Гудинов В.Н., Корнейчук А.П. Технические средства автоматизации: Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

5. ПЛК для полномасштабных распределенных АСУ ТП.

Это наиболее мощный по возможностям и охвату производства класс

контроллерных средств, практически не имеющий границ ни по выполняемым на

производстве функциям, ни по объему автоматизируемого производственного

объекта. Одна такая система может использоваться для автоматизации

производственной деятельности целого крупномасштабного предприятия.

Описываемая группа ПТК включает все особенности перечисленных

контроллерных средств и дополнительно имеет ряд свойств, влияющих на

возможности их использования:

• наличие развитой многоуровневой сетевой структуры, предусматривающей

выделение трех уровней: информационного, системного и полевого, причем для

организации отдельных уровней могут использоваться разные варианты

построения сетей;

• выход на корпоративную сеть предприятия, систему управления бизнес-

процессами, глобальную сеть Интернет, а также на уровень интеллектуальных

приборов;

• широкий модельный ряд применяемых контроллеров, различающихся по

числу входов/выходов, быстродействию, объему памяти разного типа,

возможностям по резервированию, наличию встроенных и удаленных

интеллектуальных блоков ввода/вывода на все виды аналоговых и дискретных

сигналов;

• широкий диапазон рабочих станций и панелей операторов;

• наличие мощного современного программного обеспечения, в состав которого

входят:

а) человеко-машинные интерфейсы операторов с системой управления;

б) набор технологических языков с объемными библиотеками типовых

программных модулей для решения задач управления и регулирования;

в) универсальные прикладные пакеты программ, реализующие типовые функции

управления отдельными агрегатами, диспетчерское управление участками

производства, технический учет и планирование производства в целом;

г) системы автоматизированного проектирования и конструкторского

документооборота для разработки системы автоматизации.

6.4. Функционально-конструктивная схема модульного ПЛК.

Состав и назначение основных модулей.

По конструктивному исполнению большинство серийно выпускаемых

контроллеров делятся на моноблочные (в которых в едином конструктиве

размещены все его основные части: центральный процессор, память, устройства

ввода/вывода, пульт управления и программирования, блок питания и пр.) и

модульные, получившие наибольшее распространение. [18,28]

Функционально-конструктивную схему модульного ПЛК рассмотрим на

примере контроллера SIMATIC S7-300 фирмы Siemens (рис. 29).

Рис. 29. Конструкция модульного ПЛК

На профильной рейке (ПР) размещаются: центральный модуль (ЦМ), который

всегда присутствует в ПЛК, справа от него с помощью шинных соединителей

(ШС) – до восьми периферийных модулей (ПМ), а слева – внешний источник

питания (Внеш.ИП). Модуль подключения (МП) обеспечивает, при

необходимости, возможность подсоединения к ЦМ специальными кабелями (от 1

до 10 м) до трех ПР расширения (таким образом, максимальное количество ПМ

может достигать тридцати двух). Все модули легко устанавливаются на ПР (DIN-

рейку) и фиксируются винтами. Формирование внутренней шины ПЛК

производится с помощью ШС. Наличие фронтальных клеммных блоков (КБ)

позволяет легко подключать периферийные устройства (входы/выходы) объекта

управления и производить при необходимости замену самих ПМ. В качестве

основных периферийных модулей (ОПМ) в ПЛК всегда присутствуют сигнальные

модули ввода/выводы дискретных и (или) аналоговых сигналов. В качестве

вспомогательных периферийных модулей (ВПМ) в разных моделях ПЛК могут

применяться различные функциональные (ФМ) и коммуникационные модули

(КМ), состав и количество которых может варьироваться в широких пределах в

зависимости от архитектуры самого ПЛК, а также сложности и типа реализуемых

на их основе программно-технических комплексов.

6.5. Архитектура и общая организация модульного ПЛК

Общая организация и архитектура модульного ПЛК SIMATIC S7-300

представлены на рис. 30.

Рис. 30. Архитектура модульного ПЛК

Модули ПЛК объединены внутренней шиной, по которой и передается вся

информация между ними. В минимальной конфигурации ПЛК обязательно имеет

ЦМ и хотя бы один из ОПМ для связи с ОУ. Для ввода и редактирования

управляющей программы, параметрирования и тестирования системы

используется программатор, который может быть временно подключен к ЦМ.

Система ввода-вывода ПЛК может включать в свой состав две части. Система

локального ввода-вывода образуется ОПМ, установленными непосредственно в

монтажные стойки контроллера, и предназначена для получения входных

сигналов с дискретных (ДД) и аналоговых датчиков (АД) и выдачи управляющих

воздействий на дискретные (ДИМ) и аналоговые исполнительные механизмы

(АИМ). Система распределенного ввода-вывода предназначена для управления

удаленным ОУ и включает в свой состав модули децентрализованной периферии

(МДП) и приборы полевого уровня (Д и ИМ), подключаемые к контроллеру через

промышленную сеть и специальный МП.

