Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• Общее сведение
• 1. Устройство
• 2. Принцип работы
• 3. Применение промышленных контроллеров
• 4. Языки стандарта МЭК
• Заключение
• Приложение


Введение

На современном этапе в качестве ядра любой системы промышленной автоматизации используется программируемый логический контроллер (ПЛК), к которому со стороны объекта автоматизации подключаются датчики и исполнительные органы.

Через датчики в ПЛК поступает информация о текущем состоянии объекта, а через исполнительные органы ПЛК может изменять состояние управляемого объекта. Эта базовая схема может усложняться. Например, ПЛК могут подключаться к автоматизированному рабочему месту (АРМ) оператора для супервизорного управления или к базе данных (БД) для накопления информации и интеграции в АСУ предприятия. Поскольку все ПЛК строятся на базе цифровой техники, естественным образом предполагаются некоторые языковые средства их программирования. Причем в силу специфики задачи алгоритмические языки программирования, такие как Си, Паскаль, Си++, не годятся для этих целей.

Специфика автоматизации предполагает наличие собственно системы управления, включающей датчики обратной связи и органы управления, и внешней (по отношению к системе управления) среды, на которую система управления воздействует через органы управления, - объекта управления - технической системы, реализующей некоторую производственную технологию. Воздействия - или, другими словами, реакция системы управления - определяются алгоритмом управления в зависимости от событий на объекте управления, информация о которых поступает через датчики обратной связи. Для цифровых систем это обстоятельство обусловливает цикличность управляющего алгоритма по схеме: считывание состояния входных сигналов через датчики - их обработка и формирование выходных сигналов - выдача выходных сигналов на исполнительные органы. Событийность предполагает алгоритмические изменения программы и набора обрабатываемых ею входных/выходных сигналов в зависимости от происходящих на объекте событий.



Общее сведение

В промышленности контроллерами называют устройства, которые выступают командным центром по отношению к обслуживаемому оборудованию с автоматическим принципом управления. Функция таких аппаратов не обходится без средств обратной связи, которая базируется на датчиках, собирающих ту или иную информацию о рабочем процессе. На основе получаемых сведений контроллеры промышленные разрабатывают обратные команды, управляя, таким образом, вверенными системами. Охват одного процессора может быть разным. Как правило, современные модели позволяют одновременно обрабатывать сигналы от 200-250 единиц техники, также отправляя им сигналы с настройками рабочих параметров. Важным отличием контроллера в нынешнем понимании является способность функционирования с обработкой данных в программном режиме, то есть предусматривается серьезный отход от принципов одношаговой жесткой логики, на которых работали автоматизированные линии производства прежних поколений.

1. Устройство

Основа формируется процессором модульного программируемого типа, который дополняется огромным перечнем вспомогательных систем и компонентов. К базовым элементам главной подсистемы относят модули входа/выхода, коммуникационные средства, наборы датчиков, устройства хранения данных, а также панели операторского управления. К второстепенным модулям, которые, впрочем, редко уступают по значимости вышеупомянутым компонентам, относят системы предохранения, терморегуляторы, дисплей и клавиатуры, а также новейшие комплексы для организации сетевой передачи данных. Вместе с этим устройство промышленного контроллера не обходится без включения инженерных систем, которые могут обеспечивать охлаждение аппаратуры и при необходимости ее обогрев. Что касается наборов датчиков, то их состав полностью зависит от объекта, на котором эксплуатируется система. Это могут быть детекторы расхода воды, или газа, счетчики потребления энергии и даже сенсоры движения.

2. Принцип работы

Когда модульная структура налажена и запущен производственный процесс, начинается регистрация эксплуатационных параметров. Как уже отмечалось, система может учитывать сотни показателей, сопоставляя их со значениями заложенной пользователем программы. По результатам этого сопоставления контроллер принимает решение для команды. Например, если по технологии гидроабразивный резчик может работать при температуре не ниже 0 градусов, то аппаратура подаст команду остановки процесса, если термометр покажет значение ниже допустимого. По этой же системе работают и другие промышленные контроллеры. Принцип работы предполагает и более сложные алгоритмы принятия решений. К примеру, учитываться могут десятки показателей, влияющих на работу одного участка или конкретной единицы оборудования. Также в процессе эксплуатации система контролирует и собственные рабочие показатели, в том числе параметры энергоснабжения.

