Состав и назначение программируемых контроллеров

 

Первоначально программируемые контроллеры возникли как программируемые средства цикловой электроавтоматики, т.е. средства решения логической задачи.

Сама структура логической задачи определяет и структуру управляющей системы (рисунок 2.19): поведение объекта управления (движение или любое другое изменение состояний) отображается некоторым множеством осведомительных сигналов датчиков. Это отображение вводится в ПК через модуль входных сигналов. Программа цикловой электроавтоматики (логической задачи), обрабатывая информацию о состоянии объекта (путем решения логических уравнений), формирует соответствующее множество выходных сигналов. Выходные сигналы через модуль выходных сигналов направляются к двигателям исполнительных органов объекта, которые переводят объект в новое состояние
и т.д.

Из сказанного следует, что работа ПК при решении логической задачи связана с повторяющейся последовательной сменой фаз. Структура одного полного цикла смены фаз может иметь три (рисунок 2.20) или четыре модификации.

 

 

 

Рисунок 2.19 – Структура управляющей системы

 

1 – обработка входов; 2 – решение логических уравнений; 3 – возбуждение выходов

 

Рисунок 2.20 – Последовательность фаз работы программируемого контроллера
при решении логической задачи: а), б), в) – соответственно 1-я, 2-я, 3-я модификации

В первой модификации (рисунок 2.20 а) в начале цикла производится обработка всех входов (фаза 1), далее решаются все логические уравнения (фаза 2), а уже затем соответствующим образом возбуждаются все выходы ПК (фаза 3). Во второй модификации (рисунок 2.20 б) входы обрабатываются так же, как и в первом случае, однако выходы возбуждаются по мере решения отдельного логического уравнения. В третьей модификации (рисунок 2.20 в) базовой является фаза решения логического уравнения, при этом считываются те входы, которые этому уравнению необходимы, и формируются те выходы, которые являются результатом решения уравнения.

В четвертой модификации может существовать цикл сканирования входов на постоянной частоте вне зависимости от продолжительности вычислительной фазы и фазы возбуждения выхода.

Таким образом, ПК в течение цикла своей работы обменивается информацией с внешней средой и производит обработку данных, предписанную программой электроавтоматики. Чем выше вычислительная мощность ПК, тем короче цикл его работы. Обычно вычислительную мощность ПК оценивают не по общей длительности цикла, а по времени обработки 1К логических команд.

При решении логических задач содержанием вычислительного процесса является решение логических уравнений типа y = F(x), которыми описывается алгоритм управления объектом, где y – выходная функция; x - аргумент, или входная функция; F – логический оператор. К выходным функциям относятся выходы, управляющие двигателями объекта управления; внутренние функции (внутренние переменные), не имеющие реального выхода и ограничивающие область своего действия самой программой; таймеры, счетчики. К входным функциям относятся собственно входы, возбуждаемые осведомительными сигналами; внутренние функции; таймеры, счетчики. В качестве входных функций могут выступать и значения выходных сигналов.

Анализ логических задач показывает, что для их решения в принципе может быть применен любой традиционный микропроцессорный вычислитель с развитой системой логических команд. При построении ПК, однако, приходится дополнительно учитывать следующие особенности объекта:

– число входов и выходов у объектов управления сильно отличается и может варьироваться от нескольких десятков до многих сотен;

– обычно требуются силовые выходы, способные без дополнительного усиления включать реальные устройства электроавтоматики (электромагниты, двигатели, реле);

– входные и выходные устройства электроавтоматики могут принадлежать цепям постоянного и переменного тока.

В этой связи программируемые контроллеры строят как модульные аппараты с широкой номенклатурой взаимозаменяемых модулей, свободно устанавливаемых в едином каркасе, несущем общую магистраль системы. Обычно ПК имеет фиксированную общую сумму входов-выходов (например, 16, 64, 128, 512, 1024) со свободным перераспределением в пределах общей суммы. Перераспределение осуществляют путём установки и изъятия соответствующих модулей.

