Название: Компьютерная автоматизация производства - учеб. пособие (Конюх, В.Л.)

Жанр: Информатика

Просмотров: 923


3.3.  программируемые контроллеры

 

Программируемый контроллер представляет собой микропроцессорное управляющее устройство, входы которого связаны с датчиками, а выходы – с исполнительными устройствами объекта управления. Контроллер изготавливают универсальным и приспосабливают к уп-равлению конкретным объектом управления путем записи и хранения алгоритма управления в запоминающем устройстве. Сначала программируемые контроллеры создавали для замены громоздких и ненадежных релейно-контактных систем управления. Первый программируемый контроллер установили в 1969 году на автоматизированном конвейере автозавода в США. Его назвали «Модикон» (Modular Digital Controller – модульный цифровой контроллер). Необходимо было быстро перестраивать линию на выпуск разных моделей автомобилей и часто совершенствовать технологический процесс. Перестройка имею-щейся релейно-контактной аппаратуры была долгой и дорогой. Требования устойчивости к промышленной среде, доступности обслуживания промышленным персоналом и низкой стоимости, множество разнообразных входов и выходов не позволяли применять для управления существовавшие  ЭВМ.

Как и персональный компьютер, программируемый контроллер содержит микропроцессор, оперативное и постоянное запоминающие устройства, предназначенные для обработки информации по заданной программе. Он встраивается в объект управления и не имеет монитора, клавиатуры, устройств для чтения информации с дисков. Имеются и другие отличия контроллера от персонального компьютера (табл. 3.2).

 

Т а б л и ц а  3.2

 

Характеристики программируемого контроллера и

персонального компьютера

 

Свойство

Контроллер

Компьютер

 Выполняемая задача

 Обработка сигналов дат-

 чиков и выдача команд

 Последовательность

 вычислений

 Время решения

 Ограничено динамикой

 объекта управления

 Не ограничено

 Выполнение программы

 Многократное

 Однократное

 Программирование

 По особенностям управ-

 ления объектом

 По особенностям

 решаемой задачи

 Язык программирования

 Созданный специально 

 для данного контроллера

 Универсальный

 Подключение

 К объекту управления

 К питающей сети

 

Ввод программы

От временно присоединяемого устройства

От встроенного устройства

 

Результаты работы

Не выводятся

Выводятся на монитор

 

Время цикла

Меньше периода изменения ситуации

Не ограничено

 

Подключаемые уст-

ройства

Датчики и исполнительные устройства

Монитор, принтер, клавиатура

Эти отличия  вытекают из того, что  программируемый контроллер предназначен для  управления промышленным объектом в реальном времени. Поэтому он должен иметь развитые устройства преобразования входных и выходных сигналов, доступное технологу программирование, удобство диагностики и контроля, повышенную надежность. Программируемый контроллер может быть трех типов:

– логический контроллер для замены релейно-контактной логики при управлении дискретными процессами;

– регулирующий контроллер для управления непрерывными процессами;

– универсальный контроллер для дискретных и непрерывных процессов.

Первые два типа со временем объединились в третий, имеющий как логические, так и аналоговые входы и выходы для управления дискретными и непрерывными процессами. Программируемый контроллер содержит модули входных (Вход) и выходных (Выход) сигналов, центральный процессор, оперативное ОЗУ и перепрограммируемое постоянное запоминающие устройства (рис. 3.9).

 

 

Рис. 3.9. Структура программируемого контроллера

 

Работа внутренних устройств синхронизируется тактовым генератором. Программу управления записывают в ППЗУ с помощью программатора, в качестве которого можно применять либо персональный компьютер со специальным программным обеспечением, либо специализированное устройство с дисплеем. Программа сообщает процес-сору, какие операции, когда и с какими сигналами он должен выполнять. Команда управления процессором содержит код операции и адрес операнда. Код операции  указывает, что надо делать. Адрес операнда показывает, с чем надо выполнить операцию. Например, логическая функция

                                                                                 (3.2)

 

реализуется в виде программы из четырех команд (табл. 3.3) .

 

Т а б л и ц а  3.3

 

Команды программируемого контроллера

 

Адрес

Команда

Комментарий

код

операции

адрес

операнда

0

Загрузить

U2

Переслать содержимое ячейки памяти

с адресом U2 в аккумулятор А

1

И

U3

Выполнить операцию И с содержимым ячейки U3 и аккумулятора А; результат

поместить в А

2

ИЛИ

U1

Выполнить операцию ИЛИ с содержи-

мым ячейки  U1  и  А;  результат помес-

тить в  А

3

Поместить

Y

Переслать содержимое А в ячейку с ад-

ресом Y, где в итоге должно быть Y

 

В отличие от релейно-контактных систем с параллельной обработкой входной информации контроллер опрашивает входы последовательно, а затем  формирует на выходе команды управления объектом. Однако цикл последовательного опроса осуществляется во много раз быстрее изменений в объекте управления. Около половины стоимости контроллера приходится на устройства входа и выхода. Один и тот же контроллер может применяться для сотен разных датчиков и исполнительных устройств. Для их подключения к контроллеру присоединяют разнообразные модули преобразования разных сигналов во внутренние сигналы контроллера.

В большинстве приложений число сигналов о состоянии  объекта намного превышает число физических входов контроллера. Поэтому прибегают к поочередному подключению  сигналов к одному входу контроллера с помощью мультиплексора (рис. 3.10). Подача команд

1¢, 2¢, 3¢ на входы мультиплексора приводит к подключению датчиков 1, 2, 3 к одному входу контроллера.

Рис. 3.10.  Мультиплексирование входов контроллера

 

Для увеличения числа команд на исполнительные устройства при ограниченном числе физических выходов контроллера прибегают к демультиплексированию – подключению разных исполнительных устройств к одному выходу контроллера (рис. 3.11). При выходном сигнале  yn  выбор между  yi  и  yj  зависит от состояния  yk..