Вспомогательные периферийные модули (ВПМ) предназначены для

аппаратной реализации стандартных часто используемых алгоритмов задержек

времени (таймеров), счета, регулирования, управления и призваны разгрузить

вычислительные мощности ЦМ. Коммуникационные модули (КМ) используются

для связи ПЛК с другими интеллектуальными устройствами ПТК.

Центральный модуль и его архитектура.

В состав ЦМ (рис. 31) как правило входят следующие элементы и устройства:

Рис. 31. Конструкция центрального модуля ПЛК:

ЦПр – центральный процессор;

ЦП – центральная память (оперативная (ОЗУ) и постоянная (ПЗУ));

АИП – автономный источник питания (аккумулятор);

Вн.ИП – внутренний источник питания;

РПЗУ – репрограммируемая переносимая память (например, Flash-карта);

XI – разъём для подключения внешнего источника питания;

Х2 – для подключения периферийных модулей;

ХЗ, Х4 – разъёмы встроенных модулей ввода-вывода;

Х5 – разъем для подачи питания на внутренний ИП;

Х6 – разъёмы связи с программатором, ЭВМ, другими ПЛК;

П – переключатель режима работы.

И – индикация;

Центральный модуль (рис. 32) – это устройство, предназначенное для приёма

входных сигналов (Х) с модуля ввода, хранения информации в центральной

памяти, ее обработки в центральном процессоре (в соответствии с программой

пользователя введенной программатором) и выдачи команд управления (Y) через

модуль вывода на объект управления.

Центральный процессор представляет собой набор специальных

взаимосвязанных регистров, среди которых обязательно имеются следующие:

СК – счётчик команд содержит номер текущей команды;

РК – регистр команд хранит код выполняемой операции (КОП);

АР – адресный регистр содержит адрес операнда (АО);

ИР – индексный регистр служит для организации косвенной адресации;

А – аккумулятор относится к регистрам общего назначения (РОН).

Рис. 32. Архитектура центрального модуля ПЛК

Помимо программ пользователя в памяти центрального модуля всегда

имеются системные программы, «зашитые» там в ПЗУ разработчиком ПЛК, и

предназначенные для реализации основных функций контроллера (таких как:

организация цикла работы ПЛК, реализация системы ввода/вывода, прерывание

программ и пр.).

6.6. Понятие цикла работы ПЛК

Возможность обработки информации в реальном масштабе времени и, как

следствие, управление быстродействующим технологическим оборудованием,

обусловлены циклическим характером работы центрального модуля ПЛК,

сущность которого состоит в периодическом повторении нескольких стандартных

действий (фаз работы). Упрощенно этот процесс можно представить в виде

работы механического командоаппарата (рис. 33), на образующих вращающегося

программного барабана которого записаны команды (КОП и АО). Счетчик команд

(СК) последовательно опрашивает эти команды и передает их в РК и АР

центрального модуля контроллера, где они также последовательно выполняются.

Существуют несколько типовых циклов работы ЦМ ПЛК:

– элементарный (рис. 33) состоит из трех фаз (опрос входов, выполнение

программы, выдача сигналов управления);

– сгруппированных входов с выдачей выходных сигналов после выполнения

каждой команды программы;

– распределенный (асинхронный или синхронный).

Рис. 33. Элементарный цикл работы ПЛК

6.7. Центральная память ПЛК

Особенностью центральной памяти всех ПЛК является то, что она

специализирована, т.е. разделена на особые зоны (рис. 32), используемые для

хранения конкретных типов информации, например данных (входов X, выходов Y,

внутренней текущей информации Z) и программ (системных и прикладных).

Очень часто, особенно в простых микроконтроллерах (типа SIMATIC S7-200),

их центральная память бывает организована в виде стековой памяти.

Стек - это организованный массив информации в сочетании с определённым

порядком его загрузки и выгрузки. Стеки бывают двух видов (рис. 34):

двухсторонние (по типу транспортерной ленты) и односторонние (по типу

магазина, в которых чтение/записи информации производится через вершину

стека).

Рис. 34. Стековая память

Пример реализации логической

функции управления c использованием стековой памяти

На рис. 35 показан последовательный механизм программной реализации

логической функции управления Y с использованием стековой памяти ПЛК.

Рис. 35. Работа стековой памяти

Особенностью работы стековой памяти является то, что вся информация

(значения загружаемых прямых и инверсных входов X, логические команды

сложения и умножения, включение/отключение выхода Y) осуществляются

только через вершину стека. Более подробно о центральной памяти ПЛК (на

примере микроконтроллера SIMATIC S7-200), типах данных и способах адресации

к ним изложено в лабораторной работе [20].

6.8. Модули ввода/вывода ПЛК

Модули ввода/вывода (МВв/МВыв) - это специальные электронные блоки

(платы), предназначенные для связи ЦМ с элементами объекта управления

(датчиками и исполнительными механизмами). Их подключение к ЦМ ПЛК может

быть организовано тремя способами:

– Непосредственно параллельно на внутреннюю шину контроллера с

использованием шинных соединителей (рис. 29);

– Параллельно на внутреннюю шину с помощью модулей подключения и

дополнительных профильных реек (на расстоянии до 10 м от ЦМ);

– Последовательно с использованием промышленных сетей и устройств связи с

удаленными (до сотен и тысяч метров) объектами (рис. 30).

