компютърни системи за управление. лекции по компютърни системи за управление.lectures of computer systems for control

2

СЪДЪРЖАНИЕ

РАЗДЕЛ I АВТОМАТИЗАЦИЯ НА ПРОИЗВОДСТВЕНИ

ПРОЦЕСИ

7

Урок 1.1 Автоматизация на производствени процеси 7

1.Определение за автоматизация на производствени процеси 7

2.Тенденции в развитието на технологите 8

3.Комплексно автоматизиране на процесите и дейностите 8

4.Елементи на напълно автоматизиран завод 9

Урок 1.2 Цели на автоматизацията и начини за постигането им 9

1.Цели на автоматизацията 10

2.Системи за управление I 10

3.Системи за управление II 11

4.Системи за управление III 11

Урок 1.3 Нива на машинната автоматизация 12

1.Нива на машинната автоматизация I 12

2.Нива на машинната автоматизация II 12

3.Нива на машинната автоматизация III 13

РАЗДЕЛ II ПОНЯТИЕ ЗА ПРОГРАМИРУЕМ ЛОГИЧЕСКИ

КОНТРОЛЕР. АРХИТЕКТУРА И ВИДОВЕ.

МНОГОЗАДАЧНОСТ

14

Урок 2.1 История на програмируемите контролери 14

1.Въведение I 14

2.Въведение II 15

3.Какво е PLC? 15

4. Основни концепции на промишления контролер 16

Урок 2.2 Архитекрура на програмируемите контролери 17

1. Обобщена структура на промишлен контролер. 17

2. Хардуерни компоненти на програмируемия логически

контролер I

18


контролер II

19


контролер III

19


контролер IV

20


контролер V

21

Урок 2.3 Видове програмируеми логически контролери 22

1. Компактен програмируем логически контролер 22

2. Модулен програмируем логически контролер 23

3. Рамков програмируем логически контролер

4. Контролер с интегриран операторски панел

24

25

3

5. Индустриален компютър 25

6. Слотов и софтуерен програмируем логически контролер 26

Урок 2.4 Понятие многозадачност в програмируемите контролери 28

1. Многозадачност в програмируемите контролери I 28

2. Многозадачност в програмируемите контролери II 28

3. Многозадачност в програмируемите контролери III 29

4. Многозадачност в програмируемите контролери IV 30

5. Многозадачност в програмируемите контролери V 30

РАЗДЕЛ III ОПЕРАЦИОННА СИСТЕМА НА

ПРОГРАМИРУЕМ ЛОГИЧЕСКИ КОНТРОЛЕР.

ВХОДНО-ИЗХОДНИ МОДУЛИ. ИНТЕРФЕЙСИ.

31

Урок 3.1 Операционна система на програмируем логически

контролер

31

1. Как работи програмируемия логически контролер? 31

2. Сканиращ цикъл на PLC 32

3. Програмиране и изпълнение на потребителската програма I 33

4. Програмиране и изпълнение на потребителската програма II 34

5. Междинен код за програмируеми промишлени контролери I 34

6. Междинен код за програмируеми промишлени контролери II 35

7. Междинен код за програмируеми промишлени контролери III 36

8. Виртуален процесор при промишлените контролери I 37

9. Виртуален процесор при промишлените контролери II 38

10. Определение за „embedded” (вградени) системи 39

11. Основни свойства на „embedded” системите 39

12. Операционна система за реално време - Windows CE 40

13. Операционна система за реално време - RTLinux 40

14. Операционна система за реално време - QNX 41

15. Операционна система за реално време – VxWorks 42

Урок 3.2 Входно-изходни модули 42

1. Въведение 43

2. Сигнални модули - цифрови входове 44

3. Сигнални модули - цифрови изходи I 45

4. Сигнални модули - цифрови изходи II 45

5. Сигнални модули - аналогови входове и изходи 46

6. Интерфейсни и функционални модули 46

7. Комуникационни модули 47

Урок 3.3 Интерфейси 47

1. Архитектура на системите за комуникация 48

2. Системи от полево ниво I 49

3. Системи от полево ниво II - PROFIBUS интерфейс 49

4. Системи от полево ниво III - CANBUS интерфейс

5. Системи от полево ниво IV - MODBUS интерфейс

50

6. Системи от ниво управление I 52

51

4

7. Системи от ниво управление II 52

8. Системи от ниво управление III - ControlNet 53

9. Системи от ниво управление IV - ControlNet 53

10. Системи от информационно ниво 54

РАЗДЕЛ IV ПРОГРАМИРАНЕ НА ПРОГРАМИРУЕМИ

ЛОГИЧЕСКИ КОНТРОЛЕРИ

56

Урок 4.1 Стандарт IEC 61131-3 56


2. Стандарт IEC 61131-3 - програмно осигуряване I 56

3. Стандарт IEC 61131-3 - програмно осигуряване II 57

4. Стандарт IEC 61131-3 - програмно осигуряване III 58

5. Стандарт IEC 61131-3 - програмно осигуряване IV 58

Урок 4.2 Програмна организационна единица (POU) 59

1. Програмна организационна единица (POU) I 59

2. Програмна организационна единица (POU) II 60

3. Програмна организационна единица (POU) III 60

4. Предимства от дефиниране на самостоятелни POU 61

5. Организационен блок в STEP 7 61

6. Допълнителни блокове в STEP 7 62

Урок 4.3 Типове данни използвани в програмируемите логически

контролери

62

1. Типове данни според IEC 61131-3 63

2. Типове данни в STEP 7 I 63

3. Типове данни в STEP 7 II 65

4. Адресиране на променливи в STEP 7 I 65

5. Адресиране на променливи в STEP 7 II 66

6. Предимства на дефинираните типове данни 66

Урок 4.4 Основни функции в контролерите 67

1. Системни функции - таймери I 67

2. Системни функции - таймери II 68

3. Системни функции - таймери III 69

4. Системни функции - броячи I 70

5. Системни функции - броячи II 71

6. Помощни функции 71

Урок 4.5 Основни операции в контролерите 72

1. Булеви логически операции AND и OR 72

2. Булеви логически операции NOT, NAND, XOR и NOR 73

3. SR и RS тригери 74

4. Детекция на фронт I 75

5. Детекция на фронт II

6. Детекция на фронт III

76

7. Операции за сравняване 77

8. Операции за преместване и ротация I 78

76

5

9. Операции за преместване и ротация II 78

10. Аритметични операции 79

11. Числени операции 80

12. Операции за конвертиране 81

Урок 4.6 Езици за програмиране на програмируеми логически


82

1. Езици за програмиране на PLC I 82

2. Езици за програмиране на PLC II 83

3. Ладер диаграми (Ladder Diagram - LD) I 83

4. Ладер диаграми (Ladder Diagram - LD) II 84

5. Ладер диаграми (Ladder Diagram - LD) III 85

6. Функцинална блокова диаграма (Function Block Diagram - FBD) I 86

7. Функцинална блокова диаграма (Function Block Diagram - FBD) II 86

8. Последователна функционална диаграма (Sequential Function

Chart - SFC) I

87

9. Последователна функционална диаграма (Sequential Function

Chart - SFC) II

88

10. Списък с инструкции (Instruction List - IL) 88

11. Структуриран текст (Structured Text - ST) I 89

12. Структуриран текст (Structured Text - ST) II 90

13. Структуриран текст (Structured Text - ST) III 91

14. Избор на език за програмиране 92

РАЗДЕЛ V ПРИЛОЖЕНИЕ НА ПРОГРАМИРУЕМИТЕ

ЛОГИЧЕСКИ КОНТРОЛЕРИ

92

Урок 5.1 Съображения при избор на контролер 92

1. Kритерии за целесъобразност при избор на контролер I 93

2. Kритерии за целесъобразност при избор на контролер II 93

3. Минимална продължителност на входните въздействия I 94

4. Минимална продължителност на входните въздействия II 94

5. Минимална продължителност на входните въздействия III 95

6. Минимална продължителност на входните въздействия IV 95

7. Минимална продължителност на входните въздействия V 96

8. Максимално време на реакция 97

Урок 5.2 Мерки за безопасност при работа с контролери 98


2. Мерки за безопасност при работа с контролери I 99

3. Мерки за безопасност при работа с контролери II 99

4. Мерки за безопасност при работа с контролери III 100

5. Мерки за безопасност при работа с контролери IV

Урок 5.3 Приложение на програмируемите логически контролери в

промишлеността

100

1. Тенденции за развитие в областта на управление на движението

(Motion Control) I

102

101

6


(Motion Control) II

103

3. Машина за етикиране на преждови тела тип ЕМР 1800 104

4. Машина за навиване на преждови тела 104

5. Eтикетираща машина GM360Е 105

6. Многопозиционен металообработващ CNC център 106

7. Управление на вълнопродуктор 106

8. Управление на аеродинамична тръба 107

9. Технологична линия за щанцоване на метални капачки 108

Урок 5.4 Приложение на програмируемите логически контролери в

сградната автоматизация

110


2. Автоматизация на зали и специални помещения 111

3. Системи за жилищна автоматизация 111

4. Датчици и изпълнителни механизми 112

5. Контролери за сградна автоматизация 112

6. Проект - Allianz AG, Stuttgart, Германия 114

7. Проект - BKN Strobel, Holm, Германия 115

8. Проект - Eurotheum (Европейска Централна Банка), Frankfurt,

Германия

116

РЪКОВОДСТВО ЗА ЛАБОРАТОРНИ УПРАЖНЕНИЯ 117

Лабораторно упражнение №1 Съвременни задвижващи системи 118

Лабораторно упражнение №2 Параметризиране на сервозадвижвания

при използване на синхронни променливотокови серводвигатели

121

Лабораторно упражнение №3 Режими на работа и настройка на

сервозадвижвания

124

Лабораторно упражнение №4 Настройка на регулатора за позиция 127

Лабораторно упражнение №5 Конфигуриране на CANopen мрежа 129

Лабораторно упражнение №6 PLC програмиране с CoDeSys 132

Лабораторно упражнение №7 Използване на специфични за

потребителя библиотеки

138

Клипове от урок 5.3 141

Конспект 142

7

Раздел 1: Автоматизация на производствени процеси.

Урок 1.1. Автоматизация на производствени процеси

Цели и съдържание на Урок 1.1.

Цел на урока: Основната цел на този урок е да се разгледа нуждата от

автоматизиране на производствените процеси.

Съдържание:

1. Определение за автоматизация на производствени процеси.

2. Тенденции в развитието на технологите.

3. Комплексно автоматизиране на процесите и дейностите.

4. Елементи на напълно автоматизиран завод.

1.Определение за автоматизация на производствени процеси

Автоматизацията на производствени процеси може да се дефинира като

развитие на производствените устройства и производствените процеси

[AutoMatic project 2009-1BG1-LEO05-01640 - Модул 4] чрез интегрирането

им в едно цяло, където трансформирането и преноса на материали, енергия

и данни се извършва без прякото участие на човека. Изисква се

допълнително използване на датчици (сензори), въвеждащи устройства,

управляващи устройства (контролери), изпълнителни устройства,

извеждащи устройства, използващи електронна техника и методи за

изчисления, понякога копиращи нервните и мислените функции на човека.

Автоматизацията е едно от направленията на научно-техническия прогрес.

Автоматизират се:

- производствени процеси;

- проектиране;

- организация, планиране и управление;

- научни изследвания.

Автоматизацията, с изключение на най-простите случаи, изисква

комплексен, системен подход към решаване на задачите. Затова решенията

на задачите, стоящи пред автоматизацията, обикновено се наричат

системи, като:

- система за автоматично управление;

- система за автоматизация на проектни работи;

- автоматизирана система за управление на технологични процеси.

8

2.Тенденции в развитието на технологите

Глобални технологични тенденции.

Развитието на технологиите оказва най – силно влияние върху базови

дейности като: енергиите, комуникациите, нанотехнологиите и др. Това по

същество означава и бурно развитие на дейностите свързани с

обслужването на тези големи приоритетни направления на световния

прогрес. Следователно предприятията, които ще произвеждат продукти и

създават технологии в тази посока ще се развиват много интензивно. А

това означава че основната концентрация на учените в света в близките

години ще бъде насочена главно върху развитието на тези технологични

направления в т.ч. и автоматизацията им.

Тенденции във високите технологии.

В световен мащаб вече се преминава на ново технологично ниво

характеризиращо се с т.н. конвергентни технологии, които в най-общи

линии включват: нанотехнологиите, информационните и комуникационни

технологии, технологии за разработка и производство на нови материали с

програмни свойства и параметри. Най-голям дял в разработването и

прилагането на високите технологии имат транснационалните компании

(ТНК), които контролират 80% от световната интелектуална собственост и

притежават 30% от световния високотехнологичен пазар.

3.Комплексно автоматизиране на процесите и дейностите

Разгледано в контекста на съвремената производствена концепция

комплексната автоматизация се явява като едно относително понятие,

което не може да отговори както на съдържание, така и като същност на

новите глобални реалности. Произведеният продукт трябва да бъде

ефективен и конкурентноспособен, за да удволетвори бизнес изискванията

на пазара.

Над 50% от специалистите и учените занимаващи се с автоматизация

смятат, че този процес на комплексно решение е много сложен технически

и неефективен, поради ниската икономическа жизнеспособност на

решенията. Смята се, че той е ефективен само при адаптивните и човеко-

машинните системи.

9

По известните в световен мащаб са:

- преконфигурируеми производствени системи (система от машини или

една отделна машина);

- системите за интелигентно обучение (изкуствен интелект);

- роботизирани системи (свободно движещи се роботи ).

4. Елементи на напълно автоматизиран завод

Един напълно автоматизиран завод се състои от следните части:

- гъвкави производствени модули;

- транспортни системи, където маршрутът на произвеждания продукт

може да се препрограмира;

- компютърно управлявани подсистеми: системи за управление на

документи, системи за проектиране на продукта и системи за проектиране

на производството.

В един напълно автоматичен завод производството трябва да се

осъществява без участието на работници. Автоматизацията включва

машини, които автоматично изпълняват нужните операции. С помощта на

сензори и обратни връзки тези системи автоматично осъществяват

нужните коригиращи настройки.

От една страна потенциалното предимство на един напълно

автоматизиран завод е огромно, но от друга страна са големите разходи за

изграждането му и високата му сложност.

Урок 1.2. Цели на автоматизацията и начини за постигането им


Цел на урока: В този урок студентите се запознават с целите на

автоматизацията и начините за постигането им.


1. Цели на автоматизацията.

2. Системи за управление I.

3. Системи за управление II.

4. Системи за управление III.

10

1.Цели на автоматизацията

Увеличаването на продуктивността чрез автоматизация може да осигури

на дадена компания значителна печалба, тъй като производителността

може да се увеличи няколко пъти. Това позволява производството на

повече продукти и съответно по-голям оборот. В резултат на това

разходите от другите части на производствената система се разделят на по-

голям брой произведени продукти – така производствената цена на

отделния продукт пада. Следователно и продажната цена също може да се

намали, което дава предимство пред конкурентите. Трябва да се има

предвид обаче, че автоматизацията на производството не означава само по-

малко разходи за работна сила, но и повече разходи за закупуването и

поддръжката на машините.

Главните цели на автоматизацията са:

- Автоматизираните производствени устройства трябва да увеличават

производителността и качеството на продукцията;

- автоматизацията позволява хората да бъдат освободени от извършване

на рутинна физическа или застрашаваща здравето им работа, повишавайки

жизнения им стандарт на живот;

- автоматизацията позволява по-бързо производство на стоки.

2.Системи за управление I

Управлението е организиране на целенасочено поведение. Целта на

процеса на управление е приспособяването на организираната система към

външните условия. Управлението винаги се осъществява на основата на

приемането, предаването и обработката на информация в условията на

взаимодействие на дадена организирана система с външната среда. Под

информация се разбират нови сведения за събития или явления. Всяка

система за управление при функционирането си решава три основни

задачи:

- събиране и предаване на информация за управлявания обект,

- обработка на информацията,

- предаване на управляващи въздействия на обекта на управление.

В автоматизираната система за управление /АСУ/ всички етапи са

автоматизирани. Има два основни вида АСУ:

- системи за управление на технологични процеси /АСУТП/;

- системи за организационно управление /АСОУ/.

11

3.Системи за управление II

Първите АСУТП автоматизират технологичните процеси управление на

ракети, стругове, пещи и т.н., докато АСОУ са предназначени за

автоматизация на процесите в икономическата и социалната сфера.

Разликата между тях се състои в характера на обектите за управление.

Първите управлявават различни машини, уреди, устройства, а вторите

преди всичко хора, човешки колективи.

Друга разлика на двата типа АСУ е формата за предаване на

информацията. В АСУТП основната форма за предаване на информацията

са различните видиве сигнали (електрически, оптични, механични и др.). В

системите за организационно управление основна форма за предаване на

информация са документите. В последно време се забелязва тенденцията

за засилване на АСУТП и АСОУ в единни интегрирани системи за

управление комплекси на АСУ. При това сливане все по-голяма част от

циркулиращата в системата информация се предава във вид на сигнали и

специални типове документи на стандартни машини носители (магнитни

ленти, магнитни дискове, магнитни карти и т.н.). По този начин от гледна

точка на формата за предаване на информация границата между

автоматизираните системи за управление на технологични процеси и

автоматизираните системи за организационно управление до известна

степен се заличава.

4.Системи за управление III

Трябва да се отбележи, че АСУТП са преди всичко автоматични системи

за управление. Под автоматична система се разбира такава система, която

може да функционира без участието на човека. Но дори и при АСУТП

много често не се прибягва до пълна автоматизация в посочения смисъл.

АСОУ не могат да бъдат напълно автоматични. Тук човекът играе голяма

роля в управлението. Преди всичко той поставя и коригира целите и

критериите за управление (те могат да се менят при изменение на

условията). Освен това човекът внася творчески елемент при търсенето на

най-добрите пътища за постигане на поставените цели (напр. Решително

изменя технологията или организацията).

Най-важният компонент на една система за автоматично управление е

програмируемия логически контролер (PLC) и неговата управляваща

програма. Днес програмируемите логически контролери формират важна

част от всеки процес на автоматизация.

12

Урок 1.3. Нива на машинната автоматизация


Цел на урока: Разглеждат се различните нива на машинната

автоматизация.


1. Нива на машинната автоматизация I.

2. Нива на машинната автоматизация II.

3. Нива на машинната автоматизация III.

1.Нива на машинната автоматизация А(0)-А(2)

(Нива на машинната автоматизация I)

Когато машина замества човешка функция, характеристика или атрибут

се смята, че тя има определен „порядък” на автоматичност. Нивата на

машинната автоматизация се класифицират в десет степени от А(0) до A(9)

[AutoMatic project 2009-1BG1-LEO05-01640 - Модул 4].

Ниво на автоматизация А(0) определя, че никаква човешка

характеристика не се механизира или автоматизира от машината. Това

покрива периода между Каменната ера и Желязната ера.

Втората индустриална революция започва през 1775 година, когато

Джон Уилкинсън конструира хоризонтална пробиваща машина за

обработка на вътрешната повърхност на цилиндър. Това довежда до

разработката на задвижвани машинни инструменти като машина за мелене,

пробиваща преса, машина за заточване, машина за рязане. Първите

фабрики се изграждат така, че задвижващата сила да може лесно да бъде

приложена към съответните машини. Това представлява ниво на

автоматизация А(1).

Когато машинните инструменти стават едноциклови, самозахранващи се

машини, говорим за ниво на автоматизация А(2). Такава машина може да

бъде заредена с една част от материала, след което работникът управлява

работния цикъл. Машината довършва цикъла и спира автоматично.


(Нива на машинната автоматизация II)

Ниво на автоматизация A(3) изисква машината да повтаря работните

цикли автоматично. Тези машини нямат обратна връзка и могат да бъдат

или с твърда автоматизация, при която програмирането се състои от

елементарни преходи, прекъсвания, електрически схеми, използващи

13

релейна логика; или софтуерно автоматизирани, където управляващите

инструкции могат лесно да се променят от софтуера, правейки системата

много по-адаптируема.

Автоматизацията в днешния й вид започва от ниво А(3) – автоматика от

тип повтарящи се цикли.

Ниво на автоматизация A(4) изисква човешката преценка да бъде

заменена от способността на машината да измерва и сравнява резултатите

със желаните стойности. Това е управление с обратна връзка или

управление по затворен цикъл.


(Нива на машинната автоматизация III)

Следващото ниво – A(5), изисква машината да може да направи оценка

на процеса. Тези машини са способни да адаптират самия процес, за да го

оптимизират по време на работния цикъл. Това изисква в системата да има

компютър, програмиран с математическите модели, които описват как

всеки от параметрите влияе на процеса. Тези системи могат да бъдат

наречени системи с адаптивно управление (САУ). Те имат следните

основни елементи в управляващия си цикъл:

- идентификация: измервания от процеса, входния и изходния му

сигнали чрез сензори;

- анализ: оптимизация на процеса с помощта на компютър;

- модификация: сигнал към контролера за промяна на входните сигнали;

- наблюдение: непрекъснат контрол над процеса.

При ниво на автоматизация А(6) имаме опит за търсене на причинно-

следственна връзка. Такива системи обикновено се наричат експертни

системи, при които софтуерът съдържа обобщеният опит на човешките

експерти или на предишни репликации на същия процес. Това ниво

маркира началото на изкуствения интелект.

Нивото A(7) отразява следващото ниво на изкуствен интелект (ИИ),

където се използва индуктивно разсъждаване. Системният софтуер може

да определи общия принцип (теорията) на базата на събрани определени

факти (база данни). Нива А(6) и А(7) са предмет на интензивни

изследвания в световен мащаб.

Нива А(8) и А(9) принадлежат повече на книгите по научна фантастика.

14

Раздел 2: Понятие за програмируем логически контролер.Архитектура

и видове. Многозадачност.

Урок 2.1. История на програмируемите контролери


Цел на урока: Студентите се запознават с термина за програмируем

логически контролер (PLC).


1. Въведение I.

2. Въведение II.

3. Какво е PLC?

4. Основни концепции на промишления контролер.

1.Въведение I

Обект на системите за управление са машини, апарати, съоръжения,

технологични процеси и др. Фиг. 2.1. Исторически първи се появяват

чисто механичните системи за управление. В началото на 20-ти век се

появяват електромеханичните системи за управление (релейно-

контакторни), които господстват до средата на 20-ти век.

Фиг.2.1. Системи за управление

15

С появата и развитието на електрониката, се появяват и развиват

електронни цифрови системи за управление, реализиращи алгоритмите за

управление чрез „твърда" (непрограмируема логика). За пръв път идеята за

програмируемите логически системи за управление възниква през 60-ти

години на 20-ти век във фирмите производителки на автомобили. По

същото време започва и работа по създаването устройства за логическо

управление, използуващи електронно-изчислителни машини.

2.Въведение II

Бурното развитие и възходът на логическите системи за управление

започва през 70-те години на 20-ти век и продължава и до днес. To

безспорно е свързано с появата и усъвършенстването на

микропроцесорните системи. Въвеждането на микропроцесорната техника

в системите за управление върви по два пътя.

При първия от тях, те буквално заместват твърдото логическо

управление с програмно, запазвайки общата структура и изградените вече

принципи за логическо управление.

При втория, микропроцесорните системи се допълват с необходимата

апаратна част (предимно интерфейсна) и необходимо програмно

осигуряване за изграждането на система за управление.

През 80-те години на 20-ти век, повлияно от интензивното развитие на

компютърната техника, започва изграждането на компютърни системи за

управление. В момента е трудно да се предскаже дали компютърните

системи ще изместят програмируемите логически контролери в системите

за управление.

