Modernios kompiuterizuotos gamybos pagrindas yra programuojami valdikliai (PV, angl. programmable logic controller – PLC), padedantys „kompiuteriniam protui“ valdyti „mechaninę jėgą“: žmogus, sėdėdamas prie kompiuterio, valdo sudėtingus technologinius procesus.
Visi įprastos pramoninio valdymo sistemos valdikliai ir įrenginiai tarpusavyje jungiami laidais pagal tam tikrą schemą, tuo tarpu sistemoje su programuojamais valdikliais įrenginiai jungiami tik prie valdiklio. Valdymo programa, kurią kuria programuotojai gamybininkai, paties PV viduje tarsi sukuria reikalingus „laidinius ryšius“. Tai nėra „gilus“ programavimas, greičiau – sistemos konfigūravimas.
Panagrinėkime paprastą pavyzdį. Kambario lubose įrengtas šviestuvas valdomas sieniniu jungikliu. Paspaudus jungiklį, kontaktai užsidaro, ir laidais ima tekėti elektros srovė. Jei lemputė neperdegusi, lieka džiaugtis šviesa ir namų jaukumu.
1 pav. Valdymo signalas perduodamas tiesiai iš jungiklio į lemputę.
Jei bute būtų įdiegta sistema su programuojamais valdikliais (tokios sistemos dažnai įrengiamos didelėse patalpose, sporto arenose, koncertų salėse), paspaudus jungiklį signalas būtų perduodamas valdikliui. Vykdydamas į atmintinę įrašytą programą, valdiklis apskaičiuotų, kokiu laidu turi būti perduodama įtampa. Teisingai sudarius valdymo programą ir prijungus laidus, signalas nukeliautų į lemputę, ir vėl visiems būtų šviesu.
2 pav. Valdymo signalas iš jungiklio perduodamas į PV, o iš jo – į lemputę.
Sistemų su PV privalumai
Žinoma, tokiu būdu automatizuoti vieno jungiklio ir vieno šviestuvo grandinės neverta. Tačiau, didėjant valdymo sudėtingumui ir įtaisų skaičiui, be programuojamų valdiklių išsiversti sunku. Dabar gana dažnai pasitaiko valdymo sistemų, į kurias atkeliauja daugiau kaip 1000 signalų. Suprantama, jose veikia ne vienas tarpusavyje sujungtas valdiklis.
Pagrindiniai sistemų su programuojamais valdikliais privalumai:
- labai paprasta pakeisti valdymo schemą;
- patikimos;
- gerokai didesnės skaičiavimo galimybės;
- daug lengviau praplėsti ir patobulinti sistemą;
- programuojamiems valdikliams keliami mažesni reikalavimai pavojingoje (pavyzdžiui, sprogioje) aplinkoje;
- kompaktiškos (PV užima mažai vietos);
- pigesnės.
Kadangi laidai jungiami programiškai, paprasta pakeisti valdymo sistemą. Norint, kad kuris nors įtaisas būtų valdomas pagal kitokį algoritmą, pakanka atitinkamai pakeisti valdymo programą. Tuo tarpu įprastoje valdymo sistemoje montažininkai turi fiziškai perjunginėti laidus, o prireikus didesnių pakeitimų papildomai gaišta brangų laiką sandėlyje ir tiekimo skyriuje.
Tarkim, du jungikliai (J1 ir J2) ir dvi lemputės (L1 ir L2) yra prijungti prie programuojamo valdiklio. Paspaudus jungiklį J1, užsidega lemputė L1, o paspaudus J2 – L2. Norime, kad jungiklis J1 valdytų lemputę L2, o J2 valdytų L1. Įprastoje sistemoje turėtume perjungti grandinę taip, kad laidai nuo pirmo jungiklio keliautų į antrą lemputę ir atvirkščiai (pabandykime įsivaizduoti, kad laidai jau užtinkuoti ir apkalti dailylentėmis). Kadangi visi šie įrenginiai yra prijungti prie valdiklio, orus programuotojas nežymiai pakeistų valdymo programą ir įsitikintų, kad lempos valdomos teisingai.
Iš ko sudarytas PV?
Galima sakyti, kad programuojamą valdiklį sudaro trys dalys:
- centrinis procesoriaus modulis (CPM);
- įvesties ir išvesties sistema;
- maitinimo blokas.
Centrinis procesorius – tai valdiklio „smegenys“. Nors modulis yra specializuotas, tačiau veikia panašiai kaip paprasto kompiuterio procesorius, t.y. vykdo valdymo programą, esančią PV atmintinėje. CPM apdoroja atmintinėje esančius duomenis ir atlieka sistemines funkcijas. Modulio atmintinė saugo valdymo programą, sisteminę informaciją ir įtaisų, prijungtų prie valdiklio, duomenis.
