Методы расчета минимально необходимых параметров программируемого логического контроллера для систем автоматического управления технологическим оборудованием

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 681.5

Методы расчета минимально необходимых параметров программируемого логического контроллера для систем автоматического управления технологическим оборудованием

Е.Н. Рябцев

Аннотация

логический контроллер программируемый фотоимпульсный

Приведены способы расчета минимально необходимых характеристик программируемого логического контроллера при его применении в системах автоматического управления технологическим оборудованием. Представлена последовательность расчета данных характеристик исходя из вида движения, реализуемого рабочими органами оборудования. Описаны возможности снижения требуемых характеристик элементов системы автоматического управления при ее разработке.

Ключевые слова: система автоматического управления, ПЛК, СЦПУ, процессор, тактовая частота, позиционное управление.

В настоящее время основным способом повышения качества и производительности обработки материалов является автоматизация производственного оборудования. Практика показывает, что наибольший экономический эффект приносит автоматизация однообразных, постоянно повторяющихся технологических операций. Данный вид операций обычно выполняется на технологическом оборудовании, работающем по жесткому, практически не меняющемуся алгоритму, изменяться могут лишь последовательность стандартных циклов и величины перемещений исполнительных органов. На предприятиях страны используется большое количество единиц такого оборудования, системы управления которыми построены на релейно-контактных схемах, обладающих низкой надежностью. Системы управления на релейно-контактных схемах относятся к СЦПУ (системам циклового программного управления), и их ремонт является достаточно трудоемким процессом. Модернизация технологического оборудования путем применения более совершенных устройств автоматики является первостепенной задачей для предприятий, особенно для предприятий, занятых производством и переработкой материалов, характеризующихся большим объемом выпуска продукции.

Анализ современного технологического оборудования показал, что релейно-контактные схемы в системах циклового программного управления уже практически не применяются. Исключением остаются приводы, основанные на соленоидах, ведь, как известно из теории автоматического управления, релейные системы обладают наивысшим быстродействием. Но необходимо отметить, что применяются данные типы приводов лишь в простейших операциях (примером может служить перемещение штока пневмопривода по одной координате). Организация управления несколькими приводами данным методом является трудоемкой и ведет к снижению надежности системы.

Самым распространенным и надежным способом построения СЦПУ на сегодняшний день является применение ПЛК (программируемого логического контроллера). Благодаря тому что ПЛК является конструктивно законченным устройством автоматики (ввод его в эксплуатацию достаточно прост и сводится к программированию и монтажу), трудоемкость проектирования и пусконаладочных работ существенно снижается. Вместе с тем показатели надежности работы ПЛК по сравнению с релейно-контактными схемами на порядок выше. Кроме того, системы управления, построенные на ПЛК, легко интегрируются в информационную сеть предприятия и достаточно просто сопрягаются с другими вычислительными устройствами и комплексами. Этим и объясняется востребованность данного типа устройств, относящегося к вычислительным устройствам реального времени. Но, несмотря на повсеместное применение ПЛК в системах управления технологическим оборудованием, до сих пор не разработаны методы расчета оптимальных параметров, по которым следует выбирать ПЛК из ряда предлагаемых на рынке средств автоматики. Отсутствие данных методов ведет не только к излишним затратам на приобретение комплектующих, но и к возможным ошибкам на ранних этапах проектирования, что может сорвать сроки ввода в эксплуатацию оснащаемой или модернизируемой промышленной установки. В современной технической литературе ПЛК рассматривают с точки зрения отдельного способа организации вычислительного устройства на базе микроконтроллера, но вопросам обоснованного подбора конкретной модели ПЛК внимания не уделяется. Как правило, в литературных источниках могут быть изложены общие сведения по применению ПЛК в системах управления технологическими процессами, описанных с позиций событийно-управляемой логики (наиболее всего они полезны в вопросах программирования ПЛК и организации структуры СЦПУ с его применением) [1-3], рассмотрены вопросы решения задач автоматизации с использованием микроконтроллеров определенной серии, приведены основные технические характеристики, режимы работы и система команд микроконтроллеров данной серии. Особое внимание уделяется типовым алгоритмам решения отдельных задач [4; 5]. Рассматриваются методика и программа оценки и выбора программируемых логических контроллеров по совокупности технических и эксплуатационных характеристик, а также потребительских свойств, но не рассматривается вопрос расчета минимально необходимых характеристик ПЛК, определяющих его стоимость и предъявляемых в качестве исходных данных [6]. Это может поставить в тупик разработчиков СЦПУ на базе ПЛК.