Съвременните програмируеми контролери представляват сложни

микропроцесорни системи, с изключителна функционалност и

комуникативност. Процесът на развитие на системите за управление върви

по пътя на интегрирането на програмируемите логически контролери с

компютърните системи.

3.Какво е PLC?

Терминът „Програмируеми логически контролери" - Programmable

Logical Controller (PLC) Фиг.2.2. сe използува за обозначаване на

програмно-управлявани електронни системи, проектирани за експлоатация

в качеството си на промишлено оборудване за логическо управление на

различни машини, съоръжения и технологични процеси през цифрови или

аналогови входове и изходи.

16

Фиг.2.2. Програмируеми логически контролери на фирма АМК

Този термин PLC се използува предимно от европейските

производители на устройства за логическо управление. В американската

литература този тип устройства са познати като Програмируеми

контролери - Programmable controller (PC). В българската литература като

синоним се среща понятието Промишлени контролери.

4.Основни концепции на промишления контролер

Съдържанието на понятието „Програмируеми логически контролери" е

дадено през 1978 г. от NEMA (National Electrical Manufactures Association).

Промишлените контролери са програмно управлявани устройства. Това

означава, че връзката между входните въздействия (аналогови или

цифрови) и изходните реакции на системата (също аналогови и цифрови)

се осъществява чрез последователност от инструкции, реализиращи

алгоритъма на управление. Програмната връзка се съхранява в

програмируемата памет на промишления контролер и може да бъде

променена в процеса на настройване на работата (при някои контролери и

в процеса на самата работа).

Основните концепции на промишления контролер са формулирани още

през 1968 г. от фирмата General Motors. Те се изразяват в следното:

- лесно програмиране и препрограмиране (промяна в последователността

на изпълняваните операции), по възможност при устройството за

управление;

- лесно поддържане и замяна, с предпочитание към модулна конструкция;

- повишена надеждност и минимални габаритни размери;

- конкурентна цена.

17

Принципите са относителни и са били формулирани по времето когато

все още е доминирала релейно-контакторната логика, но те остават в сила

и важат и днес.

Урок 2.2 Архитектура на програмируемите контролери


Цел на урока: Разглежда се архитектурата на програмируемите

контролери.


1. Обобщена структура на промишлен контролер.

2. Хардуерни компоненти на програмируемия логически контролер I.

3. Хардуерни компоненти на програмируемия логически контролер II.

4. Хардуерни компоненти на програмируемия логически контролер III.

5. Хардуерни компоненти на програмируемия логически контролер IV.

6. Хардуерни компоненти на програмируемия логически контролер V.

1.Обобщена структура на промишлен контролер

Програмируемите контролери са микропроцесорни и микрокомпютърни

управляващи устройства, достъпни за програмиране от специалисти с

обща инженерна подготовка и предназначени за управление на

последователностни, комбинаторни и непрекъснати процеси в промишлена

среда и реално време. По отношение гъвкавост, икономичност, сложност

на операциите и размерност на управляваните процеси (брой входове и

изходи) те заемат място между устройствата с твърда или програмируема

логика върху електронна, пневматична или хидравлична елементна база и

управляващите комплекси с електронно-изчислителни машини. На

Фиг.2.3. е показана типична блокова схема на програмируем логически

контролер (PLC) с общо предназначение.

18

Фиг.2.3. Блокова схема на програмируем контролер

В PLC обикновено се използват специално проектирани за целта

микропроцесори, а за PLC с ограничени ресурси могат да бъдат

използвани и едночипови микрокомпютри.

2.Хардуерни компоненти на програмируемия логически контролер I

Захранващ блок

Основното предназначение на захранващия блок е да осигури вътрешно

необходимите работни напрежения за контролера и неговите блокове. Най-

често използваните вътрешни напрежения са +5V, ±12V и +24V.

Съществуват два основни типа захранващи блокове - такива, които ползват

входно напрежение от мрежата (например 220V AC) и такива, които

ползват оперативно захранващо напрежение от управляемия обект

(например 24V DC). Допълнително, захранващият блок може да осигури

на контролера сигнал за отпадане на входното напрежение (Power Down).

Процесорен блок (CPU)

Процесорният блок съдържа процесорната част на контролера. При

промишлените контролери се използуват микропроцесори или едночипови

микрокомпютри от стандартен тип, т.е. такива, които се използуват в

микропроцесорните системи с общо предназначение. Процесорът на

промишления контролер определя основните характеристики на

процесорния модул, като разредност, бързодействие и т.н. В първите

19

промишлени контролери са използувани специализирани процесорни

чипове, като например AMD2901, 2903 и др. Към процесорният модул се

включва и паметта на промишления контролер.

3.Хардуерни компоненти на програмируемия логически контролер II

Памет

Операционната система на PLC се съхранява и изпълнява от паметта

ROM. В паметта RAM се зарежда и изпълнява потребителската програма

за управление на технологичния процес. Текущото състояние на

цифровите (двупозиционни) входове на PLC се съхранява в част от RAM,

наречена PII (Process Image Input) таблица. Последните изчислени

стойности на изходните логически функции (управляващите изходи) се

съхраняват в част от RAM, наречена PIO (Process Image Output) таблица.

Потребителската програма може да бъде съхранявана и във външна

постоянна памет (EEPROM, UVEPROM), която в някои PLC може да бъде

заменяна чрез специален модул, поставян в куплунг на лицевия панел.

Програматорът може да бъде специално проектирано устройство с

дисплей, клавиатура и интерфейс за връзка с PLC, както и стандартен

персонален компютър, снабден със специализирана програма за

конкретния PLC. Допълнителният сериен интерфейс обикновено е

галванически изолиран и служи за връзка в локална индустриална мрежа за

комуникация с други PLC, с полевите (крайни) устройства или с по-горно

ниво. Батерийното захранване служи за съхранение на съществена

информация и за хода на програмата, като в някои реализации е възможно

след възстановяване на отпаднало захранване потребителската програма да

продължи своето изпълнение от точката на спиране.

4.Хардуерни компоненти на програмируемия логически контролер III

Съществената информация се записва на енергонезависими носители,

най-често EEPROM, а за останалата са предвидени други средства

(кондензатори - до 2 седмици, литиеви батерии - до 5години) за

съхраняване след отпадане на захранването. RAM паметта за данни може

да бъде разделена на памет за променливи и памет за обекти. Паметта за

променливи включва променливи, буфери на входните и изходните

регистри (image registers), вътрешни и специални битове.

В паметта за обекти се разполагат таймерите, броячите, аналоговите

входове и изходи, бързите броячи и акумулаторите. Предвидени са

команди за прехвърляне на битове и думи от RAM паметта в EEPROM по

време на работа на програмата. Обмяната на информация с обекта

програмно се осъществява през входно-изходните буфери (Image

20

Registers), в които се копират данните от сензорите и от които изчислените

управляващи въздействия се копират в изпълнителните устройства.

Обикновено се предвиждат и команди за пряк достъп до реалните входове

и изходи на контролера.

Входни и изходни блокове

Входните и изходните блокове осигуряват интерфейса между

промишления контролер и външния апарат или процес, който трябва да се

управлява. Обикновено входните и изходните блокове са с галванично

развързване към входните и изходните устройства на управляемия обект.

5.Хардуерни компоненти на програмируемия логически контролер IV

Обикновено производителите предлагат широка гама от модули за

разширение, най-важните от които са:

- цифрови входове/изходи;

- аналогови входове/изходи;

- комбинирани (цифрови и аналогови) входове/изходи;

- захранващи блокове;

- функционални блокове (диагностика, броячи, таймери, компаратори и

др.);

- блокове за комуникация в индустриалните мрежи.

Обикновено цифровите сигнални модули [AutoMatic project 2009-1BG1-

LEO05-01640 - Модул 4] използват 24 V DC и 120/230 V AC. Аналоговите

сигнални модули използват постоянно напрежение (напр. ±10 V, 0 – 10 V

или 1 – 5 V) и постоянен ток (напр. 4-20 mA или 0-20 mA).

При цифровите изходни сигнални модули се използват оптронно

развързване, транзистори и релета за промяна на изходните състояния на

сигнала. Те трябва да предпазят сигналния модул от късо съединение,

претоварване или прекалено високо напрежение. Релетата позволяват

превключване на различни изходни напрежения (DC и AC), както и

протичането на по-голям ток от транзисторите. Но жизненият цикъл на

релето (брой превключвания) е по-малък от този на транзисторите.

Един цифров сигнален модул може да има до 8, 16 или 32 входа и/или

изхода от един тип, а един аналогов сигнален модул – до 2, 4, 6 или 8 входа

и/или изхода от един тип.

21

6.Хардуерни компоненти на програмируемия логически контролер V

Програмируемият контролер архитектурно може да бъде изграден и като

специализирана мултипроцесорна система. Съвременните системи за

разпределено и логическо управление използват мрежи от PLC, така

изграждайки структура с няколко нива - Фиг.2.4.

Фиг. 2.4. Програмируеми контролери и "master" контролер

‘Master’ контролерът може да изменя структурата, алгоритмите,

настройките, заданията и пр. на подчинените (‘slave’) контролери. С цел

координация на работата на отделните контролери той извършва сложна

обработка на данните и затова разполага с много по-големи ресурси.

‘Master’ може да бъде PLC или мини-управляваща електронно-

изчислителна машина (ЕИМ), която има разрешен достъп до

конфигурационните параметри на всеки подчинен контролер.

22

Урок 2.3. Видове програмируеми контролери


Цел на урока: Студентите се запознават с видовете програмируеми

контролери групирани по различни критерии.


1. Компактен програмируем логически контролер

2. Модулен програмируем логически контролер

3. Рамков програмируем логически контролер

4. Контролер с интегриран операторски панел

5. Индустриален компютър

6. Слотов и софтуерен програмируем логически контролер

1.Компактен програмируем логически контролер

В зависимост от това кое устройство се използва за централен процесор

и как той е свързан с други PLC-модули [AutoMatic project 2009-1BG1-

LEO05-01640 - Модул 4], програмируемите логически контролери могат да

се класифицират на следните типове: компактни PLC, модулни PLC,

рамкови PLC, PLC с интегриран операторски панел, индустриални

компютри, слотови PLC и софтуерни PLC.

Компактен програмируем логически контролер

Компактният PLC обединява CPU-то, захранването, входните и

изходните модули в един компактен корпус. Най-често той има фиксиран

брой цифрови входове/изходи, един или два комуникационни канала (един

за програмиране на PLC и един за връзките на полевата шина) и HMI.

Понякога може да има един вход за бърз брояч и един или два аналогови

входове/изходи. За увеличаване на броя на входовете/изходите към

компактния PLC могат да се свързват отделни add-on (допълнителни)

модули. Те се разполагат в корпус, който прилича на самия компактен

ПЛК. Компактните PLC се използват в автоматизацията като заместител

на релета. Един PLC не струва повече от няколко релета и програмирането

му е също толкова гъвкаво като свързването на релетата.

Недостатъците на този тип PLC са малката памет за програми и данни,

малката производителност на процесора, малкия брой PLC таймери и

броячи и липсата на някои типове данни. От друга страна, днешните по-

скъпи компактни PLC имат същата функционалност като други типове

23

PLC, като единственият им недостатък е фиксираният брой

входове/изходи. Пример за компактен PLC е Siemens Logo - Фиг.2.5.

Фиг.2.5. Компактен PLC - Siemens Logo

2.Модулен програмируем логически контролер

Модулен програмируем логически контролер

Модулният програмируем логически контролер е по-мощен и има

повече функции в сравнение с компактния. Неговите части като процесор,

сигнални модули, модул на комуникационния процесор, управляващи

модули за серво двигател, позициониращи модули са разположени

предимно в отделни корпуси.

Всички модули са разположени заедно на DIN шина или на шина със

специална форма и комуникират с процесора чрез системна шина.

Системната шина може да бъде част от процесора, да има отделен корпус

или да бъде плосък кабел. Системната шина има ограничен брой места за

модули, но в повечето случаи е разширяема чрез използване на отделни

модули от тип системна шина (напр. интерфейсен модул). Следователно

модулният контролер може да бъде изграден според изискванията на

автоматизираната машина или процес.

В сравнение с компактните PLC, модулните могат да използват по-голям

брой входове и изходи, да поддържат по-големи програми, да съхраняват

повече данни и да работят в режим на многозадачност. Днес модулните

PLC се използват главно за следните задачи: управление, регулиране,

позициониране, обработка на данни, манипулиране, комуникация,

мониторинг, web-сървъри и др. Пример за модулен PLC е Siemens S7-300 -

Фиг. 2.6.

24

Фиг.2.6. Модулeн PLC - Siemens S7-300

3.Рамков програмируем логически контролер

Рамков програмируем логически контролер

Рамковият програмируем логически контролер има почти същите

възможности и функции като модулният. Единствената разлика е в шината

или рамката, на която са разположени PLC - модулите. Рамката има

слотове за модули и интегрирана системна шина за обмен на информация

между различните модули. Повечето PLC модули нямат собствени

корпуси, а имат само фронтален панел с HMI-интерфейс. Главното

предимство на тези системи е, че те позволяват по-бърз обмен на данни

между модулите и имат по-малко време за реакция на модулите. Пример за

рамков PLC e Siemens S7-400 - Фиг. 2.7.

Фиг.2.7. Рамков PLC - Siemens S7-400

25

4.Контролер с интегриран операторски панел

Контролер с интегриран операторски панел

Програмируемият логически контролер с интегриран операторски панел

(OPLC) има HMI-интерфейс за работа и наблюдение (мониторинг) на

автоматизирани процеси или машини. HMI се състои основно от дисплей и

клавиатура или тъчскрийн. Дисплеят може да бъде текстов или графичен.

Основното предимство на тази система пред PLC с отделен операторски

панел е, че отпада необходимостта този панел да се програмира отделно.

Цялото програмиране се извършва с помощта на един софтуерен

инструмент, което спестява от разходите за разработка на системата.

Пример за контролери с интегриран операторски панел e серията AS-Cxx

на фирма АМК - Фиг. 2.8.

Фиг.2.8. Контролери с интегриран операторски панел - AS-Cxx на фирма

АМК

5.Индустриален компютър

Индустриален компютър

Индустриалният компютър (индустриално PC) е устройство, което

комбинира нормално PC и PLC в едно. PLC частта може да бъде хардуерно

базирана (слотов PLC ) или софтуерно базиран виртуален PLC (софтуерен

PLC ). Индустриалните компютри се използват при средни и големи

приложения от автоматизацията, където има изиквания за бързо

управление на процесите, за бързо събиране на данни и обмяна с OPC

и/или SQL сървъри (могат да бъдат интегрирани в PC-то), да бъдат лесни

за работа и наблюдения, да имат голям жизнен цикъл.

В повечето случаи индустриалните PC използват полева шина за

управление на автоматизираните процеси и/или машини. Някои имат

вградени входове/изходи, както и други вградени PLC модулни части.

Недостатъкът на индустриалните PC е, че след определен период от време

не могат да се намерят определени сменяеми части (като памет, процесор,

видео карта и др.). Причината е, че тези компоненти са спрени от

26

произвоство и на тяхно място се произвеждат нови по-добри продукти.

Пример за индустриални компютри e серията A5x на фирма АМК - Фиг.

2.9.

Фиг.2.9. Индустриални компютри - A5x на фирма АМК

6.Слотов и софтуерен програмируем логически контролер

Слотов програмируем логически контролер

Слотовият контролер е специална карта, която има всички функции на

централния процесор на нормален PLC. Тя се слага в PC (на празен слот от

дънната платка), което позволява директен обмен на информация между

съществуващите PC HMI-приложения и/или други софтуерни приложения.

Слотовата карта има поне един комуникационен канал за връзка към

полевата шина (за връзка с отдалечени входове/изходи или с други

устройства).

Софтуерен програмируем логически контролер

Софтуерният програмируем логически контролер е виртуален PLC,

работещ на персонален компютър. За управлението на машини или

процеси той използва комуникационните портове на PC (Ethernet, COM)

или специални карти от тип системна шина (които се слагат в PC) за

комуникация с отдалечени входове/изходи и с други устройства за

27

автоматизация. Недостатъкът на софтуерните PLC е липсата на отделна

памет за съхраняване на данни. Това означава, че при прекъсване на

захранването всички данни от управлението на процеса се губят. В

допълнение, при промяна на операционната система винаги съществува

риск виртуалният контролер да не бъде съвместим с новата система. Освен

това няма гаранция, че други приложения като HMI или OPC сървъри,

работещи едновременно със софтуерния PLC, ще работят без проблеми и

че тяхната работа няма да влияе на работата на софтуерния PLC. Пример

за софтуерен PLC е Siemens SIMATIC WinAC RTX - Фиг. 2.10.

Фиг.2.10. Софтуерен PLC - Siemens SIMATIC WinAC RTX

28

Урок 2.4. Понятие многозадачност в програмируемите контролери


Цел на урока: Дава определение на понятието многозадачност в

програмируемите контролери.


1. Многозадачност в програмируемите контролери I

2. Многозадачност в програмируемите контролери II

3. Многозадачност в програмируемите контролери III

4. Многозадачност в програмируемите контролери IV

5. Многозадачност в програмируемите контролери V

1.Многозадачност в програмируемите контролери I

Съвременните програмируеми контролери имат възможност да работят

в режим на многозадачност [AutoMatic project 2009-1BG1-LEO05-01640 -

Модул 4]. Това означава, че контролера може да работи едновременно по

различни задачи (програми). На практика PLC може да изпълнява само

една задача в даден момент. Но тъй като процесорът на контролера работи

много бързо, изглежда, че PLC изпълнява различни задачи в един и същи

момент.

Стандартът IEC 61131 дефинира задачата като изпълнителен

управляващ елемент, който е способен да причини, или на базата на

периодичност (периодична задача) или на базата на събитие (непериодична

задача), изпълнението на поредица от програмни организационни единици

(POU).

Периодичните задачи се изпълняват периодично през определено време,

зададено от потребителя.

Непериодичните задачи се изпълняват при възникване на събитие,

свързано със задачата. Събитието и задачата са свързани с булева

променлива.

При многозадачността се използва т.н. блок за приоритет на задачите,

който установява график за приоритетите на задачите.

2.Многозадачност в програмируемите контролери II

Приоритетите започват от номер нула, което е най-високия приоритет,

като по-големият номер означава по-нисък приоритет. Пример за задаване

приоритет на задачи в развойната среда CoDeSys Фиг. 2.11.

29

Фиг.2.11. Задаване приоритет на задачи в развойната среда CoDeSys

Приоритетите на задачите се задават от потребителя. Ако PLC се опита

да изпълни две или повече задачи едновременно (няколко задачи се

опитват да използват процесора по едно и също време), приоритетът на

задачите определя коя задача ще се изпълни първа.

Нормално се изпълнява задачата с най-висок приоритет, а другите са в

изчакващ режим. Но ако две или повече чакащи задачи имат еднакъв

приоритет, при освобождаване на процесора (приключило е изпълнението

на предишната задача) се изпълнява задачата, която е изчаквала най-дълго

време. Ако някои програми не са включени в рамките на никоя задача, те

ще имат най-нисък приоритет и ще се изпълнят след освобождаване на

процесора (след като вече не се изпълняват задачи и има свободно

изчислително време).

3.Многозадачност в програмируемите контролери III

На базата на прекъсването на изпълнението на задачите

многозадачността в програмируемите контролери се разделя на два типа:

неприоритетна многозадачност и приоритетна многозадачност.

При първия тип задачата се изпълнява докрай, дори ако е възникнала

задача с по-висок приоритет, след което се изпълнява задачата с най-дълго

изчакване и с най-висок приоритет.

При втория тип задачата се изпълнява докато се активира задача с по-

висок приоритет. Тогава задачата с по-нисък приоритет се спира до

завършване на задачата с по-висок приоритет.

30

При този тип многозадачност задачи със същия или с по-нисък

приоритет не могат да прекъсват изпълняваната задача. Те трябва да

изчакат нейното завършване. След завършване на прекъснатата задача, се

изпълнява задачата с най-дълго изчакване и с най-висок приоритет.

Стандартът IEC 61131 дефинира някои правила за определяне на

„правата” за изпълнение на задачите, които потребителят трябва да знае, за

да може да ползва многозадачността.

4.Многозадачност в програмируемите контролери IV

- Една задача ще бъде изпълнена, ако е извикана (периодично или при

възникване на събитие) и другите правила (описани по-долу) не се

прилагат. Това означава, че контролерът има свободно изчислително време

за изпълнение на задачата.

- Ако са извикани две или повече задачи, се изпълнява задачата с най-

висок приоритет.

При приоритетна многозадачност изпълняваната задача се спира, ако

ново активираната задача е с по-висок приоритет от нея.

При неприоритетна многозадачност активираната задача с по-висок

приоритет трябва да изчака завършването на изпълняваната задача преди

да започне да се изпълнява.

- Ако извиканата задача (и при двата типа многозадачност) има същия

или по-нисък приоритет от изпълняваната в момента, тя трябва да изчака

изпълняваната задача.

- Ако активна задача и задача в режим на изчакване споделят дадени

програмни части (програма, функционален блок, функция), тези части се

изпълняват. Другите части на изчакващата зачача остават в изчакващ

режим.

5.Многозадачност в програмируемите контролери V

- Ако контролера има изчакващи задачи с еднакви приоритети, ще се

изпълни тази с най-дълго време на изчакване след освобождаване на

процесора.

- Програми, които не са свързани с никоя задача, имат най-нисък

приоритет. Те ще се изпълнят при освобождаване на процесора.

Централните процесори на някои контролери могат да имат два или

повече отделни процесора в централната оперираща единица. Тези PLC

могат да изпълняват различни (две или повече) задачи едновременно

(многозадачност в реално време) без времезакъснение. Това позволява

контролера да реагира много бързо на процеси или нерегулярно поведение

на машини, ако това е било предвидено.

31

Раздел 3: Операционна система на програмируем логически

контролер. Входно-изходни модули. Интерфейси.

Урок 3.1. Операционна система на програмируем логически

контролер


Цел на урока: В този урок студентите се запознават с основните функции

на операционната система на програмируем логически контролер.

Посочват се методите за програмиране и изпълнение на потребителска

програма. Разглежда се понятието за „embedded” системи и техните

свойства. Посочват се най-популярните операционни системи за реално

време за „embedded” устройства.


1. Как работи програмируемия логически контролер?

2. Сканиращ цикъл на PLC

3. Програмиране и изпълнение на потребителската програма I

4. Програмиране и изпълнение на потребителската програма II

5. Междинен код за програмируеми промишлени контролери I

6. Междинен код за програмируеми промишлени контролери II

7. Междинен код за програмируеми промишлени контролери III

8. Виртуален процесор при промишлените контролери I

9. Виртуален процесор при промишлените контролери II

10. Определение за „embedded” (вградени) системи

11. Основни свойства на „embedded” системите

12. Операционна система за реално време - Windows CE

13. Операционна система за реално време - RTLinux

14. Операционна система за реално време - QNX

15. Операционна система за реално време – VxWorks

1.Как работи програмируемия логически контролер?

Програмируемият логически контролер работи циклично. Потребителят

зарежда програмата като последователност от инструкции, завършваща с

команда за край на обработката, която връща управлението на оператора

или монитора на операционната система (ОС). Програмата може да се

изпълнява асинхронно, ако се извиква при възникване на определени

условия. Специфична особеност е цикличността на работа на централния

процесор, т.е. последователното изпълнение на командите от първата към

32

последната и отново от първата и т.н. С това се реализира синхронен

режим на работа.

Цикълът има две фази - входно-изходна и потребителска, свързана с

обработка на информацията. Продължителността на цикъла зависи от броя

на входовете и изходите, големината на програмата и бързодействието на

PLC. Структурата на цикъла, т.е. съотношението между двете му фази, се

определя от дисциплината на обръщение към входовете и изходите, броя

на операторите за безусловен преход и продължителността на

изчислителните операции.

