Алгоритмическое и программное обеспечение задач автоматизации управления. Лекции по дисциплине Алгоритмическое и программное обеспечение з. Лекция 1 программируемые контроллеры 1 Определение плк
 Скачать 1.47 Mb.
|
|
4.1.3 Логические битовые операторы Битовые операторы применимы для типов ANY_BIT (табл.4.3). Табл.4.3 – Логические битовые операторы Оператор Действие AND Побитное И OR Побитное ИЛИ XOR Побитное исключающее ИЛИ NOT Побитное НЕ Оператор NOT имеет только один параметр. В FBD блоки AND, OR и XOR можно расширять, т.е. добавлять произвольное число входных параметров. Операция NOT для проводников типов BOOL (инверсия) обозначается в виде окружности. В языке LD логические операции И, ИЛИ для типа BOOL заменяются монтажными соединениями. Операция AND представляется последовательным соединением контактов, а операция OR параллельным соединением (монтажное ИЛИ) (рис.4.4). 32 Рис.4.4. Блок голосования два из трех. 4.2 Стандартные функциональные блоки 4.2.1 Таймеры Таймеры ПЛК принципиально отличаются от таймеров, применяемых в языках общего применения, В языках программирования компьютеров существуют функции задержки (delay, sleep), которые приводят к приостановке выполнения программы на заданное время. Таймера, способного приостановить работу ПЛК, в стандарте МЭК нет. Представьте себе, что на один вход контроллера поступает некоторый сигнал. На второй вход поступает тот же сигнал, но через аппаратный модуль задержки. Именно так работают стандартные таймеры. Временная задержка влияет только на формирование выходных сигналов и не вызывает никакого замедления в программе. Для правильной работы таймеров необходима аппаратная поддержка. Все экземпляры функциональных блоков таймеров «засекают» время (в CoDeSys во внутренней локальной переменной StartTime), пользуясь общими часами. При проектировании ПЛК достаточно иметь один аппаратный таймер-счетчик, увеличивающийся с постоянной частотой. Аппаратный счетчик должен иметь достаточную разрядность, чтобы исключить возможность переполнения за один рабочий цикл ПЛК. Нельзя полагаться на то, что повторный вызов экземпляра функционального блока в одном рабочем цикле даст различные результаты. Значения программных таймеров могут обновляться при вызове экземпляра функционального блока или синхронно с обновлением входов. Это зависит от реализации системы исполнения. Не используйте в своих программах циклы (WHILE, REPEAT) с условием окончания итераций по таймеру. ТР генератор импульса ТР IN BOOL Q BOOL РТ TIME ЕТ TIME Запуск таймера происходит по фронту импульса на входе IN. Вход РТ задает длительность формируемого импульса. После запуска таймер не реагирует на изменение значения входа IN. Выход ЕТ отсчитывает прошедшее время. При достижении ЕТ значения РТ счетчик останавливается, и выход Q сбрасывается в 0. Временная диаграмма работы таймера ТР показана на рис.4.5. 33 Рис.4.5. Временная диаграмма работы таймера ТР На рис.4.6 показано простейшее применение блока ТР в качестве генератора коротких прямоугольных импульсов. Длительность паузы задается таймером. Начальное состояние bх = 0. В первом цикле bх получит значение 1 благодаря инвертору NOT. Так формируется фронт запуска, который поступает на вход IN таймера в третьем цикле. Инвертор формирует фронт запуска по каждому спаду выхода таймера. Рис.4.6. Пример использования блока ТР TOF таймер с задержкой выключения ТOF IN BOOL Q BOOL РТ TIME ЕТ TIME По фронту входа IN выход Q устанавливается в TRUE. Сброс счетчика ЕТ и начало отсчета времени происходит по каждому спаду входа IN. Выход Q будет сброшен через заданное РТ время после спада входного сигнала. Если во время отсчета вход IN будет установлен в TRUE, то отсчет приостанавливается. Таким образом, выход Q