Характерные черты и сферы применения контроллеров.

Назначение логических контроллеров

Создание новых или замена ранее существовавших систем управления в зависимости от сложности решаемой задачи может быть выполнено разными способами, в том числе и с использова­нием микроконтроллера в качестве управляющего элемента. Чтобы сделать это наилучшим образом, надо чётко представлять себе те преимущества, которыми обладают контроллеры по сравнению с другими средствами управления.

Характерные черты и сферы применения контроллеров.

Потребность в применении программируемых логических кон­троллеров (ПЛК) обозначилась в 60 – х годах прошлого века. Для многих технических задач применяемые средства автоматиза­ции строились преимущественно на релейно – контактных элемен­тах и за значительный период своего использования обнаружили целый ряд присущих им недостатков:

Ÿ для разработки, обслуживания и ремонта таких систем требова­лись значительные кадровые и экономические ресурсы, так как каждая отдельная схема создавалась под конкретную, и только под неё, задачу;

Ÿ переналадка схемы на решение другой задачи была невоз­можна без полной или кардинальной разборки её, и, если нужно, - с возможностью по­вторного ис­пользования компонентов – это трудо­ёмко и неудобно;

Ÿ затруднительно объединение в единую структуру фраг­ментов системы, территориально удалённых друг от друга;

Ÿ практически невозможно построить схему на реле, выдержав её в минимальных габаритах;

Только с появлением ПЛК, построенных на микропроцессорах, удалось сосредоточить в конструктивно очень компактном модуле сотни и даже тысячи «релейных» элементов, счётчиков, таймеров, пусть даже не существующих физически, а программно воспроизво­димых. Это позволило создать гибко переналаживаемую структуру, способную выполнить любую из очень широкого круга задач.

Возможности программируемых логических контроллеров де­лают их практически незаменимыми для автоматизации насосных станций, компрессорных установок, котельных, конвейеров, норий, для управления технологическими процессами в комплексе с датчи­ками самого различного вида, приводными устройствами, клапа­нами, задвижками и т. д. по схеме взаимодействия с объектом, изо­браженной на рис. 1.1.

Рис. 1.1

Именно поэтому первоначально сформулированной причиной появления ПЛК была названа задача вытеснения из управляющих устройств элементов релейно – контактной техники. Даже больше того, некоторые фирмы – производители (Schneider Electric, напри­мер) называют свою продукцию интеллектуальными реле.

Конечно, возможности ПЛК не безграничны. Некоторые из них обладают небольшим быстродействием, не всегда удобно сопряга­ются по входным и выходным цепям. Они оперируют данными не в кодовой форме, а c их логическим или числоимпульсным представ­лением и т.д. Но, тем не менее, игнорирование их достоинств в на­стоящее время объяснимо только для тех, у кого принятие техниче­ских решений на уровне многолетней давности стало непререкае­мым предпочтением.

1.2. Состав контроллера, связь с объектом, виды сигна­лов

Из блок – схемы системы управления некоторым объектом (рис. 1.1), являющимся локальной подсистемой некоторого техноло­гического процесса, можно хотя бы предварительно установить функции, которые выполняет ПЛК в качестве управляющего уст­ройства, из чего он должен состоять и какое это может оказать влияние на особенности программирования и применения.

1.2.1. Структура контроллера.

Связь контроллера с окружающей средой осуществляется че­рез устройства ввода и вывода. Через первые в контроллер вводятся сигналы о параметрах и характеристиках объекта управления, через вторые – выводятся управляющие воздействия на включение / вы­ключение исполнительных устройств. Для прохождения сиг­налов через порты ввода / вывода эти устройства реализуются не про­граммно, они должны быть физически существующими.

Множество внутренних реле, счётчиков, таймеров, необходи­мых для составления и работы программы, физически не сущест­вуют, они моделируются центральным процессором (ЦП) контроллера. Именно благо­даря этому удалось в ограниченном объёме «разместить» огромное количество блоков, каждый из которых предназначен для имитации выполнения некоторой вполне конкретной задачи. Более подробно состав и взаимодействие отдельных компонентов внутренней струк­туры ПЛК раскрываются на рис. 1.2.

Рис. 1.2

Тот факт, что внутренняя структура ПЛК основывается на множестве программно моделируе­мых функционально законченных блоков, совершенно иначе ставит вопрос о технике программирования задач для ПЛК. В какой бы форме ни обращались данные внутри контроллера, очевидно, что среда программирования позволяет программисту работать без не­обходимости обращаться к Ассемблеру, а на некотором упрощенном языке. С точки зрения пользователя несущественными становятся углублённые представления о работе микропроцессорных уст­ройств, о составе компонентов и объединении их в единую систему. Это значительно сглаживает требования к уровню квалификации пользова­телей и в немалой степени способствует росту привлекательности использования логических контроллеров.