В большинстве случаев с применением ПЛК приходится решать два типа задач:

1. Контроль прямолинейного движения. Необходимо контролировать прямолинейное перемещение рабочего органа оборудования на расстояние l с точностью j со скоростью движения V_min ? V ? V_max .

1.1.При рассмотрении данной задачи необходимо определиться со способом управления приводом. В данном случае управление позиционное, при котором положение в каждой точке обеспечивается при помощи обратной связи. Организовать обратную связь логично при помощи датчика линейных перемещений. При этом датчик должен обеспечивать необходимую точность измерений, т.е. должно выполняться условие

h_д.ш ? j,

где h_д.ш. - шаг деления шкалы датчика, м; j - точность перемещения рабочего органа, м.

1.2.Найдем минимально необходимую разрядность процессора, на базе которого должен быть построен ПЛК, рассчитав число А (количество импульсов от датчика, контролируемое процессором при перемещении на длину l) по формуле

где l - максимальная длина перемещения рабочего органа, м.

Далее необходимо будет перевести полученное число А в двоичную форму и подсчитать получившееся число разрядов а. Разрядность процессора должна быть больше либо равна полученному числу а.

Алгоритм работы блока программы, контролирующего перемещение, представлен на рис 1.

Уменьшить разрядность обрабатываемого числа, а следовательно, и разрядность процессора можно программным путем, изменив алгоритм программы, реализующей контроль перемещения (рис. 2). В данном случае контролировать величину перемещения будем по двум числам, для чего необходимо разбить число А на разряды: старшие разряды А_ст подсчитываем числом L, а младшие А_мл - числом l. В данном алгоритме присутствует параметр n , который является разрядом числа А_мл. Например, при разделении на разряды числа 5559999 А_ст=555, А_мл =9999, n=4.

Как видно из рис. 2, при таком понижении разрядности обрабатываемых данных увеличивается количество элементарных операций и, как следствие, время выполнения программы. Данный фактор приводит к уменьшению минимально необходимой длительности машинного цикла и, следовательно , к увеличению минимально необходимой производительности процессора.

Рис. 1. Блок-схема алгоритма программы, реализующей контроль перемещения

Для обеспечения оптимальной последовательности расчетов рекомендуется параллельно расчетам вести разработку программы в необходимой среде программирования. Это позволит определить количество машинных циклов n_ц, необходимое для выполнения блока программы, а также объем памяти, необходимый для ее хранения.

1.3.Следующей немаловажной характеристикой, необходимой для подбора оптимального по характеристикам ПЛК, которая напрямую зависит от точности измерений и скорости перемещения рабочего органа оборудования, является минимальная длительность t_min импульса, воспринимаемого дискретным входом. В случае организации управления прямолинейным движением привода она рассчитывается по следующей формуле:

где t_min - минимальная длительность импульса, воспринимаемого дискретным входом, с; V_max - максимальная скорость перемещения исполнительного органа, к которому крепится датчик, м/с.

Для дальнейших расчетов понадобится такая характеристика, как максимальная длительность импульса t_max. Максимальная длительность импульса, воспринимаемого дискретным входом, достигается при минимально необходимой скорости движения рабочего органа и рассчитывается по формуле

где t_max - максимальная длительность импульса, воспринимаемого дискретным входом, c;

Рис. 2. Блок-схема алгоритма программы, реализующей контроль перемещения по двум числам

Рис. 3. Временная диаграмма сигналов от фотоимпульсного датчика

V_min - минимальная скорость перемещения исполнительного органа, к которому крепится датчик, м/с.