Модуль вычислителя имеет три режима работы: ПРОГРАММИРОВАНИЕ, ЕДИНИЧНИЙ ЦИКЛ, АВТОМАТ. В первом режиме модуль подключён к внешнему программирующему устройству (программатору) для ввода и коррекции пользовательской программы. Режим ЕДИНИЧНЫЙ ЦИКЛ предназначен для однократного воспроизведения пользовательской программы с целью ее контроля и отладки. В режиме АВТОМАТ модуль непрерывно обрабатывает пользовательскую программу, при этом осуществляется непосредственное управление объектом.

Модуль выходов служит для выдачи (под управлением вычислителя) восьми дискретных сигналов напряжением 24В, каждый из которых предназначен для управления своим исполнительным устройством на объекте. Сила тока нагрузки может достигать 2А. Выходные сигналы гальванически изолированы от модуля вычислителя с помощью
оптронной развязки. Каждый выход защищен предохранителем от короткого замыкания в нагрузке, сгорание предохранителя сопровождается зажиганием соответствующего светодиода выхода при каждой его активизации. Все индуктивные исполнительные устройства на объекте должны быть шунтированы диодами для устранения помех при коммутации устройств. Питание обеспечивается пользователем.

Модуль входов служит для преобразования дискретного сигнала переменного тока в сигнал, с которым работает модуль вычислителя. Посредством модуля входов в ПК вводятся дискретные сигналы, получаемые от переключателей, контактов реле и других дискретных датчиков объекта. Модуль имеет восемь входов, ток каждого входа определяется RC-фильтром. После фильтрации сигнал проходит через выпрямитель и поступает на оптроны. Оптроны обеспечивают гальваническую развязку контролера и объекта управления. Сформированные восемь входных сигналов поступают для обработки в модуль вычислителя. Световая сигнализация указывает на состояние (нулевое, единичное) входов ПК, а также на нормальный режим питания (обеспечиваемого пользователем).

Помимо модулей независимых дискретных входов широко используют модули цифровых параллельных входов от цифровых многоразрядных датчиков.

В схемы ввода и вывода, как правило, входят: устройство индикации (светодиод или неоновая лампочка), оптронная развязка, предохранитель, элемент нагрузки, ключевой элемент (транзистор, семистор). Каждая схема служит посредником между внешней средой и модулем процессора.

Современные контроллеры используются не только для решения логической задачи, но выполняют и другие функции:

– управление непрерывными процессами и системами автоматического регулирования (аналоговая задача);

– независимое неинтерполируемое управление следящими приводами (геометрическая задача);

– распределенное управление сложными объектами (коммуникационная задача).

Аналоговая задача предполагает наличие у ПК модулей аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей. Модуль аналого-цифрового преобразователя предназначен для преобразования входной аналоговой величины (представленной напряжением или током) в цифровой, например, 12-разрядный двоичный код. К модулю можно подключать четыре аналоговых устройства, измеряющих такие параметры, как температура, давление, положение и др. Четыре канала опрашиваются непрерывно и последовательно. Двоичное 12-разрядное число, полученное в результате преобразования, записывается в выходном буфере модуля, причем буфер гальванически развязан с выходными каналами с помощью оптронов. Преобразованный в цифровую форму сигнал может быть снят и использован во внешних по отношению к ПК цепях.

Геометрическая задача ПК проиллюстрирована на примере управления скоростью V перемещения детали в функции пути X при сверлении отверстия на агрегатном станке. Позиционное регулирование осуществляется с помощью следящего привода, внешний контур которого замкнут через модуль сервоуправления ПК обратной связью по положению. Помимо программно управляемого изменения скорости имеется возможность дополнительно изменять скорость перемещения или останавливать привод по командам конечных выключателей. Нередко контроллеры могут одновременно управлять многими следящими приводами. Однако межкоординатная связь отдельных приводов отсутствует, поскольку ПК не рассчитан на организацию интерполяции.