3. Применение промышленных контроллеров

Такая аппаратура используется в разных сферах, причем не только производства. Но главные направления это все же металлургия, химическая промышленность, нефтедобыча, обрабатывающие отрасли и т. д. Например, металлургические комбинаты с помощью автоматики управляют прессами, токарными станками, теми же резчиками и шлифовальными установками, к которым предъявляются высокие требования в плане точности результата. В химической отрасли контроллеры промышленные управляют технологическими процессами смешивания веществ, дозирования и очистки. Кроме того, средства логического программирования эффективно показывают себя в составе комплексов обеспечения безопасности. В частности, контроллеры управляют функциями сигнализации, охранных пунктов, защитных перегородок и ворот с автоматизированным приводом. Теперь стоит подробнее ознакомиться с производителями современных контроллеров и возможностями, которые в них предлагаются.

Предприятие «ОВЕН» с 2005 года разрабатывает автоматические средства управления для промышленного сегмента, придерживаясь принципов функциональности, эргономики и надежности. Важной характеристикой данных устройств является изначальное базирование на мощном аппаратном ресурсе, который дополняется широкими программными возможностями. Что касается второго аспекта, то промышленные контроллеры российского производства «ОВЕН» работают в программной среде CoDeSys от немецких разработчиков. С точки зрения эксплуатации, данная аппаратура выгодна возможностью компонентного расширения, что делает ее универсальной, а также включением в комплекс новейших средств коммуникационного взаимодействия.

Еще одна отечественная компания, занимающаяся развитием сегмента промышленных контроллеров. На данный момент специалисты «Сегнетикс» предлагают несколько решений для разных категорий пользователей. Базовая серия SMH2010 включает в состав панельные универсальные средства автоматизированного управления, которые оптимально подходят для применения в жилищно-коммунальной отрасли. С другой стороны, производство промышленных контроллеров на мощностях этой компании ориентируется и на узкоспециализированные задачи. Например, устройства Pixel предназначены специально для управления вентиляционной системой. Есть в семействе и более сложные модели контроллеров, которые могут успешно применяться в сферах автоматизации технологических процессов на крупных производственных линиях.

Перспективный производитель, который делает акцент на развитии внутренних логических процессов между компонентами контроллеров. На текущий момент в линейке фирмы предлагаются два комплекса - APAX и ADAM. В первом применяется открытая архитектура, на платформе которой объединяются функции обработки и управления информации. Средства коммуникации предполагают наращивание компонентов, что делает систему гибкой в применении. В семействе ADAM также предлагаются контроллеры промышленные с развитой начинкой для управляющей функции и некоторыми дополнениями. В частности, система обеспечена детерминированным вводом/выводом, резервными средствами питания и оптимизированной памятью.



4. Языки стандарта МЭК

Современные программируемые логические контроллеры (ПЛК) программируются в соответствии со стандартом Международной электротехнической комиссии. В 1993 г. Международная электротехническая комиссия выпустила в свет стандарт МЭК 61131-3. Этот международный стандарт входит в группу МЭК 61131 стандартов, в котором описаны стандартизованные языки программирования, представляющие интерес для практического использования.

Международная электротехническая комиссия - это международный орган стандартизации, создающий базовые стандарты для последующей адаптации в национальных комитетах. Что касается стандартизации языков, используемых для программирования ПЛК, то эта проблема назрела давно. К концу 80-х десяток базовых концепций на практике был представлен более сотней вариаций. Их унификация сулила ощутимый экономический эффект. Для решения этой проблемы была создана рабочая группа, состоящая из представителей ведущих игроков на рынке автоматизации, которая начала работу.

Если посмотреть на языки стандарта МЭК с точки зрения современной информатики, то каждый их них можно подвергнуть оправданной критике. Вероятно, было бы более разумным, опираясь на опыт использования наиболее популярных языков, создать один хороший универсальный язык. Эта идея не нова. Все старое программное обеспечение для контроллеров просто нужно будет переписать с нуля. В условиях конкурентного производства очень важно проводить внедрение новой техники быстро. А для этого необходимо максимально задействовать отработанные решения.

Включение в стандарт пяти языков объясняется в первую очередь историческими причинами. Разработчики стандарта столкнулись с наличием огромного количества различных вариации похожих языков программирования ПЛК. Вошедшие в стандарт языки созданы на основе наиболее популярных языков программирования наиболее распространенных в мире контроллеров. Если взять любой контроллер, работающий в современном производстве, то его программу можно перенести в среду МЭК 61131 с минимальными затратами. Речь не идет о том, что программу можно будет использовать без какой-либо правки. Безусловно, потребуется некоторая адаптация и отладка, но несравненно меньшая, чем при создании проекта с нуля.