2.Сканиращ цикъл на PLC

Организацията на цикъла може да бъде твърдо заложена или да се избира

измежду следните варианти:

- в началото на цикъла се обхождат всички входове, а изходите се

актуализират след решаване на всички уравнения;

- в началото се обхождат всички входове, а изходите се актуализират

след решаване на всяко уравнение;

- всички входове се обхождат всеки n ms, а изходите се актуализират при

поява на определени условия;

- при последователното решаване на уравненията се прочитат

необходимите входове и актуализират съответните изходи като в

следващите уравнения участват новите изчислени стойности за

променливите на входа и изхода.

Типичен сканиращ цикъл на PLC е показан на Фиг.3.1.

Фиг.3.1. Сканиращ цикъл на PLC

33

Изпълнението на програмата започва от първата инструкция и

продължава до инструкцията за край. При релейно-контактна диаграма

изпълнението започва отгоре и отляво надясно и надолу. Често

аналоговите входове и изходи се обработват в самата програма и за тях не

се подържат буфери. Времето за обработка на информацията трябва да е

минимално, ако през това време не се обновяват входовете и изходите.

3.Програмиране и изпълнение на потребителската програма I

Съществуват два различни метода за програмиране и изпълнение на

потребителската програма. Първият метод се използува при

микропроцесорните системи с общо предназначение. Той изисква

разработка на програмното потребителско осигуряване на развойна

станция, неговото директно транслиране в обектов код за

микропроцесорната система и зареждането му в промишления контролер

Фиг.3.2.

Фиг.3.2. Използуване на транслатор за превеждане на потребителска

програма

При втория метод програмното осигуряване на промишления контролер

се разработва на програмираща станция и се транслира до междинен код,

който се зарежда в контролера. В процеса на изпълнението на

потребителската програма междинният код се превежда на обектов код на

34

микропроцесорната система в контролера от вграден в операционната

система интерпретатор.

4. Програмиране и изпълнение на потребителската програма II

При този метод Фиг.3.3. интерпретаторът представлява третата основна

част на операционната система. Интерпретаторът поема инструкция от

междинен код, транслира я в обектов код за микропроцесора и след това го

изпълнява.

Фиг.3.3. Използуване на интерпретатор при изпълнение на

потребителска програма

По принцип интерпретаторът е по-бавен от транслатора, тъй като в хода

на работата се налага и извършване на процеса по „превеждане" от

междинен код на обектов код на микропроцесора. Съществуват

промишлени контролери, при които интерпретирането е поверено на

отделен апаратно-програмен процесор (подобно на комуникационните

процесори), наречен езиков процесор.

5.Междинен код за програмируеми промишлени контролери I

Междинният код представлява набор от инструкции за работа с

виртуална микропроцесорна система. Инструкцията (Statement) е

закодирана съвкупност от действия, които трябва да извърши процесорът

след превеждането й от интерпретатора. Всяка инструкция съдържа

35

информация за вида на конкретната операция, формата на информацията,

адреса на информацията и др.

Според организацията си инструкциите се делят на триадресни,

двуадресни, едноадресни и безадресни. Всяка инструкция има свое

мнемонично описание, използувано от транслатора в междинен код.

Класическата триадресна инструкция съдържа код на операцията (КОП) и

три операнда, като третият операнд най-често е резултатът от операцията

между първите два Фиг.3.4.

Фиг.3.4. Пример за триадресна инструкция в промишлен контролер

SIMATIC S7-200

Триадресните инструкции заемат най-много памет за своята организация.

В промишлените контролери техният брой е ограничен и те се използуват

само за специални цели. Някои промишлени контролери не поддържат

триадресни инструкции.

6.Междинен код за програмируеми промишлени контролери II

Двуадресните инструкции съдържат само код на операцията и два

операнда Фиг.3.5.

Фиг.3.5. Двуадресна инструкция в SIMATIC S7-200

Повечето от използуваните инструкции са едноадресни. Те съдържат код

на операцията и един операнд Фиг.3.6. С тях се минимизира обема на

обектовия код. Това най-силно зависи от архитектурата на интерпретатора.

36

Фиг.3.6. Едноадресна инструкция в SIMATIC S7-200

Съществуват и безадресни инструкции, които съдържат само код на

операцията и се използуват за управление на програмата Фиг.3.7.

Фиг.3.7. Безадресна инструкция в SIMATIC S7-300

7.Междинен код за програмируеми промишлени контролери III

В общия случай задаването на операндите се извършва поотделно с

формат и адрес. В повечето от контролерите обаче, форматът е общ за

всички операнди и се задава чрез кода на операцията. В мнемониката на

инструкциите форматът се указва с подходяща буква. Повечето от

производителите са приели следните видове означения:

- без означение - вит (bit);

- В - операндът е байт (byte);

- W - операндът е двубайтова дума (word);

- D - операндът е четирибайтова дълга дума (double word);

- R - операндът е дробно число, записано в плаваща запетая (real).

Адресирането на операндите в различните промишлени контролери се

извършва по възприет от фирмата производител начин. Например, при

контролерите на SIMATIC адресирането на бит информация се извършва с

указване на областта, номера на байта и номера на бита Фиг.3.8.

37

Фиг.3.8. Неявно адресиране на операнди при SIMATIC

8.Виртуален процесор при промишлените контролери I

Виртуалните микропроцесорни системи на различните промишлени

контролери са сравнително близки помежду си и имат подобна идеология,

което дава възможност за сравнително лесно усвояване на определен тип

промишлен контролер.

Виртуалният процесор на микропроцесорната система участва в

интерпретирането на програмата със своята виртуална структура.

Виртуалната структура няма нищо общо със структурата на реалния

процесор, но съдържа подобни блокове. Тя включва различни програмни

модели, които отразява начина на създаване на отделните структурни

елементи от потребителската програма. Различните модели взаимно се

допълват и са предназначени за обработката на различен по вид

информация.

Съвременните промишлени контролери най-често ползуват два отделни

програмни модела, условно наречени стеков и акумулаторен. Стековият

модел се използува при работа с променливи от типа бит, предимно при

приложението на контактните инструкции. В общ преглед, това е най-

разпространения модел, прилаган при организирането на логическите

операции. На практика той представлява изграждане на еднобитово

аритметично-логическо устройство чрез логически стек от типа LIFO.

38

9.Виртуален процесор при промишлените контролери II

Логическия стек се илюстрира на Фиг.3.9.

Фиг.3.9. Логически стек

Повечето от инструкциите, реализиращи двоични логически операции

работят главно с върха на стека или с върха на стека и следващото ниво 1.

Ниво 0 се нарича „Резултат от логическата операция" (RLO).

Акумулаторният модел се използува при числовите инструкции, които

работят с променливи от типа байт, дума и двойна дума. Програмистът

разполага с виртуално ALU, един или няколко потребителски виртуално

достъпни регистри, наречени акумулатори (АСС). Някои акумулаторни

модели използуват регистри за временно съхранение на информацията,

които са недостъпни за потребителската програма. Класическият

акумулаторен модел поема целия информационен поток. Фиг.3.10

илюстрира този модел.

Фиг.3.10. Акумулаторен модел за изпълнение на числови инструкции: а) -

чрез потребителски недостъпен регистър; б) - чрез един виртуален

акумулатор

39

10.Определение за „embedded” (вградени) системи

Най-общо изчислителните системи могат да се разделят на системи с

общо предназначение и „embedded” системи. Системите с общо

предназначение (и техните универсални процесори) са такива

изчислителни системи, които имат сложен дизайн, широк набор от

възможности и вградени функции.

Най-често те нямат точно определено предназначение и е възможно с

тях да се решават голям брой задачи. Типични представители са PC

(Personal Copmuter) системи, които са базирани на процесори с х86

архитектура, MAC компютрите на Apple с PowerPC процесори или SYN с

процесорите Sparc.

Основни особености които отличават изчислителните устройства за

общо предназначение от тези за вградени системи са:

- комплексна структура;

- голям излишък на възможности;

- голяма консумация на електроенергия;

- голям размер;

- възможност за добавяне на нови функционални и комуникационни

модули;

- за този тип системи са създадени много потребителски операционни

системи като Linux, Windows, OS X и др.

11. Основни свойства на „embedded” системите

“Embedded” системите са изчислителни системи с висока степен на

софтуерна и хардуерна интеграция, които са тясно свързани и изцяло

отдадени на устройството или системата която управляват. Няма

универсална дефиниция на „embedded” системи, затова тази дефиниция не

трябва да се приема като най-пълна и единствена, но тя достатъчно точно

обяснява същността им. Всъщност те се наричат “embedded” (вградени)

поради факта, че те най-често са съставна част от друга по-голяма система

или устройство (вграждаща система – „embedding”) или са неразделна част

от управляваното устройство.

В ранните години за „embedded” системи са се ползвали

микропроцесори с общо предназначение, но бързо те са били сменени със

специализирани за целта микроконтролери. Този нов тип микроконтролери

са били създадени за решаване на конкретни задачи. Те разполагат с точно

определена функционалност и специализирана периферия. Основните

свойства, които са общи за почти всички „embedded” системи са:

40

- малки размери;

- оптимизирана и понижена консумираната енергия;

- специализирани изчислителни възможности;

- възможност за работа в промишлени и екстремни среди;

- вградена периферия;

- специализирани операционни системи за реално време като RT Linux,

Windows CE, RTOS-32, WxWorks, QNX, Symbian и др.

12.Операционна система за реално време - Windows CE

Windows CE

Windows CE на Microsoft е операционна система за реално време за

мобилни приложения и приложения, които се нуждаят от малка по обем

операционна система. Тя поддържа безжични технологии като Bluetooth,

802.1x, IPv6, OBEX (OBject EXchange) протокол, MediaSense и RTC/SIP

(Real Time Communication/Session Initiation Protocol). Windows CE

поддържа KSP (Kerberos Security Protocol) и SSL (Secure Sockets Layers).

Осигурява 256 нива на приоритизация на нишките, вместени прекъсвания,

инверсия на приоритетите и може да се побере в 200kB памет с ограничена

функционалност.

Windows CE поддържа микропроцесори/микроконтролери ARM720T,

ARM920T, ARM1020T, StrongARM, XScale, MIPS II/32 with FP, MIPS II/32

without FP, MIPS16, SH-3, SH-3 DSP, SH-4, 486, 586, Geode и Pentium I ÷

IV. Новата платформа притежава помощник (wizzard), който улеснява

стартирането на операционната система на устройства като клетъчни

телефони, устройства за цифрова обработка на озибражения, индустриални

устройства за автоматизация, устройства на достъп до Internet и PDA

(Personal Digital Assistant).

Разработчиците на приложения за Windows CE могат да използват около

10% от Win32API функциите, достъпни за операционната система

Windows 2000. POSIX (Portable Operating System Interface - интерфейс за

преносими операционни системи) функциите обаче не се поддържат от

Windows CE.

13. Операционна система за реално време - RTLinux

Linux

Linux в по-голямата си част е безплатна операционна система. Тя е

надеждна, богата на възможности и ефективна. Разпространени са и някой

допълнения към нея, които я правят операционна система за реално време

(RTLinux). RTLinux се стартира вътре в средата, предлагана от самата

41

Linux операционна система. Ядрото за реално време се намира между

хардуера и Linux. RTLinux обработва всички прекъсвания, генерирани от

хардуера.

Ако прекъсване трябва да стартира процес в реално време, ядрото за

реално време прекъсва изпълнявания в този момент от Linux процес и дава

възможност процесът за реално време да се изпълни възможно най-бързо.

По този начин, като краен резултат се получава така, че RTLinux се

изпълнява като процес на Linux. Приложенията, които трябва да работят в

реално време се конструират като модули за ядрото. Това означава, че

приложенията, работещи в реално време се стартират на нивото на самото

ядро.

В подходът, възприет от RTLinux, особеното е, че има две независими

ядра: ядро за реално време и същинско Linux ядро. По тази причина

подходът е познат още като двуядрен подход (dual kernel approach).

RTLinux дава възможност за съчетаване на оптимизирани услуги,

работещи на принципа на времеделението с услуги с предсказуемо

изпълнение (в реално време) и минимални закъснения. Това води до все

по-доминиращото присъствие на RTLinux на пазара за операционни

системи за реално време.

14. Операционна система за реално време - QNX

QNX

QNX Software Systems предлага на пазара своята операционна система за

реално време QNX Neutrino RTOS. Тази операционна система беше

развита за „embedded” системи преди повече от 20 години. Тя е

предназначена за критични за човешкия живот системи, медицински

инструменти, авиация и космически системи, управляващи системи,

автомобилостроене и др.

Микропроцесорите/микроконтролерите, които се поддържат от нея са

x86/Pentium, PowerPC, ARM, StrongARM, XScale, MIPS и SH-4. QNX

Neutrino е разработена съгласно стандарта за операционни системи за

реално време IEEE 1003.1b. Микро-ядрото на QNX осигурява услуги като

превключване на нишки, комуникация между процесите и използване на

синхронни съобщения за комуникация с други модули на операционната

система. Всички модули на операционната система се стартират в отделни

защитени адресни пространства. Qnet, механизма на QNX за работа с

разпределени процеси улеснява отделните възли в мрежата да достъпват и

използват ресурсите на всеки друг възел в мрежата.

Архитектурата на QNX включва няколко модулни компонента,

включително QNX Photon microGUI за развитие на вградени възможности

за Internet достъп, интернационални шрифтове и сложни потребителски

42

интерфейси. Поддържа се USB, аудио, PCI, серийни и паралелни

интерфейси, IDE и SCSI дискове. QNX Neutrino предлага и пакети за

поддръжка на конкретни популярни устройства и микропроцесори.

15.Операционна система за реално време - VxWorks

VxWorks

Операционната система VxWorks на Wind River е широко използвана в

области като роботостроене, управление на процеси, авиация, CNC

оборудване и други подобни. VxWorks също е разработена за приложения

в телекомуникациите, електронни уреди и медицински системи. Ядрото на

VxWorks осигурява многозадачност, като механизмът за комуникацията

между задачите (процесите), включва споделяне на памет, поддръжка на

опашки със съобщения, семафори, събития и конвейери, сокети, процедури

за дистанционно повикване на функции, сигнали.

VxWorks поддържа POSIX. Развойната платформа Tornado, част от която

VxWorks е компонент, осигурява пълен комплект от развойни инструменти

и комуникационни възможности за връзка с разработваната система.

Tornado притежава способност за автоматично разширяване чрез анализ на

приложния код и вграждане на опционални под-системи като например

мрежови услуги (TCP/UDP сокети).

200 известни BSP (Board Support Packages) поддържат множество готови

платформи, базирани както на RISC, така и на CISC архитектура, например

Motorola/IBM PowerPC, Motorola 68K/CPU32, Intel Pentium архитектури,

Intel StrongArm и ARM.

Урок 3.2. Входно-изходни модули


Цел на урока: В урока се посочват различните видове входно-изходни

модули използвани в програмируемите контролери.


1. Въведение

2. Сигнални модули - цифрови входове

3. Сигнални модули - цифрови изходи I

4. Сигнални модули - цифрови изходи II

5. Сигнални модули - аналогови входове и изходи

6. Интерфейсни и функционални модули

7. Комуникационни модули

43

1.Въведение

Производителите на промишлени контролери предлагат широка гама от

допълнителни входно-изходни модули, съобразени с най-често срещаните

сензори и изпълнителни механизми. Те са проектирани по такъв начин, че

да минимизират междинните устройства между промишления контролер и

управлявания обект.

Модулите най-често се конфигурират в самостоятелни платки по заявка

на потребителя и се свързват към касетата на контролера чрез дънна платка

(backplane) с процесорната част. Докато в “класическите” PLC се спазва

принципа "най-вляво е процесорът", то в съвременните PLC от края на 90-

те години се възприема по-гъвкава архитектура с обмен на съобщения по

вътрешна магистрала по комуникационната технология "producer-

consumer" (напр. PLC системата ControlLogix на Allen-Bradley). С това се

завършва интеграцията на комуникационните мрежи в системите за

управление, тъй като отделни модули на PLC от Фиг.3.11 могат да бъдат

поставяни в произволно количество и на произволни места в касетата на

PLC и всеки един от тях представлява възел в мрежата за комуникация.

Фиг.3.11. Свързване на модули към PLC

44

2.Сигнални модули - цифрови входове

Следващата класификация дава обща представа за различните видове

модули:

Сигнални модули (SM - Signal Modules)

- Цифрови входове - предназначени са за свързване към сензори от

логически тип (с две състояния - включено и изключено). Различават се по

типа на входните сигнали, които могат да обработват - 24V DC, 120/230V

AC, както и по начина на свързване на общия входящ проводник (към

нулевия или към захранващия проводник) - Фиг.3.12.

Фиг.3.12. Свързване на сензори към входни точки в промишлен контролер

Двоичните входове приемат информация, формират унифициран сигнал,

отстраняват шумовете и галванично разделят сигналите с различно ниво на

мощност. Така например, при променливотоков сигнал, първо се прилага

двуполупериодно изправяне, после се формира двоичният сигнал с

отделяне на праговото напрежение чрез ограничител или тригер на Шмидт

(приема се, че логическата единица е при достигане на 70÷130 % от

амплитудата на сигнала) и накрая се отстраняват импулсните смущения

посредством експоненциален филтър. Принципната схема на така описан

типов двоичен вход е показана на фиг.3.13.

Фиг.3.13. Входен интерфейс

45

3. Сигнални модули - цифрови изходи I

- Цифрови изходи - предназначени са за свързване към изпълнителни

механизми от контактен тип (актюатори от логически тип). При този тип

модули се наблюдава голямо разнообразие на използуваните изходни

елементи (релета, биполярни или MOS транзистори), при свързване на

товара към масата или към захранващия проводник Фиг.3.14.

Фиг.3.14. Свързване на актюатори към изходни точки на промишлен

контролер

Задължителното галванично изолиране на входните и изходни вериги

най-често чрез оптрони едновременно филтрира смущенията и предпазва

PLC от неизправности в обекта. За елиминиране на нежелани електрически

взаимодействия се използват екраниращи елементи и заземители.

Светодиодна индикация на състоянието на всеки вход позволява да се

следи работата на обекта от оператора.

При някои контролери може да се управлява свързването на

входовете/изходите на обекта към контролера. Електрическа изолация и

светлинна индикация се прилага и при двоичните изходи. От особено

значение е осигуряването на независимо захранване на изходите от PLC

или външен източник.

4.Сигнални модули - цифрови изходи II

За безопасността на обекта се използва защита от отпадане на

захранването на PLC или енергонезависими изходи чрез реле със

самозадръжка. Предвижда се също така и защита от късо съединение на

изхода. Входовете и изходите се поръчват по модули от потребителя. При

настройка, профилактика и ремонт се налага да се моделира поведението

на входовете и изходите, което се осигурява от един от режимите на

програматора.

По време на експлоатация изходът се замества с автономно устройство с

ръчно управление и връзката с обекта се тества с помощта на тестващ

блок. За да се избегне взаимното влияние между входовете и изходите се

46

препоръчва входовете да се четат в моментите, когато напрежението на

мрежата достига максималната си стойност, а изходите да се активират,

когато това напрежение минава през нулата.

Отчитането на тези съображения не трябва да променя

продължителността на цикъла. Цифровите входове и изходи обикновено се

мултиплицират и това намалява броят и цената на цифровите платки.

Дължината на числовите операнди е най-често 16 бита (2 байта).

5.Сигнални модули - аналогови входове и изходи

- Аналогови входни модули - това са модули, предназначени да

въвеждат в промишления контролер и да дискретизират аналогови

сигнали. Различават се no вида на входната величина (напрежение, ток,

съпротивление) по точността на преобразуване, по работен диапазон,

честота на дискретизация и др. Препоръчителни са диференциалните

аналогови схеми, които осигуряват висока чувствителност, линейност и

шумоустойчивост към синфазни шумове. Съществуват и специализирани

аналогови модули за обработка на сигнали от определен тип датчици

(термодвойки, PT100, тензометрични мостове и др.).

- Аналогови изходни модули - извършват обратното преобразувание,

тоест от цифров код в аналогов сигнал чрез отделни цифрово-аналогови

преобразуватели (ЦАП) за всеки от изходите. Сигналите, постъпили в PLC

се разглеждат като цифрови променливи. Цифровата и аналоговата част

галванически се разделят чрез оптрони.

Нормално в аналоговите входни и изходни модули са включени

допълнително апаратни блокове, извършващи операции по филтриране,

мащабиране и линеаризиране на обработваните сигнали.

6.Интерфейсни и функционални модули

Интерфейсни модули (IM - Interface Modules). Тези модули нямат

входно-изходни точки. Служат за осигуряване на връзка между различни

касети с модули. Те се използуват тогава, когато необходимата

конфигурация на промишления модул не може да се помести в една касета,

и се налага да се разположи в повече касети.

Функционални модули (FM - Function Modules). Този тип модули са

специализирани относно управлението на конкретна задача за управление

(броене, позициониране, управление с обратна връзка, регулиране и др.).

Често те са интелигентни модули с вграден микроконтролер. Чрез тях се

увеличава изчислителната мощност на промишления контролер, без да се

увеличава времето на оперативния цикъл.

47

7.Комуникационни модули

Комуникационни процесори (СР - Communication Processors). Тези

модули са предназначени за изграждане на локални мрежи и разпределени

системи за управление с промишлени контролери. Основните интерфейси,

използувани в разпределените системи за управление са:

- Point-to-point - връзка само между два кореспондента;

- ASi-bus - връзка между едно главно устройство с подчинени

устройства, представляващи сензори и изпълнителни механизми от релеен

тип по двупроводна линия, съвместяваща захранване и информационни

сигнали;

- Modbus, Profibus, Berges и др. - мрежови интерфейси за връзка между

един главен промишлен контролер и подчинени контролери;

- Industrial Ethernet и др - мрежови интерфейси за връзка между

равнопоставени кореспонденти, предназначени за изграждане на големи

информационноуправляващи системи.

Междинно място заемат контролерите с полукомпактна архитектура.

При тях процесорният модул съдържа освен захранващ блок и определено

количество входно-изходни точки и може да работи самостоятелно и да

изпълнява управленчески задачи. Същевременно в него са предвидени

възможности за разширение чрез включването на допълнителни модули,

съдържащи допълнителни входни и изходни точки. Системите за

управление се изграждат по съсредоточена и разпределена структура.

Урок 3.3. Интерфейси


Цел на урока: Целта на този урок е студентите да се запознаят с

различните видове интерфейси в индустриална среда с използване на

програмируеми контролери.


1. Архитектура на системите за комуникация

2. Системи от полево ниво I

3. Системи от полево ниво II - PROFIBUS интерфейс

4. Системи от полево ниво III - CANBUS интерфейс


6. Системи от ниво управление I

7. Системи от ниво управление II

48

8. Системи от ниво управление III - ControlNet

9. Системи от ниво управление IV - ControlNet

10. Системи от информационно ниво

1.Архитектура на системите за комуникация

Особеностите в структурата на съвременните производствени системи

оказват влияние върху архитектурата на системите за комуникация.

Обикновено системите за комуникация се реализират на базата на

йерархична хетерогенна компютърна мрежа [AutoMatic project 2009-1BG1-

LEO05-01640 - Модул 5] на три нива Фиг.3.15:

- полево ниво: мрежи за комуникация с програмируеми логически

контролери, датчици, изпълнителни механизми;

- ниво управление: компютърни мрежи за оперативно-диспечерско

управление, които включват управляващи компютри и операторски

станции;

- информационно ниво: главна мрежа;

Фиг.3.15. Йерархична хетерогенна мрежа на три нива

49

2.Системи от полево ниво I

Системи от полево ниво

Изграждат се от полеви мрежи за комуникация на програмируеми

логически контролери с крайни устройства (датчици, изпълнителни

механизми, измервателни устройства и др.). Към тях се отнасят мрежови

спецификации като: CAN, DeviceNet, Foundation Fieldbus, Profibus-DP и др.

