Технические средства автоматизации

Тип логики двухпозиционного регулятора, уставка Т_уст и гистерезис задаются пользователем при программировании прибора.

Двухпозиционный регулятор (компаратор) сравнивает значение измеренной величины с эталонным (уставкой). Состояние выходного сигнала изменяется на противоположное, если входной сигнал (измеренная величина) пересекает пороговый уровень (уставку).

Двухпозиционный регулятор используется:

· для регулирования измеренной величины в несложных системах, когда не требуется особой точности;

· для сигнализации о выходе контролируемой величины за заданные границы.

Тип логики 1 (прямой гистерезис)

Применяется в случае использования прибора для управления работой нагревателя (например, ТЭНа) или сигнализации о том, что значение текущего измерения Т меньше уставки Т_уст. При этом выходное устройство, подключенное к ЛУ, первоначально включается при значениях Т < Т_уст , выключается при Т < Т_уст + и вновь включается при Т < Т_уст , осуществляя тем самым двухпозиционное регулирование температуры объекта по уставке Т_уст с гистерезисом ±.

Тип логики 2 (обратный гистерезис)

Применяется в случае использования прибора для управления работой «холодильника» (например, вентилятора) или сигнализации о превышении значения уставки. При этом выходное устройство первоначально включается при значениях Т < Т_уст + , выключается при Т < Т_уст и вновь включается при Т < Т_уст + , также осуществляя двухпозиционное регулирование.

Тип логики 3 (П-образная)

Применяется при использовании прибора для сигнализации о входе контролируемой величины в заданные границы. При этом выходное устройство включается при Т_уст < Т < Т < Т_уст + .

Тип логики 4 (U-образная)

Применяется при использовании прибора для сигнализации о выходе контролируемой величины за заданные границы. При этом выходное устройство включается при Т < Т_уст и Т < Т_уст + .

Задержка включения и выключения выходного устройства

Для защиты выходного устройства от частых срабатываний при работе ЛУ в режиме компаратора во многих приборах имеются параметры для установки времени задержки включения t_вкл и времени задержки выключения t_выкл выходного устройства. ЛУ включает (выключает) выходное устройство, если условие, вызывающее изменение состояния, сохраняется, как минимум, в течение времени, установленного в этих параметрах.

6.4 Удержание выходного устройства в замкнутом и разомкнутом состоянии в течение заданного времени

Для аварийной сигнализации о выходе параметра за установленные границы во многих приборах ОВЕН можно задать минимальное время удержания выхода в замкнутом и разомкнутом состоянии. ЛУ удерживает выходное устройство в соответствующем состоянии в течение заданного времени, даже если по логике работы устройства сравнения требуется переключение.

Регулятор аналогового типа. Принцип ШИМ

В режиме аналогового регулирования ЛУ рассчитывает отклонение Е те кущего значения контролируемой величины Т от заданной уставки Т_уст (т.е. рассогласование). В результате на выходе регулятора вырабатывается аналоговый сигнал Y, который направлен на уменьшение рассогласования Е. Этот сигнал подается на исполнительное устройство регулятора в виде тока или последовательности импульсов (ШИМ).

Если выходное устройство регулятора ключевого типа (реле, транзистор ная или симисторная оптопара, выход для управления твердотельным реле), выходной сигнал преобразуется в последовательность управляющих импульсов с длительностью D (см. рисунок):

,

где D - длительность импульса, с;

Т_сл - период следования импульсов, с (задается пользователем при программировании);

Y - выходной сигнал регулятора.

Если в качестве выходного устройства используется ЦАП, выходной сиг нал преобразуется в пропорциональный ему ток 4...20 мА или напряжение 0...10 В.

РЕГУЛЯТОР - устройство, предназначенное для поддержания контролируемой величины на заданном уровне.

6.5 ПИД-регулятор. Общие принципы ПИД-регулирования

Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор - наиболее эффективный и распространенный вид регулятора, обеспечивающий достаточно высокую точность при управлении различными процессами.

ПИД-регулятор вырабатывает выходной сигнал, который рассчитывается по следующей формуле:

где Х_р - полоса пропорциональности;

E_i - рассогласование;

_д - постоянная времени дифференцирования;

E_i - разность между двумя соседними измерениями E_i и E_i-1;

t_изм - время между двумя соседними измерениями T_i и T_i-1;

_и - постоянная времени интегрирования;

- накопленная в i-й момент времени сумма рассогласований (интегральная сумма).

Как видно из формулы, сигнал управления является суммой трех составляющих:

· пропорциональной (1-е слагаемое);

· интегральной (3-е слагаемое);

· дифференциальной (2-е слагаемое).

Пропорциональная составляющая зависит от рассогласования E_i и отвечает за реакцию на мгновенную ошибку регулирования. Интегральная составляющая содержит в себе накопленную ошибку регулирования, которая является дополнительным источником выходной мощности и позволяет добиться максимальной скорости достижения уставки при отсутствии перерегулирования. Дифференциальная составляющая зависит от скорости изменения параметра E_i/t_изм, вызывающей реакцию регулятора на резкое изменение измеряемого параметра, возникшее, например, в результате внешнего возмущающего воздействия.

Для эффективной работы ПИД-регулятора необходимо подобрать для конкретного объекта регулирования значения коэффициентов ПИД-регулятора Х_р, _д и _и. Это можно сделать вручную или воспользоваться автонастройкой.

Аналоговый П-регулятор. Пропорциональное регулирование (П-закон)

При цифровой реализации П-закона регулирования выходной сигнал регулятора Y_i - пропорционален величине рассогласования E_i, т.е.

,

где Х_р - полоса пропорциональности, в пределах которой справедлива эта формула; E_i - разность между заданным T_уст и текущей T_i значениями измеряемой величины, или рассогласование.

