, или сочетание того и другого наряду с двузначностью (булева логика).
В литературе в связи с нечетким регулированием обычно приводится лишь «неудачный пример» нечеткой аналогии ПИ-регулятора, практически непригодного для использования на практике.
Гораздо больше пользы могут принести простые системы правил, изменяющие параметры традиционных контроллеров (например, «если отклонение велико, уменьшите коэффициент усиления интегрирующей составляющей») или непрерывно переключающие выходы нескольких стандартных контроллеров, настроенных на разные режимы работы.
Системы правил также подходят для описания регулирования многовалентных систем и систем с несколькими входами и выходами (многомерные системы). Они могут учитывать заранее измеренные или только предполагаемые величины помех (например, внешнюю температуру, скорость и направление ветра, температуру воды на входе и выходе, температуру в эталонном помещении, инсоляцию фасада и инсоляцию помещений, аккумулированное тепло или холод, ввод дополнительных источников или количество присутствующих людей). Обычные ситуации в технической диагностике также можно описать в виде правил.
Нейронные сети и генетические алгоритмы
Аналитические методы проектирования структуры и настройки регулятора могут применяться в ситуациях, когда имеется (и известна) достаточно точная, простая и устойчивая модель управляемой системы.
Если мы понимаем суть системы и управления ею хотя бы на интуитивном уровне и способны описать их словесно, можно использовать систему правил. Однако бывают случаи, когда мы не понимаем сути происходящих событий и не можем их описать, а моделировать и прогнозировать их необходимо.
Обычно они предполагают обработку больших выборок измеренных и архивных данных, из которых необходимо извлечь необходимую информацию (задача DM — Data Mining, т.е. получение информации из больших массивов данных), выделение значимых ситуаций и т. д.
Различные статистические, фильтрационные используются предиктивные алгоритмы и алгоритмы искусственных нейронных сетей. Для их обучения помимо традиционных методов (например, обратное распространение отклонения) также используются генетическими алгоритмами.
Генетические алгоритмы могут быть успешно применены и в других задачах оптимизации, например, при настройке регуляторов. Комбинации различных подходов и принципов являются общими и полезными.
Техническая диагностика, надежность и безопасность
При контроле технологических процессов и технического оборудования в зданиях в памяти систем управления имеется достаточно данных для технической диагностики - чтобы в случае неисправности ее можно было вовремя обнаружить и установить ее причину, или анализировать развитие критической ситуации и ее источник.
В лучшем случае дефект можно вовремя предсказать и предотвратить его появление, или время отключения и ремонта в подходящую дату.
С помощью целесообразного метода управления с использованием диагностических данных можно свести к минимуму износ важных компонентов (например, горелок котла или циркуляционных насосов) и значительно увеличить срок их службы. В то же время можно свести к минимуму воздействие на окружающую среду и потребление энергии.
Техническая диагностика может сэкономить большие суммы денег и предотвратить непоправимый ущерб и несчастные случаи. это непонятно
PLC или PAC?
Описываемые современные системы управления, доминирующими характеристиками которых являются коммуникационные возможности, высокая вычислительная мощность, алгоритмическая универсальность и возможность реализации интеллектуальных алгоритмов, до сих пор именуются традиционным названием программируемых логических контроллеров ((ПЛК), в котором прилагательное «логический» кажется во многом является анахронизмом.
Однако его опущение приводит к аббревиатуре ПК (PC), что соответствует устоявшемуся наименованию персональных компьютеров (Personal Computers) — даже несмотря на то, что стандарт IEC 61131, касающийся программируемых автоматов, именует интересующий его объект как Programmable Controllers (PC).
Некоторые производители называют программируемые контроллеры автоматизации (PAC) для нового класса своих систем управления. Понятно, что грань между традиционными ПЛК (PLC) и новой категорией ПКА (PAC) не является резкой (можно сказать, «размытой»).
PAC также отличается новизной и рекламно-маркетинговым отличием от традиционных продуктов. Ведь нам не нужно беспокоиться о переводе Programmable Automation Controllers на русский язык, потому что традиционное название программируемый автомат также описывает характеристики устройств текущего поколения, возможностям применения которых была посвящена данная статья.