Характерные черты и сферы применения контроллеров

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ.

Лекции –48 часов

Лабораторные работы –16 часов

Курсовой проект

I. Назначение логических контроллеров

Создание новых или замена ранее существовавших систем управления в зависимости от сложности решаемой задачи может быть выполнено разными способами, в том числе и с использова­нием микроконтроллера в качестве управляющего элемента. Чтобы сделать это наилучшим образом, надо чётко представлять себе те преимущества, которыми обладают контроллеры по сравнению с другими средствами управления.

Характерные черты и сферы применения контроллеров.

Потребность в применении программируемых логических кон­троллеров (ПЛК) обозначилась в 60 – х годах прошлого века. Для многих технических задач применяемые средства автоматиза­ции строились преимущественно на релейно – контактных элемен­тах и за значительный период своего использования обнаружили целый ряд присущих им недостатков:

Ÿ для разработки, обслуживания и ремонта таких систем требова­лись значительные кадровые и экономические ресурсы, так как каждая отдельная схема создавалась под конкретную, и только под неё, задачу;

Ÿ переналадка схемы на решение другой задачи была невоз­можна без полной или кардинальной разборки её, и, если нужно, - с возможностью по­вторного ис­пользования компонентов – это трудо­ёмко и неудобно;

Ÿ затруднительно объединение в единую структуру фраг­ментов системы, территориально удалённых друг от друга;

Ÿ практически невозможно построить схему на реле, выдержав её в минимальных габаритах;

Только с появлением ПЛК, построенных на микропроцессорах, удалось сосредоточить в конструктивно очень компактном модуле сотни и даже тысячи «релейных» элементов, счётчиков, таймеров, пусть даже не существующих физически, а программно воспроизво­димых. Это позволило создать гибко переналаживаемую структуру, способную выполнить любую из очень широкого круга задач.

Возможности программируемых логических контроллеров де­лают их практически незаменимыми для автоматизации насосных станций, компрессорных установок, котельных, конвейеров, норий, для управления технологическими процессами в комплексе с датчи­ками самого различного вида, приводными устройствами, клапа­нами, задвижками и т. д. по схеме взаимодействия с объектом, изо­браженной на рис. 1.1.

Рис. 1.1

Именно поэтому первоначально сформулированной причиной появления ПЛК была названа задача вытеснения из управляющих устройств элементов релейно – контактной техники. Даже больше того, некоторые фирмы – производители (Schneider Electric, напри­мер) называют выпускаемые ими логические контроллеры “младшего класса” интеллектуальными реле.

Конечно, возможности ПЛК не безграничны. Некоторые из них обладают небольшим быстродействием, не всегда удобно сопряга­ются по входным и выходным цепям. Они оперируют данными не в кодовой форме, а c их логическим или числоимпульсным представ­лением и т.д. Но, тем не менее, игнорирование их достоинств в на­стоящее время объяснимо только для тех, у кого принятие техниче­ских решений на уровне многолетней давности стало непререкае­мым предпочтением.

1.2. Состав контроллера, связь с объектом, виды сигна­лов

Из блок – схемы системы управления некоторым объектом (рис. 1.1), являющимся локальной подсистемой некоторого техноло­гического процесса, можно хотя бы предварительно установить функции, которые выполняет ПЛК в качестве управляющего уст­ройства, из чего он должен состоять и какое это может оказать влияние на особенности программирования и применения.

1.2.1. Структура контроллера.

Связь контроллера с окружающей средой осуществляется че­рез устройства ввода и вывода. Через первые в контроллер вводятся сигналы о параметрах и характеристиках объекта управления, через вторые – выводятся управляющие воздействия на включение / вы­ключение исполнительных устройств. Для прохождения сиг­налов через порты ввода / вывода эти устройства реализуются не про­граммно, они должны быть физически существующими.

Множество внутренних реле, счётчиков, таймеров, необходи­мых для составления и работы программы, физически не сущест­вуют, они моделируются центральным процессором (ЦП) контроллера. Именно благо­даря этому удалось в ограниченном объёме «разместить» огромное количество блоков, каждый из которых предназначен для имитации выполнения некоторой вполне конкретной задачи. Более подробно состав и взаимодействие отдельных компонентов внутренней струк­туры ПЛК раскрываются на рис. 1.2.