Полоса пропорциональности Х_р, как и отклонение Е, выражается в единицах контролируемого параметра. Чем шире полоса пропорциональности Х_р, тем меньше величина выходного сигнала Y при одном и том же отклонении Е (см. рисунок справа). Вне полосы пропорциональности выходной сигнал Y равен 0 или 100 %.

При действии П-закона регулятор выдает импульсы, в которых присутствует только пропорциональная составляющая величины выходного сигнала.



Выходной сигнал П-регулятора и длительность управляющих импульсов при различных значениях Х_р и Е = 10

6.6 Пропорционально-дифференциальное регулирование (ПД-закон)

При работе прибора в режиме ПД-регулятора величина выходного сигнала Y_i зависит не только от величины отклонения E_i, но и от скорости его изменения:

где Х_р - полоса пропорциональности;

E_i - рассогласование;

_д - постоянная времени дифференцирования;

E_i - разность между двумя соседними измерениями

t_изм - время между двумя соседними измерениями T_i и T_i-1;

E_i/t_изм - скорость изменения рассогласования E_i.

Изменение выходного сигнала регулятора при ступенчатом изменении отклонения показано на рисунке. В первый период после ступенчатого изменения E_i, регулятор выдает управляющий импульс, в котором, кроме пропорциональной составляющей, вызванной рассогласованием E_i, добавляется дифференциальная (заштрихованная часть) Y_д, которая зависит от величины E_i и коэффициента _д. В последующих импульсах присутствует только пропорциональная составляющая, так как нет изменения E_i.

Выходной сигнал ПД-регулятора и длительность управляющих импульсов при различных значениях _д и Е = 10

Пропорционально-интегральное регулирование (ПИ-закон).

При работе прибора в режиме ПИ-регулятора величина выходного сигнала Y_i зависит как от величины рассогласования Е, так и от суммы предыдущих рассогласований.



где Х_р - полоса пропорциональности;

E_i - рассогласование (отклонение);

_и - постоянная времени интегрирования;

- накопленная в i-й момент времени сумма рассогласований (интегральная сумма).

Из рисунка видно, что в первый момент времени, когда нет отклонения (E_i= 0), нет и выходного сигнала (Y_i = 0). С появлением отклонения E_i, появляются импульсы, длительность которых постепенно увеличивается. В импульсах присутствует пропорциональная составляющая, которая зависит от величины Е (незаштрихованная часть импульсов) и интегральная составляющая (заштрихованная часть). Увеличение длительности импульсов происходит за счет роста интегральной составляющей, которая зависит от рассогласования Е, и коэффициента _и.

Выходной сигнал ПИ-регулятора и длительность управляющих импульсов при различных значениях _и и Е=10

6.7 Зона нечувствительности X_d

Для исключения излишних срабатываний регулятора при небольшом значении рассогласования E_i, для вычисления значений Y_i используется уточненное значение Е_р, вычисленное в соответствии с условиями:

если E_i X_d, то Е_р = 0;

если E_i > X_d, то Е_р = E_i X_d,

если E_i < X_d, то Е_р = E_i + X_d,

где X_d - зона нечувствительности.

Прибор будет выдавать управляющий сигнал только после того, как регулируемая величина выйдет из этой зоны. Зона нечувствительности не должна превышать необходимую точность регулирования.

6.8 Ограничение управляющего сигнала

Так как рабочий диапазон исполнительного механизма всегда ограничен, для выходного управляющего сигнала Y_вых задаются ограничения в виде максимального и минимального значений. Если выходной сигнал регулятора Y превышает заданную величину Y_огр.max, то на исполнительное устройство выдается сигнал Y_огр.max, если сигнал меньше заданной величины Y_огр.min, то выдается сигнал Y_огр.min.

Кроме того, в некоторых регуляторах можно задать скорость изменения выходного сигнала, что позволяет избежать резких воздействий на исполнительные устройства.

Зона накопления интеграла

Если рассогласование Е долго сохраняет знак, величина интегральной составляющей становится очень большой (эффект интегрального насыщения), что может привести к перерегулированию.

Для устранения влияния этого эффекта задают зону накопления интеграла, в пределах которой регулятор вычисляет интегральную составляющую. За пределами этой зоны, где интегральная сумма слишком велика, для формирования управляющего сигнала используется только пропорциональная составляющая. В зависимости от режима работы регулятора (нагреватель или холодильник), эта зона расположена выше или ниже уставки. Если регулятор управляет задвижкой без датчика положения, значение этого параметра не влияет на работу регулятора.



6.9 Ограничение скорости выхода на уставку

Ограничение скорости выхода контролируемой величины на заданное значение используется для предотвращения перерегулирования при запуске системы (кривая I). Фиксированное значение уставки заменяют на «плавающее», которое постепенно приближают к значению Т_уст (кривая II). Приближение происходит сначала со скоростью v_уст, затем скорость постепенно уменьшается (см. рис.). Рекомендуемое значение v_уст определяется прибором при автонастройке и обеспечивает первоначальную величину перерегулирования (первого «выбега») не более .

При использовании скорости выхода на уставку возрастает время выхода на рабочий режим. Поэтому если задержка приводит к неудовлетворительным результатам, нужно увеличить v_уст или отключить действие параметра.

Период управляющих импульсов Т_сл

При использовании ПИД-регулятора с выходным устройством ключевого типа (э/м реле, транзисторная или симисторная оптопара) необходимо устанавливать период управляющих импульсов. Чем выше частота управляющих импульсов (т. е. меньше период Т_сл), тем быстрее реакция регулятора на внешние возмущения.

В идеале частота импульсов управления должна совпадать с частотой опроса датчика. Однако, если при использовании на выходе ПИД-регулятора электромагнитного реле или пускателя установить слишком большую частоту (т.е. слишком низкое значение Т_сл), то частые переключения приведут к быстрому износу силовых контактов. Поэтому значение Т_сл приходится увеличивать, но необходимо понимать, что качество регулирования при этом может ухудшиться.

