Что такое цикл сканирования ПЛК? Как ПЛК выполняют программы?
Каждый ПЛК с момента включения выполняет один и тот же основной цикл: считывание входных сигналов, выполнение логики, запись выходных сигналов, повторение. Этот цикл, называемый циклом сканирования, определяет, насколько быстро ПЛК реагирует на события реального мира, и устанавливает предел производительности для любого управляемого процесса.
Понимание механики цикла сканирования помогает программистам оптимизировать код, устранять проблемы с отзывчивостью и выбирать подходящий процессор для ресурсоемких приложений. В этом руководстве подробно объясняется, как работает цикл сканирования и какие факторы на него влияют.
Центральный процессор ПЛК выполняет свою программу в непрерывном последовательном цикле. Каждая полная итерация состоит из четырех отдельных фаз.
Центральный процессор (ЦП) фиксирует текущее состояние всех входных модулей и сохраняет эти значения в специальном разделе памяти, называемом таблицей входных изображений. Это происходит в начале каждого цикла сканирования.
Для цифровых входных сигналов процессор считывает простое значение 1 (включено) или 0 (выключено). Для аналоговых входных сигналов процессор преобразует сигнал реального мира (4-20 мА, 0-10 В или данные датчика температуры) в цифровое значение и сохраняет его в памяти.
Этот этап проходит быстро — обычно от 1 до 10 миллисекунд на весь процесс сканирования входных данных, в зависимости от количества входных модулей и их конфигурации.
Получив свежие входные данные из памяти, центральный процессор выполняет пользовательскую программу по одной инструкции за раз. Каждая инструкция сравнивается с текущими значениями входной таблицы изображений, а результаты записываются в выходную таблицу изображений.
Здесь фактически выполняются лестничная логика, функциональные блоки или инструкции структурированного текста. ЦП считывает данные из входной таблицы изображений, выполняет логические или арифметические операции и сохраняет результаты в выходной таблице изображений — но, что крайне важно, он еще не записывает данные в физические выходные модули.
Запись в память происходит на порядки быстрее, чем обмен данными с физическими модулями ввода-вывода. Откладывание записи на физический вывод до завершения сканирования гарантирует одновременное изменение всех выходных данных, предотвращая нестабильные промежуточные состояния.
Сканирование программы обычно является самым длительным этапом. Время сканирования зависит от размера программы, её сложности и количества инструкций.
После завершения сканирования программы центральный процессор одновременно записывает значения из выходной таблицы изображений в физические выходные модули. Цифровые выходы включаются или выключаются. Аналоговые выходы применяют полученные значения к процессу.
Такая скоординированная запись гарантирует, что выходные данные отражают согласованный снимок логической оценки — никаких изменений выходных данных в процессе сканирования программы не происходит. Сканирование выходных данных обычно занимает от 1 до 5 миллисекунд в зависимости от количества выходных модулей.
Заключительный этап охватывает все остальные задачи, которые процессор должен выполнить между тактами:
· Взаимодействие с панелями HMI и другими сетевыми устройствами.
· Обработка инструкций, основанных на времени (таймеры, часы реального времени).
· Обновление диагностических данных и регистров неисправностей.
· Обработка запросов на связь от других ПЛК или систем SCADA.
Время, затрачиваемое на поддержание связи, варьируется в зависимости от коммуникационной нагрузки. ПЛК с множеством подключений к ЧМИ и обширной сетью обмена сообщениями может проводить здесь значительное время.
Время сканирования — это общая продолжительность всех четырех фаз одного полного цикла. Измеряемое в миллисекундах, оно напрямую определяет, насколько быстро ПЛК может реагировать на изменения входных данных.
