Указания по организации самостоятельной работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

(исследование принципов программирования релейных

Универсальных контроллеров, применяемых в системах

Управления технологического оборудования)

Харьков 2009

Введение

Лабораторная работа предназначена для изучения принципов программирования релейных универсальных контроллеров, применяемых в системах управления технологического оборудования.

Указания по организации самостоятельной работы

1.1.1. Перед работой необходимо ознакомиться с устройством современных универсальных контроллеров. При подготовке к лабораторной работе необходимо дополнительно руководствоваться учебными пособиями по курсам «Архитектура и схемотехника промышленных компьютеров и контроллеров» и «Информатика и вычислительная техника».

1.1.2. Существует класс универсальных контроллеров, который по вычислительной мощности и набору встроенных функциональных возможностей оптимально соответствует таким несложным задачам. При решении большинства простейших задач автоматизации необходимы устройства управления с дискретными управляющими сигналами, которые формировались бы также по дискретным входным воздействиям. До недавнего времени такие устройства управления реализовывались на основе релейных логических схем. Контроллеры, предназначенные для замены таких схем, исходя из всего этого часто называют релейными.

Рассмотрим конкретный пример - сравнительно простую и вместе с тем достаточно типичную схему смесительной установки (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема смесительной установки

Алгоритм работы установки прост. После её запуска в работу открывается клапан Y1, и ёмкость начинает заполняться компонентом № 1. При достижении уровня 2 срабатывает датчик SL2, закрывается клапан Y1 и открывается клапан Y2. В ёмкость начинает поступать компонент № 2. После заполнения ёмкости до уровня 1 по сигналу от датчика SL1 закрывается клапан Y2 и включается привод мешалки М. Через 15 минут он выключается, смесь готова. Для её выгрузки открывается клапан Y3. Окончание процесса фиксируется датчиком SL3 (уровень 3). После закрытия клапана Y3 установка готова к новому циклу приготовления смеси.

До недавнего времени была бы использована схему, подобная той, что приведена на рис. 1.2 Вся система реализуется с помощью четырёх промежуточных реле и одного реле времени.

Рис. 1.3. Внешний вид LOGO

Для подключения к источникам сигналов и исполнительным устройствам модули LOGO первых поколений имели 6 или 12 дискретных входов и 4 или 8 дискретных выходов (варианты Basic и Long соответственно). Затем к дискретным входам добавилось два аналоговых. В 2001 году фирма Siemens выпустила модульный LOGO в котором увеличение числа обслуживаемых входов и выходов обеспечивается с помощью дополнительных модулей расширения.

В модульном варианте контроллер LOGO можно реализовать с 24 дискретными и 8 аналоговыми входами, а также 16 дискретными выходами. Напряжение питания входных цепей в LOGO соответствует напряжению питания модуля, которое может быть 12/24 В постоянного тока, 24 и 230 В переменного тока, Выходы могут быть транзисторными или релейными. Нагрузочная способность последних (до 10 А) обеспечивает непосредственное подключение достаточно мощных исполнительных устройств. Кроме того, к такому микроконтроллеру можно подключить коммуникационные модули для работы в сетях. Существуют логические модули с дисплеем и клавиатурой и без них.

Главной особенностью микроконтроллеров LOGO является то, что схема релейной автоматики собирается из программно реализованных функциональных блоков. В распоряжении пользователя имеется восемь логических функций типа И, ИЛИ и т.п., большое число типов реле, в том числе реле с задержкой включения и выключения, импульсное реле, реле с самоблокировкой, а также такие функции, как выключатель с часовым механизмом, тактовый генератор, календарь, часы реального времени и др.