При использовании в качестве выходных устройств электронных ключей (транзисторных или симисторных оптопар) проблемы износа контактов не возникает и значение Гсл можно установить равным периоду опроса датчика (например, для ТРМ101 1 ...2 с).

Автонастройка позволяет определять значение Т_сл, которое не будет оказывать отрицательного влияния на работу системы.

6.10 Управление различными исполнительными устройствами

Для поддержания заданного значения регулируемого параметра при работе ЛУ в режиме «Регулятор» можно использовать разные типы исполнительных устройств, но все они могут быть условно разделены на две группы:

· нагреватели;

· холодильники.

Нагревателем условно называют устройство, включение которого должно приводить к увеличению значения измеряемого параметра.

Холодильником называют устройство, включение которого должно приводить к уменьшению значения измеряемого параметра.

Кроме того, в некоторых ПИД-регуляторах ОВЕН существует специальный режим для управления устройствами типа «задвижка». Задвижка, в свою очередь, тоже может управлять либо нагревателем, либо холодильником.

Нагреватель («обратное» управление)

Управление процессом с помощью устройств типа «нагреватель» называют также «обратным», так как с увеличением значения регулируемого параметра уменьшается значение выходного сигнала Y. Регулятор при «обратном» управлении включается при текущих значениях Т меньших уставки Т_уст (при положительных отклонениях Е) и отключается при Т > Т_уст (см. рисунок).

Выходной сигнал регулятора и временная диаграмма выходного реле при ШИМ-управлении нагревателем

Холодильник («прямое» управление)

Управление процессом с помощью устройств типа «холодильник» называют также «прямым», так как с увеличением значения регулируемого параметра увеличивается значение выходного сигнала Y. Регулятор при «прямом» управлении включается при текущих значениях Т больших уставки Т_уст (при отрицательных отклонениях Е) и отключается при Т < Т_уст,

Одновременное управление нагревателем и холодильником

Для поддержания регулируемой величины регулятор может одновременно управлять двумя исполнительными устройствами - нагревателем и холодильником. Если в момент включения регулятора значение регулируемого параметра меньше уставки, регулятор включает нагреватель и использует это устройство до тех пор, пока величина выходного сигнала Y поменяет знак на противоположный. После этого регулятор включает холодильник.

Управление нагревателем и холодильником

Особенности работы ПИД-регулятора при управлении задвижкой (позиционно-пропорциональное регулирование)

Устройство типа «задвижка» имеет электрический привод и две пары контактов для управления направлением его вращения. При подаче управляющих сигналов на первую пару контактов задвижка перемещается в одну сторону, например, открывается, при подаче импульсов на вторую - закрывается.

Если задвижка имеет датчик положения, то регулятор вычисляет положение задвижки в процентах (Y_i) и перемещает задвижку в нужное положение. При вычислении Y_i в формулу для ПИД-регулятора вносятся коррективы. Считается, что двигатель задвижки - это «интегрирующее звено», и регулятором производится дополнительное дифференцирование выходного сигнала. В этом случае постоянная времени дифференцирования _д не учитывается, даже если она была ранее установлена. Пропорциональная и интегральная составляющие действуют так же, как при управлении нагревателем (холодильником).

Задвижка может работать и в режиме нагревателя, и в режиме холодильника. На рисунке показана диаграмма работы выходных реле при работе задвижки в режиме нагревателя.

Измеритель-регистратор - устройство, предназначенное для преобразования измеренной величины в аналоговый сигнал тока 4...20мА. При работе в режиме «измеритель-регистратор» ЛУ преобразует входную величину в аналоговый сигнал в виде тока 4...20 мА, который можно подавать на самописец или другое регистрирующее устройство.

Тип соответствующего измерителю выходного устройства - «И» - цифроаналоговый преобразователь «параметр-ток 4...20 мА».

Принцип формирования тока регистрации показан на рисунке. При программировании прибора устанавливаются два параметра. Первый параметр - значение нижнего предела, соответствующее минимальному значению тока. Вторым параметром для разных приборов ОВЕН может быть либо диапазон регистрации, либо значение верхнего предела, соответствующее максимальному значению тока.



Выходные устройства. Выходные устройства (ВУ) предназначены для передачи выходного управляющего сигнала на исполнительные механизмы либо для передачи данных на регистрирующее устройство.

Выходные устройства ключевого типа. К выходным устройствам ключевого типа относятся:

· электромагнитное реле;

· транзисторная оптопара;

· симисторная оптопара;

· выход для управления внешним твердотельным реле.

Выходное устройство ключевого типа используется для управления (включения/выключения) нагрузкой либо непосредственно, либо через более мощные управляющие элементы, такие как пускатели, твердотельные реле, тиристоры или симисторы.

Цепи ключевых выходных устройств имеют гальваническую изоляцию от схемы прибора. Исключение составляет выход «Т» для управления внешним твердотельным реле. В этом случае гальваническую изоляцию обеспечивает само твердотельное реле.

Транзисторная оптопара (выход «К») применяется, как правило, для управления низковольтным электромагнитным или твердотельным реле (до 60 В постоянного тока). Схема включения приведена на рис. 1. Во избежание выхода из строя транзистора из-за большого тока самоиндукции параллельно обмотке реле Р1 необходимо устанавливать диод VD1, рассчитанный на ток 1А и напряжение 100 В.

Симисторная оптопара (выход «С»). Оптосимистор включается в цепь управления мощного симистора через ограничивающий резистор R1 по схеме, приведенной на рис. 2. Значение сопротивления резистора определяет величина тока управления симистора.

Оптосимистор может также управлять парой встречно-параллельно включенных тиристоров VS1 и VS2 (рис. 3). Для предотвращения пробоя тиристоров из-за высоковольтных скачков напряжения в сети к их выводам рекомендуется подключать фильтрующую RC-цепочку (R2 С1). Оптосимистор имеет встроенное устройство перехода через ноль и поэтому обеспечивает полное открытие подключаемых тиристоров без применения дополни тельных устройств.

