Выбор микропроцессорного контроллера и эвм
Для реализации алгоритмов управления и выдачи регулирующего воздействия на исполнительные механизмы выбран модульный программируемый микроконтроллер (МК) для решения средней степени сложности задач автоматического управления Simatic S7-400, производимый фирмой SIEMENS, представленный на рисунке 3.14, ([14], [15]).
Рисунок 3.14 – МПК SIEMENS Simatic S7-400
Контроллер Simatic S7-400 является свободно-программируемой системой управления для задач средней и большой сложности. Он позволяет обрабатывать сотни сигналов поступающих от технологического процесса. МК построен по блочно – модульному принципу (рисунок 3.15). Комплект модулей МК определяется характером выполняемой задачи управления и технологической схемой процесса, подлежащего автоматизации.
МК представляет собой корпус с посадочными местами, так называемый, держатель модулей UR1 (на 18 посадочных мест), в который вставляются модули: источника питания PS, центрального процессора CPU, коммуникационного процессора CP, связи IM и модули аналогового и дискретного ввода. Наличие модулей PS, CPU, IM и CP является обязательной конфигурацией МК, к которой будут добавляться модули ввода.
Питание контроллера осуществляется через два блока питания SITOP, преобразующие сетевое напряжение в напряжение постоянного тока 24 В.
Блоки питания работают в автоматическом режиме (в случае выхода из строя рабочего блока автоматически включается второй). Модуль питания PS 407 (10A) преобразует напряжение 24В постоянного тока в рабочее напряжение для МК.
Модуль центрального процессора CPU 414-1– является мозгом МК, имеет 128 КБайт рабочей памяти (RAM), а также место под модуль Flash-EPROM (256 КБайт), применяемый в качестве расширения рабочей памяти, которая служит для хранения и отладки программ. На процессоре можно реализовать 8 контуров регулирования.
Для связи ЭВМ-МК используется коммуникационный процессор CP 443-1, который выполняет следующие функции: диагностика и обслуживание хода выполнения процесса, выдача сообщений и протоколирование. Связь между МК и ЭВМ осуществляется интерфейсом RS-485, при помощи мультиплексора SINEC, способного подключить к МК до 8 абонентов.
Для обработки сигналов, поступающих с объекта управления, необходимо выбрать модули ввода/вывода. В данном технологическом процессе требуется: три модуля аналогового ввода/вывода SSM 431: два модуля на аналоговый вход и один модуль на аналоговый выход.
Модули ввода устанавливаются в держателе модулей UR1, а модули вывода в ER1. Связь между держателями осуществляется через модуль связи IM, который необходимо установить на всех держателях модулей (ER1, UR1). В случае если необходимо нарастить контроллер, то устанавливают дополнительные держатели модулей ER1 (структура наращивания показана на рисунке 3.15 пунктирной линией).
Обработанная в контроллерах информация передается на станцию оператора и станцию инжиниринга.
Станция оператора предназначена для управления технологическим процессом, обработки и отображения оперативных данных, производства вычислительных функций, создания протоколов сообщений и выходных рабочих документов, а также накопления архивной информации, хранящейся на жестком диске.
Рисунок 3.15 – Структура МК Simatic S7-400
На мониторе станции оператора отображается и фиксируется весь технологический процесс с контролем и регулированием. Территориально станция оператора располагается в помещении КИП.
Станция инжиниринга предназначена для внесения изменений и перенастройки как системы верхнего, так и нижнего уровня. Кроме этого, станция инжиниринга реализует те же функции, что и станция оператора.
Станция оператора и Станция инжиниринга выполнена на базе промышленного компьютера производства Beckhoff серии C5100 в комплекте с цветным графическим LCD монитором с диагональю 21 дюйм, офисной клавиатурой и манипулятором типа "мышь". АРМ оператора построен на процессоре Intel® Pentium® 4 2.8 GHz, имеет 250 GB жесткий диск и 1024 MB оперативной памяти.
Программирование контроллера. Программирование контроллера осуществляется при помощи программатора PG на внутреннем языке программирования STEP7.
STEP-7 представляет собой язык программирования для создания программ пользователя микроконтроллеров семейства Simatic S7. Язык STEP-7 позволяет преобразовать постановку задачи автоматизации какого либо объекта в программу пользователя и записать её в одной из трёх возможных форм (способов) представления. Такими формами являются:
1) КОР - контактный план (релейно-контактная схема);
2) FUP - функциональный план (логическая схема);
3) AWL - последовательность команд.
Контактный план (КОР) представляет собой графическое представление алгоритма управления при помощи символов. Символы применяются для обозначения опросов состояния сигналов 0 или 1 и располагаются на дисплее горизонтально по маршрутам. Поэтому наблюдается сходство с релейно-контактной схемой.
Функциональный план (FUP) представляет собой графическую форму записи алгоритма управления с помощью символов. Каждая функция представляется одним символом: на левой стороне символа представляются входы, а на правой - выходы функции.
Последовательность команд (AWL) представляет собой форму записи алгоритма управления с помощью текстовой записи команд (в каждой строке одна команда).
Одни и те же функции можно программировать в любой из форм представления и воспроизводить их на программаторе PG. Программатор PG может автоматически преобразовывать программы из одной формы представления в другую, но не все программы в AWL преобразуются в КОР или FUP. Обратные преобразования производятся без ограничений. В программной памяти микропроцессора программа записывается в машинном коде МС-5.
Программа пользователя становится хорошо обозримой и простой для записи, если она подразделяется на логически завершённые и связанные части (блоки) программы. Поэтому при программировании микроконтроллеров семейства Simatic S7 используются различные блоки.
При программировании МК различают линейное и структурированное программирование. Линейное применяется для обработки простых задач. Все команды записываются в одном блоке и выполняются друг за другом. При структурированном подходе вся программа делится на блоки – законченные по смыслу отдельные завершенные части программы.
В контроллере применен цикличный способ опроса датчиков. Время цикла опроса определяется по внутреннему таймеру. Минимальное время, которое необходимо МК для реализации одного контура составляет 100 mсек.