Полевите мрежи са в основата на йерархията на системите за управление с

мрежова комуникация Фиг.3.16.

Фиг.3.16. Полева индустриална мрежа

Използват се при управлението на непрекъснати производствени

процеси, за управление на управляващи органи, контролери, датчици и

други устройства в производството.

3.Системи от полево ниво II - PROFIBUS интерфейс

Интерфейсът е съвкупност от програмни и технически средства за

осъществяване на връзка между две или повече устройства за обмен на

данни и сигнали.

- PROFIBUS - полеви протокол разработен от фирмите Siemens, Bosch и

Klockner-Moeller за удовлетворяване нуждите на дискретното

производство и отговаря на европейските стандарти EN50170 и EN50254.

Profibus позволява комуникации между устройства от различни фирми

производители без специални интерфейсни настройки. Полевата

комуникационна технология Profibus е подходяща за решаване на

50

разнообразие от автоматизационни задачи, както на ниво полеви

устройства, така и за системи от по-високо йерархично ниво.

Отличава се с техническите характеристики на серийните полеви

системи, които позволяват цифрови програмируеми контролери с

разпределена интелигентност да се свържат в обща мрежа. Като топология

Profibus е multimaster система, което на практика означава, че позволява

съвместна работа на няколко автоматизирани системи с техните

разпределени периферии върху обща магистрала.

4.Системи от полево ниво III - CANBUS интерфейс

- CANBUS - Controller Area Network (CAN bus) е сериен интерфейс за

предаване на данни в реално време със скорост до 1 Mbps и има отлични

възможности за корекция на грешки. Използва се при високоскоростно

предаване на данни ISO 11898 и за ниско скоростни приложения ISO

11519. За комуникация между устройствата се използват интерфейсни

адаптери произвеждани от много фирми (OKI, MICROCHIP, MOTOROLA

и др.). Физическата линия е двупроводна Фиг.3.17.

Фиг.3.17. Физическа среда за предаване на данни

Принципът на работа на мрежите CAN се базира на обстоятелството, че

при наличие на свободна шина всеки модул може да започне да предава

съобщения. Тъй като всяко съобщение носи в себе си приоритет, в случай

че няколко модула предават едновременно, достъп до шината получава

съобщението с най-голям приоритет.

Аналогично, когато до даден модул едновременно достигнат повече от

едно съобщение, приемането се извършва в зависимост от приоритета им.

51

Всеки от модулите, включени в мрежата CAN би могъл да изиска

получаването на съобщения, като изпраща запитвания. На всяко правилно

прието съобщение се изпраща потвърждение (acknowledgment). В

случаите, при които дадено съобщение не се приеме поради грешка, се

изпраща отговор.


- MODBUS - комуникационния протокол е базиран на архитектурата

"клиент-сървър". Той намира широко приложение в промишлеността за

осъществяване на връзка между контролери. Данните се предават по

серийни канали, като RS-485, RS-422, RS-232 или по TCP/IP (Modbus TCP)

Фиг.3.18.

Фиг.3.18. Modbus TCP система

Modbus се отнася към протоколите от приложно ниво на мрежовия модел

OSI. Контролерите взаимодействащи по Modbus използват клиент-сървър

модел, основаващ се на транзакции, състоящи се от заявки и отговори.

Обикновено в мрежата има само един главен клиент (master) и няколко

подчинени клиенти (slaves).

Главното устройство инициализира транзакциите (заявките за

комуникация). Подчинените устройства връщат на главното устройство

изискваната информация. Главното устройство може да адресира

52

индивидуално подчинените устройства или да адресира група от

подчинени устройства. Подчиненото устройство формира съобщение и

връща отговор на главното устройство на адресанта именно него. При

получаване на пакетна заявка не се формира отговор.

6.Системи от ниво управление I

Системи от полево ниво (Automation and Control Level)

Изграждат се от програмируеми логически контролери в локални мрежи

с детерминиран характер. Системите от това ниво позволяват управление

на процесите в реално време и взаимодействие между контролери от

различен вид, компютри, операторски станции, устройства за

програмиране и диагностика [AutoMatic project 2009-1BG1-LEO05-01640 -

Модул 5]. Мрежите от това ниво осигуряват връзка между устройства,

които обменят приложна информация по детерминиран и предефиниран

начин. Те са предназначени за обмен на технологични програми,

координираща и управляваща информация за PLC.

Към мрежите съществуват повишени изисквания по отношение на

обема, сигурността и скоростта на предаваната информация,

шумоустойчивост и детерминираност за работа в реално време.

Индустриалните мрежи от ниво „управление” намират приложение при

изграждане на отворени системи за управление тъй като предлагат гъвкави

решения в процеса на инсталиране и работа. Като примерни протоколи

могат да се отбележат ControlNet и Profibus, както и все по-често

използвания напоследък Ethernet/IP.

7.Системи от ниво управление II

Ниво „управление” обединява функциите за обмен на входно-изходни

данни и peer-to-peer връзките между отделните програмируеми

контролери, децентрализирани системи за управление и компютърни

системи, използвани като интерфейс човек-машина (HMI – Human Machine

Interface), архиви на минали събития, и мониторинг (Supervisory Control).

По този начин се осигурява висока скорост на предаване, като всички

устройства имат пряк достъп до информацията.

Освен това в мрежите от това ниво могат да се включвани множество

контури и дискретни управляващи структури за логическо управление,

сигнализация и блокировка. Това дава възможност за значително

съкращаване на кабелните връзки и взаимозаменяемост на

функционалните блокове, произвеждани от различни производители в

рамките на един и същи стандарт.

53

Мрежите са базирани на комуникационния механизъм производител-

консуматор. Това осигурява пълноценно използване на мрежовата среда и

намаляване на мрежовия трафик, тъй като данните се предават еднократно

и всички възли могат да използват съобщението, като това не зависи от

броя на консуматорите. Възможно е да се включват нови устройства, без

да се нарушава синхронизацията на мрежата и данните да се изпращат

едновременно до всички точки.

8.Системи от ниво управление III - ControlNet

- ControlNet - отворен комуникационен протокол и като DeviceNet е

приложение на протокола Common Industrial Protocol (CIP). На фигура 3.19

е показана връзката между CIP, ControlNet и OSI модела. ControlNet

използва метод Concurrent Time Domain Multiple Access (CTDMA), при

който устройствата предават данни във всеки мрежов интервал и мрежовия

трафик е строго детерминиран и има точно разпределение във времето.

Фиг.3.19. Връзка между CIP, ControlNet и OSI

9.Системи от ниво управление IV – ControlNet

Физическото ниво на ControlNet използва коаксиален кабел от тип RG-6

(с дължина на сегмента до 1000 m) и BNC съединители. Така инсталациите

използват достъпна от много производители технология за различни

54

приложения. Прилагат се и оптични кабели за увеличаване на

максималната дължина на сегментите (до 30 km в зависимост от вида на

използваните оптични влакна) и защита от електромагнитни смущения.

Скоростта на предаване на данните е 5Mbps и се използва кодиране на

битовете от тип Manchester. Пакетите включват и 16 битово поле за

допълнително откриване на грешки. Спецификацията поддържа т.нар.

горещо резервиране на линията. При него устройствата в мрежата са

свързани посредством два кабела и непрекъснато прослушват сигнала.

Използва се тази връзка, при която сигнала е по-качествен.

ControlNet е подходяща за приложения, изискващи детерминизъм,

производителност, голям обем данни, пренос на входно-изходни данни на

големи разстояния и синхронизирано управление. ControlNet мрежите

намират приложение в системи за управление на съгласувано

електрозадвижване, процеси с голямо обем данни и голям брой логически

контролери и човеко-машинни интерфейси.

10.Системи от информационно ниво

Системи от информационно ниво

Системите от информационно ниво се използват за обмен на

информация и управление на ниво предприятие [AutoMatic project 2009-

1BG1-LEO05-01640 - Модул 5]. Те имат за цел да разрешат глобалните

задачи в управлението на фирмата. Основните проблеми при тях са

свързани с обема и скоростта на предаваната информация, сигурността и

защитата от нерегламентиран достъп до информацията. Най-широко

приложение в съвременните системи от това ниво има спецификацията,

известна като Ethernet Фиг.3.20.

55

Фиг.3.20. Индустриална мрежа, изградена от три йерархични нива

Мрежите от информационното ниво се характеризират с висока

предавателна скорост и са предназначени за обмен на големи масиви от

данни. Основно предимство е периодичното понижение на цените за

разлика от конкурентните технологии.

56

Раздел 4: Програмиране на програмируеми логически контролери.

Урок 4.1. Стандарт IEC 61131-3


Цел на урока: Представя се основния стандарт за програмиране на PLC -

IEC 61131-3.



2. Стандарт IEC 61131-3 - програмно осигуряване I

3. Стандарт IEC 61131-3 - програмно осигуряване II

4. Стандарт IEC 61131-3 - програмно осигуряване III

5. Стандарт IEC 61131-3 - програмно осигуряване IV


Съвременните програмни средства трябва да отговарят на определени

изисквания за да могат да позволят разработката на широк обхват от

софтуерни решения на ниска цена. Често се налага едновременното

използване на няколко програмни езика за контролери за ефикасното

управление на голям брой хардуерни компоненти. За по-лесно

разработване и модификация на програмите са необходими

характеристики като офлайн тестване и симулация, онлайн модификации в

контролера и обратна документация на програмите от него.

Програмните блокове на PLC трябва да са реизползваеми, трябва да се

използват и програмни системи с отворен интерфейс. С въвеждането на

международния стандарт IEC 61131 е направена голяма крачка към

покриването на тези изисквания. Целта на този стандарт е да се намалят

разходите за обучение, разходите за създаване на големи програми, както и

прилагането на по-сложни програмни системи.

2.Стандарт IEC 61131-3 - програмно осигуряване I

Програмното осигуряване на PLC e базово и приложно. Базовото

включва програми за създаване, редактиране, транслиране на програми,

изпълнение на приложните програми, самодиагностика и комуникация.

Докато базовото програмно осигуряване се доставя съвместно с

техническите средства, то приложното се създава от или по заявка от

потребителя.

57

От 1993 г. действащ стандарт за приложни програми на PLC е IEC

61131-3. В него е определен единен подход за реализиране на програмно

осигуряване на класове от PLC като част от разпределените системи за

управление и работещи в многозадачен режим. Най-високото ниво в

програмното осигуряване, предназначено да реализира конкретна задача за

управление, се формулира като Конфигурация Фиг.4.1.

Фиг.4.1. Модел на програмно осигуряване на PLC съгласно стандарта IEC

61131-3

3.Стандарт IEC 61131-3 - програмно осигуряване II

Конфигурацията е специфична за даден тип система (PLC) и зависи от

техническите средства, използваната памет, адреси на входно/изходните

модули и други особености на реализацията. В рамките на една

Конфигурация потребителят може да дефинира един или повече Ресурс,

т.е. изчислително средство, което е в състояние да изпълнява програми.

Ресурсите съдържат Задачи, които контролират изпълнението на дадено

множество програми и/или функционални блокове. Изпълнението се

стартира циклично през зададен интервал, или при настъпване на

определено събитие, като например промяна стойността на дадена

променлива.

Програмите се изграждат от определен брой програмни елементи и се

реализират чрез някой от дефинираните езици за програмиране.

Обикновено програмата се състои от мрежа от Функции и Функционални

блокове (FB), които могат да обменят данни от предварително зададен тип.

58

4. Стандарт IEC 61131-3 - програмно осигуряване III

Функциите и функционалните блокове са основните елементи на

програмното осигуряване и съдържат структури от данни и алгоритми за

тяхната обработка. Функциите са елементи на програмата, след

изпълнението на които се получава точно един елемент данни (една

променлива от даден тип). При изпълнение с едни и същи аргументи

функцията дава един и същ резултат.

Функционалните блокове (FB) са програмни единици, които широко се

използват при обектно-ориентираното моделиране и програмиране. Те

могат да се приемат за аналози на интегралните схеми и реализират

математически функции, броячи, таймери, релета, разклонения, обръщане

към подпрограми, преместване, сравнение, комуникации, ПИД алгоритми.

Съгласно стандарта IEC 61131, програмите, функционалните блокове и

функциите се наричат Програмни организационни единици (Program

Organization Units - POU).

5.Стандарт IEC 61131-3 - програмно осигуряване IV

Стандарта IEC 61131-3 дефинира също така и програмните езици,

типовете данни и променливи, които могат да се използват. Типовете

данни са: булев, цели числа, реални числа, интервал от време, дата, време

от денонощието, символни низове и битови низове (BYTE, WORD,

DWORD, LWORD), както и производни на тях, дефинирани от

потребителя. Променливите са обекти от данни, които могат да бъдат

променяни по време на изпълнение на програмата. Променливите

придобиват начални стойности (биват инициализирани) при стартиране на

програмата. За целта се използват предварително зададени от потребителя

стойности или като такива се използват последните от момента на спиране

на програмата (retentive variables). Последните обикновено се използват

при "топъл рестарт" на PLC.

При "студен рестарт" се използват нулеви начални стойности или тези по

подразбиране за съответния тип данни. Променливи могат да се асоциират

твърдо с входове/изходи на хардуера само на ниво конфигурация, ресурс

или програма. Така се осигурява преносимост на програмното осигуряване

и независимост от апаратната част (например, при PLC от различни

производители). В практиката на използване на PLC, най-голямо

приложение са намерили следните езици за програмиране:

- списък с инструкции (Instruction List - IL);

- структуриран текст (Structured Text - ST);

- релеен език (Ladder Diagram - LD);

- функционална блокова диаграма (Function Block Diagram - FBD);

59

- последователностна функционална карта (Sequential Function Chart -

SFC).

Урок 4.2. Програмна организационна единица (POU)


Цел на урока: В урока студентите разглеждат видовете и особеностите на

програмните единици. Тяхното предназначение и дефиниране в

програмата.


1. Програмна организационна единица (POU) I

2. Програмна организационна единица (POU) II

3. Програмна организационна единица (POU) III

4. Предимства от дефиниране на самостоятелни POU

5. Организационен блок в STEP 7

6. Допълнителни блокове в STEP 7

1.Програмна организационна единица (POU) I

Според IEC 61131-3 програмите, функционалните блокове и функциите

се наричат програмни единици или POU (Program Organization Units). IEC

включва стандартни функции и поддържа потребителски дефинирани

функции. Стандартни функции са например ADD (ADDition – сумиране),

ABS (ABSolute – абсолютна стойност), SQRT (SQare RooT – квадратен

корен), SIN, COS и т.н. Една много важна цел на стандарта е да се

ограничи многообразието на типовете блокове и да се опрости тяхната

употреба. Трите POU типа, декларирани от стандарта са Функция (FUN),

Функционален блок (FB) и Програма (PRОG).

- Функциите дефинирани от потребителя, могат да реализират

потребителски специфична функционалност. Характерно за функциите е,

че те приемат определен брой входни променливи, и връщат резултат

веднага след изпълнението си. Не запазват в себе си състояния на

променливи, т.е. резултатът, който връщат не зависи от предишните

извиквания.

- Функционалните блокове са еквивалентни на интегралните схеми,

съдържащи специализирани управляващи алгоритми. Те съдържат и

данни. Имат точно дефиниран интерфейс. Функционалните блокове

позволяват ясно разграничаване на различните програмни нива. Те дават

възможност PLC програмирането да се доближи до принципите на

60

обектно-ориентираното програмиране. Един PID-регулатор е чудесен

пример за функционален блок.

2.Програмна организационна единица (POU) II

Веднъж дефиниран, функционалния блок може да се използва

многократно в една с съща програма, в различни програми или дори в

различни проекти. Той е ефективен поради възможността за

преизползваемост. Функционалните блокове могат да се създават на всеки

един от езиците, дефинирани от IEC61131-3, в много случаи дори и на C.

Така те могат да се дефинират от потребителя. В много случаи нови

функционални блокове се създават на базата на вече съществуващи

стандартни блокове, но е възможно и създаването на напълно нови.

- Програмите могат да се разглеждат като свързани помежду си

функции, функционални блокове и допълнителна логика. Те могат да се

създават на всеки един от програмните езици, дефинирани от стандарта.

Програмата е тип POU, която представя главната програма. Няколко

главни програми могат да се изпълняват едновременно при многозадачни

програмируеми логически контролери.

3.Програмна организационна единица (POU) III

На Фиг.4.2. е показано извикване на различните видове POU.

Фиг.4.2. Извикване на различните видове POU

61

4.Предимства от дефиниране на самостоятелни POU

Работата с добре обособени POU дава възможност алгоритмите да се

структурират чрез под-задачи, създавайки ясна и удобна структура на

програмата. Избягва се създаването на т.нар. „спагети-код”. Части от кода

(отделни POU), които са бече проверени могат да само да се извикват и по

този начин се създават предпоставки по-бързо изграждане на работеща

програма. Всички POU могат да съдържат локални данни, които са видими

само в самата програмна единица. Този принцип на капсулиране на

специфичните данни е с доказани предимства при модерните езици за

програмиране.

Използването на точно и ясно дефинирани входни и изходни

променливи от своя страна гарантира защита на тези променливи от

неправомерен тип достъп. Например в процеса на компилиране, всички

опити за писане на изходни променливи би довел до съответните

съобщения за грешка към потребителя. Друго предимство на програмните

единици е, че те са независими от адреса и могат да се използват отново и

отново без всякакви проблеми. Те са независими и от конкретния

контролер, защото специфичния машинен код се генерира на етапа на

компилиране.

Програмните единици лесно могат да бъдат организирани в библиотеки и

да се използват от множество програми просто като „черни кутии” с точно

определени интерфейси (входове и изходи) и функционалност, но без

нуждата от знание за това как са реализирани вътре, точно като

интегралните схеми в електронните устройства.

5.Организационен блок в STEP 7

За програмиране на ПЛК S7-300 и S7-400 фирмата Siemens е разработила

програмен инструмент, наречен STEP 7 [AutoMatic project 2009-1BG1-

LEO05-01640 - Модул 4]. В програмната среда на STEP 7 POU са малко по-

различни. Функцията е същата, но функционалният блок има определено

място за съхраняване на данни – Блок за данни (Data Block, DB), който е

интегрална част от функционалния блок при IEC 61131-3. Вместо

програма, както е при стандарта IEC 61131-3, при STEP 7 се използва

понятието Организационен блок (Organization Block, OB).

Той се извиква циклично от операционната система на контролера и

формира интерфейса между потребителската програма и операционната

система на контролера. OB осигуряват структурно средство за управление

на обработващите изисквания на една програма. Те осигуряват интерфейса

между операционната система на контролера и потребителската програма.

62

Организационните блокове се пишат от потребителя, но се извикват от

операционната система на контролера на базата на определени условия. На

пример при всяко негово стартиране (включване на режим RUN) се

извикват OB 100 или OB101. Операционната система отговаря на

определени събития чрез извикване на специфични OB.

6.Допълнителни блокове в STEP 7

Функционалните блокове (FB) на STEP 7 са предназначени за генериране

на алгоритми, където генерираните или използваните данни трябва да

бъдат налични от едно извикване на блока до друго. За удовлетворяване на

товa изискване е необходимо в STEP 7 на всеки FB да се зададе съответен

блок за данни (DB). При нужда на един FB могат да се зададат няколко

блока за данни. В допълнение, освен ползваните от потребителите блокове

(OB, FB и FC), STEP 7 има и три типа системни блокове (SFB, SFC и SDB),

които са интегрирана част от контролера, но могат да се извикват и от

потребителски програми.

Системните блокове решават някои често изисквани задачи и функции,

следователно те могат да намалят значително времето за разработка на

програмата. Потребителят не може да променя и да вижда системния блок

в програмата. Функцията (FC) не изисква блок данни за съхраняване

(памет), но тя може да осъществява достъп до глобални DB за четене и

запис на данни. Във FC могат да се дефинират само временни променливи.

В STEP 7 и FB, и FC могат да се извикват от други FB, FC и OB. Всеки

блок се състои от мрежи. Максималният брой мрежи за един блок е 999. В

езика STL всяка мрежа може да съдържа максимум 2000 командни реда.

Урок 4.3. Типове данни, използвани в програмируемите логически



Цел на урока: Този урок разглежда типовете данни, използвани в

програмируемите логически контролери съгласно стандарта IEC 61131-3.


1. Типове данни според IEC 61131-3

2. Типове данни в STEP 7 I

3. Типове данни в STEP 7 II

4. Адресиране на променливи в STEP 7 I

5. Адресиране на променливи в STEP 7 II

6. Предимства на дефинираните типове данни

63

1.Типове данни според IEC 61131-3

Типовете данни, които се използват в програмните единици се дефинират

предварително. Това предпазва от допускане на някой грешки още в

ранния стадий на създаване на програмата, тъй като компилаторът може да

открие несъответсвия при извършването на артиметични и логически

операции с данните. Стандартът дефинирани основни типове данни, които

са показани в Таб.4.1.

Таб.4.1. Основни типове данни дефинирани в IEC 61131-3

2.Типове данни в STEP 7 I

Елементарните типове данни [AutoMatic project 2009-1BG1-LEO05-

01640 - Модул 4], използвани при програмиране на контролери със STEP 7

са дадени в Табл.4.2. Някои от типовете данни от елементарните типове

данни на IEC 61131-3 се наричат комплексни типове данни в STEP 7. Те

позволяват дефинирането на променливи от други типове данни и са

изградени от повече от един елемент данни. В STEP 7 има също данни от

тип параметър, които позволяват таймери, броячи и блокове да бъдат

използвани като формални параметри във FC или FB.

64

Табл.4.2. Типове данни в STEP 7

65

3.Типове данни в STEP 7 II

4.Адресиране на променливи в STEP 7 I

Променливите за данните на конкретни приложения се декларират

заедно с типа на данните във вид на „рамки” в паметта на контролера.

Използва се символно адресиране за по-лесно разбиране на адресите и

програмата [AutoMatic project 2009-1BG1-LEO05-01640 - Модул 4]. По

този начин е възможно да се присвои символно име на даден абсолютен

адрес. Глобални символи се декларират в символна таблица на STEP 7 и

могат да се използват във всички блокове на потребителската програма.

Името в символната таблица трябва да е уникално, то трябва да се среща

само веднъж в таблицата.

Локални символи се декларират в частта за деклариране на блок (OB, FC

и FB). Те могат да се използват само в рамките на дадения блок като

същото символно име може да се използва отново в друг блок.

Номерацията на слотовете на рамката на контролера S7-300 улеснява

66

адресирането на входовете/изходите – позицията на модул върху рамката

определя първия адрес на модула. Слот 4 е първият слот, който може да се

използва за входно/изходни модули. Следователно един цифров входен

модул (Digital Input, DI) в слот 4 започва с байтов адрес 0.

5.Адресиране на променливи в STEP 7 II

Трябва да се отбележи, че при използване на 16-канални цифрови

входно/изходни модули се губят по два байтови адреса за всеки слот.

Затова следващият адрес на такъв модул започва с 4. Принципа на

адресиране на модулите в S7-300 е показан на Фиг.4.3.

Фиг.4.3. Адресиране на модули в Siemens S7-300

6.Предимства на дефинираните типове данни

Предимство на предварително дефинираните основни типове данни:

- всеки тип данни позволява само определени операции (например

математически операции само числови типове данни, но не и с булеви),

което повишава сигурността и надеждността на създаваните програми.