Выход «Т» для управления твердотельным реле. Выход «Т» для управления твердотельным реле выполнен на основе транзисторного ключа n-p-n-типа (рис. 4), который имеет два состояния: низкий логический уровень соответствует напряжениям 0...1 В, высокий уровень - напряжениям 4...6 В. Выход «Т» используется для подключения твердотельного реле, рассчитанного на управление постоянным напряжением 4...6 В с током управления не более 100 мА. Внутри выходного элемента устанавливается ограничительный резистор R_огр номиналом 100 Ом.

Выходные устройства аналогового типа.

Выходное устройство аналогового типа - это цифроаналоговый преобразователь, который формирует токовую петлю 4...20 мА или напряжение 0...10 В и, как правило, используется для управления электронными регуляторами мощности.

Цепи аналоговых выходных устройств имеют гальваническую изоляцию от схемы прибора.

ЦАП 4...20 мА (выход«И»). Для работы ЦАП 4...20 мА используется внешний источник питания постоянного тока.

Если по какой-либо причине напряжение источника питания ЦАП, находящегося в распоряжении пользователя, превышает расчетное значение, то последовательно с нагрузкой необходимо включить ограничительный резистор (рис. 5). Напряжение источника питания ЦАП 4...20 мА не должно превышать 36 В.

ЦАП 0...10 В (выход«У»). Для работы ЦАП 0...10 В используется внешний источник питания постоянного тока (для ВУ1 см. рис. 6), номинальное значение напряжения которого U_п находится в диапазоне 15...32 В. Сопротивление нагрузки R_н, подключаемой к ЦАП, должно быть не менее 2 кОм.

Напряжение источника питания ЦАП 0...10 В не должно превышать 36 В.



7. ИНТЕРФЕЙСЫ И ПРОТОКОЛЫ В ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВАХ

ИНТЕРФЕЙС - это стандартизованная среда turn способ обмена информацией между двумя или более единицами оборудования: приборами, контроллерами, персональный компьютером и т.п.

Интерфейсы информационного обмена между приборами, применяемые в промышленности, могут быть двух типов:

· «точка-точка», соединяющий два прибора между собой;

· мультиприборный, позволяющий подключать более двух приборов на одну линию передачи данных.

Основная характеристика интерфейса - пропускная способность, которая показывает, сколько бит информации передается по интерфейсу за 1 секунду и измеряется в bit per second (bps, Mbps), или бит в секунду (бит/с, Мбит/с). Необходимо учитывать, что эта пропускная способность включает «накладные расходы», связанные со способом передачи данных. Для разных интерфейсов и протоколов доля полезной информации, передаваемой в секунду, может быть от 30 % до 90 % от общей пропускной способности.

ПРОТОКОЛ - это стандартизованный набор правил передачи информации по какому-либо интерфейсу.

Для сложных протоколов принята практика разделения их на несколько уровней (слоев). При этом каждый уровень реализуется отдельно и дополнительно стандартизуется обмен между уровнями. Это также позволяет заменять какие-то уровни (например, для адаптации к разным интерфейсам), оставляя неизменными другие.

7.1 Интерфейсы и протоколы, используемые в приборах и контроллерах

Интерфейс	Тип	Пропускная способность	Длина линии связи	Протоколы
RS-485	мультиприборный (до 32 приборов)	стандартно 115200 bps, есть реализации до 2 Mbps	не более 1200 м (без повторителя)	ОВЕН Modbus ASCII Modbus RTU DCON
RS-232	точка-точка		не более 3м
«токовая петля»	точка-точка	до 115200 bps	не более 1000 м
Ethernet 10/100 base T (по витой паре)	точка-точка	10 Mbps/ 100Mbps	не более 100 м	Modbus TCP
USB 1.1	точка-точка	12 Mbps	не более 3 м	Mass Storage Device CDC Device
USB 2.0	точка-точка	до 480 Mbps

Совместимость приборов - это их способность осуществлять ин формационный обмен между собой. Каждый из приборов, участвующих в информационном обмене, должен иметь определенный интерфейс и понимать определенный протокол. И даже в этом случае не гарантируется возможность обмена, т.к. один прибор может оказаться неспособным передавать ту информацию, которую требуется получать другому. Но что делать, если приборы способны к передаче нужной информации, но имеют разные интерфейсы и/или понимают разные протоколы? В этом случае требуется применение преобразователей интерфейсов или шлюзов.

Преобразователь интерфейсов - это устройство, имеющее два или более различных интерфейсов, ретранслирующее информацию из одного интерфейса в другой (другие). При этом передача информации осуществляется без ее преобразования. Поэтому к преобразователю интерфейсов имеет смысл подключать только те устройства, которые способны работать по одному протоколу.

Шлюз (или мост) - это интеллектуальное устройство, способное к преобразованию данных из одного протокола в другой. При этом шлюз может выступать также и в качестве преобразователя интерфейсов. Шлюз, в отличие от преобразователя интерфейса, требует дополнительной настройки, т.к. ему требуется указать, какие данные по каким протоколам надо принимать и передавать.

Интерфейс RS-485. При проектировании промышленных систем автоматизации наибольшее распространение получили информационные сети, основанные на интерфейсе стандарта EIA RS-485. Это высокоскоростной и помехоустойчивый последовательный интерфейс, который позволяет создавать сети путем параллельного подключения многих устройств к одной физической линии.

Большинство приборов, предназначенных для работы в информационной сети, имеют встроенный интерфейс RS-485.

В обычном персональном компьютере (не промышленного исполнения) этот интерфейс отсутствует, поэтому для подключения к ПК промышленной сети RS-485 необходим специальный адаптер - преобразователь интерфейса RS-485/RS-232 или RS-485/USB (например, ОВЕН АСЗ-М или АС4).