Рассмотрим на примере, как в LOGO представляется обычная коммутационная схема, приведенная на рис. 1.4. На ней потребитель Е1 включается и выключается с помощью выключателей SI, S2 и S3. Реле К1 срабатывает, когда замкнут хотя бы один из выключателей S1 или S2 и обязательно S3. В LOGO указанная схема реализуется двумя

последовательно соединёнными логическими блоками OR (ИЛИ) и AND (И). Выключатель S1 подключается к входу II модуля, выключатель S2 — ко входу 12, S3 - к 13, а потребитель Е1 подключается к релейному выходу Q1.

Рис. 1.4. Типовая коммутационная схема и ее реализация с помощью LOGO

Программирование модулей LOGO, а точнее - ввод схемы, может выполняться с помощью встроенных клавиатуры и дисплея. Оно сводится к выбору необходимых функциональных блоков, соединению их между собой и заданию параметров настройки блоков (задержек включения/выключения, значений счётчиков и т.д.). Для хранения управляющей программы в модуле имеется встроенное энергонезависимое запоминающее устройство. Создание резервной копии программы, а также перенос ее в другие LOGO может быть осуществлён с помощью специальных модулей памяти, устанавливаемых в интерфейсное гнездо.

Однако ввод программы с панели управления является делом неблагодарным и может быть оправдан только для небольших по объёму программ или в случае острой необходимости внесения корректив в уже работающую программу непосредственно на объекте. А учитывая то, что программу всё равно предварительно приходится прорисовывать на бумаге, становится очевидным необходимость использования специализированного программного продукта - в данном случае пакета LOGO Soft Comfort. Этот пакет позволяет разрабатывать в графической форме и документировать программы для LOGO на компьютере и, кроме того, отлаживать их в режиме эмуляции логического модуля. Выбранные функциональные блоки мышью перетаскиваются на рабочее поле, затем соединяются и параметрируются. Для каждого функционального блока может быть написан комментарий, который существенно облегчит понимание принципа работы программы другому пользователю или поможет самому разработчику через некоторое время вспомнить собственные замыслы. При вводе программы будут автоматически контролироваться все имеющиеся ограничения по объёму памяти и возможности использования тех или иных функций. Имеет смысл разработанную программу протестировать с помощью встроенного эмулятора контроллера. Если по результатам эмулирования корректировка программы не требуется, то её можно загрузить в память LOGO с помощью специального кабеля, подключаемого к тому же интерфейсному гнезду, что и
модули памяти.

В исходном варианте система управления смесительной установкой с использованием контроллера LOGO реализуется очень просто. На рис. 1.5 приведена схема подключения контроллера, а на рис. 1.6 блок-схема программы.

F1

Рис. 1.5. Схема подключения

Рис. 1.6. Блок-схема программы

Теперь посмотрим, как с помощью модуля LOGO могут быть реализованы новые функции системы управления. Для дозирования компонентов в зависимости от их физико-химических свойств могут быть использованы различные методы, такие как, например, измерение расхода или уровня. Обработка импульсного сигнала с выхода счетчика (расходомера) в LOGO легко реализуется с помощью функционального блока «Реверсивный счетчик», изображение которого приведено на рис. 1.7. Значение параметра блока определяет число импульсов, соответствующее необходимому количеству компонента в смеси. Это значение может быть фиксированным или задаваемым с панели управления. Выход счетчика может быть подключен к любому дискретному входу LOGO.

Рис. 1.7. Функциональный блок «Реверсивный счетчик»

Аналоговый сигнал от уровнемера может быть подан на один из входов 17 или 18 базового модуля LOGO (сигнал 0 - 10 В) или аналогового модуля расширения АМ2 (сигнал 4 — 20 мА) и обработан функциональным блоком «Аналоговый компаратор» (рис. 1.8). При этом значение сигнала может быть выведено на дисплей модуля. Как и в предыдущем случае, значение параметра блока определяет количество того или иного компонента смеси. Это значение также может быть фиксированным или оперативно изменяемым с помощью панели управления LOGO.

Рис. 1.8. Функциональный блок «Аналоговый компаратор»

Время работы мешалки, как и в исходной программе, определяется функциональным блоком «Таймер», параметр которого также может быть оперативно изменён обслуживающим персоналом установки.