включается по фронту» а выключается логическим нулем продолжительностью не менее РТ. Временная диаграмма работы таймера TOF показана на рис.4.7. Рис.4.7 Временная диаграмма работы таймера ТOF 34 TON таймер с задержкой включения ТOF IN BOOL Q BOOL РТ TIME ЕТ TIME По фронту входа IN выполняется обнуление счетчика и начинается новый отсчет времени. Выход Q будет установлен в TRUE через заданное РТ время, если IN будет продолжать оставаться в состоянии TRUE. Спад входа IN останавливает отсчет и сбрасывает выход Q в FALSE. Таким образом, выход Q включается логической единицей продолжительностью не менее РТ, а выключается по спаду входа IN. Временная диаграмма работы таймера TON показана на рис.4.8. Рис.4.8. Временная диаграмма работы таймера TON RTC часы реального времени RTC EN BOOL Q BOOL PDT DATE_AND_TIME CDT DATE_AND_TIME При создании экземпляра блока, пока вход EN равен FALSE, выход Q равен FALSE, а выход CDT равен DT#1970-01-01-00-00:00:00. По переднему фронту EN в часы загружается начальное время PD и начинается отсчет. Пока часы работают, выход Q = FALSE. Если EN перейдет в FALSE, CDT сбросится в начальное значение. Описанная реализация блока RTC вызывает массу сложностей. Очевидно, часы должны продолжать свою работу при выключенном питании ПЛК. Коррекция хода часов отдельных экземпляров функционального блока RTC должна осуществляться на прикладном уровне. Многие ПЛК имеют аппаратно реализованные часы реального времени. Доступ к аппаратным часам гораздо проще организовать через прямо адресуемые ячейки памяти, чем поддерживать блок RTC. 4.2.2 Триггеры Работу триггеров SR и RS легче всего понять по аналогии с электрическими устройствами, например, электрическим пускателем. Для переключения ему нужны 2 кнопки «ПУСК» и «СТОП». Кнопки не имеют механической фиксации, переключение выполняется коротким нажатием кнопок. Пускатель сам фиксирует свое состояние. 35 Именно так работают триггеры SR и RS. Их поведение отличается только при одновременном нажатии обеих кнопок. В блоке доминантной установки SR побеждает «ПУСК». В блоке доминантного сброса RS побеждает «СТОП». SR переключатель с доминантой включения SR SET1 BOOL Q1 BOOL RESET BOOL Блок SR имеет два устойчивых состояния Ql = TRUE и Ql = FALSE. На языке ST работа блока описывается выражением: Q1 = (NOT RESET AND Ql) OR SET1, Вход SET1 включает выход, вход RESET – выключает. При одновременном воздействии обоих входов вход SET1 является доминантным. RS переключатель с доминантой выключения SR SET1 BOOL Q1 BOOL RESET BOOL Блок SR имеет два устойчивых состояния Ql = TRUE и Ql = FALSE. На языке ST работа блока описывается выражением: Ql = NOT RESET1 AND (Ql OR SET). Вход SET включает выход, вход RESET1 – выключает. При одновременном воздействии обоих входов вход RESET1 является доминантным. 4.2.3 Детекторы импульсов Детекторы импульсов предназначены для применения в случае, когда требуется реакция не на состояние дискретного сигнала, а на его изменение. R_TRIG детектор переднего фронта R_TRIG CLK BOOL Q BOOL Функциональный блок R_TRIG генерирует единичный импульс по переднему фронту входного сигнала. Реализация блока требует одной внутренней переменной М: BOOL := FALSE. На языке ST блок реализуется так: Q := CLK AND NOT M; М := CLK; Выход Q устанавливается в TRUE, если в предыдущем цикле вход CLK был равен FALSE, а в текущем цикле он уже имеет значение TRUE. При следующем вызове функционального блока выход сбрасывается в FALSE. Переменная М запоминает значение CLK в предыдущем цикле. Если на вход CLK подать константу TRUE, то при перезапуске ПЛК на выходе Q будет сформирован единичный импульс. Аналогично, если вход CLK связан с аппаратурой и уже имеет значение TRUE, экземпляр R_TRIG сформирует ложный