По интерфейсу RS-485 данные передаются с помощью «симметричного» (дифференциального) сигнала по двум линиям (А и В). Максимальная длина линии связи между крайними устройствами может составлять до 1200 м (и более с использованием повторителей). При длине линии связи более 100 м в максимально удаленных друг от друга точках сети рекомендуется устанавливать оконечные согласующие резисторы номиналом от 100 до 250 Ом, позволяющие компенсировать волновое сопротивление кабеля и минимизировать амплитуду отраженного сигнала. Количество приборов в сети не должно превышать 32 (без использования повторителя).



Интерфейс RS-232. Интерфейс стандарта EIA RS-232C предназначен для последовательной связи двух устройств (соединение «точка-точка»). Он является общепринятым и широко используется для подсоединения внешнего оборудования к ПК. Передача данных по интерфейсу RS-232C осуществляется с помощью «несимметричного» сигнала по двум линиям - TxD и RxD, а амплитуда сигнала измеряется относительно линии GND («нуля») (см. рис.).

Несимметричность сигнала обуславливает низкую помехозащищенность данного интерфейса, особенно при промышленных помехах, поэтому длина линии связи RS-232, как правило, ограничена расстоянием в несколько метров. Наличие линий приема (RxD) и передачи (TxD) данных позволяет поддерживать полнодуплексную передачу информации, т.е. одновременно информация может как передаваться, так и приниматься. Устройства для связи по интерфейсу RS-232 обычно соединяются кабелем с 9-контактными или 25-контактными разъемами (DB9, DB25 и др.).

Интерфейс «токовая петля» (разновидность RS-232). «Токовая петля» - разновидность интерфейса RS-232, также обеспечивающая связь двух приборов (соединение «точка-точка»). Информация в токовой петле передается не напряжением, а током по двухпроводной линии, что обеспечивает высокий уровень помехозащищенности. Стандарт «токовая петля» позволяет передавать данные на расстояния до 1000 м со скоростью до 19,2 кбит/с. Из-за наличия одной линии связи стандартом обеспечивается полудуплексная передача данных, т.е. в каждый момент времени информация может либо передаваться, либо приниматься.

Приборы могут иметь встроенный интерфейс «токовая петля», которые могут быть подключены:

1) к ПК через адаптер «токовая петля»/RS-232;

2) к сети RS-485 через шлюз «токовая петля»/RS-485.

Рис. Типовые схемы подключения приборов с интерфейсом «токовая петля» к сети

Интерфейс Ethernet. Ethernet - транспортная технология для передачи данных в вычислительных сетях, преимущественно локальных. Протокол, используемый в кабельных сетях Ethernet - CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) - Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов. В соответствии с этим протоколом устройства начинают передачу данных только после обнаружения свободного канала связи для сокращения между ними количества коллизий (ошибок). Все версии семейства Ethernet ориентированы на поддержку работы до 1024 узлов сети. Этот интерфейс получил широкое распространение в компьютерных сетях благодаря высокой пропускной способности и помехоустойчивости. Чаще используется встроенный интерфейс Ethernet 10/100 Base-T, что позволяет встраивать приборы и ПЛК в распределенные информационные системы более высокого уровня.

Интерфейс USB. Стандарт USB разработан как альтернатива более «медленным» компьютерным стандартам RS-232 и LPT. В настоящее время устройства с интерфейсом USB 2.0 позволяют передавать данные со скоростью до 480 Мбит/с.

Интерфейс USB, как и RS-48S, является симметричным и позволяет передавать данные по двум проводам (D+ и D-), при этом логические уровни аналогичны соответствующим уровням стандарта RS-485. Интерфейс USB имеет линии питания Vcc и GND для запитывания подключенного устройства (при условии, что потребляемый им ток не превышает 500 мА). После установки драйвера операционная система распознает подключаемое устройство как СОМ-порт и использует стандартный асинхронный режим передачи данных, применяемый для работы с аппаратным СОМ-портом.

8. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ КОНТРОЛЛЕРЫ (ПЛК) И СРЕДА ИХ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Программируемый логический контроллер (ПЛК) - законченное изделие, имеющее физические входы, выходы, интерфейсы и человеко-машинный интерфейс.

Отличие ПЛК от контрольно-измерительных приборов заключается в отсутствии жестко прописанного алгоритма работы. За счет этого на ПЛК можно реализовывать практически любые алгоритмы управления, но сам алгоритм управления должен создать непосредственно пользователь контроллера. Для создания алгоритма, его тестирования и записи в контроллер используется среда программирования.

Для программирования контроллеров ОВЕН ПЛК используется среда программирования CoDeSys v.2.3. CoDeSys (используется для программирования контроллеров ОВЕН ПЛК)

Среда CoDeSys разработана немецкой компанией 3S-Software для программирования контроллеров различных производителей. Так, с помощью этой же среды программируются контроллеры Wago, Beckhoff, ABB. Полный список контроллеров, программируемых на CoDeSys приведен в http://www.automation-alliance.com/index-shtmi7aa partner. CoDeSys включает в себя следующие основные компоненты:

· система исполнения;

· среда программирования.

Среда программирования. Графическая оболочка, устанавливается на ПК. Служит для создания проекта, его отладки, и перевода в машинный язык (компилирование). Среда программирования включает:

· редактор, компилятор и отладчик МЭК-проектов;

· поддержку всех 5 языков программирования МЭК;

· средства построения и конфигурирования периферийных модулей ввода/вывода ПЛК (PLC Configuration);

· средства создания визуализации;

· средства коммуникаций (сетевые переменные, ОРС-сервер, DDE-сервер). Среда программирования CoDeSys поставляется в комплекте с контроллером (на CD), для покупателей контроллеров ОВЕН - бесплатно.