На базата на основните типове данни стандартът позволява да се

дефинират и потребителски типове данни като масиви, структури,

изброими типове, указатели към типове и т.н.

67

Предимства на потребителски дефинираните типове данни:

- наличието на специфични за конкретната реализация типове данни дава

възможност за организация на програмите както в езиците от високо ниво;

- данните могат да бъдат групирани по подходящ начин и безопасно и

удобно да бъдат използвани.

Урок 4.4. Основни функции в контролерите


Цел на урока: Целта на този урок е студентите да се запознаят с

основните функции в контролерите и предназначение им.


1. Системни функции - таймери I

2. Системни функции - таймери II

3. Системни функции - таймери III

4. Системни функции - броячи I

5. Системни функции - броячи II

6. Помощни функции

1.Системни функции - таймери I

Едни от основните системни функции, които се предлагат на оператора

на промишлен контролер са таймерите и броячите. Таймерите са функции

на операционната система, които симулират по програмен път апаратни

устройства за времезакъснение, използувани в системите за управление.

- Таймер със закъснение при включване - On-Delay Timer. Действието на

този тип таймери е пояснено от Фиг.4.4. При активирането на входния

сигнал, таймерът се стартира, изчаква зададеното закъснение и активира

изхода си. Дезактивирането се извършва с дезактивирането на входа.

Фиг.4.4. Таймер със закъснение при включване - TON, TIM, TMR

68

- Таймер със закъснение при изключване - Off-Delay Timer. Този таймер

действа по противоположен начин на предишния и неговото действие е

показано на Фиг.4.5. При активирането на входния сигнал, таймерът

включва изхода си. При дезактивирането на входния сигнал, таймерът се

стартира и изключва изхода си след изтичане на зададеното

времезакъснение.

Фиг.4.5. Таймер със закъснение при изключване - TOF

2. Системни функции - таймери II

- Задържащ (акумулаторен таймер) - този таймер има поне два входа.

Таймерът се стартира при активиране на входния сигнал и след зададено

закъснение включва изхода си. Изходът на таймера се изключва при

пристигане на нулиращ сигнал - Фиг.4.6.

Фиг.4.6. Акумулаторен таймер - RTO, TMRA

Основните параметри, които определят работата на таймера са стартиране

и времезакъснение. Фиг.4.7 илюстрира приложението на таймер.

69

Фиг.4.7. Включване на таймер в управляваща програма

3.Системни функции - таймери III

Времезакъснението се определя от зададената стойност на PV по

таймерната база (1ms, 10ms, 100ms, 1s). Обикновено таймерите се

организират на базата на системно (недостъпно за потребителя)

прекъсване. Както се вижда, всеки таймер се характеризира с текуща

стойност и таймерен бит. Съществуват таймери, които работят в режим на

изваждане. При тях, предварително зададената стойност се зарежда в

таймера в момента на стартиране, а таймерния бит се установява в 1,

когато текущата стойност на таймера стане 0.

Таймерите се характеризират с две променливи от различен тип:

- текуща стойност (Current value), която представлява 16-разредна

променлива от Integer тип;

- таймерен бит (Timer bit), който отразява състоянието на таймера и се

установява в 1, когато текущата стойност на таймера е стане равна или по-

голяма от предварително зададеното времезакъснение.

Достъпа до двата типа променливи се осигурява посредством

използуване на съответния таймерен адрес, при което инструкциите с

еднобитов операнд адресират таймерния бит, а инструкциите с операнд

дума - текущата стойност.

70

4.Системни функции - броячи I

Броячите са другите софтуерни функции в промишлените контролери,

които емулират апаратни устройства за преброяване на събития. Под

събитие се разбира преход от логическа нула в логическа единица на

зададен информационен бит. Софтуерните броячни функции могат да

емулират следните видове броячи:

- сумиращ брояч (CTU, CTN, С или CTR);

- изваждащ брояч (CTD);

- реверсивен брояч (UDC или CTUD).

Работата на брояча се определя от броячен вход С (при реверсивните

броячи входовете са два - за събиране CU и за изваждане CD), нулиращ

вход R и зададена стойност PV. Подобно на таймерите, броячите се

характеризират с две променливи от различен тип:

- текуща стойност (Current value), която представлява 16-разредна

променлива от Integer тип. В нея се натрупват преброените събития;

- броячен бит (Counter bit), който отразява състоянието на брояча и се

установява в 1, когато текущата стойност на брояча стане равна или по-

голяма от предварително зададената стойност PV.

71

5.Системни функции - броячи II

На Фиг.4.8 е показано приложението на реверсивен брояч. Трябва да се

има предвид, в най-общия случай броячите могат да реагират на събития с

честота поне два пъти по-ниска от честотата на оперативния цикъл. За

преброяването на по-бързи събития някои фирми вграждат хардуерно

изградени броячи, наречени бързи броячи (HSC или СТН).

Фиг.4.8. Включване на реверсивен брояч в управляваща програма

6. Помощни функции

Помощните функции представляват набор от подпрограми, които

извършват най-често срещаните математически функции (например sin,

ехр., log и др.). Те са вградени в операционната система и потребителят

има достъп до тях чрез способа на извикване на подпрограми. При

извикването им трябва да се спазват определените от производителя

правила като начин на задаване на входните и изходните параметри,

формата на данните и др.

72

Към помощните функции могат да се отнесат също и SR/SL побитово

местене надясно/наляво, RR/RL побитова ротация надясно/наляво, SHRB

побитов преместващ регистър, ATT за добавяне на стойност в таблица с

данни, LIFO/FIFO - за извеждане на стойност от таблица с данни (първата

стойност в таблицата задава нейната дължина, втората - броя заети клетки,

а въвеждането е след последната стойност), BCDI/IBCD преобразуване на

двоично число в цяло и обратно, ENI/DISI разрешава/забранява всички

прекъсвания, INT, RETI - за обработка на прекъсвания, PLS - за активиране

на импулсен изход, XMT - за комуникация и др.

Урок 4.5. Основни операции в контролерите


Цел на урока: Разглеждат се основните операции в контролерите и

предназначение им.


1. Булеви логически операции AND и OR

2. Булеви логически операции NOT, NAND, XOR и NOR

3. SR и RS тригери

4. Детекция на фронт I

5. Детекция на фронт II

6. Детекция на фронт III

7. Операции за сравняване

8. Операции за преместване и ротация I

9. Операции за преместване и ротация II

10. Аритметични операции

11. Числени операции

12. Операции за конвертиране

1.Булеви логически операции AND и OR

Булеви логически операции

- Операции AND и OR

Една връзка или операция от тип AND (логическо И) ще има състояние

„1” на изхода само когато на всички входове на AND-операцията

състоянието е „1”. Ако само един вход е със състояние „0”, то изходният

сигнал също ще е „0”. На Фиг.4.9 е показана таблицата на инстинност при

логическо И. Една конекция от тип AND може да има повече от два входа.

73

Фиг.4.9. Таблица на инстинност при логическо И

Една връзка или операция от тип OR (логическо ИЛИ) ще има състояние

„1” на изхода, когато състоянието дори само на един от входовете на OR-

операцията е „1”. Изходът ще бъде в състояние „0” само ако на всички

свързани входове състоянието е „0”. На Фиг.4.10 е показана таблицата на

инстинност при логическо ИЛИ. Една конекция от тип OR може да има

повече от два входа.

Фиг.4.10. Таблица на инстинност при логическо ИЛИ

2.Булеви логически операции NOT, NAND, XOR и NOR

- Логическо отрицание

Логическото отрицание NOT се използва за инвертиране на състоянието

на операнд или променлива. Това означава, че изходният сигнал на

елемент от тип огическо отрицание ще бъде „1” при „0” на входа и

обратно. На Фиг.4.11 е показана таблицата на инстинност при логическо

отрицание.

Фиг.4.11. Таблица на инстинност при логическо NOT

74

Логическото отрицание може да се използва и свързано към изходите на

конекции от типа AND и OR. Връзка от тип AND с логическо отрицание се

нарича NAND, а връзка от тип OR с логическо отрицание – NOR.

- Операция Изключващо ИЛИ (XOR)

Булевият елемент с два входа XOR (Exclusive-OR, Изключващо ИЛИ)

има изходен сигнал „1”, ако двата входа са с различни състояния на

сигналите. Това означава, че ако на единия вход сигналът е „1”, а на

другия – „0”, операцията XOR ще даде резултатен сигнал „1”. На Фиг.4.12

е показана таблицата на инстинност при XOR.

Фиг.4.12. Таблица на инстинност при XOR

3.SR и RS тригери

SR и RS тригери

SR и RS тригерите [AutoMatic project 2009-1BG1-LEO05-01640 - Модул

4] се използват за удължаване на жизнения цикъл на сигнал, появил се за

кратко време, до един програмен цикъл. Затова SR и RS тригерите се

наричат също функции за съхранение.

- При SR тригера ако входът S (Set) е в ниво „1”, а входът R (Reset) – в

ниво „0”, изходът Q се установява в „1” и остава в това състояние докато

не бъде ресетиран (нулиран). Евентуална промяна на вход S няма да

повлияе на изхода Q, ако той е в състояние „1”. Изходът Q се нулира, ако

на вход R се подаде сигнал „1”, без значение какво е текущото състояние

на вход S. Затова SR тригерите се наричат тригери с доминиращо

нулиране.

- При RS тригерите ако вход R е в ниво „1”, а вход S – в ниво „0”,

изходът Q се установява в „0” и остава в това състояние, докато не бъде

установен в „1”. Изходът се установява в „1”, ако на вход S се подаде

сигнал „1”, без значение какво е текущото състояние на вход R. Затова тези

тригери се наричат тригери с доминиращо установяване в „1”. Промяна на

75

сигнала на вход S не оказва влияние на изхода Q, ако той е в състояние „1”,

а вход R – в „0”.

4.Детекция на фронт I

Детекция на фронт

Детекцията на фронт се използва за откриване на промени в състоянието

на сигнали [AutoMatic project 2009-1BG1-LEO05-01640 - Модул 4].

Предният фронт на сигнал (когато сигналът се променя от „0” в „1”) се

нарича положителен фронт, а задният (промяна от „1” в „0”) – отрицателен

фронт. Сигналът за детекция на фронт (импулс) се формира от

непрекъснат сигнал с дължина от един програмен цикъл Фиг.4.13.

Фиг.4.13. Продължителност на сигналите за детекция на фронт

За реализиране на детекцията на фронт с контролер се изисква

променлива, която да съхранява състоянието на сигнала от предишния

програмен цикъл. Съществуват стандартни функции за детекция на

промяна на фронт. Освен това детекцията на фронт може да се реализира с

операция AND и SR/RS тригери.

76

5.Детекция на фронт II

Функцията за детекция на преден фронт открива промяна на

състоянието на сигнал от „0” в „1” чрез входния операнд IO Фиг.4.14.

Фиг.4.14. Детекция на преден фронт с операнд AND и SR тригер и

състояния на сигналите на операндите

Текущото състояние на сигнала на входния операнд IO в RLO бита се

сравнява със състоянието на сигнала на входния операнд от предишния

програмен цикъл (операнд EO). Ако предишното състояние на сигнала на

входния операнд е било „0” и RLO битът е „1”, то RLO битът ще бъде „1”

(импулс) и импулсният изходен IPO сигнал се установява в „1” за един

програмен цикъл. При всички останали случаи състоянията на RLO и на

импулсния операнд IPO са „0”. Стойността на RLO бита от детекцията на

заден фронт на предишния програмен цикъл се съхранява в операнда на

фронт ЕО.

6.Детекция на фронт III

Функцията за детекция на заден фронт открива промяна в състоянието

на сигнала от „1” към „0” чрез специфицирания входен операнд IO

Фиг.4.15.

Фиг.4.15. Детекция на заден фронт с операнд AND и SR тригер и

състояния на сигналите на операндите

77

Текущото състояние на сигнала на входния операнд в RLO се сравнява със

състоянието на сигнала на входния операнд IO при предишния програмен

цикъл (фронтов операнд EO). Ако предишното състояние на сигнала на

входния операнд е било „1” и RLO е „0”, то RLO ще стане „1” (импулс) и

импулсният изходен IPO сигнал се установява в „1” за един програмен

цикъл. При всички останали случаи състоянията на сигналите на RLO и на

импулсния операнд IPO са „0”. Резултатът от RLO от детекцията на заден

фронт на предишния програмен цикъл се съхранява в операнда на фронт

ЕО.

При стандарта IEC 61131 се използват командите R_TRIG (преден

фронт) и F_TRIG (заден фронт) за детекция на промени в нивата на

сигнали.

7.Операции за сравняване

Операции за сравняване (компаратори)

С помощта на компараторите се сравняват два операнда/входа от един и

същи тип данни [AutoMatic project 2009-1BG1-LEO05-01640 - Модул 4].

Резултатът от сравнението се получава като булев изход на компаратора.

Изходът е „1”, ако сравнението (съотношението) е вярно и „0”, ако не е

вярно. Стандартът IEC 61131 използва следните операции за сравняване,

показани на Фиг.4.16.

Фиг.4.16. Операции за сравняване в IEC 61131

Важно е да се знае, че могат да бъдат сравнявани операнди (числа) само

от един и същи тип. Могат да се сравняват и данни от типове BOOL,

BYTE, WORD и DWORD, но само с функциите (операторите за

съотношение) „равно” и „неравно”.

78

8.Операции за преместване и ротация I

Операции за преместване и ротация

Функциите за преместване и ротация се използват за преместване на

съдържанието на променлив битов шаблон наляво или надясно с

определен брой позиции. При функциите за преместване освободените при

преместването позиции в шаблона се запълват от нули. При функциите за

ротация освободените при преместването позиции в шаблона се запълват

от битовете, които при преместването са излезли извън рамките на

шаблона.

Стандартът IEC 61131 предлага четири операции Фиг.4.17. за

преместване и ротация: SHL (shift left, преместване наляво), SHR (shift

right, преместване надясно), ROL (rotate left, ротация наляво) и ROR (rotate

right, ротация надясно).

Фиг.4.17. Операции за преместване и ротация

9.Операции за преместване и ротация II

Операциите по преместване и ротация изискват и число на преместване

или ротация (операнд N) за указване колко битови позиции на входния

операнд от тип битов шаблон трябва да бъдат преместени или ротирани.

При операнди от тип дума или при целочислени операнди N може да

приема стойности между 0 и 15, а при операнди от тип двойна дума или

тип double integer – стойности между 0 и 31. Съдържанието на операндите

от тип дума или двойна дума се премества надясно или наляво бит по бит.

Освободените при преместването позиции се запълват с нули.

79

Върху операнди от тип integer или double integer може да се осъществява

само преместване надясно бит по бит. Освободените при преместването

битови позиции се запълват със състоянието на предшестващия бит за знак

(при integer това е бит 15, а при double integer – бит 31). Ако знаковият бит

е „0” (операндът е положително число), освободените битове се запълват с

нули. Респективно, ако знаковият бит е „1”, освободените битове се

запълват с единици.

Функциите за ротация се използват само при променливи (операнди) от

тип двойна дума. Функцията за ротация ротира цялото съдържание на

операнда наляво или надясно бит по бит. Освободените при ротацията

битови позиции се запълват със стойностите на битовете, които са били

най-отляво или най-отдясно и при ротацията излизат извън заеманата от

операнда памет.

10.Аритметични операции

Аритметични операции

Стандартът IEC 61131 предлага следните аритметични операции:

събиране (ADD), изваждане (SUB), умножение (MUL), деление (DIV),

деление с остатък (MOD) и експонента (EXPT).

STEP 7 има четири аритметични функции [AutoMatic project 2009-

1BG1-LEO05-01640 - Модул 4] за стандартни аритметични изчисления с

цели (INT), double integer (DINT) и реални (REAL) числа и

променливи/операнди, декларирани с тип на данните INT, DINT или

REAL. Това са събиране, изваждане, умножение и деление. Делението с

числа от тип INT (DIV_I) и DINT (DIV_DI) дава като резултат само

частното. Делението с числа от тип DINT може да даде и остатъка от

делението, ако се използва функцията MOD_DI.

Аритметичните операции за трите типа числени формати в STEP 7 са

показани в Табл.4.3. Аритметичните операции се изпълняват само върху

операнди, числа или променливи с един и същи тип на данните – входните

и изходните операнди трябва да са от един тип данни.

80

Табл.4.3. Аритметични операции за целочислени и реални числа в STEP 7

11.Числени операции

Числени операции

Числените операции имат само един входен операнд [AutoMatic project

2009-1BG1-LEO05-01640 - Модул 4]. IEC 61131 дефинира следните

числени операции: абсолютна стойност (ABS), квадратен корен (SQRT),

натурален логаритъм (LN), логаритъм (LOG), експонента (EXP), синус

(SIN), косинус (COS), тангенс (TAN), аркус синус (ASIN), аркус косинус

(ARCOS) и аркус тангенс (ARTAN). IEC 61131 изисква числените

операции да имат едни и същи типове входни и изходни операнди.

При повечето числени операции могат да се използват само данни от тип

REAL. Единственото изключение е функцията за абсолютна стойност,

която може да работи и с данни от тип INT и DINT. STEP 7 поддържа

повечето числени функции, дефинирани от стандарта IEC 61131 – липсва

само функцията за логаритъм.

- LN изчислява натуралният логаритъм (логаритъм с основа е =

2.718282) на реалното число на входа (IN).

- EXP изчислява експоненциалната стойност (стойността при основае)

на реално число.

- SIN, COS и TAN изчисляват съответно синуса, косинуса и тангенса на

ъгъл, зададен в радиани.

- ASIN, ACOS и ATAN изчисляват съответно аркус синуса, аркус

косинуса и аркус тангенса на реално число. Резултатът е ъгъл в радиани.

81

- ABS намира абсолютната стойност на реално число, функцията SQR

изчислява квадрата на реално число, а функцията SQRT – квадратния

корен на реално число. Резултатът от функцията SQRT е положителен, ако

входният операнд е със стойност по-голяма или равна на нула.

12.Операции за конвертиране

Операции за конвертиране

Операциите за конвертиране се използват за преобразуване на данни от

един тип в друг. Например един операнд в BCD формат трябва да се

използва в дадена аритметична функция. Необходимо е първо стойността

на операнда да се преобразува във формат INT или REAL. След това

преобразуваната стойност може да се използва за аритметични изчисления.

Ако е необходимо резултатът също да е в BCD формат, той се конвертира

в BCD формат след изпълнението на аритметичната функция. В Табл.4.4 са

показани някои операции за конвертиране на IEC 61131.

Табл.4.4. Операции за конвертиране на IEC 61131

Стойности от типовете INT и DINT могат да се преобразуват

(конвертират) в стойности от тип INT, DINT, REAL и BCD с помощта на

функциите INT_TO_BCD, INT_TO_DINT, DINT_TO_BCD, DINT_TO_INT

и DINT_TO_REAL. Преобразуването на данни от тип INT в тип DINT се

извършва от функцията INT_TO_DINT. Първите 15 бита на стойността от

82

тип INT се прехвърлят директно в първите 15 бита на резултата от тип

DINT. Последният бит (бит 15) също се прехвърля, но се замества

последователно във всички битове от 15 до 31 на резултата от тип DINT.

Урок 4.6. Езици за програмиране на програмируеми логически

контролери (PLC)


Цел на урока: В този урок студентите се запознават с езиците за

програмиране на PLC. Особеноститe им.


1. Езици за програмиране на PLC I

2. Езици за програмиране на PLC II

3. Ладер диаграми (Ladder Diagram - LD) I

4. Ладер диаграми (Ladder Diagram - LD) II

5. Ладер диаграми (Ladder Diagram - LD) III

6. Функцинална блокова диаграма (Function Block Diagram - FBD) I

7. Функцинална блокова диаграма (Function Block Diagram - FBD) II

8. Последователна функционална диаграма (Sequential Function Chart -

SFC) I

9. Последователна функционална диаграма (Sequential Function Chart -

SFC) II

10. Списък с инструкции (Instruction List - IL)

11. Структуриран текст (Structured Text - ST) I

12. Структуриран текст (Structured Text - ST) II

13. Структуриран текст (Structured Text - ST) III

14. Избор на език за програмиране

1.Езици за програмиране на PLC I

Потребителските програми за системите за управление се създават на

развойна станция (среда). При програмируемите логически контролери се

ползва понятието програмираща станция (развойна станция е по-широко

понятие). Тя може да бъде персонален компютър с необходимото

програмно осигуряване или специализиран фирмена програмираща

станция.

Класификация на езиците за програмиране на PLC се извършва според

степента на детайлизация в процеса на програмиране. По този признак те

се делят на:

83

Езици от високо ниво:

- алгоритмични езици (С, PLM, BASIC, PASCAL);

- обектно-ориентирани езици (езици за проектиране на автоматизирани

системи за управление), базиращи се на възможностите за представяне на

алгоритъма на работа на логическо управляващо устройство във вид на

ориентиран граф - GRAFSTEP на Telemecanique, HIGHGRAPH на Siemens,

JARUS и т.н. Тези езици се ползват за програмиране на отделни части

(обекти) от системите за управление. Те се предлагат от фирмите като

надстройка на езиците за програмиране от ниско ниво.

2.Езици за програмиране на PLC II

Езици от ниско ниво:

- езици на релейно-контакторни символи;

- езици но функционални електрически схеми;

- езици на логически булеви изрази;

- езици на мнемонични команди.

Понастоящем разнообразието на входни езици за програмиране на

промишлени контролери е много голямо. Почти всяка фирма,

производителка на PLC, предлага свой език за програмиране. Създаденият

през 1993 г. стандарт IEC 61131-3 от някои производители на

програмируеми логически контролери (Allen Bradley, Eberle, Kloeckler-

Moeler, Omron, Pepper & Fuchs, Shettcontrol, Telemecanique и др.) e стремеж

за уеднаквяване на езиците за програмиране. С това се създава възможност

за използване на веднъж научения език с широк спектър от PLC системи,

базирани на стандарта. IEC 61131-3 предлага пет програмни езика за PLC,

подходящи за различни задачи. В съвременният си вариант езиците за

програмиране са взаимно свързани, т.е. дават възможности за автоматично

транслиране от един вид в друг.

3.Ладер диаграми (Ladder Diagram - LD) I

Ладер диаграми (Ladder Diagram - LD)

Ладер диаграмите са графичен език за програмиране на PLC, чието

начало е поставено от първите производители на програмируеми

контролери в САЩ. Този език "копира" електрическата схема на

изгражданите на базата на релейно-контакторни схеми устройства за

управление. Ладер диаграмата представлява графично описание на

логически инструкции, в които булевите променливи са изразени чрез

84

"контакти". Състоянията на отделните битове се определя от две основни

инструкции -"изпълни при затваряне" (examine if close -| |- ) и "изпълни при

отваряне" (examine if open -|/|- ). Тези две инструкции напълно

съответстват на релейните схеми "нормално отворен контакт" и "нормално

затворен контакт". Всъщност те изразяват по какъв начин участват

булевите променливи в логическото уравнение - с правата или с

инверсната си стойност.

В релейно-контакторните схеми, управлението на всеки изпълнителен

механизъм се извършва от отделна електрическа схема, започваща със

захранваща линия, преминаваща през паралелно или последователно

свързани контакти (в съответствие с логическата функция на

управлението) и завършват с т.нар. "бобина". Когато състоянията на

включените във веригата контакти позволят протичането на ток към

бобината, изпълнителният механизъм се активира.

4.Ладер диаграми (Ladder Diagram - LD) II

По аналогия с релейно-контактните схеми, всяко от устройствата

участващи в управлението на конкретния изпълнителен механизъм (или

междинно реле) се представя в комбинация от последователни и/или

паралелни логически връзки оформени, като отделно логическо уравнение

- "стъпало" в ладер диаграмата, съответствуващо на веригата за

управление.