единичный импульс при первом вызове. Если бы переменная М имела начальное значение TRUE, то ложного импульса не возникало бы. В случае, когда это явление не желательно, можно создать собственный безопасный детектор фронта или применить 36 пустой вызов экземпляра при начальной инициализации. Такое поведение детекторов фронтов не является ошибкой, поскольку во многих случаях начальный импульс оказывается желательным. F_TRIG детектор заднего фронта R_TRIG CLK BOOL Q BOOL Функциональный блок F_TRIG генерирует единичный импульс по заднему фронту входного сигнала. Реализация блока требует одной внутренней переменной М: BOOL := FALSE. На языке ST блок реализуется так: Q := NOT CLK AND NOT M; M := NOT CLK; Из сравнения двух реализаций очевидно, что блок F_TRIG превращается в R_TRIG включением на входе инвертора NOT. 4.2.4 Счетчики Рассмотрим реализацию счетчиков. CTU инкрементальный счетчик CTU CU BOOL Q BOOL RESET BOOL PV WORD CV WORD По каждому фронту на входе CU значение счетчика (выход CV) увеличивается на 1, Выход Q устанавливается в TRUE, когда счетчик достигнет или превысит заданный PV порог. Логическая единица на входе сброса (RESET = TRUE) останавливает счет и обнуляет счетчик (CV := 0). CTD декрементный счетчик CTD CU BOOL Q BOOL LOAD BOOL PV WORD CV WORD По каждому фронту на входе CD счетчик (выход CV) уменьшается на 1. Выход Q устанавливается в TRUE, когда счетчик достигнет нуля. Счетчик CV загружается начальным значением, равным PV по входу LOAD = TRUE. CTUD инкрементный / декрементный счетчик CTUD CU BOOL QU BOOL CD BOOL QD BOOL RESET BOOL LOAD BOOL PV WORD CV WORD По значению входа RESET = TRUE счетчик CV сбрасывается в 0. По значению входа LOAD = TRUE счетчик CV загружается значением равным PV. По фронту на входе CU счетчик увеличивается на 1. По фронту на входе CD счетчик уменьшается на 1 (до 0). 37 Выход QU равен TRUE, если CV >= PV, иначе FALSE. Выход QD равен TRUE, если CV = 0, иначе FALSE. Вопросы для самоконтроля 1. Стандартные компоненты комплексов МЭК-программирования. 2. Назначение и примеры стандартных арифметических операторов программирования. 3. Назначение и примеры стандартных операторов битового сдвига. 4. Назначение и примеры логических битовых операторов. 5. Назначение и примеры стандартных функциональных блоков. 6. Назначение и временные диаграммы работы таймеров ТР, TOF, TON, RTC. 7. Назначение и особенности работы триггеров SR и RS. 8. Назначение и особенности работы детекторов импульсов R_TRIG и F_TRIG. 9. Назначение и особенности работы счетчиков CTU, CTD и CTUD. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Основная 1. Минаев, И.Г. Программируемые логические контроллеры : практическое руководство для начинающего инженера [Текст] / И.Г. Минаев, В.В. Самойленко. – Ставрополь: АРГУС, 2009. – 100 с. 2. Парр, Э. Программируемые контроллеры : руководства для инженера. – М.: Бином; Лаборатория знаний, 2007. – 516 с. 3. Костров Б.В. Микропроцессорные системы и микроконтроллеры [Текст] / Б.В. Костров, В.Н. Ручкин. – М.: «ТехБук», 2007. – 320 с. Дополнительная 4. Петров, И.В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования. – М.: СОЛОН-Пресс, 2004. – 246 с. 5. Басалин, П.Д. Архитектура вычислительных систем [Текст]: Учебник. – Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского госуниверситета, 2003. – 243 с. 6. Иванов, И.Ю. Микропроцессорные устройства систем управления [Текст]: Учебное пособие / Ю.И. Иванов, В.Я. Ягай. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. – 133. 7. Бойко, В.И. Схемотехника электронных систем. Микропроцессоры и микроконтроллеры [Текст]: Учебник. – БХВ-Петербург, 2004. – 464 с. 8. Корнеев, В.В. Современные микропроцессоры [Текст] / В.В. Корнеев, А.