Target-файлы (набор файлов целевой платформы) Необходимы для того, чтобы указать среде программирования, для како го типа контроллера пишется проект. Target-файлы содержат в себе системную информацию о подключаемом ПЛК:

· наличие и тип физических входов и выходов контроллера;

· описание ресурсов контроллера;

· расположение данных в МЭК-памяти.

Данная информация используется средой программирования CoDeSys при создании проекта и загрузке его в ПЛК. Каждая модель ОВЕН ПЛК имеет соответствующий набор Target-файлов. Перед созданием проекта необходимо установить Target-файл, соответствующий типу контроллера и прошивке.

Target-файлы поставляются на CD в комплекте с ПЛК, а также доступны для загрузки с сайта www.owen.ru.

Для инсталляции Target-файлов в среду программирования CoDeSys используется программа InstallTarget, которая устанавливается на ПК вместе со средой программирования CoDeSys.

Прошивка. Системное программное обеспечение ПЛК. Управляет работой контроллера на аппаратном уровне (уровень драйверов для аппаратных устройств внутри контроллера - описывает их взаимодействие). Каждый произведенный контроллер изначально имеет прошивку. Новые версии прошивки создаются для внесения исправлений в работу контроллера либо для добавления новых функций.

Замена версии прошивки ПЛК может производиться пользователем самостоятельно с помощью стандартного кабеля для программирования, поставляемого в комплекте с ПЛК, и программы перепрошивки, доступной на сайте www.owen.ru. Иногда изменение прошивки влечет за собой необходимость смены Target-файла.

Определить версию прошивки и Target-файла можно стандартными средствами ОС Windows - программой «Гипертерминал», либо используя ресурс CoDeSys - PLC Browser.

Не рекомендуется изменять прошивку контроллера в отсутствие необходимости.

Цикл ПЛК. Программы, написанные для исполнения на ПК и ПЛК, различаются. Исполнение программы в ПЛК происходит циклически. Это означает, что в течение заданного интервала времени (времени цикла ПЛК) система исполнения:

· считывает значения из области входов;

· вызывает и один раз выполняет не обходимую программу (PLC_PRG по умолчанию);

· пройдя алгоритм от начала и до конца, записывает результаты его работы в память выходов.

Затем эти операции повторяются вновь.

Время цикла ПЛК зависит от объема и сложности программы ПЛК. Для простой программы время цикла ОВЕН ПЛК составляет 1 мс, для более сложных программ оно может увеличиться. Реальную длительность цикла можно узнать, подключив модуль Statistic в окне PLC Configuration.

Время опроса датчиков или подключенных сетевых устройств, а также время изменения состояния выходов не связаны напрямую со временем цикла ПЛК. Работа с интерфейсами, входами и выходами и исполнение цикла ПЛК производятся параллельно.

Память входов-выходов (МЭК-память)

Выделенная область памяти, предназначенная для хранения данных, поступающих с физических (сетевых) входов или передаваемых на физические (сетевые) выходы контроллера.



В начале каждого цикла своей работы ПЛК считывает значения из памяти входов (обозначается %I) и использует в соответствии с пользовательским алгоритмом. В конце цикла полученные (вычисленные) значения записываются в память выходов (обозначается %Q).

Запись значений, полученных с физических входов в область входов, и передача значений из области выходов на физические выходы производится параллельно выполнению цикла ПЛК с помощью специальных внутренних драйверов.

В зависимости от типа лицензии ПЛК, размер этой области памяти может быть ограничен 360 байтами или не ограничен.

Лицензия (размер памяти входов/выходов). Существуют лицензии двух типов:

· L (low) - в ПЛК с такой лицензией есть ограничение на размер памяти ввода/вывода до 360 байт. Это означает, что к такому контроллеру возможно подключение ограниченного количества сигналов с помощью модулей ввода/вывода, панелей оператора и других устройств;

· М (medium) - контроллер с такой лицензией не имеет указанного ограничения, количество подключаемых внешних модулей ограничено лишь пропускной способностью интерфейсов связи.

Выбор типа лицензии необходимо сделать перед приобретением контроллера. Ограничение в контроллерах с лицензией типа L накладывается только на память входов/выходов и ни на что более.

Проект (проект CoDeSys). Включает в себя:

· написанные пользователем программы (POU), описывающие алгоритм работы ПЛК;

· конфигурирование периферийного оборудования и драйверов ввода/вы вода (PLC Configurations);

· визуализации процесса управления (Visualizations) и т.д.

Все эти компоненты хранятся в одном файле с расширением *.pro.

Проект однозначно связан с версией target-файла. При смене версии target-файла или замене модели ПЛК необходимо внести изменения в проект с тем, чтобы устранить несоответствия между версиями.

Языки МЭК (языки программирования контроллеров). Стандартом МЭК предусмотрено 5 языков программирования ПЛК: IL, LD, FBD, ST, SFC. При разработке проекта пользователь может выбрать любой из языков для написания конкретного программного модуля (POU). В рамках одного проекта могут присутствовать программные модули, написанные на разных языках. В CoDeSys поддержаны все 5 языков, а также один дополнительный:

· II (Instruction List) - Список инструкций - язык программирования, напоминающий ассемблер Siemens STEP7. Все операции производятся через ячейку памяти, «аккумулятор», в который программа записывает результаты произведенных действий.

· LD (Ladder Diagram) - Релейные диаграммы -графический язык программирования, использующий принципы построения электрических схем. С помощью элементов «контакт» и «катушка» пользователь собирает схему прохождения сигнала. Язык удобен для реализации логических алгоритмов работы с дискретными сигналами.