Коммуникационная задача ПК должна решаться во всех случаях, когда ПК входит в сеть (однородную или неоднородную) вычислительно-управляющих средств. При этом возникает необходимость в оперативном распределении управляющих функций, координации и синхронизации действий компонентов сети, передаче программ, файлов и информационных сообщений и т. д.

 

Существует три основных способа интеграции ПК в распределенный комплекс:

– путём связывания отдельных ПК через дискретные или цифровые входы-выходы;

– путём объединения одного или нескольких ПК с центральной ЭВМ по стандартным каналам связи через интерфейсы типа RS232 и RS422;

– путём организации контроллерной локальной вычислительно-управляющей сети.

Сопряжение двух ПК по дискретным входам-выходам при управлении гибким производственным модулем показано на рисунке 2.21.

 

 

 

1– управление; 2 – осведомительные сигналы; 3 – информационный обмен между ПК

 

Рисунок 2.21 – Сопряжение двух ПК при управлении ГПМ

 

 

ПК1 предназначен для управления токарным гидрокопировальным автоматом, причем использовали 59 входов и 41 выход (конкретные цифры – для качественной оценки мощности управления). ПК2 ориентирован на управление портальным роботом и конвейером-накопителем, причем использовали 58 входов и 29 выходов. Сигналы от органов управления (кнопок, переключателей и т.п.) и контроля (конечных выключателей, реле давления и т. п.) поступают на входы обоих ПК. Управляющие сигналы с выходов ПК поступают на исполнительные органы непосредственно (если потребляемая сила тока не превышает 2А) или через силовую аппаратуру. Сигналы высшего приоритета, например, ОБЩИЙ СТОП от пульта управления, поступают непосредственно в силовую аппаратуру, минуя ПК. Общее число обменных сигналов между ПК равно восьми (пять от ПК1 и три от ПК2). Обменные сигналы координируют взаимодействие механизмов станка и конвейерно-накопительной системы.

Рассмотренный способ имеет существенные ограничения. Во-первых, обмен возможен только на уровне логической информации. Во-вторых, коммуникационная задача даже в самых простых случаях поглощает большое число входов-выходов ПК, снижая тем самым их управляющие возможности. При возрастании общего числа ПК подобный способ быстро вообще теряет смысл.

Возможность объединения нескольких ПК с ЭВМ по стандартным каналам связи через интерфейс РС232 или РС422 подкупает своей простотой и (как правило) наличием готовых разработанных аппаратных средств в виде модуля «канал связи с ЭВМ». Подобная интеграция относится к типу «ведущий-ведомый» (master-slave), причем роль ведущего отводится обычно центральной ЭВМ. Ведомые ПК не могут непосредственно взаимодействовать между собой и быть инициаторами сеансов связи с ЭВМ. Физическим каналом связи (для передачи сигналов в последовательном коде) служит двужильный экранированный кабель.

Канал связи ПК с ЭВМ позволяет выполнять по инициативе ЭВМ следующие операции: следить за состоянием входов-выходов любого ПК, сбрасывать и устанавливать входы-выходы ПК, копировать программу ПК, передавать программу для ПК, собирать статус ПК, считывать и посылать файлы данных. Любые сообщения, посылаемые ЭВМ, являются командами, а любые сообщения ПК – ответами.

Интеграция по типу «ведущий-ведомый» имеет тот недостаток, что при отказе центрального вычислителя взаимодействие членов коллектива полностью разрушается, и они становятся независимыми системами управления. Кроме того, при объединении ПК через стандартный интерфейс протоколы информационного обмена должны создаваться на уровне специализированных прикладных пользовательских программ, что вносит дополнительные сложности в процедуру программирования ПК.

В этом смысле выгодно отличается вариант интеграции ПК в рамках контроллерной локальной вычислительно-управляющей сети. К достоинствам этого варианта можно отнести: свободную связь «любой-с любым», простое включение в сеть виртуального программатора (программатор одного ПК может служить и всем другим), гибкую организацию сетевой структуры по типу «временный ведущий» (floating master), когда центральные функции могут быть переданы другому абоненту сети. Добавим сюда свойство прозрачности коммуникационной среды, которое означает, что механизм сборки и передачи информационных сообщений прикладным программам ПК неизвестен и не представляет для них интереса; следовательно, прикладные программы ПК от коммуникационных проблем освобождены.