Рис. 1.2

Тот факт, что внутренняя структура ПЛК основывается на множестве программно моделируе­мых функционально законченных блоков, совершенно иначе ставит вопрос о технике программирования задач для ПЛК. В какой бы форме ни обращались данные внутри контроллера, очевидно, что среда программирования позволяет программисту работать без не­обходимости обращаться к Ассемблеру, а на некотором упрощенном языке. С точки зрения пользователя несущественными становятся углублённые представления о работе микропроцессорных уст­ройств, о составе компонентов и объединении их в единую систему. Это значительно сглаживает требования к уровню квалификации пользова­телей и в немалой степени способствует росту привлекательности использования логических контроллеров.

Успешность применения ПЛК для задач управления зависит от того, насколько подробно и правильно в контроллер вводится ин­формация о состоянии и поведении объекта. Чтобы грамотно встроить ПЛК в разрабатываемую систему управления (СУ), достаточно выполнить несколько очевидных, но, тем не ме­нее, очень важных правил, основные из которых следующие:

- информация о наиболее важных параметрах и характеристи­ках объекта, определяющих особенности управления в данной за­даче, должна быть введена в контроллер;

-форма представления сигналов должна быть такой, которую контроллер в состоянии правильно воспринять.

В связи с этим надо хотя бы в краткой форме дать характери­стику наиболее часто встречающимся видам сигналов, тому, в какой форме они могут быть заданы, и какие схемы сопряжения контрол­лера с источниками сигналов при этом используются.

1.2.2. Виды сигналов.

1. Дискретные (DC) сигналы характеризуются наличием только двух состояний: включено / выключено, которые часто обо­значаются как ON и OFF. Контроллер по этому сигналу может отменить выполнение какого – либо действия или активизировать выполнение другого.

Условимся считать, что формирование уровней напряжения DC сигналов выполняет источник сигнала (датчик, кнопка, тумблер), т.е. сигнал поступает уже в виде, пригодном для ввода его в кон­троллер.

2. Сигнал типа «СУХОЙ КОНТАКТ» характеризуется тоже наличием двух состояний «включено / выключено», но это означает лишь смысловое содержание сигнала - нахождение контактов в лю­бом из этих состояний, но пока ещё не уровни сигналов на входе ПЛК. Просто в какой-то части схемы что-то произошло, и контактная группа переключилась из одного состояния в другое. Чтобы кон­троллер мог отреагировать на изменение коммутационного состоя­ния реле, надо от некоторого источника при замыкании контакта подать на вход ПЛК напряжение, а при размыкании – снять его.

Иными словами, при выполнении входной цепи типа «сухой контакт» обеспечение требуемого уровня электрического сигнала на входе контроллера должен предусматривать разработчик на этапе проектирования схемы. Можно считать, что этим только и отлича­ются два только – что рассмотренные виды входных сигналов.

Сформировать требуемый уровень напряжения на входе кон­троллера при отработке сигнала типа «сухой контакт» можно либо подачей сигнала от некоторого стороннего источника, либо исполь­зуя напряжение питания контроллера (рис.1.3).

3. Аналоговые (AC) сигналы представляют собой очень ши­рокий и чрезвычайно важный тип входных сигналов контроллера. Без них невозможно было бы вводить и отслеживать при управлении текущие значения плавно изменяющихся параметров, задавать плав­ные управляющие воздействия и изменяемые числовые уставки па­раметров программы и управляемого процесса.

Напомним, что внутри контроллера все операции над данными ведутся программно. Следовательно, ни о каких действиях над то­ками и напряжениями речи быть не может из-за отсутствия физиче­ской реализации блоков, поэтому естественно, что форма представ­ления токов и напряжений при вводе в контроллер должна способ­ствовать такой работе.

В контроллерах α – серии фирмы MITSUBISHI ELECTRIC ис­пользуется блок для ввода аналоговых сигналов, который пред­полагается как аналого – цифровой преобразователь (АЦП) с диапазоном преобразования 10 B и числом разрядов m = 8. При та­ких условиях внутри диапазона преобразования удаётся определить (2^m - 1) = 255 равноотстоящих друг от друга уровней напряжения. В реально существующих АЦП эти уровни представляются кодами от 00000000 до 11111111, но для логических контроллеров такое ото­бражение величин напряжения неудобно. Это вызвано тем, что рас­смотрение ПЛК, выполняемое в данном пособии, ограничено наибо­лее функционально «лёгкими» моделями, которые, как правило, не оперируют кодами.