И, наконец, если переход от одной рецептуры смеси и технологии её приготовления к другой не может быть выполнен простым изменением параметров, то достаточно будет оформить рецепты в виде отдельных программ, записать их в модули памяти и активизировать путём замены одного модуля памяти на другой.

1.1.3. Подобные контроллеры выпускают многие фирмы. Следующим примером таких контроллеров может служить программируемое реле ZELIO фирмы Schneider Electric.

Программируемые реле ZELIO это компактный контроллер для локальной автоматизации. Процессорный блок имеет 6 универсальных входов и 4 релейных выхода. Имеется возможность добавить до трех блоков расширения, тем самым можно автоматизировать объекты, имеющие до 34 точек ввода/вывода. Выходы на блоках расширения изолированы и обладают высокой коммутационной способностью 8 А при 250 В переменного тока 5 А при 24 В постоянного тока. Встроенные блоки питания у ZELIO работают при напряжениях 100 - 240 В переменного тока и 24 В постоянного тока. Модели с блоком питания на 24 В имеют 2 аналоговых входа 0-10 В постоянного тока. Контроллер имеет встроенный календарь и часы, многорежимные таймеры, инкрементальные и декрементальные счетчики. Существует два типа процессорных блоков: с жидкокристалическим дисплеем (LCD-тип) и кнопками программирования и более простая модель без дисплея (LED-тип). Есть возможность установки пароля.

1.1.3.1. Для удобства отладки и написания программ разработчики предусмотрели пакет программирования ZELIO SOFT 2, который не требует существенных ресурсов компьютера и является простым инструментом для всех категорий специалистов.

Рабочая температура от -25 до +55°С. Монтаж осуществляют на DIN рейку. Размер - 70 х 90 х 56 мм. Внешний вид ZELIO (рис. 1.9) схож с внешним видом контроллера LOGO.

Рис. 1.9. Внешний вид программируемого реле ZELIO фирмы Schneider Electric

Логические модули допускают до 60 строк в лестничных диаграммах для интеллектуальных реле с 10 входами/выходами и 80 строк с 20 входами/выходами.

Внимание: Каждая строка состоит максимум из 3 контактов и должна включать катушку. Если приложение требует включения более трех контактов, тогда, как показано на рисунке ниже, можно использовать вспомогательное реле.

Пример лестничной схемы:

1.1.3.2. Дискретные входы

Дискретный вход может быть использован только как контакт.

Пример1:

Когда входной контакт II замкнут, выход Q1 активизируется

Пример 2:

Когда входной контакт II разомкнут, выход Q1 активизируется.

1.1.3.3. Дискретные выходы

Дискретный выход может быть использован как контакт или катушка.

Использование в качестве катушки

Использование в качестве контакта

Пример 1:

Когда выход Q1 активен, выход Q2 также активен.

Пример 2:

Когда выход Q1 неактивен, выход Q2 активен. Выход Q2 будет всегда принимать состояние обратное выходу Q1.

Внимание: Рекомендуется использовать функции и только один раз в каждой катушке лестничной диаграммы. Кроме того, если используется SET - катушка (S функция), на схеме обязательно должна присутствовать строка для отключения этой катушки с помощью RESET (R функция). Иначе, в процессе функционирования возможен риск возникновения непредвиденных переключений состояния.

Пример - Использование реле дистанционного управления

Очень удобная функция, которая позволяет включать и выключать лампочку с помощью кнопки. Если кнопка подключена к входу II, а лампочка к выходу Q1, то, каждый раз при нажатии кнопки лампочка будет выключаться, если она была включена и, наоборот.

Пример - Использование катушек Set и Reset

Для управления подачей питания на устройство с помощью кнопки и использования второй кнопки для прекращения подачи питания на тоже устройство, может быть использовано следующее решение:

Кнопка ВР2 подключена к входу 12 интеллектуального реле, а кнопка ВРЗ подключена ко входу 13. Управляемое устройство, в данном случае электрическая лампочка L1, подключена к выходу Q2.