В. Киселёв. – 3-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, 2003. – 448 с. 38 Лекция 5 5. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛК 5.1 Автоматизация первичной обработки молока Процесс первичной обработки молока включает в себя операции его очистки, пастеризации и охлаждения. При этом цель пастеризации состоит в уничтожении содержащихся в молоке микроорганизмов. Последующее за пастеризацией охлаждение позволяет увеличить срок хранения продукта. Охлаждение применяют и как самостоятельную операцию при хранении молока на молочных фермах и комплексах. Пастеризатор молока представляет собой многосекционный пластинчатый теплообменник, подогреваемый горячей водой. На практике используют разные режимы пастеризации: мгновенный (при t=85…90 о С), кратковременный (Т=20 с, при t=72…76 о С) и длительный (Т=300 с, при t =90 о С). Рис.5.1 Функциональная схема водоохладительной установки Установка для охлаждения молока (рис.5.1) работает по замкнутому циклу. Пары хладагента поступают в компрессор 3, сжимаются и попадают в конденсатор 10, где превращаются в жидкость, стекающую в ресивер 11. Из ресивера жидкий хладагент поступает в испаритель 7, проходя последовательно через теплообменник 4, фильтр- осушитель 5 и терморегулирующий вентиль 6. В терморегулирующем вентиле давление хладагента падает, он оказывается перегретым относительно нового давления и потому вскипает, отбирая теплоту у воды, орошающей поверхность испарителя. Эта вода насосом 8 перекачивается в охладитель молока 1, после которого возвращается в испаритель. Для охлаждения воды, омывающей трубки конденсатора, применяется малогабаритная градирня 2 с вентилятором 12. В настоящее время для управления клапанами и задвижками с электроприводом по температуре теплоносителя в водоохладительных и пастеризационных установках получили широкое распространение ПИД-регуляторы, в частности, «ОВЕН ТРМ-212» с интерфейсом RS-485, функциональная схема которого представлена на рис.5.2. 39 Рис.5.2 Функциональная схема САУ трехходовым клапаном Применение данного регулятора позволяет управлять клапанами как в функции температуры, так и в функции давления, расхода, уровня, при поступлении сигнала датчика на универсальные входы. На соответствующих выходах ВУ1 и ВУ2 формируется аналоговый или ШИМ-сигнал открывающий (закрывающий) клапан или задвижку. При этом происходит постоянный контроль положения рабочего органа с помощью датчика положения. При возникновении аварийных режимов, например, обрыв в цепи регулирования или выход регулируемой величины за заданные пределы, подается соответствующий звуковой или световой сигнал. 5.2 Автоматическое управление системами обеспечения микроклимата в животноводческих помещениях В число параметров микроклимата, определяющих эффективность животноводства, входят температура воздуха, относительная влажность, содержание в воздухе вредных для животных компонентов, скорость движения воздуха и др. Нормы технологического проектирования определяют температуру в коровнике на уровне 10 о С, отклонение в которой от указанного значения приводит к снижению продуктивности. При этом влияние повышенных и пониженных температур особенно заметно в условиях повышенной влажности воздуха. Системы вентиляции выполняют с естественным и искусственным побуждением воздуха. Автоматизация систем с искусственным побуждением определяется, в том числе, конструкцией вентиляционной системы, которая может быть приточной, вытяжной и сбалансированной, когда производительность приточной и вытяжной систем одинакова. По способу раздачи воздуха в вентилируемом помещении различают равномерную, сосредоточенную и децентрализованную с помощью нескольких отопительно-вентиляционных агрегатов. Для регулирования температуры в системах отопления