· FBD (Functional Block Diagram) -Диаграмма функциональных блоков -графический язык программирования. Все действия и операторы, используемые в данном языке, представляются в виде функциональных блоков (ФБ). ФБ имеют входы и выходы определенных типов, которые могут быть связаны между собой. Помимо стандартных ФБ пользователь может вставлять в алгоритм собственные POU, созданные в рамках данного проекта или реализованные в подключенных к проекту библиотеках. В CoDeSys реализован улучшенный язык программирования с помощью функциональных блоков, получивший обозначение CFC.

· ST (Structured Text) - Структурный текст - текстовый язык программирования, схожий с языком высокого уровня (С, Pascal). Язык ST удобен для реализации сложных вычислений, циклов и условий, для работы с аналоговыми сигналами.

· SFC (Sequentional Functional Chart) - Последовательные функциональные схемы - графический язык, приспособленный для создания последовательности этапов алгоритма работы. Каждый этап реализуется на любом удобном для пользователя языке. Язык удобен для создания алгоритмов управления сложными процессами, имеющими несколько ступеней, написания моделей автоматов.

Визуализация. Специальный редактор, встроенный в среду программирования CoDeSys для создания экранов с пользовательскими мнемосхемами. На экране визуализации можно добавить простые геометрические объекты, кнопки, графики, таблицы, гистограммы, элементы ввода и вывода ин формации. В одном проекте может быть создано несколько окон визуализации, вызываемых с помощью кнопок либо другими способами.

Просматривать созданные окна можно:

· с помощью программы CoDeSys HMI. Демо-версия программы устанавливается при установке среды программирования CoDeSys на ПК пользователя;

· для контроллеров, имеющих встроенный дисплей, - непосредственно на дисплее контроллера;

· с помощью любого Web Браузера (Internet Explorer, FireFox...). Для этого производитель контроллеров должен обеспечить поддержку CoDeSys Web server в своем контроллере.

PLC configuration (Конфигурация ПЛК). Специальное окно в среде программирования CodeSys, позволяющее настраивать драйверы ввода/вывода и периферийный обмен по интерфейсам ПЛК. С помощью данного ресурса производится настройка:

· связи ПЛК с модулями расширения, GSM-модемом, панелями оператора или другими устройствами, подключаемыми к контроллеру по сетевым интерфейсам и через поддерживаемые протоколы ОВЕН, Modbus, Modbus TCP и DCON;

· настройка входов и выходов ПЛК для подключения датчиков и исполни тельных механизмов;

· для контроллеров ОВЕН можно настраивать модуль статистики (сервисные данные о контроллере) и модуль архиватора. Полное описание работы с PLC Configuration для контроллеров ОВЕН ПЛК есть на компакт-диске, поставляемом в комплекте с контроллером.

Target Settings (Настройка целевой платформы). В этом окне CodeSys выбирается целевая (аппаратная) платформа, с которой будет использоваться текущий проект, и задаются настройки выбранной платформы. При создании нового проекта диалог выбора целевой платформы открывается автоматически. Выбор платформ ограничен числом установленных на вашем компьютере наборов файлов целевой платформы (Target-файлов). Выбор платформы определяет базовые параметры генератора кода и функциональность доступных в системе команд.

Некоторые параметры целевой платформы доступны для изменения (это определяется производителем контроллера):

· целевая платформа (тип контроллера);

· распределение памяти;

· общие параметры;

· сетевые настройки;

· визуализация.

Библиотеки CoDeSys

Файл с расширением *.lib, содержащий совокупность уже созданных программных модулей. Библиотеки часто содержат следующие программные модули:

· реализованные функции стандартных вычислений (сложение, вычитание, умножение, счетчики времени, триггеры и т. д.);

· реализованные функции сложных алгебраических вычислений (тригоно метрические и логарифмические функции, преобразования типов данных, генераторы сигналов, П-, ПИ-, ПИД-регуляторы, интеграторы, графики);

· реализованные функции, позволяющие работать со специализированны ми и низкоуровневыми функциями контроллера.

Библиотеки могут быть созданы:

· создателем среды программирования CoDeSys (Standart.lib, Util.lib, SysLibTime.lib и т. д.);

· производителем контроллеров (компанией ОВЕН созданы библиотеки PID_Regulator.lib, UNM.lib);

· непосредственно конечным пользователем - пользователь сам может создавать библиотеки, включая в них программные модули, написанные единожды, но которые ему могут в дальнейшем понадобиться.

Элементы библиотек становятся доступны для использования при подключении библиотеки к конкретному проекту. Подключение библиотек производится с помощью ресурса Library manager (Менеджер библиотек).

Library Manager (Менеджер библиотек). Служит для подключения в проект библиотек - как стандартных, так и пользовательских. Содержит список всех библиотек, которые связаны с проектом. Взятые из библиотек POU (программные модули), типы данных и глобальные переменные можно использовать так же, как определенные пользователем.

Пользовательская память. Встроенная в контроллер память. Объем доступной памяти составляет порядка 3 Мб. Может быть использована пользователем для ведения архивов данных и событий, для хранения исходных файлов проекта, созданного в среде программирования CoDeSys, и любых других файлов. При отключении питания все файлы сохраняются и могут быть выгружены из контроллера при после дующем включении (например, с помощью PLC_IO или PLC Browser).

Аппаратные часы реального времени. Встроены в ПЛК. Работают даже при выключенном питании контроллера благодаря встроенному в ПЛК аккумулятору. Дата и время могут быть заданы с помощью PLC Browser или системной библиотеки SysLibTime.lib. Использование значения часов реального времени в работе алгоритма ПЛК также производится с помощью элементов библиотеки SysLibTime.lib.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ (ЭМС) - способность технического средства (ТС) функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим ТС.

УСТОЙЧИВОСТЬ К ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ПОМЕХЕ (ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ) - способность ТС сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него внешних помех с регламентируемыми значениями параметров.

Основные стандарты по электромагнитной совместимости.