После принятия стандарта появилась возможность создания аппаратно - независимых библиотек. Это регуляторы, фильтры, управление сервоприводом, модули с нечеткой логикой и т. д. Наиболее удачные, отработанные востребованные библиотеки становятся коммерческими продуктами.

Среди языков , вошедших в МЭК оказались:

* язык последовательных функциональных схем SFC (SequentialFunctionChart) для программирования алгоритмических действий

* язык релейных диаграмм LD (LadderDiagram) только для булевых операций

* язык функциональных блоков FBD (FunctionalBlockDiagram) для сложных циклических операций.

* язык структурированного текста ST (StructuredText) для циклических операций и уточнения шагов SFC .

* язык инструкций IL (InstructionList) для операций низкого уровня.

1. Диаграммы SFC

Язык последовательных функциональных схем SFC (SequentialFunctionChart) -это графический язык, который используется для описания последовательных операций. Происхождение - язык Grafcet (Telemechanique-GroupeSchneider).

Язык используется для описания алгоритма в виде набора связанных пар: шаг ( step ) и переход ( transition ).

Шаг представляет собой набор операций над переменными. Переход - набор логических условных выражений, определяющий передачу управления к следующей паре шаг-переход.

Процесс управления представляется в виде набора определенных шагов (автономных ситуаций), связанных переходами. SFC программа - это набор шагов и переходов, соединенных вместе направленными связями. Действия внутри шагов описаны более детально при помощи других языков (ST, IL, LD, FBD), к каждому переходу прикреплено логическое условие. Основные графические правила для SFC:

- шаги не могут следовать подряд;

- переходы не могут следовать подряд.

Основные компоненты SFC

Основными компонентами языка являются:

- шаги и начальные шаги;

- переходы;

- ориентированные связи;

- прыжок на шаг;

- схождения и расхождения;

- макро шаги.

Описание действий выполняемых во время активности шага называют вторым уровнем шага SFC. Такое описание выполняется с использованием обычно языка ST (хотя и возможно использование и других языков) и дополнительных возможностей языка SFC так называемых текстовых возможностей. К ним относятся:

1) булевы действия

2) puls-действия

3) non-stored-действия

4) SFC-действия

Булевы действия

Они присваиваются булевой переменной значение активности шага. Булева переменная может быть выходной или внутренней. Ей присваивают значение каждый раз, когда активные шаги начинаются или заканчиваются. Синтаксис основных булевых действий и соответствующие им временные диаграммы приведены ниже.

PULS-действия

Это список команд на языке ST или IL, которые выполняются только один раз в момент активизации шага.

Синтаксис описания puls-действий

ACTION(P);

Операторы языка ST или IL;

END_ACTION;

NON-STORED-действия

Это список команд на языке ST или IL, которые выполняются на каждом цикле работы контроллера в течении всего периода активности шага.

Синтаксис

ACTION(N);

Операторы языка ST или IL;

END_ACTION;

SFC действия

Это дочерняя последовательность на языке SFC, запускаемая или уничтожаемое в соответствии с изменением сигнала активности шага. Кроме указанных возможностей в каждом шаге может осуществляться вызов подпрограмм, написанных на любом из остальных языков.

В отличии от макрошага, который пока не выполнится до конца, не происходит дальнейшего перехода, SFC-действие сразу прекращается при выполнении условия перехода.

Описание условий прикрепленных к переходу.

К каждому переходу пишется булево выражение, которое называют вторым уровнем перехода. Описание условия обычно выполняется на языке ST или IL. Выражение должно быть булевым (не арифметическим) и заканчиваться точкой с запятой. Когда к переходу не прикреплено условие, то оно по умолчанию питается истинным, т.е. принимает значение TRUE.

Динамические правила языка SFC.

В этом языке есть пять динамических правил, которым подчиняется логика выполнения программ :

1. В каждой программе должен присутствовать, по крайней мере, один шаг инициализации, который в начале выполнения программы находится в активном состоянии.

2. Правило выполнения перехода - переход либо разрешён, либо запрещён. Считается что он разрешён, когда все непосредственно предшествующие шаги, присоединённые к нему, активны. В противном случае он запрещён. Переход происходит если выполнены два условия: а) переход разрешён б) условие перехода истинно. Если одно из условий не выполняется, переход не может быть произведен.

3. Изменение состояния активности шагов - удаление переходов немедленно приводит к активному состоянию непосредственно следующих за ним шагов и неактивному состоянию непосредственно предшествующих шагов. программируемый контроллер электротехнический

4. Правило одновременного удаления переходов , применяется в случае конвергенции и дивергенции.