Įvesties ir išvesties sistema per sąsają palaiko ryšį su visais išoriniais įtaisais. Jei CPM yra PV smegenys, tai įvesties ir išvesties sistema – PV akis, ausis (įvestis), kojos ir rankos (išvestis). Sistema fiziškai priima išorės įtaisų komandas ir fiziškai persiunčia išorės įtaisams komandas, kurias siunčia CPM valdymo programa.
Sistemą sudaro dvi pagrindinės dalys:
- karkasas – tai tarsi pagrindinė asmeninio kompiuterio plokštė su plėtimo jungtimis;
- įvesties ir išvesties moduliai – plokštės, statomos į pagrindinės plokštės plėtimo lizdus. Karkasas su jame esančiomis jungtimis jungiamas prie CPM. Įvesties ir išvesties moduliai sudaro fizinę PV ir išorės įrangos jungtį.
Maitinimo blokas tiekia PV reikalingą įtampą ir srovę. Ne visada tai būna atskiras modulis – jis gali būti ir CPM ar įrenginių įvesties bei išvesties sistemos (karkaso) dalis.
3 pav. Programuojamas valdiklis
Kaip veikia PV?
Iš pateikto jungiklio ir lemputės pavyzdžio matyti, kad realus PV darbas skirstomas į tris etapus:
- stebimi įvesties signalai;
- vykdoma valdymo programa;
- atitinkamai pakeičiami išvesties signalai.
Šie trys etapai sudaro valdiklio darbo ciklą. Baigus vykdyti vieną ciklą, pradedamas kitas. Kuo trumpesnis ciklas, tuo greitesnės reakcijos yra valdiklis, tuo geriau galima valdyti procesą.
Įvesties ir išvesties signalai
Tipinius įvesties signalus siunčia paspaudimo mygtukai, jungikliai ir matavimo prietaisai. Įvesties įtaisas praneša valdikliui, kokios įtakos siunčiamas signalas gali turėti valdiklio valdymo programos darbui.
Priešingos krypties signalai iš PV siunčiami lempoms, sirenoms, varikliams, sklendėms, siurbliams ir t.t. Šie įtaisai tarsi laukia valdiklio komandos „Įsijunk“ arba „Atsidaryk daugiau“.
Pirmojo pavyzdžio lubinis šviestuvas ir jo sieninis jungiklis yra kasdieniai įvesties bei išvesties įtaisų pavyzdžiai. Jungiklis (įvesties įtaisas) siunčia signalą apšvietimui įjungti. Šviestuvas yra išvesties įtaisas, laukiantis, kol jungiklis nusiųs signalą šviesai įjungti. Signalai yra skirstomi ne tik pagal kryptį, bet ir pagal tipą. Jie gali būti:
- diskretieji (binariniai);
- analoginiai (tolydieji).
4 pav. Įvesties įtaisai ir jų siunčiami signalai
Diskretieji įtaisai gali būti tik dviejų padėčių: įjungti – išjungti, atidaryti – uždaryti, „on“ – „off“. Jie siunčia arba priima paprastus signalus, kuriuos sudaro vienintelis vienetas arba nulis. Vienetas reiškia, kad įjungtas, nulis – kad išjungtas.
Analoginių įtaisų padėčių skaičius neribojamas. Toks įtaisas gali būti ne tik visiškai įjungtas ar visiškai išjungtas, bet ir truputį įjungtas, vidutiniškai įjungtas, beveik visiškai įjungtas. Analoginių įtaisų signalai yra sudėtingesni, nes jie nesudaryti tik iš vienetų ir nulių.
Lubų šviestuvas ir jo jungiklis yra diskretieji įtaisai. Jungiklis gali būti arba visiškai įjungtas, arba visiškai išjungtas. Toks pats yra ir šviestuvas – arba šviečia, arba ne.
Analoginio įtaiso pavyzdys gali būti ir termometras, turintis neribotą skaičių padėčių. Nebūna tik karšta ar šalta, temperatūra gali būti vidutinė, žemesnė, aukštesnė ir t.t. Valdymo sklendė taip pat yra analoginis įtaisas, galintis būti ne tik visiškai atidarytas ar visiškai uždarytas, bet ir tarpinės būsenos. Įvesties ir išvesties moduliai rūpinasi, kad programuojamo valdiklio procesoriui „nesusisuktų galva“ nuo signalų gausos ir įvairovės (vienas signalas diskretusis, kitas – analoginis, vienas įtaisas atsiunčia, kitas nori tam tikrą signalą pats gauti). Jie leidžia valdikliui „susišnekėti“ su išore.
Galimi keturi pagrindinių tipų įvesties ir išvesties moduliai:
- AI (analoginių įėjimų);
- AO (analoginių išėjimų);
- DI (diskretinių įėjimų);
- DO (diskretinių išėjimų).
Pasitaiko impulsinių, multipleksinių (vienu kanalu perduodami keli signalai) ir kitokių įvesties bei išvesties modulių, tačiau iš tikrųjų jie yra pagrindinių tipų (dažniausiai analoginių) modulių modifikacijos.