Приборы ОВЕН относятся к классу оборудования А, предназначенному для применения в промышленных зонах, и проходят обязательное тестирование на помехоустойчивость с учетом требований следующих основных стандартов по ЭМС:

· ГОСТ Р 51317.6.2 (МЭК 61000-6-2) «Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых в промышленных зонах»;

· ГОСТ Р 51522 (МЭК 61326-1) «Электрическое оборудование для измерения, управления и лабораторного применения».

9. КОНТРОЛЛЕР МАЛОКАНАЛЬНЫЙ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ РЕГУЛИРУЮЩИЙ МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ РЕМИКОНТ Р-130, Р-130ISa, КРОСС

Контроллер РЕМИКОНТ Р-130 предназначен для автоматического регулирования и логического управления технологическими процессами в электротехнической, энергетической, химической, металлургической, пищевой, цементной, стекольной и других отраслях промышленности.

Эффективно решает как сравнительно простые, так и сложные задачи управления. Благодаря малоканальности контроллер позволяет, с одной стороны, экономично управлять небольшим агрегатом и, с другой, обеспечить высокую живучесть крупных систем управления.

В контроллеры встроены развитые средства самодиагностики, сигнализации и идентификации неисправностей, в том числе при отказе комплектующих изделий, выходе сигналов за допустимые границы, сбое в ОЗУ, нарушении обмена по кольцевой сети и т.п. Для дистанционной сигнализации об отказе предусмотрены специальные дискретные выходы.

Контроллеры Р-130 по интерфейсному входу-выходу могут объединяться в локальную управляющую сеть “Транзит” кольцевой конфигурации, которая с помощью блока “Шлюз БШ-1” может взаимодействовать с любым внешним абонентом (например, ЭВМ).

Ремиконт Р-130ISa построен на базе одноплатного РС-совместимого компьютера промышленного исполнения, имеет открытую программно-аппаратную архитектуру.

Контроллеры содержат средства оперативного управления, расположенные на лицевой панели контроллера. Эти средства позволяют вручную изменять режимы работы, устанавливать задание, управлять ходом выполнения программы, вручную управлять исполнительными устройствами, контролировать сигналы и индицировать ошибки.

Рис. Лицевая панель блока БК (регулирующая модель)

Рис. Состав Ремиконта-130

Блок контроллера БК-1 ведет обработку информации в цифровой форме, организует программу всех алгоритмов управления, обеспечивает программу обслуживания пульта настройки ПН-1 и лицевой панели ПЛ, извлекает нужные алгоритмы, "зашитые" в памяти контроллера, эти алгоритмы объединяются в систему заданной конфигурации, в них устанавливается требуемые параметры настройки. С помощью лицевой панели ПЛ и пульта настройки ПН-1 обеспечивается оперативное управление до 4 контуров автоматического регулирования или логико-программное и шаговое дискретное управление.

Средства связи с объектом организуют предварительное усиление сигналов термопар и термометров сопротивления, формирование дискретных выходных сигналов и импульсных цепей для управления различного рода исполнительными устройствами.

Ремиконт серии Р-130-проектно-компонуемое изделие, содержащее базовый комплект аппаратуры, поставляемый всегда независимо от объема решаемой задачи, и проектно-компонуемого комплекта, состав которого в основном зависит от номенклатуры и числа каналов ввода-вывода информации. Вид лицевой панели, модификация центрального блока и состав дополнительных блоков определяются картой заказа.

В блок контроллера БК-1 (рис-1) входят:

а) в основную часть:

· модуль процессора ПРЦ-10М1, имеющего энергонезависимую память для хранения введенной в контроллер программы управления;

· модуль стабилизированного напряжения МСН10, обеспечивающий питанием весь контроллер БК-1 вместе с пультом настройки ПН-1;

б) в переменную часть:

· два посадочных места для устройств связи с УСО-А и УСО-Б, куда могут быть установлены один или два из 3 модификаций модулей УСО:

· модуль аналоговых сигналов MAC;

· модуль аналоговых и дискретных сигналов МДА;

· модуль дискретных сигналов МСД.

Лицевая панель ПЛ блока контроллера зависит от вида алгоритма управления.

Контроллеры P-130 и Р-130ISa представляют собой комплекс технических средств.

В состав контроллеров входят следующие блоки:

· блок контроллера Р-130 - БК-1*(модели: регулирующая 01, логическая 02),

· блок контроллера Р-130ISa - БК-1М/01 (модель -регулирующая 01),

· пульт настройки ПН-1*,

· резисторы нормирующие РН-1,

· блоки питания БП-1, БП-4,

· блок усилителей сигналов низкого уровня БУТ-10,

· блок усилителей сигналов резистивных датчиков БУС-10,

· блок усилителя мощности БУМ-10,

· блок переключения БПР-10,

· блок шлюза БШ-1*,

· блок стирания БСТ-1*,

· межблочный соединитель для приборных цепей МБС,

· клеммно-блочный соединитель КБС-0 (для размножения общих точек),

· клеммно-блочный соединитель КБС-1 (для БП-1, БУТ-10, БУС-10, БУМ-10),

· клеммно-блочный соединитель КБС-2,

· клеммно-блочный соединитель КБС-3 (для дискретных цепей ввода-вывода БК-1, БК-1М/01 и БПР-10).

*- данные изделия входят только в состав Р-130 и отсутствуют в составе Р-130 ISa

Блоки контроллера БК-1 и БК-1М/01 являются центральными, а остальные дополнительными.

Центральный блок преобразует аналоговую и дискретную информацию в цифровую форму, ведет обработку цифровой информации и вырабатывает управляющие воздействия.

Дополнительные блоки используются для предварительного усиления сигналов термопар и термометров сопротивления, формирования дискретных выходных сигналов на напряжение 220 В, организации внешних переключений и блокировок и т.п.

Контроллеры P-130 и Р-130ISa имеют проектную компоновку, которая позволяет пользователю выбрать нужный набор модулей и блоков согласно числу и виду входных-выходных сигналов.

...