Успешность применения ПЛК для задач управления зависит от того, насколько подробно и правильно в контроллер вводится ин­формация о состоянии и поведении объекта. Чтобы грамотно встроить ПЛК в разрабатываемую систему управления (СУ), достаточно выполнить несколько очевидных, но, тем не ме­нее, очень важных правил, основные из которых следующие:

- информация о наиболее важных параметрах и характеристи­ках объекта, определяющих особенности управления в данной за­даче, должна быть введена в контроллер;

-форма представления сигналов должна быть такой, которую контроллер в состоянии правильно воспринять.

В связи с этим надо хотя бы в краткой форме дать характери­стику наиболее часто встречающимся видам сигналов, тому, в какой форме они могут быть заданы, и какие схемы сопряжения контрол­лера с источниками сигналов при этом используются.

1.2.2.Виды сигналов.

1. Дискретные (DC) сигналы характеризуются наличием только двух состояний: включено / выключено, которые часто обо­значаются как ONиOFF. Контроллер по этому сигналу может отменить выполнение какого – либо действия или активизировать выполнение другого.

Условимся считать, что формирование уровней напряжения DC сигналов выполняет источник сигнала (датчик, кнопка, тумблер), т.е. сигнал поступает уже в виде, пригодном для ввода его в кон­троллер.

2. Сигнал типа « СУХОЙ КОНТАКТ » характеризуется тоже наличием двух состояний « включено / выключено », но это означает лишь смысловое содержание сигнала - нахождение контактов в лю­бом из этих состояний, но пока ещё не уровни сигналов на входе ПЛК. Просто в какой-то части схемы что-то произошло, и контактная группа переключилась из одного состояния в другое. Чтобы кон­троллер мог отреагировать на изменение коммутационного состоя­ния реле, надо от некоторого источника при замыкании контакта подать на вход ПЛК напряжение, а при размыкании – снять его.

Иными словами, при выполнении входной цепи типа « сухой контакт » обеспечение требуемого уровня электрического сигнала на входе контроллера должен предусматривать разработчик на этапе проектирования схемы. Можно считать, что этим только и отлича­ются два только – что рассмотренные виды входных сигналов.

Сформировать требуемый уровень напряжения на входе кон­троллера при отработке сигнала типа «сухой контакт» можно либо подачей сигнала от некоторого стороннего источника, либо исполь­зуя напряжение питания контроллера (рис.1.3).

3.Аналоговые (AC) сигналы представляют собой очень ши­рокий и чрезвычайно важный тип входных сигналов контроллера. Без них невозможно было бы вводить и отслеживать при управлении текущие значения плавно изменяющихся параметров, задавать плав­ные управляющие воздействия и изменяемые числовые уставки па­раметров программы и управляемого процесса.

Напомним, что внутри контроллера все операции над данными ведутся программно. Следовательно, ни о каких действиях над то­ками и напряжениями речи быть не может из-за отсутствия физиче­ской реализации блоков, поэтому естественно, что форма представ­ления токов и напряжений при вводе в контроллер должна способ­ствовать такой работе.

В контроллерахα – серии фирмы MITSUBISHI ELECTRIC ис­пользуется блок для ввода аналоговых сигналов, который пред­полагается как аналого – цифровой преобразователь (АЦП) с диапазоном преобразования 10 B и числом разрядов m = 8. При та­ких условиях внутри диапазона преобразования удаётся определить (2^m - 1) = 255 равноотстоящих друг от друга уровней напряжения. В реально существующих АЦП эти уровни представляются кодами от 00000000 до 11111111, но для логических контроллеров такое ото­бражение величин напряжения неудобно. Это вызвано тем, что рас­смотрение ПЛК, выполняемое в данном пособии, ограничено наибо­лее функционально «лёгкими» моделями, которые, как правило, не оперируют кодами.

Рассматриваемый способ ввода аналоговых сигналов является общеупотребляемым, почти универсальным, и его легко пояснить следующим образом. Максимальное напряжение 10 B соответствует сумме 255 минимальных дискретных значений (дискрет). Поэтому напряжению 2 B соответствует число дискрет в пять раз меньшее, т. е. равное 51. Подобным образом любое значение напряжения N в ин­тервале от 0 до 10 B может быть приближенно заменено вполне оп­ределённым числом дискрет, вычисляемым через простейшую про­порцию: 10 B ----- 255 дискрет

N B ----- X дискрет, значит X = 255 • N / 10.