Типичные значения:
· Небольшая программа (100-500 инструкций): 1-5 мс
· Программа средней сложности (1000-5000 инструкций): 5-20 мс
· Большая программа (более 10 000 инструкций): 20-100 мс
Взаимосвязь между временем сканирования и скоростью работы машины имеет значение. Упаковочная машина, работающая со скоростью 100 упаковок в минуту, имеет 600 миллисекунд на цикл. Если время сканирования ПЛК составляет 50 мс, у машины все еще остается 550 мс доступного времени отклика, но если время сканирования достигает 500 мс, машина перестает реагировать.
Для высокоскоростной упаковки, розлива или систем управления движением часто требуется время сканирования менее 2 мс.
Часто задаваемый вопрос: почему процессор записывает данные в таблицу памяти, а не напрямую на выходные устройства?
Подход с использованием таблиц образов решает три проблемы. Во-первых, он обеспечивает атомарные обновления выходных данных — каждый выходной сигнал в данном сканировании отражает одну и ту же логическую оценку. Во-вторых, он позволяет инструкциям программы считывать собственные состояния выходных данных без создания петли обратной связи. В-третьих, он значительно снижает накладные расходы на обмен данными ввода-вывода за счет пакетной записи.
Без таблиц образов одно сканирование с использованием лестничной логики может инициировать десятки отдельных операций записи выходных данных в разных точках выполнения, что приведет к нестабильной работе машины.
Стандартный цикл сканирования предполагает оценку каждой инструкции при каждом сканировании, независимо от изменения условий. Для большинства приложений это приемлемо, но приводит к нерациональному использованию процессорного времени для оценки неактивной логики.
Большинство современных ПЛК поддерживают выполнение задач по прерываниям или периодическим задачам для обработки критически важных по времени событий без прерывания основного сканирования.
Прерывания с временной задержкой (TDI): Выполняют определенную подпрограмму с точно заданным интервалом, независимо от основного сканирования. Используются для высокоскоростного подсчета, обработки данных энкодером или ПИД-регулирования с фиксированными интервалами.
Прерывания, запускаемые событиями: выполняются при возникновении определенного условия — перехода фронта входного сигнала, события связи или неисправности. Критически важные меры безопасности часто используют прерывания для гарантирования времени отклика независимо от положения основного сканирования.
В Siemens S7-1500 критически важная по времени логика может работать в циклических блоках организации прерываний (БОП) с настраиваемыми приоритетами. Allen Bradley ControlLogix использует периодические и событийные задачи с настраиваемой частотой.
Измерение времени сканирования: В большинстве сред программирования отображается время сканирования в реальном времени. В Studio 5000 на вкладке «Свойства контроллера» > «Общие» отображается статистика выполнения. В TIA Portal данные о времени сканирования можно найти в меню «Онлайн» > «Диагностика».
Сокращение времени сканирования:
· Переместите инструкции связи (функции MSG) из основного сканирования программы в периодические задачи.
· Упрощайте сложные выражения — по возможности заменяйте вложенные арифметические операции предварительно вычисленными значениями.
· По возможности используйте прямые ссылки вместо скопированных тегов.
· Сократите количество сообщений в сетях EtherNet/IP или PROFINET.
· Если время сканирования превышает требования приложения, несмотря на оптимизацию, следует рассмотреть возможность использования более мощного процессора.
Сетевые коммуникации являются наиболее распространенной причиной неожиданного увеличения времени сканирования. Каждый опрос HMI, каждое считывание данных из SCADA-системы и каждое сообщение между ПЛК потребляют процессорное время на этапе очистки.
Когда ПЛК должен взаимодействовать со множеством устройств, нагрузка на систему связи может расти быстрее, чем справляется центральный процессор, что приводит к постепенному увеличению времени сканирования до тех пор, пока не будет превышен пороговый уровень и производительность машины не ухудшится.
Рекомендация: разделите критически важные по времени процессы управления и сетевой связи на отдельные сетевые сегменты или процессоры. Используйте один процессор для управления оборудованием, другой — для сбора данных и формирования отчетов.
Цикл сканирования ПЛК — это сердце любой промышленной системы управления. Понимание его четырех фаз — чтение входных данных, выполнение программы, запись выходных данных и обслуживание — дает программистам основу для написания эффективного кода и устранения неполадок, связанных с быстродействием.