Началото на всяко "стъпало" в ладер програмата, започва с условна

"линия на захранването" (power line), както в релейно-контактните

аналози. Прието е логическата комбинация между състоянията на

отделните "контакти" в логическото уравнение (стъпалото) да се нарича

"тестова зона", а участвуващите инструкции - "входни инструкции".

Последният елемент на всяко "стъпало" е условна "бобина" (изходна

инструкция), която се активира в резултат на текущото изчисление на

логическата комбинация от състоянията на входовете (контактите) в

"стъпалото".

Изходът се активира, ако резултатът от сканирането на входните

инструкции (изчисляването на логическата комбинация) е "истина"

(логическа единица) т.е., бит RLO (Result of logic operation) = 1 след

изпълнение на последната входна инструкция. Отделните стъпала в ладер

диаграмите се обработват от операционната система на промишления

контролер последователно отгоре надолу.

85

5.Ладер диаграми (Ladder Diagram - LD) III

На Фиг.4.18 се илюстрира съответствието между електромеханичната

верига за управление на изпълнителен механизъм и стъпало в ладер

диаграмата.

Фиг.4.18. Съответствие между електромеханична верига и стъпало в

ладер диаграма

Показаната електромеханична верига включва два последователно

свързани бутона РВ1 и РВ2, управляващи сирената. Бутонът РВ1 е

нормално отворен, а бутонът РВ2 е нормално затворен. Същата

електрическа верига е показана и като ладер програма състояща се от два

последователно свързани контакта към входовете ІО.0 и ІО.1, които

управляват изхода Q0.0 За анализиране състоянието и на двата контакта са

използувани инструкциите - "изпълни при затворено" (examine if closed).

На фиг.4.19 е показан пример на реализиране на две уравнения като

стъпала в ладер диаграма.

Фиг.4.19. Ладер диаграма

86

6.Функцинална блокова диаграма (Function Block Diagram - FBD) I

Функцинална блокова диаграма (Function Block Diagram - FBD)

Езикът на функционалните блокови диаграми е графичен език за

програмиране на промишлени контролери, използуващ логически

елементи (Logic boxes) за представяне на управляващите уравнения.

Началото му е поставено от европейските производители на PLC.

Всяко логическо уравнение се кодира самостоятелно и се оформя като

отделен логически сегмент (Logical Segment). Уравнението се кодира чрез

последователност от логически инструкции, всяка от които е представена

чрез логически елемент. Използуваните логически елементи при езикът на

функционалните блокови схеми са И, ИЛИ, ИЗКЛЮЧВАЩО ИЛИ (AND,

OR, XOR) и техните комбинации, а графичните символи и означения са

заимствани от логическата символика според стандарта IEEE Std. 91-1984.

Като пример на Фиг.4.20 е представено кодирането на логическо

уравнение чрез функционална блокова диаграма.

Фиг.4.20. Кодиране на уравнение чрез функцинална блокова диаграма

7.Функцинална блокова диаграма (Function Block Diagram - FBD) II

Един логически сегмент от функционалната блокова схема съответства

на едно стъпало от еквивалентна ладер диаграма. Последователността на

обработка на уравнението в логическия сегмент е отляво надясно и отгоре

надолу. Например първият логически елемент от представеният сегмент

има два входа. Първият вход зарежда RLO бита със стойността на

променливата 10.0. Извършва се логическата функция между инверсната

87

стойност на втория вход (променливата 10.2). Резултатът се съхранява

временно в RLO бита и се предава за обработка към следващия логически

елемент.

Логическите инструкции при функционалната блокова схема се наричат

"двоични логически инструкции" (Binary Logic Instruction). Те съответстват

на контактните инструкции при ладер диаграмите. Еквивалент на бобина е

инструкцията за присвояване (Assignment, =).

Една мрежа във FBD се обработва по следните правила:

- Оценяват се всички входове преди изпълнение на елемента.

- Оценяването на елемент не е приключило докато не са оценени всички

изходи.

- Оценката (обработката) на мрежа не е приключила, докато не са

оценени всички изходи на всички елементи от мрежата.

8.Последователна функционална диаграма (Sequential Function Chart -

SFC) I

Последователната функционална диаграма (Sequential Function Chart,

SFC)

Последователната функционална диаграма се използва за разбиване на

управляващата задача на приложението на по-малки части и управление на

тяхното изпълнение [AutoMatic project 2009-1BG1-LEO05-01640 - Модул

4]. Програмният поток се илюстрира от графично програмно представяне и

затова това е полезен инструмент за структуриране на PLC програмите. С

използването на SFC е възможно проектирането на последователни и

паралелни процеси на дадено приложение. Изпълнението на по-малки

програмни единици (напр. процеси, задачи) зависи от условията,

дефинирани от програмата и от поведението на входовете-изходите.

Самите програмни единици могат да се програмират на някой от другите

езици на стандарта IEC 61131-3. Особено подходящи за програмиране на

SFC са процеси от тип стъпка по стъпка. Първото ниво на структуриране

при SFC е мрежата, която е изградена от елементи, наречени стъпки и

преходи. Стъпката може да е активна и неактивна. Когато е активна,

асоциираните инструкции се изпълняват докато стъпката стане неактивна.

Промяната на статуса й се дефинира от условие за преход, което е булев

израз. Ако условието за преход стане TRUE се активира следващата

стъпка, а предходната се деактивира.

88

9.Последователна функционална диаграма (Sequential Function Chart -

SFC) II

Със задействането на прехода „активният” атрибут се предава от

активната стъпка към следващия я елемент/елементи и следователно се

придвижва през стъпките, изграждайки мрежата. Този атрибут може да

бъде разединен при случая на паралелни клонове и да бъде съединен

отново след края на паралелния клон. На Фиг.2.21 е показан пример за

езика SFC.

Фиг.2.21. Представяне чрез последователна функционална диаграма

10.Списък с инструкции (Instruction List - IL)

Списък с инструкции (Instruction List - IL)

Списъкът с инструкции (Instruction List, IL) е машинно-ориентиран език

от ниско ниво, предлаган от повечето програмни системи. Той е

универсален и често се прилага като общ междинен език, към който се

транслират останалите езици. IL е език, ориентиран към използване ред по

ред. Една инструкция, която е изпълнима команда за контролера, се описва

точно на един ред. Състои се от елементите, показани на Фиг.4.22.

89

Фиг.4.22. Структура на IL

Инструкцията започва с операция или команда и един или няколко

операнда, разделени със запетаи. Инструкциите може да се предхождат от

етикети, следвани от двоеточие. Етикетът играе ролята на адрес на преход.

Ако се използва коментар, той трябва да е последния елемент от реда.

Коментарите започват със стринга „(*” и завършват с „*)”.

При STEP 7 се използва символът „//” за указване началото на коментар.

Етикетите са необходими, за да позволяват преходи в изпълнението на

програмата от редове на други позиции в програмата.

11.Структуриран текст (Structured Text - ST) I

Структуриран текст (Structured Text - ST)

Структуриран текст е език от високо ниво за задачи за управление и

сложни математически изчисления. Той е представител на алгоритмичните

езици и се базира на възможността за представяне работата на системата за

управление чрез блокова схема на алгоритъма за управление (Flowchart).

Той най-добре и лесно работи с логически и аритметични операции,

операции за обработка на данни, както и осигурява лесен достъп до всички

адресируеми области от промишления контролер. Отделните елементи от

блоковата схема на алгоритъма на работа се кодират директно с

инструкции, представляващи текстови изрази (Literal Phrases). Текстовите

изрази са три типа - безусловен израз, условен израз и цикъл.

- Безусловният израз (Action Phrase) позволява извършването на едно или

няколко действия върху различен тип обекти. Отделните действия могат да

бъдат описани с един оператор, а може да се приложи и съставен оператор

(верига от оператори). Безусловните изрази се прилагат за описание на

линеен участък от алгоритмичната блокова схема. Пример за безусловен

израз с верига от оператори е показан на Фиг.4.23.

90

Фиг.4.23. Безусловен израз в ST

12.Структуриран текст (Structured Text - ST) II

- Условните изрази (Condition Phrase) позволяват извършването на

действия в зависимост от резултата от определена проверка. Условните

изрази се реализират чрез класическата If, Then, Else конструкция

Фиг.4.24.

Фиг.4.24. Условен израз в ST

- Циклите (Iterative Phrase) позволяват непрекъснато изпълнение и

многократно повторение на действия, до изпълняване на определено

условие. За организирането на цикли се използват класическите For ... Next

и While ... Do конструкции от алгоритмичните езици Фиг.4.25.

91

Фиг.4.25. Обособяване на цикли в ST

13.Структуриран текст (Structured Text - ST) III

Прилагането на структурирания текст съкращава значително времето за

програмиране, в сравнение с използуването на мнемоничните инструкции,

ладер диаграмите и функционалните блокови схеми. Като недостатъци

могат да се изтъкнат по-големия обем на изпълнимия код, получен след

компилирането на програмата, както и затруднената настройка и

диагностика на работната програма.

Предимствата му пред IL са доста компресираната формулировка на

програмните задачи, ясна конструкция на програмата в блокове с правила

(инструкции) и мощни конструкции за управление на командния поток. За

разлика от IL, едно правило при ST може да бъде от няколко реда или

няколко правила могат да се запишат на един ред.

Стандартът позволява също използването на други програмни езици

(като С++), ако те отговарят на някои базови изисквания.

92

14.Избор на език за програмиране

Избора на език за програмиране зависи от потребителя и приложението,

което той трябва да реализира. Фиг.4.26 представя един и същ сегмент от

програма, реализиран на различните езици, дефинирани от IEC 61131.

Фиг.4.26. Реализация на програмен сегмент на различни езици съгласно

IEC 61131

Раздел 5: Приложение на програмируемите логически контролери.

Урок 5.1. Съображения при избор на контролер


Цел на урока: Този урок разглежда основните съображения при избор на

контролер за съответното приложение.


1. Kритерии за целесъобразност при избор на контролер I

2. Kритерии за целесъобразност при избор на контролер II

3. Минимална продължителност на входните въздействия I

4. Минимална продължителност на входните въздействия II

5. Минимална продължителност на входните въздействия III

6. Минимална продължителност на входните въздействия IV

7. Минимална продължителност на входните въздействия V

8. Максимално време на реакция

93

1.Kритерии за целесъобразност при избор на контролер I

Основни критерии за целесъобразност при избор на контролер са:

- размерност на управляваната система - обем памет, брой дискретни

входове и изходи, поддръжка на аналогови входове и изходи както и на

изходи с широчинно-импулсна модулация, брой таймери, броячи,

вътрешни битове, часовник за реално време;

- скорост на обработка на информацията (продължителност на цикъла и

дължина на програмата, наличие на бърз логически (булев) процесор и

безконтактна електроника);

- модулност, възможност за разширение и архитектура -

децентрализирана и/или централизирана (възможности за включване в

мрежа и за дистанционно управление), разделение на функциите по

проектиране, тестване и работа;

- простота на пускане и обслужване - наличие на модули за диагностика

и тестване, за донастройка по време на работа, лесно програмиране и

препрограмиране - адаптируемост (несложни езици, удобни команди и

видове адресации, наличие на програматор със симулатор);

2.Kритерии за целесъобразност при избор на контролер II

- надеждна работа в промишлена среда и реално време;

- възможности за обработка на прекъсванията - по потребителски

дефиниран протокол, по падащ или нарастващ фронт, по време, по

поредица от импулси или от бързи броячи, регламентиран достъп до

информацията, защита от смущения в това число от отпадане на

захранването и некомпетентни операторски действия, защита на входовете

и изходите (енергонезависимо захранване на изходите, програма за

безударно включване и изключване, за управление след възстановяване на

захранването, за времево моделиране), визуализация на състоянието на

входовете и изходите и на режимите, водене на архив (журнал),

развързване на силовите вериги (захранване, входове-изходи), периодично

тестване на отделните модули - процесорите, защитите, организация на

‘watch-dog’ за следене продължителността на цикъла и някои операции;

- сложност на обработката на данните - наличие на многообразие от

команди и функционални блокове в това число с аритметика с плаваща

запетая, обработка на аналогови величини като филтрация, линеаризация и

апроксимация, ПИД и размит регулатори и т.н., нелинейни функции;

- цена на отделните модули, разпространеност, време за обучение и

внедряване.

94

3.Минимална продължителност на входните въздействия I

Начинa на работа на промишления контролер, последователното

обхождане на отделните фази, довежда до някои ограничения, които

трябва да се имат предвид при избора на подходящ контролер за дадено

приложение. Двете основни ограничения които съществуват са минимална

продължителност на входните сигнали и минималното време от

възникването на входно въздействие и изработването на адекватна изходна

реакция.

Изискванията за минимална продължителност на входните сигнали

възниква поради факта, че потребителската програма няма достъп до

входните точки на контролера, а работи с областта на входните битове и

освен това входните битове се опресняват само във фазата на сканиране на

входовете.

На следващите фигури са показани три примера на постъпващо входно

въздействие. Със съкращенията IN, PRG, OUT, COM и H&O ca означени

съответните фази на оперативния цикъл ОС на контролера. Активирането

на входната точка се извършва асинхронно спрямо операционния цикъл на

промишления контролер.

4.Минимална продължителност на входните въздействия II

На Фиг.5.1 е показан пример при който пристигат входни въздействия с

продължителност по-малка от максималната продължителност на

оперативния цикъл Tocmax.

Фиг.5.1. Отчитане на входно въздействие с продължителност по-малка

от продължителността на оперативния цикъл

В първия оперативен цикъл, входното въздействие попада във времето

на сканирането на фазата IN и ще бъде отчетено. Във втория оперативен

цикъл, входно въздействие със същата продължителност засяга част от

фазата на сканиране на входовете и може да бъде или да не бъде отчетено,

в зависимост от момента на стробиране на входната информация. В третия

95

оперативен цикъл входното въздействие не покрива фазата на сканирането

на входовете и не може да бъде отчетено.

5. Минимална продължителност на входните въздействия III

Анализът на тези три случая показва, че за да попадне дадено

въздействие във фазата на сканиране на входовете е необходимо то да бъде

с продължителност не по-малка от времето на оперативния цикъл. На

Фиг.5.2 е показан случай при който продължителността на входното

въздействие е точно равна намаксималната продължителност на

оперативния цикъл. Тогава обаче съществуват ситуации, при които

входното въздействие може да не „покрие" изцяло фазата на сканиране на

сканиране на входовете.

Фиг.5.2. Отчитане на входно въздействие с продължителност равна на

продължителността на оперативния цикъл

Както е показано на фигурата, то се активира в даден момент на първия

оперативен цикъл и се дезактивира в същия момент на следващия цикъл,

т.е съществува вероятност прочитането (стробирането) на входната

информация да се извърши точно в този преходен момент и въздействието

да не може да бъде възприето. Ясно е, че продължителността на входното

въздействие трябва да е по-голяма от максималната продължителност на

оперативния цикъл.

6.Минимална продължителност на входните въздействия IV

За да се гарантира правилното възприемане на входното въздействие е

необходимо да се осигури условието то да покрие изцяло поне една фаза

по сканиране на входовете Фиг.5.3, а това е възможно само ако

минималната продължителност на входното въздействие е равна на

максималното време на оперативния цикъл плюс максималното време за

сканиране на входовете:

96

Фиг.5.3. Минимална продължителност на входно въздействие

От казаното до тук следва, че входни въздействия с продължителност по-

малка от минималната не могат да бъдат обработени от стандартните

средства на операционната система на промишления контролер. За такива

случаи се въвеждат специални методи, които най-често се свеждат до два.

Първият използува т.нар. „разтягане на импулса", което се реализира по

апаратно-програмен път. Фиг.5.4 илюстрира този начин на обработване.

Фиг.5.4. Апаратно програмен метод за „разтягане" на кратко

въздействие

7.Минимална продължителност на входните въздействия V

При активен фронт на входното въздействие, то се запомня в апаратен

тригер докато премине фазата на сканиране на входовете, когато тригерът

се нулира. Нулирането на тригера трябва да стане по програмен начин,

само ако е възприето въздействието.

Вторият начин за възприемане на краткотрайни въздействия е

използуването на прекъсвания. Входящия сигнал се подава на вход за

апаратно прекъсване на микропроцесорната система на промишления

контролер. Активирането му предизвиква прекъсване на оперативния

цикъл на контролера и извикването на програма, обслужваща това

прекъсване (Interrupt Function). Оперативния цикъл се възстановява в

местото където е прекъснат, след изпълнение на прекъсващата програма.

Прекъсванията могат да бъдат външни (предизвикани отуправляемия

97

обект) и вътрешни (предизвикано от вътрешно събитие, като например

установяване на таймерен бит и др.). Прекъсванията могат да се

възприемат по всяко време на изпълнение на оперативния цикъл,

независимо от това дали се изпълнява главната програма или подпрограма.

Едновременно с това обаче, обработката на прекъсванията може да се

забрани през определено време на работата на контролера.

Когато операционната система на промишления контролер регистрира

прекъсващо събитие, тя създава т.нар. точка на прекъсване и предава

управлението на програма за обслужване на прекъсването, наречена

прекъсваща програма. Процедурата по предаване управлението на

прекъсващата програма се нарича влизане в прекъсване. Прекъсващата

програма се изпълнява еднократно, след което операционната система

възстановява изпълнението на програмата в точката на прекъсването.

Процедурата по възстановяване на изпълнението на програмата се нарича

връщане от прекъсване.

8.Максимално време на реакция

Друг важен параметър на промишлените контролери е т.нар.

максимално време на реакция Фиг.5.5. To се определя от момента на

постъпване на входното въздействие до изработването на адекватна

изходна реакция. От направените пo-гope разглеждания за минимална

продължителност на входящото въздействие може да се заключи, че в най-

лошия случай активирането на входа ще се отчете във втория оперативен

цикъл, т.е. може да се запише:

Фиг.5.5. Максимално време на реакция на промишлен контролер

98

Урок 5.2. Мерки за безопасност при работа с контролери


Цел на урока: В този урок студентите се запознават с мерките за

безопасност при работа с програмируеми контролери.



2. Мерки за безопасност при работа с контролери I

3. Мерки за безопасност при работа с контролери II

4. Мерки за безопасност при работа с контролери III

5. Мерки за безопасност при работа с контролери IV


Архитектурното и софтуерно изграждане на програмируемите

контролери е подчинено на модулен принцип. Конкретното изпълнение е

съобразено с особеностите на промишлената среда. Влиянието на

физически и механични фактори (високи/ниски температури, влажност,

излъчване, запрашеност, вибрации и др.) както и на химически агресивни

фактори и полета изисква допълнителни мерки за защита на PLC

(например принудителна вентилация, херметизиране, защитни лакови

покрития и др.).

Основни източници на смущения са появата на термо-е.д.н.,

потенциалната разлика при контакт на метали с различна химическа

активност, електростатичното и електромагнитното влияние в близост до

трансформатори, заваръчни съоръжения и т.н. За тяхното отстраняване са

предвидени разделителни трансформатори в променливотоковите контури

и оптронно галванично разделяне на постояннотоковите сигнали на входа

и изхода на контролера. Базово ниво на безопасност (сигурност) може да

се постигне с избор на подходящо оборудване като устройства (ключове)

за аварийно спиране, предпазна решетка и/или защитни крайни

изключватели.

Потребителската програма за PLC трябва да бъде така направена, че

евентуалните грешки да не водят до опасни състояния на системата. Това

се отнася за цялата система за управление и може да включва и други

управляващи технологии като хидравлично, пневматично или механично

управление.

99

2.Мерки за безопасност при работа с контролери I

За осигуряване на надеждна работа се въвежда контрол на

продължителността на даден процес чрез специализиран таймер ‘watch-

dog’. Този таймер може да бъде вграден в управляващия микроконтролер

или реализиран чрез специализирани интегрални схеми. При блокиране на

програмата таймерът престава да се презарежда и се предизвиква

прекъсване или автоматично начално установяване на цялата система. При

аритметически операции се следи за препълване или деление на нула.

Наблюдава се също продължителността на цикъла да е в определените

граници. В началото на всеки цикъл се провежда систематичен тест на

централния процесор. Достоверността на информацията се осигурява чрез

използване на шумозащитени кодове и проверка за четност (нечетност).

Предвиден е сигнал за ниво на захранващото напрежение, който е свързан

със системата за приоритетни прекъсвания, активираща програма за

защита на информацията. При повечето PLC се допуска автоматично

пускане след възстановяване на захранването като се започва с фаза

инициализация или с възобновяване на състоянието преди отпадане на

захранването.

Има определени правила, които трябва да се спазват на етапите на

проектиране и производство на една автоматизирана система. Важни

регулации за производителите на машини са директивите за машини и

съоръжения 2006/42/ЕС, за електромагнитна съвместимост 2004/108/ЕС и

за нисковолтови приложения 2006/95/ЕС. Има и други европейски и

международни стандарти, които също трябва да се спазват при

автоматизацията на процеси.

3.Мерки за безопасност при работа с контролери II

Препоръчва се спазването на следните мерки [AutoMatic project 2009-

1BG1-LEO05-01640 - Модул 4] за безопасност при работата с

автоматизирани системи:

- по принцип трябва да се избягват опасни ситуации, при които могат да

пострадат хора или да бъдат повредени машини;

- възникването на проблеми с входните вериги на системата за

управление (скъсване на проводници, къси съединения, проблеми със

заземяването) не трябва да довежда до самопроизволно стартиране на

машината, нито пък трябва да възпрепятства нейното спиране;

- не трябва да се допускат условия за самопроизволно стартиране на

машина след изключване на захранването й;

100

- устройствата за аварийно спиране и защитните крайни изключватели

трябва да останат използваеми в случай на авария. В случай на активиране

на функцията за аварийно спиране е необходимо възможно най-бързо

автоматизираната система да се приведе в безопасно състояние.

Деактивирането на устройството за аварийно спиране не трябва да води

автоматично до рестартиране на системата (за целта трябва да се използва

отделен бутон). Веригата за аварийно спиране трябва да бъде независима

от управляващата система на PLC, например с използване на контакторна

технология;

4.Мерки за безопасност при работа с контролери III

- трябва да се използват Fail-safe (по терминологията на Siemens) връзки,

например за функцията „Stop” или за функцията за аварийно спиране. Това

означава, че сигналът на изпълнителното устройство е винаги „1”, ако то

не е активирано, а при активиране или скъсване на проводник или при

откачане на на изпълнителното устройство, неговият сигнал се променя на

„0” и работата на системата се спира или се предотвратява пускането й;

- трябва да се използват блокировки за предотвратяване на нежелани

условия за включване и защити срещу непозволени режими на работа.

Входове и изходи, работещи на реципрочен принцип (например движение

наляво и надясно) трябва да се блокират взаимно чрез съответното

окабеляване, както и от програмата на контролера. Задвижващата ос

трябва да бъде допълнително ограничена с крайни изключватели, които да

въздействат директно върху веригата на двигателя;

- трябва да се използват системи с резервиране. В най-критичните части

на системата за управление устройствата (ключове, сензори, бутони и др.)

трябва да бъдат дублирани. Например могат да се използват два защитни

крайни изключвателя с нормално отворени и нормално затворени контакти

в единия край на оста за мониторинг на повреди от типа на скъсване на

проводник, повреден контакт (нормално отворен контакт не се затваря или

нормално затворен контакт не се отваря), късо съединение между два

проводника и повреда на един от двата крайни изключвателя;

5.Мерки за безопасност при работа с контролери IV

- да се използват екранирани кабели за предотвратяване на нежелани

промени на сигналите (на цифровите входове/изходи) и неверни измерени

сигнали (на аналоговите входове/изходи);

- при случаи на смущения в напрежението за логическите нива „0” и „1”

трябва да се използва филтър за потискане на смущенията и кондензатор за

защита. Мрежовият филтър за потискане на смущения предпазва от

свръхнапрежения и смущаващи сигнали в захранващото напрежение.