Нажатие кнопки ВР2 включает лампочку.

Нажатие кнопки ВРЗ выключает лампочку.

1.1.3J4. Вспомогательные реле

Вспомогательные реле, обозначаемые обычно буквой М, действуют также как выходные катушки Q. Единственное отличие заключается в том, что они не имеют соединения с клеммами. Существует 15 вспомогательных реле (пронумерованных в шестнадцатеричной системе от 1 до 9 и от А до F). Они используются для сохранения или передачи состояния. Это сохраненное или переданное состояние затем может быть использовано как заданный контакт.

Пример - Использование вспомогательного реле

Использование двух вспомогательных реле для запоминания состояния нескольких входов. Запомненное состояние затем используется для управления катушкой. Схемы такого типа обычно используются для управления различными состояниями устройства.

1.1.4. Принципы формирования лестничных диаграмм. Релейная схема представляет собой две вертикальные шины питания, между ними расположены горизонтальные цепи, образованные контактами и обмотками реле. Количества контактов в цепи произвольно, реле одно. Если последовательно соединенные контакты замкнуты, ток идет по цепи и реле включается (в примере на рис. 1.10 Lampl). При необходимости можно включить параллельно несколько реле, последовательное включение не допускается.

Правильная установка контактов вхлючит ламлу1

Рис. 1.10. Схема LD из одной цепи

В LD каждому контакту ставится в соответствие логическая переменная, определяющая его состояние. Если контакт замкнут, то переменная имеет значение ИСТИНА. Если разомкнут - ЛОЖЬ. Имя переменной пишется над контактом и фактически служит его названием. Последовательное соединение контактов или цепей равноценно логической операции И. Параллельное соединение образует монтажное ИЛИ.

Цепь может быть либо замкнутой (ON), либо разомкнутой (OFF). Это как раз и отражается на обмотке реле и соответственно на значении логической переменной обмотки (ИСТИНА/ЛОЖЬ).

Приведенная на рис. 1.10 схема эквивалентна выражению:

Преимущество таких обозначений состоит в возможности применения символов псевдографики для построения LD-диаграмм. Сопоставление обозначений базовых элементов LD и обозначений ЕСКД приведено в таблице.

Контакт может быть инверсным - нормально замкнутым. Такой контакт обозначается с помощью символа |/| и замыкается, если значение переменной ЛОЖЬ. Инверсный контакт равнозначен логической операции НЕ. Переключающий контакт образуется комбинацией прямого и инверсного контактов (см. пример на рис. 7.6).

Рис. 1.11. Переключающий контакт

Обмотки реле также могут быть инверсными, что обозначается символом (/). Если обмотка инверсная, то в соответствующую логическую переменную копируется инверсное значение состояния цепи.

1.1.5. Реле с самофиксацией

Помимо обычных реле, в релейных схемах часто применяются поляризованные реле. Такое реле имеет две обмотки, переключающие его из одного положения в другое. Переключение производится импульсами тока. При отключении тока питания поляризованное реле остается в заданном положении, что реализует элементарную ячейку памяти.

В LD такое реле реализуется при помощи двух специальных обмоток SET и RESET. Обмотки типа SET обозначаются буквой S внутри круглых скобок (S). Обмотки типа RESET обозначаются буквой R. Если соответствующая обмотке (S) переменная принимает значение ИСТИНА, то сохраняет его бесконечно. Вернуть данную переменную в ЛОЖЬ можно только обмоткой (R).

Очевидно, что полной аналогии с поляризованным реле программно достичь невозможно. Даже если значение логического выхода сохраняется в энергонезависимой памяти, состояние самой электрической цепи при выключенном питании ПЛК определяется его схематикой. Фиксация безопасного положения аппаратуры при аварии питания системы управления может быть достигнута только аппаратно.