5. Если во время выполнения программы шаг одновременно активизирован и деактивизирован приоритет отдаётся активизации.

Основные достоинства SFC можно определить следующим образом.

Высокая выразительность. Язык SFC имеет те же возможности, что и диаграммы состояний, и является наиболее подходящим средством для описания динамических моделей.

Графическое представление. Благодаря графической мнемонике SFC максимально прост в использовании и изучении. Вместе с тем, он является наглядным средством представления логики на разных уровнях детализации.

2. Список инструкций IL

Язык IL (Instructionlist) дословно -- список инструкций. Это типичный ассемблер с аккумулятором и переходами по меткам. Набор инструкций стандартизован и не зависит от конкретной целевой платформы. Поскольку IL самый простой в реализации язык, он получил очень широкое распространение до принятия стандарта МЭК. Точнее, не сам IL, а очень похожие на него реализации. Практически все производители ПЛК Европы создавали подобные системы программирования, похожие на современный язык. IL. Наибольшее влияние на формирование современного IL оказал язык программирования STEP контроллеров фирмы Siemens. Язык IL позволяет работать с любыми типами данных, вызывать функции и функциональные блоки, реализованные на любом языке. Таким образом, на IL можно реализовать алгоритм любой сложности, хотя текст будет достаточно громоздким.

В составе МЭК - языков IL применяется при создании компактных компонентов, требующих тщательной проработки, на которую не жалко времени. При работе с IL гораздо адекватнее, чем с другими языками, можно представить, как будет выглядеть оттранслированный код. Благодаря чему, IL выигрывает там, где нужно достичь наивысшей эффективности. К компиляторам это относится в полной мере. В системах исполнения с интерпретатором промежуточного кода выигрыш не столь значителен.

3. Структурированный текст ST

Язык ST (StructuredText) -- это язык высокого уровня. Синтаксически ST представляет собой несколько адаптированный язык Паскаль. Вместо процедур Паскаля в ST используются компоненты программ стандарта МЭК.

Происхождение: Grafcet (Telemechanique-Groupe Schneider). Язык по умолчанию используется для описания действий внутри шагов и переходов.

Для специалистов, знакомых с языком С, освоение ST также не вызовет никаких сложностей. В качестве иллюстрации сравним эквивалентные программы на языках ST и С:

ST: С :

WHILE Counter<>0 DO while (Counter - ! = 0)

Counter := Counter-1; {

Var1 := Var1*2; Varl *= 2;

IF Var1 > 100 THEN if (Var1 > 100)

Var1 := 1; {

Var2 := Var2 + 1; Var1 = 1;

END_IF ++Var2;

END _ WHILE }

}/* while */

Основной синтаксис языка.

Программа на языке ST - это список операторов, каждый из которых заканчивается «;».

В программе имена переменных и констант разделяются либо неактивными разделителями: ENTER, ТАБ , либо активными , которые имеют заранее определённое значение. Комментарии могут вставляться в текст произвольным образом и оформляются следующим образом:

( * комментарий * ).

Основные операторы языка.

- ( ) - для выделения частей выражения с целью изменения приоритета выполнения операций , в их отсутствии используется приоритет по умолчанию.

- := - присваивает переменной значение некоторого выражения или константы:

< переменная> := <любое выражение или константа >

X1:=a+b.

Переменная должна быть внутренней или входной , также иметь один тип с выражением.

- Return завершает выполнение текущей программы.

- If … then … else …

If <условие>

Then< оператор1 >;

< оператор2 >;

…

else< список операторов >;

end_if

- While - это циклическая структура для группы операторов на языке ST , условие продолжения которой вычисляется до каждой итерации.

While< условие>do

< оператор 1 >;

< оператор 2 >;

endwhile;

Примечание.

Т.к. система программирования и исполнения программ на языке ST является циклической синхронизации, то исходные переменные не обновляются в течение операции whileи следовательно изменение состояния входной переменной не может быть использовано для описания условия оператора while.

- Repeat - циклическая структура , условие продолжения которой вычисляется после каждой итерации .

Repeat

< оператор 1 >;

< оператор 2 >;

until< условие>;

endrepeat;

Примечание аналогичное для while.

- For - выполняет ограниченное количество итераций , используя целочисленную переменную (integer) дляограничения.

For < index > := < min > to < max > by <step >

Do< оператор 1 >;

< оператор 2 >;

endfor;

где index - внутренняя переменная ,step - шаг изменения переменной.

- Булевыоператоры: NOT , AND , OR , XOR ,

REDGE - обнаружение переднего фронта ,

FEDGE - обнаружение спада или заднего фронта.