При подборе МВв/МВыв следует учитывать следующие особенности.

1. Адресация конкретных клемм модулей может быть привязана либо к самим

модулям, либо к их посадочным местам конструктива ПЛК (гнездам, разъемам);

2. Соотношение количества входов и выходов может быть либо свободно

распределяемое пользователем, либо принудительное (как правило, 50 на 50).

3. Коммутация сигнальных проводов может быть выполнена либо на самом

модуле, либо с использованием специальных клеммных блоков (что более удобно

при ремонте и замене блоков).

4. Модули выпускают в различном исполнении: входные, выходные или

комбинированные (ввода/вывода), дискретные (логические), аналоговые и

специальные, в обычном или безопасном исполнении, и пр.

В качестве примера на рис. 36 показан возможный вариант модуля

ввода/вывода логических сигналов для 8-разрядного микроконтроллера.

Ввод/вывод осуществляется через порт, представляющий собой 8-разрядный

регистр, который адресуется по шине адреса. При совпадении выставленного на

шине адреса с адресом, присвоенным конкретному порту, дешифратор адреса

ДША выдает сигнал CS разрешения работы порта. По этому сигналу регистр

подключается к шинам микропроцессора и через него можно передавать

параллельные 8-разрядные двоичные коды. Обмен данными происходит через

шину данных. Направление передачи определяется сигналами чтение ЧТ и запись

ЗП. Готовность порта к приему-выдаче информации определяется сигналом ГОТ.

Каждый бит порта позволяет передавать один логический сигнал. Через порт

передаются сигналы ТТЛ уровней. Для согласования уровня сигналов порта с

уровнями сигналов, используемых объектом управления, служат схемы

согласования С, аналогичные рассмотренным на рис. 21. Одновременно эти схемы

осуществляют гальваническую развязку между электрическими цепями

микроконтроллера и объекта управления. Количество используемых для ввода-

вывода портов определяет общее количество передаваемых дискретных сигналов.

Для 8-разрядного микропроцессора можно адресовать (и использовать) 256

портов.

Рис. 36. Модуль ввода/вывода дискретных сигналов.

При вводе-выводе аналоговых сигналов возникает необходимость

преобразования аналогового сигнала в двоичный код. Для этой цели в модулях

ввода/вывода аналоговых сигналов используются аналого-цифровые (АЦП) и

цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи. Основной характеристикой ЦАП и

АЦП является их разрядность, определяемая длиной двоичного кода,

применяемого для представления аналогового сигнала.

Пример схемной реализации модуля ввода аналогового сигнала для 8-

разрядного микроконтроллера приведен на рис. 37. В схеме использован 8-

разрядный АЦП, выходы которого соединены с входами регистра порта ввода.

Выходы порта соединены с линиями шины данных. В результате двоичный код, в

который преобразуется аналоговый сигнал, передается на шину данных и может

быть считан микропроцессором. Для согласования уровня входного сигнала АЦП

используется усилитель входного сигнала. Цикл преобразования аналогового

сигнала в АЦП инициируется подачей на его вход сигнала «Запуск», который

выдает микропроцессор при обращении к АЦП. Конец цикла преобразования

АЦП подтверждает сигналом «Готовность». Для обмена этими сигналами между

микропроцессором и АЦП использованы входы-выходы регистра управления RG,

которому присваивается свой адрес.

Порт и регистр управления RG адресуются по шине адреса и для их выбора

используется дешифратор адреса ДША. Управление направлением передачи

информации осуществляется сигналами шины управления ЧТ и ЗП. Современные

микропроцессорные АЦП часто имеют в своем составе и регистр порта и регистр

управления, что упрощает схему ввода аналогового сигнала и управление вводом.

Ввод/вывод аналоговых сигналов более сложен по сравнению с

вводом/выводом дискретных сигналов и требует больших ресурсов

микроконтроллера. Поэтому в программируемых микроконтроллерах число

аналоговых сигналов обычно существенно меньше числа дискретных сигналов.

Рис. 37. Модуль ввода аналогового сигнала.

6.9. Устройства программирования ПЛК (программаторы)

Программаторы – это устройства, предназначенные для ввода управляющих

программ, их редактирования и отладки, параметрирования системы (установка

счётчиков, таймеров) и тестирования контроллеров и управляемого ими

технологического оборудования. Классификация программаторов представлена на

рис. 38.

Рис. 38. Разновидности программаторов ПЛК

6.10. Программно-математическое обеспечение (ПМО) контроллеров

ПМО ПЛК как правило подразделяется на следующие составные части (рис. 39):

Рис. 39. ПМО контроллеров

Базовое (системное) программное обеспечение