Временная диаграмма сигналов от фотоимпульсных датчиков, дающая основание для данных зависимостей, представлена на рис. 3. Минимальная длительность импульса, воспринимаемого дискретным входом в данном случае является длительностью импульса, нулевой риски датчика с сигналом U₀, все остальные импульсы в два раза длиннее нулевого (U₁ - сигнал движения в прямом направлении, U₂ - сигнал движения в обратном направлении).

В современных ПЛК присутствуют высокоскоростные (высокочастотные) дискретные входы (именно для подключения фотоимпульсных преобразователей с большим числом штрихов на диске или с маленьким шагом деления шкалы), которые осуществляют измерение перемещений с высокой точностью. Так, в ПЛК 160-220.A-L имеются дискретные входы с минимальной длительностью воспринимаемого импульса 0,02 мс.

1.4.Необходимую длительность машинного цикла t_м.ц можно рассчитать, исходя из условия, что общее количество машинных циклов, реализованное в блоке программы контроля перемещения, должно быть меньше минимального периода подачи импульсов датчиком T_min (достигаемого при движении рабочего органа с максимальной скоростью V_max) и больше максимальной длительности импульса t_max (достигаемой при движении рабочего органа с минимальной скоростью V_min). Данное условие в математическом виде выглядит так:

где n_ц - количество машинных циклов, необходимое для выполнения блока программы; t_м.ц - длительность машинного цикла, c; T_min - минимальный период подачи импульсов датчиком, с.

Его можно записать следующим образом:

Параметр T_min рассчитывается по формуле (рис. 3)

Длительность машинного цикла встречается в техническом описании практически всех современных ПЛК, но также имеется возможность определения необходимой тактовой частоты процессора ПЛК. Например, для ПЛК, строящихся на базе процессоров AVR и ARM, будет справедливо утверждение, что их тактовая частота обратно пропорциональна длительности машинного цикла, и для них будет справедливо следующее условие:

где f_пр - тактовая частота процессора, Гц.

Для ПЛК, выполненных на других процессорах, необходимая зависимость будет изменяться с учетом архитектуры процессорного ядра.

Еще одним видом движения, который необходимо рассмотреть в рамках поставленной задачи, является вращение. Общие принципы и последовательность решения задачи контроля вращения рабочего органа оборудования системой автоматического управления на базе ПЛК будут схожими с описанными в предыдущей задаче. Но есть некоторые отличия, разберем их по порядку.

2.Контроль вращательного движения. Необходимо контролировать вращение рабочего органа оборудования на угол в с точностью j с частотой вращения n_min ? n ? n_max .

2.1.Как и в предыдущем примере, управление является позиционным, но в данном случае будет применяться датчик угловых перемещений. Датчик можно подобрать по параметру z_им (число импульсов на один оборот датчика угловых перемещений, т.е. число штрихов на диске), от которого напрямую зависит точность его измерений. Данный параметр определяется по следующей зависимости:

где i_к.ц. - передаточное отношение кинематической цепи, соединяющей вал крепления датчика с валом рабочего органа (при креплении датчика непосредственно на вал рабочего органа i_к.ц.=1); j - точность поворота рабочего органа, град.

Таким образом, при соединении рабочего органа оборудования с валом двигателя через понижающий редуктор (i_к.ц>1) можно использовать датчик более низкой точности (при креплении датчика на вал двигателя). Данный вывод позволяет снизить стоимость системы управления.

2.2.Рассчитывать число А (количество импульсов от датчика, контролируемое процессором при повороте рабочего органа на угол в) необходимо по формуле

где в - максимальный угол поворота рабочего органа, град.

Программный способ понижения требуемой разрядности процессора, описанный в пункте 1.2 и показанный на рис. 2, может применяться в данном случае. Заметим, что при использовании понижающего редуктора повышается контролируемое количество импульсов от датчика при повороте на заданный угол. Это приведет к увеличению требуемой разрядности процессора.

