Калькуляторы
Калькулятор времени цикла сканирования ПЛК
Время цикла сканирования ПЛК (программируемого логического контроллера) — это время, необходимое контроллеру для выполнения одного полного цикла, который обычно включает: считывание входов, выполнение программы, обновление выходов, обработку коммуникаций и выполнение системных задач.
Точное знание времени цикла критически важно для систем реального времени, так как оно определяет скорость реакции на изменения входных сигналов и возможность решения конкретных задач автоматизации.
Калькулятор использует комплексный подход к оценке времени цикла, учитывая несколько основных компонентов, из которых складывается общее время. Все расчеты выполняются в микросекундах (мкс), а затем преобразуются в миллисекунды (мс) для вывода результатов.
В основе всех расчетов лежит базовый коэффициент производительности ЦПУ, который вычисляется на основе тактовой частоты процессора:
Например, для ЦПУ с частотой 100 МГц, CPU фактор = 1000 / 100 = 10. Это означает, что базовое время выполнения одной простой операции составляет примерно 10 мкс.
Расчет времени, затрачиваемого на обработку цифровых и аналоговых входов/выходов:
Время аналоговых I/O = (Кол-во аналоговых входов × 1.5 + Кол-во аналоговых выходов × 1.0) × CPU фактор
Общее время I/O = Время цифровых I/O + Время аналоговых I/O
Аналоговые входы/выходы требуют большего времени для обработки из-за необходимости аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования.
Расчет времени выполнения программной логики учитывает базовое время инструкций, их сложность, функциональные блоки и доступ к данным:
Фактор сложных инструкций = 1 + (% сложных инструкций / 100) × 3
Время функциональных блоков = Кол-во функциональных блоков × 0.5 × CPU фактор
Время доступа к данным = log(Размер блоков данных + 1) × 2 × CPU фактор
Общее время логики = (Базовое время инструкций × Фактор сложных инструкций) + Время функциональных блоков + Время доступа к данным
Время доступа к данным имеет логарифмическую зависимость от объема данных, что отражает эффективность кэширования и реальные характеристики современных ПЛК.
Расчет времени, затрачиваемого на обмен данными с другими устройствами:
Время связи с устройствами = Кол-во сетевых устройств × 0.3 × CPU фактор
Время передачи данных = Объем данных × 0.001 × CPU фактор
Общее время коммуникаций = Базовое время коммуникаций + Время связи с устройствами + Время передачи данных
Учет времени выполнения специальных функций, таких как ПИД-регуляторы, управление движением, обработка прерываний и работа высокоскоростных счетчиков:
Время управления движением = Кол-во осей × 3.0 × CPU фактор
Время прерываний = Кол-во процедур прерываний × 0.8 × CPU фактор
Время счетчиков = Кол-во высокоскоростных счетчиков × 1.2 × CPU фактор
Общее время специальных функций = Время ПИД + Время управления движением + Время прерываний + Время счетчиков
Оценка времени, затрачиваемого операционной системой ПЛК и на управление памятью:
Итоговый расчет суммирует все компоненты и преобразует результат из микросекунд в миллисекунды:
На основе этого значения калькулятор рассчитывает минимальное (85% от среднего), максимальное (125% от среднего) и среднее время цикла, что отражает возможные колебания времени цикла при различных условиях работы.
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Скорость ЦПУ | 100 МГц |
| Цифровые входы/выходы | 16 входов, 12 выходов |
| Аналоговые входы/выходы | 4 входа, 2 выхода |
| Количество инструкций | 500 |
| Сложные инструкции | 20% |
| Функциональные блоки | 15 |
| Коммуникационные интерфейсы | 1 |
| ПИД регуляторы | 2 |
Результат: Среднее время цикла ≈ 1.5 мс
Эта конфигурация типична для небольших систем управления процессами, например, для управления насосными станциями или простыми конвейерными системами.
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Скорость ЦПУ | 200 МГц |
| Цифровые входы/выходы | 64 входа, 48 выходов |
| Аналоговые входы/выходы | 16 входов, 8 выходов |
| Количество инструкций | 5000 |
| Сложные инструкции | 40% |
| Функциональные блоки | 80 |
| Коммуникационные интерфейсы | 3 |
| Сетевые устройства | 15 |
| Объем обмена данными | 4096 байт/цикл |
| ПИД регуляторы | 12 |
| Оси управления движением | 4 |
Результат: Среднее время цикла ≈ 8.2 мс
Такая конфигурация характерна для сложных производственных систем с множеством параметров контроля, например, для автоматизированных линий или систем управления в химической промышленности.
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Скорость ЦПУ | 500 МГц |
| Цифровые входы/выходы | 32 входа, 24 выхода |
| Аналоговые входы/выходы | 8 входов, 4 выхода |
| Количество инструкций | 1000 |
| Сложные инструкции | 30% |
| Высокоскоростные счетчики | 4 |
| Процедуры прерываний | 8 |
Результат: Среднее время цикла ≈ 0.7 мс
Эта конфигурация оптимизирована для высокоскоростных применений, таких как системы технического зрения, высокоскоростная сортировка или прецизионное позиционирование.
Данный калькулятор предоставляет приблизительные оценки времени цикла сканирования ПЛК, основанные на теоретических моделях и эмпирических данных. Фактическое время цикла может отличаться в зависимости от:
- Конкретной модели и производителя ПЛК
- Архитектуры процессора и эффективности компилятора
- Оптимизации программного кода
- Системных особенностей и конфигураций
- Вариаций в реальных условиях эксплуатации
Результаты калькулятора следует использовать только в качестве ориентировочных значений для предварительной оценки производительности. Для критических приложений необходимо проводить фактические измерения на реальном оборудовании с конкретной программой.
Автор не несет ответственности за любые последствия или ущерб, возникший в результате использования данного калькулятора, включая, но не ограничиваясь: неправильный выбор оборудования, ошибки проектирования систем, производственные потери или любые другие косвенные убытки.
- Технические руководства Siemens SIMATIC для контроллеров S7-1200 и S7-1500
- Руководства Allen-Bradley по программируемым контроллерам ControlLogix
- Технические спецификации Schneider Electric для контроллеров Modicon M340 и M580
- Mitsubishi Electric: "Расчет времени цикла в MELSEC iQ-R" (технический документ)
- Bolton, W. (2015). Programmable Logic Controllers (6th ed.). Elsevier Science
- Jack, H. (2010). Automating Manufacturing Systems with PLCs (Version 5.1)
- Эмпирические данные и обобщенные расчеты на основе исследований лаборатории автоматизации процессов
- IEEE стандарты для программируемых контроллеров (IEC 61131)