Рис. 3.11. Демультиплексирование выходов контроллера

На некоторых входах контроллера реализуются стандартные функции, такие как счет импульсов, временная выдержка, регулируемый порог входного напряжения. Ведущими мировыми производителями программируемых котроллеров и систем автоматизации на их основе являются фирмы «Аллен Брэдли» (США) и «Модикон» (США). Кроме них программируемые контроллеры выпускают десятки фирм (табл. 3.4).

 

Т а б л и ц а  3.4

 

Характеристики программируемых контроллеров

 

Тип

Изготовитель

Входы/Выходы

Число

таймеров

Програм-

мирование

аналог.

дискр.

Модикон

«Микро-612»

Modicon,

Германия

4/2

16/12

24B

1

Релейно-контактные символы

SLC-100

Allen Bradley,

США

 

48/48

32

То же

C60

АвтоВАЗ,

Россия

128/16

128/12

128

То же

P-130

Ремиконт,

Россия

16/4

16/16

220B

Библиотека алгоритмов

ЭК-2000

Эмикон,

Россия

8/4

16/16

24B

8

Язык «CONT»

 

Первые программируемые контроллеры были логическими и разрабатывались для замены шкафов с релейно-контактной автоматикой. Поэтому  проектировщики  стремились  приблизить  язык  их програм-

мирования к понятному для технолога языку релейно-контактных схем. Для программирования контроллеров был разработан язык лестничной логики. Он включает пять компонентов, подобных элементам релейно-контактных схем (табл. 3.5): переменная (нормально открытый контакт), дополнение переменной (нормально закрытый контакт), начало или конец ветвления параллельной цепи и символ присвоения результата (обмотка реле).

 

Т а б л и ц а  3.5

 

Сопоставление компонентов релейных схем

и лестничной логики

 

Элемент

Релейная  схема

Лестничная  логика

Нормально  от-крытый  контакт

 

Нормально  за-крытый  контакт

 

Начало  ветвления

 

Конец   ветвления

 

Реле

 

Программу записывают по строкам, похожим на перекладины лестницы, между двумя вертикальными шинами питания. С позиции релейно-контактной схемы строка представляет собой цепь контактов, соединенную с реле. С позиции программируемого контроллера строка представляет собой последовательность команд, приводящую к изменению выходной переменной. Компоненты нумеруются четырехразрядными кодовыми  комбинациями.  Комбинации входов начинаются  с 1,

а выходов и промежуточных переменных – с 0. Фрагмент програм-

мы логического контроллера на языке лестничной логики показан на рис. 3.12.

Позиции A, B, C, D  показывают состояние входов или промежуточных переменных. Цепь с символом присвоения 0100 устанавливает ячейку памяти с номером 0100 в состояние 1, если входы 1010 и 1011 находятся в состоянии 1 и 0 или 1012 находится в состоянии 1, причем 1013 должна быть в состоянии 1. Это соответствует булеву уравнению

  

.                                     (3.3)

 

 

Рис. 3.12. Фрагмент программы логического

контроллера на языке лестничной логики

 

В цепи, ограниченной вертикальными шинами, допускается не более пяти компонентов. Если число переменных больше четырех, то символ присвоения считают промежуточной переменной, которую переносят в следующую цепь. Выход 0016 принимает единичное значение, если входы 0100 и 1020 находятся в состоянии 1, а 1021 – в состоянии 0:

      .                                   (3.4)

Для регулирующего контроллера, управляющего непрерывными процессами,  программу составляли путем соединения типовых блоков автоматического регулирования.

Входы датчиков обозначают переменными X, выходные коман-

ды – переменными Y, промежуточные команды – переменными С. Технолог набирает комбинацию сигналов датчиков, приводящую к подаче выходной или промежуточной команды, как строку лестничной  диаграммы. После набора всех строк, отображающих логические связи входных, промежуточных и выходных сигналов, программатор преобразует лестничную диаграмму в совокупность внутренних команд ПЛК, которая записывается в память контроллера. Затем контроллер отсоединяют от программатора и подключают к датчикам и исполнительным устройствам объекта управления. Если алгоритм управления объектом требует корректировки, технолог снова подключает программатор к контроллеру и изменяет логические зависимости выходных команд  от входных сигналов.

Адаптация специализированных релейно-контактных устройств автоматики к особенностям объекта, росту производительности или повышению уровня автоматизации требует больших затрат на переделку аппаратной части. В отличие от них  один и тот же контроллер может программно перестраиваться на разные задачи и виды оборудования. Массовое производство контроллеров для разнообразных технологических приложений повышает их надежность и снижает стоимость. Считают, что применение контроллера целесообразно при замене более десяти реле.

Недостатком контроллера является высокая скорость микропроцессорной обработки сигналов, что приводит к формированию ложных команд при появлении входных помех. Для его устранения на входе ставят реле или другие инерционные элементы.

По мере развития контроллеров их связывают высокоскоростными информационными линиями и объединяют в распределенную по объекту сеть управления. Особенностью такой сети является открытость – возможность подключения персональных компьютеров (ПК), устройств ввода-вывода (УВВ) и дополнительных контроллеров ПЛК

в любом месте сети (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Открытая сеть программируемых

контроллеров

Ввод алгоритма управления в выбранный контроллер сети  осуществляют с помощью специального программного комплекса, позволяющего дистанционно выбирать и перепрограммировать контроллеры с персонального компьютера. С его помощью пользователь может создавать и согласовывать программы работы контроллеров, интегри-ровать распределенные устройства в сеть автоматизации, вести учет работы и диагностику оборудования.