- Арифметические операторы:

+ сложение , - вычитание , умножение , / деление.

- Операторы сравнения: < ,> , = , <> , <= , >= .

- Операторы управления таймерными параметрами.

TSTART пуск обновление таймерной переменной , после выполнения этого оператора таймерная переменная наращивается на каждом временном цикле выполнения программы вплоть до остановки оператором TSTOP.

4. Релейные диаграммы LD

Язык релейных диаграмм LD (LadderDiagram) или релейно-контактных схем (РКС) -- графический язык, реализующий структуры электрических цепей. РКС -- это американское изобретение. В начале 70-х гг. XX в. релейные автоматы сборочных конвейеров начали постепенно вытесняться программируемыми контроллерами. Некоторое время те и другие работали одновременно и обслуживались одними и теми же людьми.

Так появилась задача прозрачного переноса релейных схем в ПЛК. Различные варианты программной реализации релейных схем создавались практически всеми ведущими производителями ПЛК. Благодаря простоте представления РКС обрел заслуженную популярность, что и стало основной причиной включения его в стандарт МЭК.

Слова «релейная логика» звучат сегодня достаточно архаично, почти как «ламповый компьютер». Тем более в связи с созданием многочисленных быстродействующих и надежных бесконтактных (в частности, оптоэлектронных) реле и мощных переключающих приборов, таких как мощные полевые транзисторы, управляемые тиристоры и приборы IGBT. Но, несмотря на это, релейная техника все еще очень широко применяется.

Язык LD - это графическое представление булевых функций содержащее контакты (входные переменные) и обмотки (выходные переменные). Графические символы языка LD очень похожи на изображение в релейно-контактных схемах, при этом приняты следующие условные изображения.

Для изображения входных контактов существует несколько символов:

Прямой(замыкающий)

Обратный контакт(размыкающий)

Контакт с обнаружением нарастания фронта

Контакт с обнаружением падающего фронта

Используется несколько типов обмоток:

Прямая обмотка

Обратная обмотка

Логически последовательное (И), параллельное (ИЛИ) соединение контактов и инверсия (НЕ) образуют базис Буля. В результате LD идеально подходит не только для построения релейных автоматов, но и для программной реализации комбинационных логических схем. Благодаря возможности включения в LD функций и функциональных блоков, выполненных на других языках, сфера применения языка практически не ограничена.

Типовой пример использования - реализация аварийных блокировок системы, включающая преимущественно логические сигналы. Вполне приемлем в случаях, когда задачей предполагаются частные коррекции несложного логического алгоритма неквалифицированным (с точки зрения программирования) персоналом (ремонтники, механики и т.п.).

5. Функциональные диаграммы FBD

FBD (FunctionBlockDiagram) -- это графический язык программирования. Диаграмма FBD очень напоминает принципиальную схему электронного устройства на микросхемах. Позволяет создать программную единицу практически любой сложности на основе стандартных кирпичиков (арифметические, тригонометрические, логические блоки, PID-регуляторы, блоки, описывающие некоторые законы управления, мультиплексоры и т.д.). Это языковое средство использует технологию инкапсуляции алгоритмов обработки данных и законов регулирования. Все программирование сводится к "склеиванию" готовых компонентов. В результате получается максимально наглядная и хорошо контролируемая программная единица.

Этот язык позволяет пользователю строить сложные процедуры обработки данных и управления объектами. В языке используются существующие библиотеки функций и связывание их в функциональную схему или диаграмму решающую данную задачу. Основной формой представления функциональных блоков являются следующие изображения.

Входные и выходные переменные присоединяются к блоку линиями соединения. Входные и выходные переменные присоединяются к блоку линией. Выходная функция блока может быть присоединена к входу любого другого блока.

Типовой пример использования - алгоритмы регулирования, обработка (например, фильтрация) аналоговых сигналов. В качестве пользователей предполагаются специалисты в области автоматического регулирования с привлечением квалифицированных системных программистов в сложных случаях.



Заключение

Простейшие системы автоматизированного обеспечения производств постепенно переросли в сложные многофункциональные устройства. На сегодняшний день производители промышленных контроллеров ставят перед собой задачи нового порядка, которые должны будут повысить эффективность управления процессами в разных областях. Среди важнейших направлений можно выделить совершенствование коммуникационных связей, оптимизацию энергоснабжения и переход на более надежные элементные платформы. При этом отечественные разработчики практически не отстают от зарубежных специалистов, предлагая вполне конкурентные решения современного уровня.



Приложение



Размещено на Allbest.ru

...