Это число вводится в ПЛК, и там с ним можно выполнять опе­рации сравнения, счёта, арифметических преобразований, по­зво­ляющих, как правило, решать достаточно сложные задачи управ­ле­ния.

4. Токовые сигналы. У контроллеровα - серии, LOGO!, да и других тоже ввод аналоговых сигналов выполняется через порты, работающие в формате 0…10 B. Эти контроллеры не имеют токового (0…20 mAили4 … 20 mA) входа, хотя датчиков и дру­гих сопрягаемых устройств с токовым выходом очень много, и, вполне возможно, даже больше, чем в формате 0 …10 B. Как и во всех датчиках, изме­ряемый параметр преобразуется датчиком в изменяемую величину выходного сигнала, которым в данном случае является не напряже­ние, а ток. При токовом выходе передающей средой является пара проводов, по которым течёт ток, величина которого в каждый момент времени соответствует текущему значению измеряемого параметра.

Схемотехнический приём, позволяющий преобразовать токо­вый выход датчика к параметрам аналогового ввода контроллеров по постоянному напряжению, чрезвычайно прост. Для этого обычно к токовой линии подключают внешний резистор R номиналом 500 Ом (рис. 1.4), падение напряжения на котором от протекания тока 20 миллиампер равно 10 вольтам, и тем самым весь диапазон изменения тока в сигнальной цепи переводится на стороне контроллера в формат 0…10 B.

Рис. 1.4

5. Иногда встречается необходимость аналогового ввода дискретных сигналов.Допустим, что DC сигнал, подаваемый на вход ПЛК, может принимать значения только от 0 до 5 вольт, а вход кон­троллера, рассчитанный на работу с сигналами 0 …24 B, распознаёт значения ON и OFF на уровне примерно 12-14 вольт.

Это означает, что фактически подаваемый сигнал будет слишком мал для того, чтобы контроллер мог распознать уровни включенного и выклю­ченного состояний.

Чтобы обеспечить нормальные условия для ввода и таких сиг­налов, можно рекомендовать использование промежуточного фор­мирователя на основе чувствительных пороговых устройств. Такими устройствами могут быть компаратор или триггер Шмитта, функ­циональные блоки которых предусмотрены практически во всех средах программирования. На рис. 1.5 средствами α -Programming показано, как работают эти блоки при различных значениях вводимых величин.

а б

в

Рис. 1.5

В первом со­стоянии (рис.1.5, а) через блоки аналогового ввода DC выставлены значения сигналов I 02 и I 03, характеризуемые числом 52, т.е. это сигнал чуть-чуть больше 2 вольт, тогда как количественные значения уста­вок на включение обоих блоков одинаковы и равны 51. Тем не ме­нее, ни один из блоков не перешел в состояние ON, так как с входа I 01 не был подан сигнал разрешения на срабатывание. Синим цветом отображается состояние «выключено», т.е. OFF. Соответственно этому красным цветом – обозначается состояние « включено », т.е. ON.

Ри­сунок 1.5, б показывает переход обоих пороговых элементов в ON (вы­ходы B 01 и B 03) после получения разрешающего уровня I 01, а по­следний (рис. 1.5, в) – их возвращение в выключенное (OFF) состояние из-за уменьшения величины входного сигнала ниже заданного порога пе­реключения.

Пример применения

В резервуаре высотой 100 см и квадратным сече­нием по внутреннему контуру 12 х 12 см² налита вода (рис.1.6). Уровень воды может изменяться за счёт её пополнения от питающей магистрали через электромагнитный клапан (ЭМК) и уменьшения от естественного расхода. Уровень измеряется датчиком ИСУ – 100 И, который преобразует его в токовый сигнал 0…20 mA и передаёт на вход контроллера для выработки управляющих воздействий на ЭМК.

Задание:определить уставки на срабатывание и отключение ЭМК, обеспе­чивающие включение кла­пана при опускании уровня до отметки L₁, при которой ос­таток воды в ёмкости равен 3 литрам; после этого до­лить в неё 7 литров и вы­ключить ЭМК с возможно­стью не­прерывного повто­рения цикла.

Решение.

· Токовый сигнал преобразуется в масштаб напряжения по схеме рис. 1.4.

Рис. 1.6

Ÿ Прибор измеряет уровень, а не объём, т.е. его показания будут одинаковы при любых значениях поперечного сечения резер­вуара. Но так как по условиям задачи требуется управлять объёмом, нужно рассчитать, на каких значениях уровня объём будет равен 3 и 10 литрам. Так как L = V / S, а S = 12 ∙ 12 = 144 см² , получено:

L₁ =3000 см³ / 144 см² = 20,83 см,

L₂ = 10000 см³ / 144 см² = 69,4 см.

Если учесть, что при уровне 100 см входной сигнал контроллера ра­вен 10 B, а это в свою очередь соответствует числу 255. то можно перевести най­денные значения L₁ и L₂ в их целочисленные эквива­ленты:

X₁ = 255 ∙ L₁ / 100 = 53; X₂ = 255 ∙ L₂ / 100 = 177.

Найденные значения X₁ и X₂ при составлении программы необходимо ввести в качестве порогов срабатывания блоков, кон­тролирующих изменение уровня воды в резервуаре.

Ÿ Программно реализовать тот вариант управления, кото­рый рассмотрен в данном примере, можно по-разному.

На рис.1.7 показывается, как это можно сделать на основе совместного исполь­зования R-S триггера (блок B03) и компараторов. В этом случае триггер выпол­няет функции переключаемого элемента (самоблокирующегося реле), а моменты переключения определяются по результатам срав­нения текущих значений уровня с введёнными в компараторы поро­говыми значениями X₁ и X₂.

Рис. 1.7

Программы для рассматриваемого примера составлены в среде Zelio Soft 2 применительно к контроллерам Telemechaniqueфирмы Schneider Electric. Три левых блока на рис. 1.7 – это устройства аналого­вого ввода. На схеме показано их обобщённое отображение

Через B00 текущие значения уровня подаются на верхние аналого­вые входы компараторов B01 и B02 для сравнения с пороговыми значениями на переключение. Пороги сравнения поданы на нижние входы, а условия переключения заданы как < = (не больше) для B 01 и > = (не меньше) для B 02. Управление ЭМК осуществля­ется R – S триггером B 03 с установкой от B 01 и сбросом от B 02.

Графику отображения блоков ввода и вывода есть возмож­ность изменить, если есть желание более точно выразить в ней функциональное назначение сигнала. Это показано на рисунке 1.9, где блоки установки уровней сравнения изображены потен­циометрами, а информационный вход – датчиком. Выходной блок также отображён максимально приближенным к управляемому кла­пану.

Рис. 1.8

Работу программы можно пояснить временной диаграммой (рис. 1.8). Пока уровень воды меньше 3 литров (числовой эквива­лент X₁ =53), на выходе B 01 выделяется сигнал ON, устанавливаю­щий выход триггера B 03 в ON, обеспечивая тем самым включение клапана. Как только уровень превысит значение 53, блок B 01 переключится на OFF, но B 03 «запомнит» своё прежнее состояние и ЭМК будет поддерживаться в открытом состоянии. Только когда уровень пре­высит отметку X₂ =177, переключившийся в ON компаратор B 02 сбросит B 03 в OFF и ЭМК выключится. Заполнение резервуара водой прекратится до того момента времени, пока уровень не окажется ниже порога X₁ =53.

а

б

Рис. 1.9

На рис. 1.9, а и б показано исполнение программы для двух промежу­точных этапов управления, соответствующих моментам времени t₁ и t₂на временных диаграммах. Численные значения пороговых и текущих значений уровня даны комментариями к блокам про­граммы.

Эту же задачу можно решить иначе, если вместо совместного использования компараторов и R–S триггера применить триггер Шмитта. Он способен совместить функции переключения по заданным пороговым значениям и самоблокирующегося реле для запоминания ранее достигнутого состояния.

По правилам описания блока верхнее пороговое значение X₂ = 177 присваивается переключению в ON, а нижнее X₁ =53 – возвращению его в OFF. При такой работе блока переключение ЭМК было бы обратным тому, каким оно должно быть, поэтому между триггером и ЭМК включен инвертор. Рисунок 1.10 иллюстрирует выполнение сформулированной задачи управления.

а

б

Рис. 1. 10

6. В практике использования ПЛК, и в схемотехниче­ской её части, и в программной, постоянно присутствуют эти два понятия: аналоговый и дискретный. Даже на только – что приведен­ных рисунках видно, что есть блоки ввода обоих этих типов сигна­лов. Графически цепи передачи аналоговых сигналов могут обозна­чаться в одних программных средах утолщёнными, в других - сдвоенными линиями. Порты под­ключения аналоговых линий связи могут отмечаться только им при­сущей зеленоватого цвета подсветкой. Отдельные блоки могут иметь входы или выходы для аналоговых или дискретных сигналов. Цепи подключения этих сигналов на поле расположения программы отображаются по-раз­ному, и соединять вход одного типа с выходом другого типа не до­пускается. Даже сами типы и модели контроллеров отличаются спо­собами задания типов входов и выходов, их количества и т.д.