101

Кондензаторът съхранява електрическа енергия, като по този начин

захранващото напрежение на контролера е защитено в случай на моментно

прекъсване на напрежението;

- взаимното индуктивно напрежение трябва да се елиминира директно на

мястото на възникване, т.е. на индуктивния елемент посредством потискащ

диод (за постоянно напрежение), кондензатор (за променливо напрежение)

или варистор (резистор, който се променя според напрежението);

- функцията „Start” трябва да може да се изпълнява само в случай, че

сигналите, следящи за безопасността, индикират безопасни условия;

- функцията „Stop” на системата трябва да има приоритет над функцията

„Start”.

При пускането в експлоатация на автоматизираната система също трябва

да се спазват съответни мерки за безопасност. Една промяна в

потребителската програма по време на работата на системата съответства

на промяна в свързването на проводници под напрежение.

Урок 5.3. Приложение на програмируемите логически контролери в

промишлеността


Цел на урока: В урока се посочват конкретни примери за приложение на

програмируемите логически контролери в промишлеността.


1. Тенденции за развитие в областта на управление на движението (Motion

Control) I

2. Тенденции за развитие в областта на управление на движението (Motion

Control) II

3. Машина за етикиране на преждови тела тип ЕМР 1800

4. Машина за навиване на преждови тела

5. Eтикетираща машина GM360Е

6. Многопозиционен металообработващ CNC център

7. Управление на вълнопродуктор

8. Управление на аеродинамична тръба

9. Технологична линия за щанцоване на метални капачки

102


(Motion Control) I

Едновременно с бързото развите на PLC технологиите, в днешно време

все повече нарастват и изискванията за кратко време за инженеринг и

пускане в експлоатация. Същевременно се налага и противоречивото

изискване за понижаване на цената на готовите продукти. За да се

посрещнат тези изисквания, в областта на авотаматизацията се наблюдават

две интересни тенденции.

Едната от тях е постоянния стремеж за увеличаване на софтуерната

реализация на частта, управляваща движението, за сметка на механичната

част Фиг.5.6. Тази тенденция е логична, като се има предвид, че софтуера

се променя и развива много по-лесно от механичната част. Друго

предимство е, че по този начин значително се намалява цената за развитие

на продукта, тъй като се правят разходи само за развитие на нов софтуер,

но не се влагат нови материали. Освен това и корекцията на грешки при

проектирането става много по-лесно.

Фиг.5.6. Тенденция за намаляване на механичната част в системите за

автоматизация

Множество машинни конструкции могат лесно да бъдат заменени с техни

софтуерни аналози. Такива са редукторите (респективно

мултипликаторите), гърбичните механизми, механизми, даващи сигнали,

съответстващи на определени позиции, куплиращи и разкуплиращи

механизми и много други. Софтуерните аналози улесняват работата

поради добрата връзка между серво-задвижданията (които също имат

преобладаваща софтуерна част) и управляващата система.

103

2.Тенденции за развитие в областта на управление на движението

(Motion Control) II

При разработката на една машина или технологична линия могат да се

разграничат няколко основни части Фиг.5.7.

Фиг.5.7. Основни части при разработката на машина или технологична

линия

От фигурата се вижда ясно, че основната чат от разработката е свързана

със задвижващата и управляващата част. Ето защо е толкова важно

управляващата част да бъде добре развита и достатъчно адаптивна. Поради

наличието на мощни микропроцесори днес е възможно управляващата част

да се интегрира в контролера, там където е и логиката. Това до голяма

степен редуцира разходите на системата като цяло. Именно в това се

проявява и втората тенденция в областта на автоматизацията –

интегриране на управлението на движението в самия PLC Фиг.5.8. Това

стана възможно поради наличието на високопроизводителни

микропроцесори.

Фиг.5.8. Тенденция за вграждане управлението на движението в PLC

104

3.Машина за етикиране на преждови тела тип ЕМР 1800

Машина за етикиране на преждови тела тип ЕМР 1800

Автоматичната машина за етикиране на преждови кълба служи за

автоматично залепване на етикет около централната им част. Преждовите

кълба се поставят на специални поставки, монтирани върху транспортна

лента. Всяко от тях се позиционира в работната зона и се захваща по

дължината на оста с два срещуположни държача. Предварително

отрязаният етикет се позиционира с механизъм тип вендуза. Върху него се

залепва стикер с отпечатани баркод, дата, час и работна смяна. Етикетът

със стикера се пренася в работната зона, увива се около преждовото кълбо

и се залепва.

Технически характеристики:

- Цикъл на залепване – 4 s.

- Автоматична пренастройка на машината при всяка смяна на диаметъра

на преждовото кълбо, широчината на хартиения етикет и широчината на

самозалепващия се стикер.

- Асортимент на кълба от 20 до 100 грама.

Видео клип: Lepene etiketi kylbeta- 022-emp 1800.mov – този видео клип

може да го стартирате с следните програми: KMPlayer, QuickTime Player.

4.Машина за навиване на преждови тела

Машина за навиване на преждови тела

Управлението е приложено във високопроизводителна машина тип

АК12 за навиване на преждови кълба в широк обхват от форми и тегла в

съответствие със стандартите. Всички нишководачи се задвижват чрез

зъбно-ремъчни предавки от общ асинхроненмотор, чиято скорост се

управлява от честотен инвертор. Всички вретена сезадвижват чрез зъбно-

ремъчни предавки от един серво мотор тип DT. Към ремъчните предавки

на нишководачите е монтиран фоторастров преобразувател, който изпраща

данни към контролер (PLC) за текущата скорост и позиция на

нишководачите.

На база на тази информация PLC управлява вретената, като следва

синхронно нишководачите с зададено отношение на прекръстосване. През

целия процес на навиване PLC динамично изчислява обема на преждовото

кълбо и намира позицията на всяка следваща намотка, така че нишките в

целия му обем са подредени една до друга. Всички вретена на машината са

105

монтирани на люлееща се маса, задвижвана от хидравличен цилиндър.

Наклонът на масата се задава от PLC и позволява навиване под различни

ъгли в обхват от 5° до 85°. В паметта на контролера могат да

бъдатсъхранявани до 30 потребителски програми за навиване на различни

типове кълба.


- Скорост на навиващата перка до 1500 min-1.

- Асортимент на кълба от 20 до 300 грама чрез подмяната на 8 броя

вретена.

- Модулна система на управление, осигуряващо 6 или12 (6+6) вретена и

перки.

- Бързо пренастройване благодарение на лесно сменяемите вретена.

Видео клип: Kardena-AK12.mov– този видео клип може да го стартирате с

следните програми: KMPlayer, QuickTime Player.

5.Eтикетираща машина GM360Е

Eтикетираща машина GM360Е

Напълно автоматичната роторна етикетираща машина GM360Е е

предназначена за етикетиране на PET бутилки с 360 (обиколен) PVC

етикет с горещо лепило – система “Hotmelt”. Tази система се

характеризира с минимален разход на лепило, със сравнително ниска

себестойност на етикетиране и добър търговски вид на крайния продукт.

Етикетите са във вид на ролка, която машината развива, реже по маркер,

обмазва с лепило предния и задния край на етикета и залепва върху

бутилката. Машината е снабдена със собствена транспортна система,

осигуряваща минималното количество бутилки за нейната нормална

работа и автоматичното и настройване към постъпващия поток от тях.

Задвижването на машината става посредством мотор-редуктор с

регулиране на производителността. Подаването на бутилките се

осъществява с помощта на шнек и звезда.


- Производителност до 7000 бутилки/час.

- Ел. захранване 380 (400) V; 50 Нz.

- Консумирана мощност 5.5 кW.

- Максимален диаметър на бутилките 150 mm.

- Максимална дължина на етикета 460 mm.

106

- Оперативно напрежение 24 V.

- Налягане на въздуха 6 atm.

Видео клип: GM-GM360E.mov– този видео клип може да го стартирате с


6.Многопозиционен металообработващ CNC център

Многопозиционен металообработващ CNC център

Многопозиционният металообработващ CNC център е изграден на

модулен принцип. Основният модул за механична обработка се състои от

въртяща делителна маса, пет CNC работни позиции, манипулатор за

сваляне на готовия детайл и зареждане на нова заготовка. Втория модул е

електрическият шкаф, в който е разположено управлението на машината,

състоящо се от серво инвертори, CNC, PLC, потребителски интерфейс и

автоматика. Третия модул е хидроагрегатът, с чиято помощ се задвижва

въртящата делителна маса и се захващат детайлите. Основните движения

се изпълняват от два серво двигателя. На всяка от петте позиции се

извършва механична обработка. Тя е по 5 оси, като три от осите - X, Y и Z

- са линейни, а две - Sp и B - кръгови. Към ос B се захваща детайла.

Обработката на всички позиции се извършва едновременно.


- Точност на обработка - 1μm.

- Скорост при бърз ход – 20 m/min.

- Максимална скорост на шпинделите – 6000 min-1.

- Максимален ход по: ос Х – 80 mm, ос Y – 160 mm, ос Z – 120 mm.

Видео клип: CNC-Center.mov– този видео клип може да го стартирате с


7.Управление на вълнопродуктор

Управление на вълнопродуктор

Вълнопродукторът Фиг.5.9 представлява електромеханична система за

генериране на регулярно (по хармонически закон) и нерегулярно (по

случаен закон) двумерно вълнение с променлив ъгъл на вълновия фронт.

Вълнопродукторът намира приложение в басейни са изследване на

плавателни съдове, а така също и в басейни от атракционен тип.

Вълнението се създава от три колебаещи се с променлива честота и

107

амплитуда около хоризонтална ос стоманени пластини, формиращи фронт

на вълната с дължина 40 m. Пластините се задвижват синхронно от 4 серво

двигателя посредством съчмено-винтови двойки (СВД). Законът на

движение на пластините се програмира с помощта на компактния

контролер на АМК, тип AS-C12T-1. Програмата дава възможност за

въвеждане, непрекъснато следене и промяна заедно и поотделно на

амплитудата и честотата на предизвикваното вълнение.


- Обща дължина на пластините – 40 m.

- Височина на пластините – 3,1 m.

- Дълбочина на потапяне на пластините – 2,5 m.

Фиг.5.9. Вълнопродуктор

8.Управление на аеродинамична тръба

Управление на аеродинамична тръба

Аеродинамичната тръба Фиг.5.10 служи за създаване на въздушен поток

с променливи параметри за изпитване на аеродинамичните характеристики

на различни обекти. Тя представлява дозвукова затворена тръба с отворен

работен участък във вертикалната плоскост. Потокът се формира от

вградено в нея самолетно витло, чието задвижване се осъществява със

108

серво-техника на фирма АМК. Установката работи в два режима:

управление на скоростта на въртене на витлотоили управление на

скоростта на въздушния поток. За изградената конструкция на тръбата е

постигната устойчива максимална скорост навитлото 0 – 2000 min–1 с

точност 0,01 min–1. Над тази скорост (при 2100-2200 min–1) натоварването

на двигателя рязко се покачва и тръбата изпада в резонанс, койтоможе да

доведе до нейното разрушаване. Устойчивата скорост на въздушния поток

от 10,8 до 239,4 км/час се постига чрез PI регулатор и сензор за обратна

връзка, монтиран в тръбата и измерващ силата навъздушния поток.


- Скорост на витлото в обхват 0-2500 min –1.

- Точност на поддържане скоростта на витлото – 0,01 min–1.

- Устойчива скорост на въздушния поток 3 – 66,5 m/s (10,8 –239,4 km/h).

Фиг.5.10. Аеродинамична тръба

9.Технологична линия за щанцоване на метални капачки

Технологична линия за щанцоване на метални капачки

Линията Фиг.5.11 е предназначена за високоскоростно щанцоване на

метални винтови капачки тип “TWIST-OFF” за буркани, както и капачки за

бутилки за алкохол, лекарства и др. на кутии за боя, греси, лепила и др. Тя

е комплексно решение за всеки технологичен проблем при

високоскоростно щанцоване на детайли с предварително нанесена

литография и минимален брой обслужващ персонал. Технологичната

линия е изградена от три преси, които могат да работят напълно автономно

в зависимост от капацитета на производство с цел увеличаване гъвкавостта

109

на производствения процес. Към всяка преса работи позициониращо

устройство, което осигурява придвижване на листов материал с

максимални размери 1000 х 1000 mm.


- такт на работа на пресата 160 min-1;

- време за позициониране 0,5 s(0,3 s ход на подаване и 0,2 s работен ход

на пресата);

- максимална скорост 0,8 m/s, максимално ускорение 10 m/s2;

- точност на позициониране по ос “X” и ос “Y” 0,01 mm;

- въвеждане на 100 схеми за щанцоване;

- възможни са следните режими на работа: нулиране, настройка на

инструментална екипировка, настройка на подаването по ос “X” и ос “Y”,

режим единични удари без подаване, режим единични удари с подаване,

автоматичен режим.

Фиг.5.11. Технологична линия за щанцоване на метални капачки

110

Урок 5.4. Приложение на програмируемите логически контролери в

сградната автоматизация


Цел на урока: Посочват се примери за приложение на програмируемите

логически контролери при изграждане на сградна автоматизация.



2. Автоматизация на зали и специални помещения

3. Системи за жилищна автоматизация

4. Датчици и изпълнителни механизми

5. Контролери за сградна автоматизация

6. Проект - Allianz AG, Stuttgart, Германия

7. Проект - BKN Strobel, Holm, Германия

8. Проект - Eurotheum (Европейска Централна Банка), Frankfurt, Германия


Сградната автоматизация по същество представлява централна система,

събираща данни от всички инсталации в сградата и контролираща тяхната

работа спрямо желаните потребителски параметри и различни фактори

като външните атмосферни условия, заетостта на отделните помещения,

осветление и др.

Терминът автоматизация на сгради или сградна автоматизация (СА) или

на английски Building Automation (BA) навлиза все по-широко през

последните десетина години както в жилищното и общественото

строителство, така и в строителството на подвижни и стационарни

инфраструктурни съоръжения - мостове, тунели и други, включващи в себе

си множество датчици, сигнализации, управляващи и изпълнителни

устройства от различен тип.

За нормалното функциониране на тези строително-технически

съоръжения са необходими разпределени интелигентни системи, които

дават възможности на операторите на съоръженията да наблюдават и да

управляват дейността им в една или друга степен. Става дума за така

наречените разпределени управляващи системи (distributed control systems

- DCS), които в първоначалните си варианти бяха най-вече само системи за

събиране и визуализиране на данни (data acquisition systems), а

понастоящем са натоварени с все повече управляващи и оптимизиращи

функции. Съвременните сгради и съоръжения, включват множество

111

специализирани системи, като всяка система има собствена комуникация и

един или повече интерфейси с различни параметри.

2.Автоматизация на зали и специални помещения

Сградната автоматизация включва в най-простия случай автоматизация

на отделни специализирани зали и помещения, а в по-сложите случай се

разпространява на цели сгради и комплекси. За да функционират нормално

някой специализирани помещения трябва да имат определена степен на

подходяща автоматизация. Такива помещения са зали за концерти, зали за

лекции, зали за презентации, конгресни зали, зали за дистанционни

конференции (conference calls), зали за дистанционно обучение (distance

learning/trainings rooms), медицински операционни зали, чисти помещения

за определени производства и много други.

Залите за лекции и конференции също имат нужда от автоматизация. Те

обикновено включват аудио-визуална система, система за избор и

разпространяване на превод на няколко езика, система за контролиране на

прозорците, пердетата и щорите, система за контрол на достъпа,

пожароизвестителна система, система за гасене на огъня, система за

вентилация и климатизация и други системи и подсистеми. Обикновено

всичките тези системи са свързани с различни интерфейси към пулт или

зала за единно управление на автоматизацията.

3. Системи за жилищна автоматизация

Системите за автоматизация на дома (САД) или home automation systems

(HAS), придобиха популярност около 1980 година, когато цените на 8-

битовите микропроцесори и микроконтролери се намалиха значително, а

от друга страна производителността на малките компютри стана

значителна.

Понастоящем концепцията се развива под формата на интелигентния

дом (smart home) и на пазаря се предлагат хиляди продукти започвайки от

интелигентни дистанционни термометри, които показват температурата

извън сградата и вътре в сградата, мине се през домашни метеостанции,

термостати, автоматизация на врати и прозорци и на климатизиращи

системи и се стигне до автоматизация на кухнята и мебелите.

Понастоящем САД обхващат огромна част от ежедневните дейности у

дома като се съобразява по предварително зададен алгоритъм с часовете в

денонощието, дните от седмицата, сезона, моментното състояние на

времето извън дома, броят и разположението на обитателите и животните

у дома, наличето на превозни средства в гаражите или в подходите към

тях, наличие на минувачи около дома или на посетители на входната врата

и т.н.

112

Домашната автоматизация може да управлява и аудиовизуалните

системи у дома, като например може да събужда или да приспива

обитателите с избрани картини и звуци (пеене на птици, шум на море или

на водопади и т.н.) и да изпълва помещенията с предварително избрани

миризми.

4. Датчици и изпълнителни механизми

Сградната автоматизация изисква използване на множество датчици,

които стават все по-интелигентни. Това са основно датчици за

температура, влажност, атмосферно налягане, отворени и затворени врати

и прозорци, консумиран ток, за позицията на изпълнителните механизми,

за нивото на шум, за наличие на вредни газове, за дим, за цялост на

прозорците, за автоматично разпознаване на звук от счупени стъкла, за

наличие на електромагнитни излъчвания и много други. Масово се

използват датчици, които определят дали в помещенията има персонал, в

какво количество е той (occupancy/vacancy sensors) и къде се намира.

Информацията постъпва на входовете на управляващото устройство

(PLC) Фиг.5.12, което от своя стана изготвя управляващо въздействие

върху различни изпълнителни механизми. Тук се включват релета,

електромагнитите и двигателите от различен тип (променливотокови

еднофазни и трифазни, постояннотокови) подбрани и инсталирани в

зависимост от товарите и начина на управление.

Фиг.5.12. Универсален базов компонент на системите за сградна

автоматизация

5.Контролери за сградна автоматизация

Контролерите за сградна автоматизация се използват за мониторинг и

управление параметрите на системата, например, отопление, вентилация и

електроразпределителни системи и др. Съществуват различни видове

контролери в зависимост от приложението, за което ще се използват,

113

скоростта и възможността за обработка на голям обем от данни. На

Фиг.5.13 е показано индустриално РС с вграден IEC - 61131-3 PLC

контролер.

Фиг.5.13. PLC контролер за управление на сграда с визуализация

На Фиг.5.14 са показани програмируеми логически контролери с монтаж

на дин-шина с възможност за локално управление в помещения,

управление на системи за вентилация и отопление.

Фиг.5.14. PLC контролери за локално управление в помещения

114

6.Проект - Allianz AG, Stuttgart, Германия

Модернизация на система за автоматизация и управление на сграда

Allianz AG, Stuttgart, Германия Фиг.5.15.

Фиг.5.15. Allianz AG, Stuttgart, Германия

Архитектура на управлението:

- CPU: BC3100/BC9000;

- HMI: TwinCAT OPC/hercon (customer specific);

- I/O: Ethernet and Profibus 20,000 сигнали (дискретни и аналогови).

Предимства за клиента:

- Съвместимост на стандартните компоненти със съществуващата

система.

- Отворена и гъвкава платформа, която позволява да се реализират

решения по изискванията на заявителя.

- Ethernet позволява да се използват стандартни мрежови компоненти.

- Децентрализирано управление.

115

7.Проект - BKN Strobel, Holm, Германия

Автоматизация на затъмняването, водоснабдяването, вентилацията и

отоплението за оранжерии и открити участъци Фиг.5.16 за отглеждане на

растения на обща площ 60,000 м².

Фиг.5.16. BKN Strobel, Holm, Германия


- CPU: IPC C6250 и BC2000;

- HMI: TwinCAT OPC;

- I/O: Ethernet/ шина на базата на оптично влакно ;

- Lightbus 59 BK2010 и BK2020 Bus Couplers, FC2001 PCI мастър карта;

- 1,000 I/Os.


- Проста и нискостойностна конфигурация на шинните възли.

- Неголямо количество необходимо за замяна оборудоване.

- Оптимално съотношение цена/производителност.

- Използването на функционални блокове облегчава работата с

програмите.

- Използването на РС-съвместимо оборудване и отворени системи

позволява по всяко време да се разширява и модифицира

функционалността на системата.

116

8.Проект - Eurotheum (Европейска Централна Банка), Frankfurt,

Германия

Система за автоматизация и управление на сграда Фиг.5.17.

Фиг.5.17. Eurotheum (Европейска Централна Банка), Frankfurt, Германия


- CPU: 40 C6130, P III, 128 MB;

- HMI: TwinCAT OPC, hercon (индивидуално решение по визуализация).


- Лесно решение на задачи, свързани с конфигурацията на помещения,

упростена параметризация на системата за управление на сградата.

- Модулност, позволяваща да се извърши детайно планиране и внасяне

на изменения.

- Отдалечено обслужване и диагностика на неизправностите.

- Надеждна РLС технология.

117

118

Лабораторно упражнение No 1

Тема: Съвременни задвижващи системи.

I. Теоритична част.

1. Въведение.

Постоянно нарастващите изисквания към сервозадвижванията на

различните производствени механизми, като широк диапазон на

регулиране на скоростта, формиране на най-подходящи за механизма

статични и динамични характеристики, екстремно високи въртящи

моменти във връзка с инерционния момент на ротора засега най-добре се

удовлетворяват от автоматизираните сервоелектрозадвижвания.

2. Избор на задвижваща система.

Избора на задвижваща система зависи преди всичко от конкретното

прилижение за което ще се използва.

Поради множеството си предимства по отношение на управлението и

подръжката, ние ще разглеждаме променливотокови задвижвания

(двигатели). Промeнливотоковите задвижвания, имат следните предимства

в сравнение с постояннотоковите:

- имат по-голямо бързодействие пред постояннотоковите;

- позволяват по-добро управление по момент за развиващите

механизми;

- по-енергоикономични от постояннотоковите;

- захранват се от обща постояннотокова (DC) шина;

- изискват по-малко енерго-разделени компоненти.

Тези свойства на променливотоковите системи могат да се използват в

съвременните машини. Това е така, защото те изискват наличието на

задвижващи устройства, които да се захранват индивидуално, което най-

често се постига чрез общо постояннотоково захранване на шината.

Съществуват три основни типа принципа използвани в управлението на

променливотоковите механизми:

- скаларни или Волт на Херц (V/Hz) устройства;

- векторни (с обратна връзка от енкодер) или управляеми по поток

устройства;

119

- векторни (без обратна връзка от енкодер).

Всеки от по-горе изброените типове устройства използва Широчинно

Импулсна Модулация (Pulse Width Modulate-PWM ) за захранването си.

Това захранване се осъществява с шест електронни силови ключа.

Източникът е фиксирано +/- постояннотоково(DC) захранване на входа

равно по ниво с най-високата стойност на номиналното променливо

напрежение приложено към мотора. Чрез PWM на избрания електронен

силов ключ захранването се преобразува на трифазова променлива честота

на входа на мотора, която управлява напрежението на мотора, отнесено

към честотата и синтезира неговата синусоидална форма. Променливата

честота, коята е характеристика на трифазовия синусоидален изход на

двигателя е получена чрез избор на типа поляритет на +/- DC захранване

на PWM върху всяка една от трите фази и времетраенето на импулсите.

По-дългото време на PWM модулацията на определената полярност за

една от трите фази определя по-ниска честота, а по-късата модулация по-

висока.