Физическим каналом связи (для передачи сигналов в последовательном коде) могут служить витая (скрученная) пара, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель. Устройства приёма-передачи разрезают канал на отдельные сегменты. К устройству приёма-передачи программируемый контроллер подключают через специальный модуль (сетевой контроллер).

Один из вариантов организации сетевого информационного общения для сетей из ПК дан на рисунке 2.22. Разделяемая память сетевого контроллера (с одинаковым построением во всех ПК) состоит из 64 16-разрядных слов и структурирована в виде 16 разделов по четыре слова в каждом. Каждый раздел жёстко закреплён за определённым ПК, и его порядковый номер соответствует сетевому адресу ПК (от 0 до 15). Управление коммуникационной средой состоит в непрерывном динамическом обновлении разделяемой памяти по всей сети.

Структура собственной памяти модуля вычислителя любого ПК аналогична. Микропроцессор может писать сообщение в свой раздел, читать сообщение в новом разделе, читать сообщения в разделах других контроллеров.

Пусть микропроцессор программируемого контроллера ПКn в цикле работы записывает некоторое сообщение в свой раздел n собственной памяти. По завершении цикла это сообщение будет передано в раздел n разделяемой памяти сетевого контроллера, принадлежащего ПКn. Коммуникационная служба обеспечит перезапись этого сообщения во все разделы n собственной памяти каждого модуля. Теперь сообщение становится доступным тому микропроцессору, который им может заинтересоваться.

 

Рассмотрев логическую, аналоговую, геометрическую и коммуникационную задачи ПК, мы подошли вплотную к вопросу об их архитектурной реализации. Существуют оптимальные вычислительные средства для решения каждой задачи в отдельности, однако трудно предположить оптимальные вычислительные средства для совместного решения всех задач. Поэтому возможны различные компромиссные решения, которые проиллюстрируем примерами архитектурных реализаций.

Архитектура ПК носит блочно-модульный характер, причем в составе модулей легко узнаются те, которые уже были рассмотрены при анализе задач ПК. В архитектуре ПК выделяются вычислитель и объектно-ориентированная часть, полностью определяемая требованиями объекта по числу и назначению каналов управления, зависящая также и от набора периферийных средств. Но и архитектура самого вычислителя подвержена влиянию объекта через состав решаемых для него задач.

В простом ПК, ориентированном лишь на решение логической задачи, в вычислителе можно использовать быстродействующий битовый (одноразрядный) микропроцессор, наилучшим образом приспособленный к выполнению логических операций. В кассете памяти EPROM записана заранее подготовленная на программаторе программа цикловой электроавтоматики. Архитектура предусматривает и прямое подключение программатора к ПК (через контроллер программатора) с целью отладки программы. В каждом цикле отработки программы микропроцессор считывает операторы программы, идентифицирует их, выполняет необходимые операции, записывает сигналы, предназначенные для входов в память отображения процесса (внутри вычислителя), передает выходные сигналы в модуль дискретных выходов.

Модуль таймеров и счетчиков имеет собственный микропроцессор с соответствующей программой. Запуск таймера или обратного счета счетчика выполняется при работе программы пользователя по сигналам битового микропроцессора. Времена и значения отсчетов задаются с внешней панели индикации и ввода. Если это предусмотрено программой пользователя, на индикатор внешней панели могут быть выведены закодированные сообщения о неисправностях.

Многие ПК допускают расширение функций путем подключения к основному блоку еще одного дополнительного через контроллер удаленного устройства расширения.
В этом дополнительном блоке установлен набор модулей дискретных входов-выходов и аналогичный контроллер удаленного устройства расширения.