Рассматриваемый способ ввода аналоговых сигналов является общеупотребляемым, почти универсальным, и его легко пояснить следующим образом. Максимальное напряжение 10 B соответствует сумме 255 минимальных дискретных значений (дискрет). Поэтому напряжению 2 B соответствует число дискрет в пять раз меньшее, т. е. равное 51. Подобным образом любое значение напряжения N в ин­тервале от 0 до 10 B может быть приближенно заменено вполне оп­ределённым числом дискрет, вычисляемым через простейшую про­порцию: 10 B ----- 255 дискрет

N B ----- X дискрет, значит X = 255 • N / 10.

Это число вводится в ПЛК, и там с ним можно выполнять опе­рации сравнения, счёта, арифметических преобразований, по­зво­ляющих, как правило, решать достаточно сложные задачи управ­ле­ния.

4. Токовые сигналы. У контроллеров α - серии, LOGO!, да и других тоже ввод аналоговых сигналов выполняется через порты, работающие в формате 0…10 B. Эти контроллеры не имеют токового (0 … 20 mA или 4 … 20 mA) входа, хотя датчиков и дру­гих сопрягаемых устройств с токовым выходом очень много, и, вполне возможно, даже больше, чем в формате 0 …10 B. Как и во всех датчиках, изме­ряемый параметр преобразуется датчиком в изменяемую величину выходного сигнала, которым в данном случае является не напряже­ние, а ток. При токовом выходе передающей средой является пара проводов, по которым течёт ток, величина которого в каждый момент времени соответствует текущему значению измеряемого параметра.

Схемотехнический приём, позволяющий преобразовать токо­вый выход датчика к параметрам аналогового ввода контроллеров по постоянному напряжению, чрезвычайно прост. Для этого обычно к токовой линии подключают внешний резистор R номиналом 500 Ом (рис. 1.4), падение напряжения на котором от протекания тока 20 миллиампер равно 10 вольтам, и тем самым весь диапазон изменения тока в сигнальной цепи переводится на стороне контроллера в формат 0…10 B.

Рис. 1.4

5. Иногда встречается необходимость аналогового ввода дискретных сигналов. Допустим, что DC сигнал, подаваемый на вход ПЛК, может принимать значения только от 0 до 5 вольт, а вход кон­троллера, рассчитанный на работу с сигналами 0 …24 B, распознаёт значения ON и OFF на уровне примерно 12-14 вольт.

Это означает, что фактически подаваемый сигнал будет слишком мал для того, чтобы контроллер мог распознать уровни включенного и выклю­ченного состояний.

Чтобы обеспечить нормальные условия для ввода и таких сиг­налов, можно рекомендовать использование промежуточного фор­мирователя на основе чувствительных пороговых устройств. Такими устройствами могут быть компаратор или триггер Шмитта, функ­циональные блоки которых предусмотрены практически во всех средах программирования. На рис. 1.5 средствами α -Programming показано, как работают эти блоки при различных значениях вводимых величин.

а б

в

Рис. 1.5

В первом со­стоянии (рис.1.5, а) через блоки аналогового ввода DC выставлены значения сигналов I 02 и I 03, характеризуемые числом 52, т.е. это сигнал чуть-чуть больше 2 вольт, тогда как количественные значения уста­вок на включение обоих блоков одинаковы и равны 51. Тем не ме­нее, ни один из блоков не перешел в состояние ON, так как с входа I 01 не был подан сигнал разрешения на срабатывание. Синим цветом отображается состояние «выключено», т.е. OFF. Соответственно этому красным цветом – обозначается состояние «включено», т.е. ON.

Ри­сунок 1.5, б показывает переход обоих пороговых элементов в ON (вы­ходы B 01 и B 03) после получения разрешающего уровня I 01, а по­следний (рис. 1.5, в) – их возвращение в выключенное (OFF) состояние из-за уменьшения величины входного сигнала ниже заданного порога пе­реключения.