3. Видове управление.

3.1. Скаларно управление.

Скаларно управляваните устройства са проста форма на

променливотоковите устройства и затова те намират голямо приложение.

Простотата идва от това, че променливата честота на изхода трябва да е

такава, за да се постигне исканото напрежение, тоест отношението

напрежение-честота да е константа.

Напрежението индуктирано във въртящия се ротор и добавъчния роторен,

моментен ток е практически функция на скоростната разлика между

въртящото се електрическо поле на статора и скоростта на въртящия се

ротор.

3.2. Векторно (с обратна връзка от енкодер) управление.

При тази разновидност на променливотоковите устройства

управлението на статорния ток или изходното напрежение, което косвено

и независимо се обособява на две компоненти на статорния ток:

- възбудителна (реактивна);

- роторна (активна).

Тези две съставящи и свързаните с тях компоненти на потока са

управлявани независимо чрез векторни връзки - като по този начин се

120

образува „Вектор” или „Поток” управлявани променливотокови

устройства. Те се характеризират с това, че изходната честота на статора е

управляемо свързана със скоростта на ротора, което е различно от

скаларното управление, където роторът строго следва приложената честота

на статора с положително или отрицателно хлъзгане. С векторно

управляемите устройства честотата на хлъзгане е своевременно

управляема чрез инвертор. При тях приложената честота не само се

променя с номиналната скорост на двигателя, но също така е свързана с

теоретичното хлъзгане изискващо изменение на роторния ток. Този тип

устройства имат възможност за много бързо въздействие при промени на

момента на мотора. Тези устройства имат възможност за реверсиране и

регенерация за спиране. По-високата цена на тези мотори се определя от

наличието на енкодер за обратна връзка.

3.3. Векторно (без обратна връзка от енкодер) управление.

Първоночално, векторно или полеви управляваните

променливотокови устройства разполагат с енкодери монтирани на вала на

мотора. Поради това изискване управлението трябва да съдържа прецизно

показание за скоростта на ротора и в някои случаи от относителната

позиция, за ефективно и достатъчно управление на хлъзгането. С

предимствата, отнасящи се до непряко оценяване на скоростта на вала и

груба настройка на системата, много АС мотори са подходящи за различни

приложения без наличието на енкодер. Ако се изисква голяма точност на

управлението по момент или скорост над даден обхват е необходимо

използване на мотори с енкодер на вала. Основните предимства са:

-векторния контрол осигурява относителна точност на управлението

по момент;

-ниска цена и възможност за реверсиране и регенерация за спиране.

Недостатъците се състоят в неефективното управление и мониторинг

между моторите при паралелна работа.

121


Тема: Параметризиране на сервозадвижвания при

използване на синхронни променливотокови

серводвигатели


1. Определение.

Синхронните променливотокови серводвигатели са двигатели от

ново поколение, които навлизат широко в практиката. Характеризират

се с много добри пусково-регулировьчни характеристики и гъвкава

динамика. Отличителна черта на тези двигатели за разлика от

асинхронните е, че роторът се вьрти с постоянна синхронна скорост,

която не зависи от сьпротивителния момент на вала му. Това свойство

е основното му предимство. При натоварване полюсите на ротора

изостават в пространството на определен ьгьл и в това положение

силата на привличане между полюсите се запазва. Тези серводвигатели

работят само с обратна врьзка и имат по-малки габарити и по-висок

въртящ момент в сравнение с асинхронните при едни и сьщи

показатели. Разликата в цените, обаче е значителна – синхронните са с

по–висока цена.

Синхронните серводвигатели предлагани от фирма АМК са:

високомоментни серводвигатели тип DT;

синхронни серводвигатели тип DS.

Серията високомоментни мотори DT предлага нова по рода си

концепция за високодинамични приложения. С голям брой полюси и

оптимизирана геометрия на стоманените пакети, моторите постигат

превъзходна плътност на мощността и ефективен за системата въртящ

момент. Синхронeн променливотоков сервомотор от серията DT, който

се характеризира с висок момент е показан на фиг. 1.

122

Фиг.1. Синхронен променливотоков сервомотор тип DТ

Серията синхронни серводвигатели тип DS се характеризират с голяма

надеждност, гъвкава динамика, малки размери, опростена поддръжка и

широк обхват на скоростта. Способността на претоварване ги прави

изключително използвани при върхови натоварвания. Синхронeн

серводвигател от серията DS е показан на фиг.2.

Фиг.2. Синхронен променливотоков сервомотор тип DS

II. Задачи за изпълнение.

1. Определяне параметрите на електродвигателя използвайки

табелката на двигателя.

Използвайки табелката на двигателя да бъдат определени

основните му параметри. Да се намери номера на параметъра от

описанието на системата и да се параметризира двигателя.

123

2. Избор на източник за стартиране на контрола (RF) и

стартиране на системата.

Използвайки системната документация да се изберат различни

източници за стартиране на контрола (ID32796). Използвайки като

източници на RF да се стартира мотора на няколко скорости, като се

използва AIPEX – Startup или операторски панел:

Източник на RF двоичен вход – за целта следва двоичния вход да

бъде конфигуриран като източник на RF (ID32978);

Източник на RF ID32904.

3.Грешки на системата и реакции на системата при грешка.

Използвайки документацията на системата да се анализират

различни видове грешки предизвикани по време на работа – индикация за

състояние на грешка е светнал червен светодиод. Да се проследи

поведението на системата при грешна параметризация – ID 116, ID32953,

ID32775.

No Име на параметъра Единици Стойност

1 Тип на двигателя

2 M

3 U

4 I

5 Резолюция на

енкодера

6 N

7 Nmax

8 Tr

9

10

11

12

13

14

15

124

No Име на грешката Причина Корекция

1

2

3

4

5

6

III. Анализ на получените резултати.


Тема: Режими на работа и настройка на сервозадвижвания


1. Видове сервозадвижвания.

В основата на новите задвижвания лежи радикално нова базова

технология, сьчетаваща двойна мощност в два пьти по-мальк обем и

предлагаща решения, спестяващи място и средства. Тази фундаментална

електронна разработка сьдьржа множество нови функции, които не само

подобряват значително експлоатационните качества на задвижването, но

сьщо така преодоляват много от предишните недостатьци на технологията

на променливотоковите преобразуватели.

Инверторните модули, които се използват, служат за преобразуване

на постоянното захранващо напрежение постъпващо от постояннотоковата

шина (DC Bus) в трифазно променливо напрежение за захранване на

изпълнителните двигатели. Инверторните модули са натоварени и с други

функции - те следят за поддържане на постоянна скорост на двигателите,

въртящия им момент, токовете в трите им фази, както и за текущата им

позиция. Обратната връзка от двигателите към инверторните модули се

осигурява от енкодери, които са куплирани в изпълнителните двигатели.

Чрез сигналите от тези енкодери се определя скоростта, посоката на

въртене и текущата позиция на ротора (при някой енкодери позицията на

ротора не може да бъде определяна).

Немската фирма АМК произвежда и предлага на пазара богата гама от

системи за управление на синхронни и асинхронни серводвигатели. Това

са основно два типа системи.

125

1.1. Модулна система КЕ/КW

Модулна система e cъставена от няколко отделни модула (оттам идва

името и): захранващ модул (KE) и инверторни модули (KW). Компактният

захранващ модул KE генерира постоянно напрежение за 32 синхронни

серводвигатели. Управляващия KW модул се характеризира с висока

точност и динамичност. Броят на тези модули зависи от броя на осите,

които ще се управляват. Комуникацията между тях се осъществява от

вътрешна АСС шина. Към всеки един от инверторните модули може да се

включи само един серводвигател, като към тях могат да се добавят, като

опция разширителни платки, като цифрови входове/изходи, PLC или

различни комуникационни платки Тези модули осигуряват прецизност на

управлението. Модулните сервоуправления са подходящи за задвижване

на многоосни системи и за множество други приложения като:

манипулаторна и автоматизираща техника;

конвейрен инженеринг;

роботизирани системи.

Модулната система е показана на фиг.1.

Фиг.1. Модулна сервосистема за управление KE,KW

1.2.2. Автономна (компактна) - KU серия

При нея има възможност за управление само на един серводвигател.

Всяко задвижване от KU серията обединява в себе си всички модули,

съществуващи при модулната система. KU системите [2] съдържат в себе

си захранване, система за управление и инверторен блок. Към всяка

система могат да се добавят, като опция разширителни платки, като

126

цифрови входове/изходи, програмируем логически контролер или

комуникационни платки. Тези модули намират приложение в различни

проекти, като:

обработка на хартия;

печатарство;

опаковьчна техника;

текстилна техника;

дьрвообарботване;

автоматизираща техника;

производство на инструменти.

Компактният сервоинвертор е показан на фиг.2.

Фиг.2. Компактно едноосно сервоуправление KU

Неудобството при използване на KU системите се явява в това, че всяка ос

на задвижването се управлява от една автономна система, както и

необходимостта от голям брой KU системи при паралелна работа на

няколко позициониращи механизми . При това движението по двете оси за

всеки позициониращ механизъм трябва да бъде синхронизирано. В този

случай е необходимо PLC за всяка KU система, както и отделни програми

за всяко PLC, като трябва да бъде предвиден и интерфейс за

синхронизация между тях.


1. Избор на режими на работа.

Използвайки системната документация да се изберат различни

източници за стартиране на системата. Използвайки различни източници за

стартиране и за задание да се стартира системата в контрол по скорост,

127

контрол по момент и контрол по позиция. Да се анализира дествието на

ограниченията на момент и рампите.

Използвани параметри: ID32800, ID32796, ID32904, ID32780, ID32781,

ID82, ID83, ID80, ID36, ID40, ID51, ID47.

2. Настройка на скоростният регулатор.

Използвайки AIPEX и вграденият му осцилоскоп да се извърши

настройка на скоростен регулатор на KU система с некуплиран двигател.

Използвани параметри: ID32800, ID100, ID101, ID102.



Тема: Настройка на регулатора за позиция


1. Влияние на пропорционалния коефициент на позиционния

регулатор (ID104).

Влиянието на пропорционалния коефициент Kv (ID104) може да се покаже

на фиг.1.

Фиг.1. Влияние на пропорционалния коефициент Kv.

От фигурата се вижда, че увеличаването на пропорционалния коефициент

Kv до определени граници води до приближаване на актуалната позиция

до зададената. Стойностите на Kv се определят по следният начин:

128

LA- коефициент зависещ от резолюцията на енкодера на мотора (ID116).


1. Конфигуриране на системата.

Използвайки описанието на АМК-параметрите да се конфигурира

системата:

ID100 = 200; ID101 = 10ms

Да се конфигурира порт 3 бит 0 като източник на RF (ID32978

= 32904)

Да се конфигурира порт 3 бит 1 като източник на команда

относително позициониране (ID32979 = 33713)

Да се конфигурира порт 3 бит 2 като източник на команда

абсолютно позициониране (ID32780 = 33714)

Параметрите на позиционирането са съответно:

o ускорение 100 оборота/sec2 (ID136 = ID137 = 100)

o скорост на позициониране 1000 оборота в минута (ID222 =

1000)

o Относителна крайна позиция 10 оборота (ID180 = 10 * ID116)

o Абсолютна крайна позиция 0 (ID153 = 0)

Да се настрои AIPEX осцилоскопа така че да следи на всеки 5

милисекунди стойностите за:

Зададена позиция (ID47)

Актуална позиция (ID51)

Актуална скорост (ID40)

Въртящ момент (ID84)

Разлика между зададена и отработена позиция (ID32824)

2. Влияние на пропорционалния коефициент Kv върху отработената

позиция.

Да се снеме таблично зависимостта на максималните стойностти на

разликата между зададена и отработена позиция (ID32824) от

пропорционалния коефициент на позиционния регулатор Kv (ID104).

No ID104 ID32824

1

2

3

4

5

129

3. Да се повтори експеримента при включена компенсация на

разликата между зададена и отработена позиция.


системата:

ID32808 = 3С0Е04

Да се снеме таблично зависимостта на максималните стойностти на

разликата между зададена и отработена позиция (ID32824). Направете

анализ на получените резултати.

No ID104 ID32824

1

2

3

4

5



Тема: Конфигуриране на CANopen мрежа


1. Определение за CAN bus интерфейс.

CAN bus е промишлен сериен интерфейс, изполващ за пренос на

данни 2 проводника (усуканадвойка), подобен на RS-485. Разработен е

през1980г. от Bosch за нуждите на автомобилостроенето. По-късно се

cтандартизира и получава широко разпространение във всякакъв вид

промишлени приложения.

Протоколи от високо ниво:

•DeviceNet;

•CANopen;

•специфични за потребителя протоколи.

Standard Can in Automation CAN 2.0B:

• 11Bit-овидентификатор.

CANopenStandard CiADS 301 Version 4.01:

• NMT (Network ManagemenT)-контрол на състоянието;

• Node Guarding-наблюдение на Slave - устройствата;

130

• Life Guarding – наблюдение на Master- устройството;

• Изтращане/приемане на PDO (Process Data Object)–пренос на

специфични за потребителя данни;

• Client/Server SDO´s(Service Data Object)–пренос на служебни данни;

• Emergency Object- съобщения за грешка;

• Синхронизационен обект.

ACC (AMK CAN Communication) = CANopen + AMK

разширения

Хардуерна синхронизация: Slave-устройствата се синхронизират по

външен импулс.

Грешка при синхронизацията < 1μs. Прецизна синхронизация на

съобщенията с позиционния контролер.

II. Задачи за изпълнение. 1. Конфигуриране на системата.


системата:

CAN-Адреси на двете устройства (ID34023).

Едното устройство да се конфигурира като MASTER (ID34025

= 2), а другото като SLAVE (ID34025 = 1).

Устройството, конфигурирано като MASTER да се

парамтеризира така, че да бъде източник на хардуерен SYNC (ID34026 =

8). Устройството, конфигурирано като SLAVE да се параметризира така,

че да приема хардуерен SYNC и да изчаква стартирането на MASTER-

устройството.

Да се проверят цикличните времена се устройствата и да се

установят на 1ms (ID2 = 1000).

Да се изтрие конфигурационния файл от MASTER-

устройството (ID34036, индекс 0 = 4).

Да се зададат главни режими на работа на двете устройства –

контрол по позиция със задание от командния интерфейс (API), включени

фин интерполатор и SAK на 32-битовия канал за задание (ID32800 =

3C0604h).

2. Автоматично намиране на SLAVE-устройствата от MASTER-


Да се изключи и включи захранването на устройствата. След

това да се включи първо SLAVE-устройството, а след това MASTER-


Да се запише и разтълкува съдържанието на списъка с

намерените устройства, намиращ се в MASTER-устройството.

131

ID34142=

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

Да се изпробва поведението на CAN мрежата след прекъсване на

комуникационния кабел.

Резултат:

MASTER:

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

SLAVE:

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

3. Конфигуриране на мрежата чрез Aipex.

Да се конфигурират двете устройства така, че актуалната

позиция на MASTER-устройството (API-променливата diActPosition) да се

свърже с променливата за задание на другото SLAVE-устройство (API-

променливата diMainSetpoint). Преносът на данни да бъде синхронен.

Да се изследва поведението на устройствата при включен RF

на SLAVE-устройството и ръчно въртене на оста на MASTER-


Резултат:

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

Да се освободят от функционалност цифровите изходи на

MASTER-устройството (ID32864 = 0, ID32865 – ID32868 = 0).

Да се допълни конфигурацията така, че SLAVE-устройството

да изпраща съдържанието на трите цифрови изхода (API-променливата

bySystemOut) на трите цифрови изхода на MASTER-устройството (API-

променливата bySystemOut). Преносът на данни да бъде асинхронен.

Да се изследва поведението на устройствата при превключване

на цифровите входове на SLAVE-устройството.

132

Резултат:

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

Да се разгледат възможностите за използване на PLC-

променливи и да се оцени какви типове данни могат да се пренасят.

Резултат:

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………



Тема: PLC програмиране с CoDeSys


1. Какво е CoDeSys?

CoDeSys (CОntroller DЕvelopment SYStem) е среда за разработване

на PLC програми на немската фирма 3S GmbH.

Възможности:

създаване на PLC програми на програмни езици;

тестване на създадените програми;

“дебъгване” на създадените програми;

създаване на специфични визуализации и свързване с

програмите;

документиране.

2. Връзка между CoDeSys и PLC.

Връзката между CoDeSys средата и PLC e показана на фиг.1.

133

Фиг.1. Връзка между CoDeSys и PLC.

3. Структура на PLC програмата.

Структура на PLC програмата e показана на фиг.2.

Фиг.2. Структура на PLC програма.

4. Какво е POU?

POU (Program Organization Unit) е програмна единица, съдържаща

код, която може да се извиква от друга програмна единица.

134

В CoDeSys съществува една ресервирана програмна единица, наречена

PLC_PRG, която се извиква от системата (аналогично на main функцията

при програмиране на C.

Съществуват следните три типа POU:

Функция (Function):

Приема входни променливи, връща резултат в една променлива, не заема

памет.

Функционален блок (Function block):

Използва входни и изходни променливи, заема памет.

Могат да се дефинират няколко копия (инстанции) на един функционален

блок.

Програма (Program):

Глобално дефиниран функционален блок. Не може да има копия

(инстанции).

5. Езици за програмиране, стандартизирани от IEC61131-3:

ST – Structured Text

IL – Instruction List

FBD – Function Block Diagram

SFC – Sequencial Function Chart

LD – LaDder

При създаване на PLC програми с CoDeSys, различните програмни

единици могат да бъдат написани на различни езици в зависимост от това

кой дава най-добри средства за програмиране на съответния алгоритъм.


1. Програмиране на PLC на четири различни езика:

Да се напише програма, която да реализира следната

функционалност на 4 езика (ST, IL, LD, FBD):

има стая с 3 ключа и лампа L, която трябва да се

включва/изключва;

135

ключът S1 е главния ключ;

ключовете S2 и S3 се използват за да превключват състоянието

на лампата (когато е изключена се включва, а когато е включена се

изключва).

Може да се използва израза:

))3.2()3.2.((1 SSSSSL

Тествайте и дебъгвайте програмата в режим на симулация.

Реализация на ST:

Декларации:

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

Код:

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

Реализация на IL:


.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

136

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

Код:

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

Реализация на LD:


.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

Код:

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

137

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

Реализация на FBD:


.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

Код:

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................


1. Оценяване на предимствата и недостатъците на различните

програмни езици при конкретната задача:

Отговорете на следните въпроси:

Кой език за програмиране е най-подходящ за решаване на

задачата?

Защо?

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

138

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................

.................................................................................................................................


Тема: Използване на специфични за потребителя

библиотеки


1. Библиотеки с готови програмни единици POU:

Библиотеките съдържат готови обекти, които могат да се

използват в различни проекти;

Могат лесно да се създават собствени библиотеки със

средствата на CoDeSys;

Производителите на PLC могат да разпространяват готови

криптирани библиотеки (защитено “Know How”);

CoDeSys позволява да се извикват функции, написани на C

като библиотечни елементи;

CoDeSys предоставя за използване стандартна библиотека

(standard.lib) с често използвани обекти – за работа със стрингове, за

регистриране на активен фронт, броячи, таймери и т.н.

2. Функции за работа със стрингове:

LEN – определя размера на стринга;

LEFT – връща определен брой символи от ляво на дясно на

подадения като параметър стринг;

RIGHT - връща определен брой символи от дясно на ляво на

подадения като параметър стринг;

139

MID – връща определен брой символи от определена позиция

на подадения като параметър стринг;

CONCAT – слепва два стринга;

INSERT – вмъква един стриг от определена позиция на друг

стринг; DELETE – премахва определен брой символи от определна

позиция на подадия като параметър стринг;

REPLACE – подменя определен брой символи от определена

позиция;

FIND – търси един стринг в друг и връща позицията, от която

първия стринг започва.

3. Регистриране на активен фронт:

R_TRIG – регистрира преден фронт (FALSE -> TRUE);

F_TRIG – регистрира заден фронт (TRUE -> FALSE).

4. Броячи:

CTU – броене нагоре (увеличава стойността си при всеки

активен фронт на броячния вход);

CTD - броене надолу (намалява стойността си при всеки

активен фронт на броячния вход);

CTUD – броене нагоре или надолу (увеличава или намалява

стойността си при всеки активен фрон на един от двата входа.

5. Таймери:

Таймер тип TP – таймер със закъснение;

Таймер тип TON - таймер със закъснение при включване;

Таймер тип TOF - таймер със закъснение при изключване;

6. Други конструкции:

Масиви (arrays);

Пример: arr1 : ARRAY [1..5] OF INT := 1,2,3,4,5;

Структури (structures);

Номерирани типове (enumerations).

140


1. Командване на серво-задвижването чрез PLC програма.

Да се напише програма на базата на езика SFC, която да изпълнява

следния алгоритъм:

подаване на команда за референциране към серво-

задвижването;

закъснение от 2s;

завъртане на мотора на ½ оборот;

закъснение от 1s;

завъртане на мотора 2 оборота в обратна посока.

закъснение от 0,5s;

ново изпълнение на циклите по позициониране.

Да се направи проста визуализация за стартиране и спиране на

цикъла.

2. Интерполиране на позицията на серво-задвижването.

Да се напише програма (препоръчителен език – FBD), която да

изпълнява следния алгоритъм:

подаване на команда за референциране към серво-

задвижването;

таблична интерполация чрез модула CAM_PROF, на базата на

позиция, генерирана от VGEN_A (виртуален Master) и изчислената

позиция да се подаде за изпълнение.

Да се направи проста визуализация за управление.


141

Клипове от урок 5.3

Клиповете от урок 5.3 се намират в YouTube на следните адреси:

1. https://www.youtube.com/watch?v=twNduj1NbbI&feature=youtu.be - CNC-

Center .mov

2. https://www.youtube.com/watch?v=IyKKoCEn2s0&feature=youtu.be -

GM-GM360E.mov

3. https://www.youtube.com/watch?v=6qtHJMv7gg8&feature=youtu.be -

Kardena-AK12.mov

4. https://www.youtube.com/watch?v=56DiE7_hkS8 - Lepene etiketi kylbeta-

022-emp 1800.mov

---------------------------------------------------------------------------------------------

За цветовете в ръководството за лекциите по ксу

Синьо – със цвят синьо са отбелязани по важните фрагменти от текста.

Червено- със цвят червено са отбелязани термини като например: език от

високо и ниско ниво.

Зелено- със цвят зелено са отбелязани изброяването на различните видове

неща.

Черно- със цвят черно нещата са същ важни само, че не чак толкова

колкото със цвят синьо.

https://www.youtube.com/watch?v=twNduj1NbbI&feature=youtu.be

https://www.youtube.com/watch?v=IyKKoCEn2s0&feature=youtu.be

https://www.youtube.com/watch?v=6qtHJMv7gg8&feature=youtu.be

https://www.youtube.com/watch?v=56DiE7_hkS8

142

Конспект за изпита

по предмета “Компютърни системи за управление” към

ТУ-Габрово

1. Основни параметри на серво-двигателите.

2. Честотни инвертори и серво-управления. Предимства.

3. Видове серво-управления.

4. Типове обратни връзки.

5. Настройка и параметризиране на скоростния регулатор.

6. Стандарт IEC61131-3. Среда за програмиране на PLC – CoDeSys.

7. Програмни единици (POU).

8. Програмни езици.

9. Стандартните типове данни. Конвертиране на типове.

10. Библиотеки в CoDeSys.

11. Визуализаци в CoDeSys. Свързване с програмата.

Важно: 5 и 11 въпрос от конспекта отпадат.

Documents

компютърни системи за управление. лекции по компютърни системи за управление.lectures of computer systems for control