Если помимо логической необходимо решать еще и аналоговую задачу, в архитектуре появляются модули аналоговых входов-выходов, а к функциям вычислителя добавляется выполнение действий (в том числе арифметических) над байтами и словами. В этом случае в модуле вычислителя потребуется 16-разрядный микропроцессор, который возьмет на себя обе задачи (логическую и аналоговую). При этом, конечно, логическая задача потеряет в быстродействии. Эффективность вычислителя можно повысить, если применить программируемый микропроцессор со специальной системой команд, в число которых входят и команды ядра операционной системы.

Появление 16-разрядного микропроцессора в модуле вычислителя добавляет и некоторые другие (кроме уже указанных) возможности. Сюда следует отнести подключение стандартной периферии или внешней ЭВМ; передачу от ЭВМ программы цикловой электроавтоматики непосредственно в память программы типа RAM; решение при необходимости геометрической задачи. В последнем случае добавится группа объектно-ориенти-рованных модулей, связанных с предварительной обработкой выдаваемой или принимаемой информации (подготовкой управляющих сигналов для привода, обработкой сигналов обратной связи).

Дальнейшее наращивание функций ПК предъявляет повышенные требования к мощности вычислителя. Простейший способ такого повышения мощности состоит в дополнительном включении битового микропроцессора в вычислитель с 16-разрядным микропроцессором. При этом логическая задача отделяется от всех прочих, скорость её решения возрастает, а у 16-разрядного микропроцессора появляются некоторые вычислительные резервы. Резервы можно использовать для расширения магистрали и подключения к ней дополнительного набора модулей, для диагностики памяти (с помощью модулей контроля памяти на чётность) и т. д.

Поскольку всё же эти резервы ограничены, кардинальное увеличение вычислительной мощности осуществляют путём перехода к мультипроцессированию. Мультипроцессорный вычислитель построен по принципу выделения микропроцессора под задачу. Для разделения магистрали появляется модуль координации. Коммуникационная задача также располагает собственным микропроцессором в модуле коммуникационного процессора.

Один из вариантов архитектуры вычислителя показан на рисунке 2.23. Вычислитель построен на основе трёх одинаковых 16-разрядных микропроцессоров (аналогового, коммуникационного, логического) в соответствии с решаемыми задачами. Логический микропроцессор обрабатывает логическую часть программы, управляет таймерами и счетчиками, реализует функцию сравнения, пересылки, суммирования и вычисления целых чисел, организует обмен информацией с дискретными входами-выходами, использует доступ к зонам памяти всех видов. Как только в логической программе попадается инструкция, относящаяся к выполнению функции специального вида, логический микропроцессор посылает запрос на выполнение такой функции в аналоговый микропроцессор. После приёма подобного запроса аналоговым микропроцессором логический микропроцесс-сор продолжает выполнение логической программы.

Функции специального вида, решаемые аналоговым микропроцессором, могут относиться, например, к формированию законов регулирования в контурах автоматического управления некоторыми процессорами. Аналоговый микропроцессор поддерживает связь с входными и выходными модулями предварительной обработки информации специального назначения, с зонами памяти всех видов, кроме зоны памяти для программы.

Коммуникационный микропроцессор служит посредником в обмене информацией с программатором, блоком памяти на гибких магнитных дисках, периферийным устройством или ЭВМ. Этот обмен осуществляется посредством двух стандартных последовательных каналов.

В отношении ПК современная тенденция состоит в применении интеллектуальных микропроцессорных модулей, приспособленных к самостоятельной сложной обработке входных и выходных сигналов. Это разгрузит от такой обработки центральный вычислитель. Семейство подобных модулей показано на рисунке 2.24.

 

Рисунок 2.23 – Архитектура вычислителя программируемого контроллера

 

 

 

Рисунок 2.24 – Программируемый контроллер с набором интеллектуальных

модулей (I-VII) обработки входных и выходных сигналов

 

Двухканальный модуль I моделирует в каждом канале по 16 произвольно (программ-но) устанавливаемых конечных выключателей. Каждый канал связан со своим датчиком перемещения, который может быть практически любого типа. При прохождении запрограммированной точки модуль формирует сигнальный бит.