Условие выключения реле не всегда равносильно отсутствию условия включения. Благодаря (R) и (S) обмоткам условия включения и выключения реле можно формировать совершенно независимо, причем в любой цепи и сколько угодно раз. Обмотки (R) и (S) обеспечивают фиксацию условий управления, что необходимо при реализации автоматов с памятью.

Конечно, самофиксацию несложно организовать и на простом реле, используя дополнительный контакт в цепи питания. Пример этого представлен на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Реле с самофиксацией

Контакт S__R1 включает, a R_R1 выключает реле R1, благодаря контакту R1 реле получает питание после размыкания S R 1 . Применение SET/RESET-обмоток не дает ничего принципиально нового, но делает LD-диаграмму проще и красивее.

1.1.6. Порядок выполнения и обратные связи Идеология релейных схем подразумевает параллельную работу всех цепей. Ток во все цепи подается одновременно. В LD решение диаграммы выполняется последовательно слева направо и сверху вниз. В каждом рабочем цикле однократно выполняются все цепи диаграммы, что и создает эффект параллельности работы цепей. Любая переменная в рамках одной цепи всегда имеет одно и то же значение. Если даже реле в цепи изменит переменную, то новое значение поступит на контакты только в следующем цикле. Цепи расположенные ниже, получат новое значение переменной сразу. Цепи расположенные выше - только в следующем цикле. Строгий порядок выполнения схемы очень важен. Случайный или даже истинно параллельный порядок выполнения цепей мог бы приводить к эффекту «гонок», встречающемуся в электронных схемах с триггерами. Благодаря жесткому порядку выполнения LD-диаграммы сохраняют устойчивость при наличии обратных связей. В приведенной на рис. 1.13 схеме включение Key вызовет мгновенное (в том же цикле) включение Р2 и отключение РЗ. Реле Р1 будет включено только в следующем цикле, причем даже если Key уже в обрыве (ЛОЖЬ).

Рис. 1.13. LD диаграмма с обратной связью

Используя вышеописанный принцип цикличности выполнения LD-диаграмм, очень легко построить генератор единичных импульсов. Пример такого построения дан на рис, 1.14. Период импульсов на реле Р1 будет равен удвоенной длительности рабочего цикла ПЛК.

Рис. 1.14. Генератор единичных импульсов

1.1.7. Управление порядком выполнения Порядок выполнения цепей диаграммы можно принудительно изменять, используя метки (labels) и переходы (jumps). Метку можно ставить только в начало цепи. Имена меток подчинены правилам наименования переменных. Для наглядности можно закончить метку двоеточием. Двоеточие не образует новой метки. Так, Ml: и Ml это одно и то же. Цепь может иметь только одну метку и один переход. Переход равнозначен выходному реле и выполняется, если выходная переменная имеет значение ИСТИНА. Переход может быть инверсным, в этом случае он выполняется при значении цепи ЛОЖЬ. Используя переход, можно пропустить выполнение части диаграммы. Пропущенные цепи не сбрасываются, а именно не выполняются - замирают в том положении, в котором были ранее.

Переход вверх допускается и позволяет создавать циклы (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Простейший бесконечный цикл

Идеологически переходы противоречат аналогии LD с релейными схемами, нарушая законы электрических цепей. В схеме LD с переходами разобраться бывает сложно. Желательно не заниматься управлением порядком выполнения LD-диаграммы в ней самой, а использовать для этого более выразительные средства. Например, разделить LD-диаграмму на модули (действия), а порядок выполнения описать в SFC.

Специальный переход RETURN прекращает выполнение LD диаграммы. Если RETURN встречается в основной программе (PLCJPRG), рабочий цикл прерывается. В функциях и функциональных блоках происходит возврат в место вызова. Иными словами, использование перехода RETURN аналогично по смыслу оператору RETURN в текстовых языках.

Поиск по сайту: