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.

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 ON и OFF. 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 контроллерах α – 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 контроллеров α - 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 mA или 4 … 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.

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 = 1 77.

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 Telemechanique фирмы 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 t₂ на 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.