Модуль II приспособлен к обработке высокочастотных импульсных последовательностей, поступающих с внешних датчиков (например, положения). Обработка состоит в накоплении числа импульсов с представлением этого числа в двоичном или двоично-десятичном коде, в сложении или вычитании поступающих импульсов, в сравнении числа импульсов с некоторой уставкой и др. Модуль содержит пять 16-рарядных счетчиков, которые можно использовать независимо или соединять каскадно, наращивая разрядность вплоть до 80. Принимаемая частота достигает 2 МГц.

Модуль III предназначен для высокоскоростной прецизионной обработки аналоговых сигналов. Он содержит аналоговые входы и выходы, блоки сравнения, пропорциональные регуляторы, набор дискретных входов и выходов, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи.

Модуль IV служит для замыкания нескольких контуров автоматического регулирования температуры, измеряемой термопарами. В каждый контур может быть встроен программно-настраиваемый пропорционально – интегрально – дифференциальный (ПИД) регулятор.

Модуль V используют для прямого управления (без промежуточных усилителей) пропорциональных электрогидравлических сервоклапанов и регуляторов.

Модуль VI разработан с целью управления позиционными следящими приводами. Модуль обеспечивает выдачу управляющего сигнала на регулируемый привод, прием позиционного сигнала обратной связи, замыкание контура. Предполагается работа в нескольких режимах, в том числе ручном, автоматическом, режиме обучения.

Модуль VII предоставляет возможность построения широкого набора разнообразных систем автоматического регулирования с цифровыми и аналоговыми датчиками обратной связи, с реализацией сложных законов регулирования, с программной настройкой всех основных параметров.

Представленный выше обзор архитектурных решений ПК обнаруживает их исключительную гибкость и чрезвычайно широкий класс решаемых задач. Не случайно контроллеры являются наиболее распространенными системами управления. Не удивительно в этой связи их необычайное разнообразие.

Указанное разнообразие объясняется многими вариантами исполнения и комплектации самих ПК, возможностью объединения ПК в интегрированные сети и комплексы, поддерживается широким набором средств программирования и центрального управления. К тому же это разнообразие углубляется обширным арсеналом имеющихся инструментальных систем, включающих многочисленные языки программирования ПК.

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Теория систем автоматического управления / под ред. Ю.М. Соломенцева. – М.: Высшая школа, 2000. – 268 с.

2. Сосонкин, В.Л. Программное управление технологическим оборудованием /
В.Л. Сосонкин. – М.: Машиностроение, 1991. – 512 с.

3. Шмаков, Н.В. Введение в теорию автоматического управления системами и процессами: учебное пособие / Н.В. Шмаков. – Барнаул: АлтГТУ, 1999. – 104 с.

4. Стрыгин, В.В. Основы вычислительной и микропроцессорной техники и программирования / В.В. Стрыгин, Л.С. Щарев. – М.: Высшая школа, 1989. – 479 с.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение___________________________________________________________________
1 Программное управление в автоматизированном производстве___________________
1.1 Задачи программного управления_________________________________________
1.2 Геометрическая задача ЧПУ______________________________________________
1.3 Логическая задача ЧПУ__________________________________________________
1.4 Терминальная задача ЧПУ_______________________________________________
1.5 Технологическая задача ЧПУ_____________________________________________
1.6 Управление ГПМ_______________________________________________________
1.7 Управление ГПС_______________________________________________________
1.8 Основы управления в автоматизированном производстве_____________________
2 Элементы систем управления и их программирование___________________________
2.1 Программный подход при управлении станками_____________________________
2.2 Автоматизированное проектирование управляющих программ_________________
2.3 Программирование контроллеров_________________________________________
2.4 Состав и назначение вычислителя устройства ЧПУ__________________________
2.5 Состав и назначение программируемых контроллеров________________________
Литература_________________________________________________________________

 

 

Шмаков Николай Валентинович