Применение понижающего редуктора даст возможность использовать более дешевые датчики угловых перемещений, но это приведет к увеличению требуемой разрядности процессора и уменьшению минимальной длительности импульса, воспринимаемого дискретным входом. Применять данный способ необходимо при условии, что он не станет причиной излишних затрат, связанных с применением более совершенного ПЛК.

2.3.Минимальная длительность импульса, воспринимаемого дискретным входом в данном случае, будет рассчитываться по формуле

где n_max - максимальная частота вращения рабочего органа, мин^-1.

Максимальная длительность импульса в данном случае рассчитывается следующим образом:

где n_min - минимальная частота вращения рабочего органа, мин^-1.

Временная диаграмма (рис. 3) поясняет обоснованность данных формул.

Дальнейшие расчеты следует проводить в соответствии с пунктом 1.4 задачи 1.

Применение данных методов расчета параметров ПЛК обеспечило снижение трудоемкости проектирования и экономию средств при выполнении следующих работ:

1. Модернизация стенда агрегатного сверлильного станка лаборатории кафедры «Автоматизированные технологические системы» Брянского государственного технического университета.

2. Разработка системы автоматического управления линией поперечного раскроя листового материала для ООО «Ключ-Агро» в соответствии с хоздоговором №1460У.

Данные методики позволили:

1. Приобрести комплектующие системы автоматического управления, не переплачивая за излишнюю функциональность и завышенные технические характеристики.

2. Провести проектные работы без ошибок и в срок.

3. Обосновать выбор комплектующих для системы управления.

4. Провести пусконаладочные работы в срок, без изменения проектных решений, заложенных при разработке.

Систему управления высокопроизводительным оборудованием целесообразно разрабатывать в следующей последовательности:

1. Определить, исходя из функционального назначения оборудования, количество объектов управления, способ управления данными объектами.

2. Определить количество необходимых входов и выходов ПЛК и их параметры.

3. Исходя из того, какой вид движения реализует рабочий орган оборудования, рассчитать минимально необходимые параметры ПЛК согласно методике, представленной в задаче 1 и/или задаче 2.

4. Если на технологическом оборудовании реализуется управление несколькими рабочими органами (реализуются одинаковые или разные виды движения), рассчитать минимально необходимые характеристики ПЛК для управления каждым рабочим органом, после чего выбрать самые жесткие характеристики и использовать их для выбора ПЛК.

5. Определить оставшиеся эксплуатационные характеристики, исходя из производственной необходимости.

6. Исходя из полученных характеристик, выбрать модель ПЛК с учетом цен на рынке средств автоматики.

С помощью предложенных методов рассчитывают только основные характеристики ПЛК, остальные характеристики определяются исходя из назначения конкретного технологического оборудования. Данные способы расчета позволяют существенно упростить процесс разработки систем автоматического управления технологическим оборудованием, исключить ошибки на ранних стадиях проектирования, сэкономить средства, направленные на автоматизацию оборудования, и дают возможность разработчику ориентировочно оценивать предлагаемые на рынке средств автоматики ПЛК.

Список литературы

1. Минаев, И.Г. Программируемые логические контроллеры: практическое руководство для начинающего инженера/ И.Г. Минаев, В.В. Самойленко. - Ставрополь: Аргус, 2009. - 100 с.

2. Парр, Э. Программируемые контроллеры: руководство для инженеров/ Э.Парр. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007.- 516 с.

3. Петров, И.В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и инструменты / И.В. Петров.- М.: СОЛОН-Пресс, 2003.- 256 с.

4. Митин, Г.П. Системы автоматизации с использованием программируемых логических контроллеров: учеб. пособие/ Г.П. Митин, О.В. Хазанова.- М.: СТАНКИН, 2005. - 136 с.

5. Деменков, Н.П. Системы автоматического управления на основе программируемых логических контроллеров / Н.П. Деменков // Техническая коллекция Schneider Electric.- 2008.- №16.- 76 с.

6. Митин, Г.П. Как выбрать программируемый логический контроллер/Г.П. Митин // Мир компьютерной автоматизации.- 2000.- № 1.- С. 66-69.

Материал поступил в редколлегию 21.06.12.

Размещено на Allbest.ru