с приточной вентиляцией в животноводческих помещениях в настоящее время разработано большое количество устройств. В частности, применение контроллера типа «ОВЕН ТРМ-33-Щ4» на фермах КРС позволяет повысить точность поддержания требуемой температуры воздуха в 40 системах приточной вентиляции с водяным или паровым калорифером на заданном уровне и снизить эксплуатационные затраты. САР, функциональная схема которой представлена на рис.5.3, обеспечивает поддержание заданной температуры приточного воздуха путем управления приводами вентилятора, жалюзи и запорно-регулирующего клапана. К входам 1…3 подключаются температурные датчики, например, терморезисторы типа ТСМ 50М или ТСП 50П, для контроля температуры наружного воздуха Т н , приточного воздуха Т прит , обратной воды в контуре теплоносителя Т обр К входам 4…6 подключаются датчики для диагностики работоспособности системы: С1 – коммутирующее устройство, например, таймер, тумблер и др., для дистанционного перевода системы в дежурный режим работы; С2 – датчик контроля работы вентилятора для автоматического перевода системы в дежурный режим при неисправности вентилятора; С3 – датчик контроля протока воды через калорифер для автоматического перевода системы в режим защиты от замораживания при прекращении протока. Рис.9.3 Функциональная схема САР температуры воздуха в коровнике Температуру приточного воздуха в системе Т уст.прит , нагрев которого осуществляется теплоносителем, проходящим через калорифер, задается оператором при программировании контроллера. Регулятор по температуре уставки Т уст.прит и по 41 результатам измерений и опроса входных датчиков С1, С2 и С3 с помощью выходных реле управляет работой вентилятора и жалюзи, а также положением запорно- регулирующего клапана для поддержания заданной температуры в системе отопления. Управление клапаном осуществляется кратковременными импульсами (ШИМ- сигналами), что позволяет поддерживать заданную температуру с высокой точностью. Перед началом работы контроллер осуществляет прогрев калорифера, время которого устанавливается оператором при наладке исходя их эксплуатационных параметров системы. При этом для более быстрого разогрева регулятор формирует команду задержки включения вентилятора и открытия жалюзи при полном открытии клапана. Контроллер осуществляет также защиту системы от превышения температуры обратной воды, возвращаемой в теплоцентраль и защиту калорифера от замораживания в нем воды. Управление температурой обратной воды осуществляется в зависимости от температуры наружного воздуха в соответствии с графиком Т обр =f(Т н ) (рис.5.4), строящимся прибором автоматически по заданным оператором программирования координатам точек А, В и С. При превышения заданного значения температуры обратной воды i обр Т > i обр Т max регулятор прерывает управление запорно- регулирующим клапаном по Т прит и переходит на управление по сигналу рассогласования i обр i обр i Т Т Е max − = . После возврата i обр Т в допустимые пределы регулирование продолжается по Т прит При падении температуры приточного воздуха или температуры обратной воды ниже заданной критической температуры, либо возникновении неисправностей входных датчиков, например, обрыв или короткое замыкание, система переходит в режим защиты от замораживания воды в калорифере. При этом для максимально быстрого повышения температуры регулятор формирует команду на полное открытие клапана, выключение вентилятора и закрытие жалюзи. Рис.5.4 График температуры обратной воды При превышении температурой наружного воздуха значения Т летн , заданного при программировании контроллера, система автоматически переходит на летний режим, отключение которого происходит при достижении Т н значения Т н. точки А (рис.5.4). |