Железо ПЛК
Программируемые контроллеры составляют отдельный класс цифровых вычислительных устройств, главная задача которых – управление различным оборудованием. Исходя из назначения, железо ПЛК несколько отличается от привычных компьютеров. Не привязываясь к конкретной реализации можно выделить следующие главные элементы:
- микропроцессор (MCU) с набором необходимых для его работы компонентов
- память
- модуль питания
Микропроцессор
Микропроцессор часто называют мозгом вычислительной системы. Именно он отвечает за запуск и исполнение управляющей программы в контроллере. Вычислительная мощность микропроцессоров в ПЛК меньше, чем в персональных компьютерах, но ее, как правило, с избытком хватает для задач управления, не связанных с видеографикой, звуком и обработкой больших массивов информации. В младших моделях ПЛК роль микропроцессора выполняет так называемый микроконтроллер (MCU), представляющий собой микросхему в которой реализованы все необходимые компоненты. Фактически весь ПЛК построен на одной микросхеме, за исключением цепей ввода/вывода. Мощные ПЛК используют соответственно и мощные процессоры. Встречаются модели, реализованные на основе многоядерных устройств. Схемотехника такого контроллера уже гораздо ближе к привычному персональному компьютеру.
Для работы микропроцессора требуются некоторые дополнительные компоненты, такие как источник тактовой частоты, шинный формирователи, высокоскоростные счетчики и многое другое. Но все эти элементы никаким образом не влияют на работу управляющей программы, поэтому рассмотрение их можно опустить.
Память ПЛК
Необходимым элементом ПЛК является память. В современных контроллерах она представлена в трех видах: ОЗУ, ПЗУ и ЭСППЗУ. Оперативная память (ОЗУ) функционально аналогична таковой для персональных компьютеров. Эта память используется процессором для хранения промежуточных результатов работы. При отключении питания такая память стирается. В ОЗУ обычно хранятся промежуточные данные, необходимые в процессе работы.
ПЗУ или постоянное запоминающее устройство предназначено для хранения информации вне зависимости от режима питания. В этой части памяти находится так называемая «прошивка», выполняющая функции операционной системы ПЛК. Без такой программы любой ПЛК будет представлять собой не больше, чем набор микросхем. Именно «прошивка» выполняет загрузку управляющей программы и обеспечивает ее работу.
Для хранения управляющей программы и части ответственных данных применяется электрически стираемое перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ). Это специализированное устройство, выполняемое сегодня по технологии Flash, способно хранить данные при отключенном питании. При необходимости выполняется замена информации, путем стирания и повторной записи микросхемы. Особенностью всех ЭСППЗУ является ограниченное число циклов перезаписи. Минимально оно составляет около 1000, но в каждом случае требует дополнительного рассмотрения. При использовании ПЛК в качестве управляющих устройств этого значения обычно более чем достаточно.
В современных моделях блоки ПЗУ и ЭСППЗУ могут быть объединены, для сокращения затрат на производство контроллеров. Еще одним методом, помогающим сохранять информацию, становится использование батарей питания. От этих батарей обычно работают системные часы, но к ним также может быть подключена часть ОЗУ. Также встречаются случаи, когда ОЗУ подпитывается от специальных накопительных емкостей. В обоих случаях решение лучше использовать только для кратковременных перебоев питания. Не стоит полагаться на них при возможностях длительных провалов в электроснабжении контроллеров.
Пользователь ПЛК не имеет доступа к полному объему памяти системы. Ему предоставляются только отдельные массивы ячеек, используемых в работе управляющей программы.
Модули питания
Неотъемлемой частью ПЛК является модуль питания. Он должен обеспечить внутренние цепи контроллера необходимыми уровнями напряжения. Входным напряжением для модуля питания обычно реализуют 24В постоянного тока или 220В переменного. Реже встречаются другие варианты, например 12В постоянного тока.
Как правило, внутренний модуль питания не предназначен для питания внешних цепей ввода/вывода. Для этого лучше использовать отдельный внешний источник с требуемыми характеристиками.