Время сканирования — это не просто числовое значение в технических характеристиках. Оно определяет характеристики работы вашего оборудования в реальном времени. Для большинства приложений время сканирования в 10-20 мс незаметно для операторов. Для высокоскоростного оборудования разница в 1 мс или меньше отделяет приемлемую производительность от катастрофического отказа.
Знайте требования к своему технологическому процессу. Измеряйте фактическое время сканирования в процессе работы, а не только при вводе в эксплуатацию, и проектируйте архитектуру управления таким образом, чтобы поддерживать этот уровень производительности на протяжении всего жизненного цикла оборудования.
В: Всегда ли более быстрый процессор означает более быстрое время сканирования?
А: Не всегда. Время сканирования зависит от сложности программы, нагрузки на сетевую коммуникацию и конфигурации ввода-вывода. Более быстрый процессор помогает, но исключение ненужных инструкций и оптимизация связи обеспечивают больший выигрыш в большинстве приложений.
В: Что произойдет, если состояние входного сигнала изменится во время сканирования программы?
A: Процессор не увидит это до начала следующего сканирования. Если входной сигнал изменяется в середине выполнения, а затем возвращается к исходному состоянию до следующего сканирования входных данных, ПЛК может никогда не обнаружить это событие. Для событий, происходящих быстрее времени сканирования, используйте обработку входных данных с помощью прерываний.
В: Как онлайн-редактирование влияет на время сканирования?
A: При внесении изменений в программу во время работы ПЛК (редактирование в режиме реального времени) ЦП может на короткое время приостановить сканирование или выполнить дополнительные накладные расходы для синхронизации нового кода. Значительные изменения в режиме реального времени могут привести к временному увеличению времени сканирования в 2-5 раз по сравнению с нормальными значениями.
В: Стоит ли беспокоиться о времени сканирования для медленных процессов, таких как водоподготовка?
A: Для процессов, изменяющихся с интервалом в секунды или минуты, время сканирования в 100 мс не имеет значения. Однако входные сигналы и сигналы тревоги, связанные с безопасностью, всегда должны обрабатываться с минимальной задержкой, независимо от скорости процесса. Используйте прерывания для любых входных сигналов, требующих более быстрого ответа, чем обычное сканирование.
В: Может ли время сканирования меняться во время работы?
А: Да. Время сканирования пропорционально сложности программы и нагрузке на канал связи. Станок, простаивающий без какой-либо активности, может сканировать быстрее, чем тот же станок, работающий на полной производственной скорости с активным взаимодействием с HMI и изменением рецептов.
· [ПЛК Siemens](https://www.tztechio.com/siemens) — С7-1500, С7-1200
· [Программные решения Allen Bradley](https://www.tztechio.com/allen-bradley) — ControlLogix, CompactLogix
· [ПЛК Mitsubishi](https://www.tztechio.com/mitsubishi) — MELSEC iQ-R
Пожалуйста, читайте дальше, оставайтесь в курсе, подписывайтесь, и мы будем рады, если вы поделитесь с нами своим мнением.
Кроме того, с вашего разрешения мы хотим разместить файлы cookie, чтобы сделать ваше взаимодействие с slOC более личным. Для этого мы используем аналитические и рекламные файлы cookie. С помощью этих файлов cookie мы и третьи лица можем отслеживать и собирать информацию о вашем поведении в Интернете внутри и за пределами super-instrument.com. При этом мы и третьи лица адаптируем сайт super-instrument.com и рекламу к вашим интересам. Нажимая «Принять», вы соглашаетесь с этим. Если вы откажетесь, мы будем использовать только необходимые файлы cookie, и вы, к сожалению, не будете получать персонализированный контент. Пожалуйста, посетите нашу политику в отношении файлов cookie, чтобы получить дополнительную информацию или изменить свое согласие в будущем.
Accept and continue Decline cookies
