МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ Й НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Німецький технічний факультет

Навчальний посібник до курсу Промислові системи управління

ЗАТВЕРДЖЕНО

На засіданні кафедри систем

програмного управління

Протокол № від

ЗАТВЕРДЖЕНО

На засіданні Заради інституту

міжнародного співробітництва

Протокол № від

Донецьк – Доннту – 2007

УДК 685.284

Навчальний посібник до курсу „промислові системи управління”.

Склад.: Є.Г. Скляренко – Донецьк – ДонНТУ. – 2007. - с.

Навчальний посібник призначено для студентів спеціальностей електротехнічного напрямку, які вивчають курс „промислові системи управління ”.

Складач: Є.Г. Скляренко, к.т.н., доц.

Комп’ютерна верстка: А. Г. Тесля

О.А.Корінь

Д.В.Симоненкова

Рецензенти: О. В. Хорхордін, к. т.н., проф.

О.Л. Косован

Відповід. за випуск: С. С. Старостін, зав. кафедри СПУіМ

ЗМІСТ

ЧАСТИНА I 5 1.1 Будова та принцип дії сучасних систем автоматизації 6 1.2 Основи проектування промислових систем управління 16 1.3 Основи програмування мовою STEP 7 27 1.4 Рішення типових завдань автоматизації засобами SIMATIC 33 1.5 ЦИФРОВІ ОПЕРАЦІЇ 38 1.6 Структура програми користувача мовою STEP 49 1.7 Завдання регулювання в промислових системах керування 59 1.8 Двопозиційний регулятор у промислових системах керування 63 1.9 ПІД- Регулятор у промислових системах керування 68 1.10 Основи дискретних систем регулювання 74 ЧАСТИНА II..…….………………………………………………….. Комунікаційні системи в промислових системах управління……………………………………………………….. ISO - Модель……………………………………………………. AS-Interface ……………..………………………………………. PROFIBUS…………………………………………...………….. Industrial Ethernet…..…………………………………………… Технічна візуалізація…...………...…………………………….

Вступ проектування промислових систем автоматизації частина I

1.1Будова та принцип дії сучасних систем автоматизації

Питання розділу:

• Загальні питання будови апаратної частини сучасних промислових систем автоматизації.

• Варіанти апаратного виконання систем автоматизації на основі промислових комп’ютерів (ПК) та логічних контроллерів, що

програмуються (ПЛК).

• Продукти фірми Siemens в галузі систем автоматизації.

Сучасні промислові системи автоматизації – це мікропроцесорні пристрої, які крім виконання класичних завдань управління та регулювання можуть також розв’язувати задачі комунікації та технічної візуалізації. За рахунок цього сьогодні набагато зручніше розв’язуються задачі побудови ієрархічних систем управління виробництвом.

Апаратна частина мікропроцесорних систем автоматизації може бути реалізована на основі однієї з двох платформ – це промислові комп’ютери (ПК) та логічні контроллери, що програмуються (ПЛК).

При цьому:

• промислові комп’ютери орієнтовані скоріш на задачі обробки інформації та взаємодії з оператором чи вищерозташованою системою управління

• логічні контроллери, що програмуються – орієнтовані на безпосередню взаємодію с автоматизуємими об’єктами управління та встановлення поблизу них.

Розглянемо більш докладно платформу систем автоматизації на основі промислових комп’ютерів.

Розрізняють 2 види виконання цієї платформи:

• промисловий комп'ютер + додаткова карта мікроконтроллера.

Таке виконання називають Slot-системою управління

• промисловий комп'ютер + програмний пакет, який бере на себе

функції мікроконтроллера. Таке виконання називають Soft-системою управління

Треба зазначити одну характерну відмінність цих двох видів виконання– операційна система Slot-систем є автономною. В той час як в Soft-системах це не так. У зв'язку з цим Slot-системи мають більш високий рівень надійності роботи та відповідають жорстким вимогам до управління в реальному часі. При цьому мається на увазі не швидкодія системи, а швидкість реакції при обробці сигналів.

Як переваги платформи, побудованій на промислових комп'ютерах, треба відзначити наступні:

1. заощадження коштів у порівнянні з системами управління на базі

контроллерів з додатковою системою візуалізації;

2. майже необмежені ресурси пам'яті;

3. безпосередній доступ до інформації через Internet та Intranet;

4. додаткові інтерфейси, наприклад послідовний та паралельній

провід, оптичні диски, жорсткі диски та інше;

5. висока обчислювальна потужність;

Недоліком цієї платформи залишаються обмежені можливості роботи в реальному часі.

Із точки зору програмування платформа, яка базується на промислових комп'ютерах, не має ніяких переваг у порівнянні з платформою на основі мікроконтроллерів, оскільки програма користувача ідентична для обох випадків. На практиці зустрічаються також гібридні системи.

Зупинимося на платформі,яка найбільш часто зустрічається в промисловості, а саме, побудованій на мікроконтроллерах.

Існує декілька варіантів виконання цієї платформи:

1. Компактні системи, див. Рисунок 1.1 .1, Рисунок 1.1 .2, Рисунок 1.1 .3.

Рисунок 1.1.1 – Simatic S7 - 200

Рисунок 1.1.2 – Сім'я Simatic З7

Рисунок 1.1.3 –Simatic LOGO!

Вони забезпечують заощадження коштів та простору при розв'язанні простих завдань автоматизації. Конструктивною особливістю компактних контроллерів є те, що в одному корпусі інтегровані блок живлення, мікропроцесор з пам'яттю та пристрої вводу-виводу.

Типові галузі застосування компактних контроллерів - це пакувальні автомати, автомийки, системи автоматизації будівель, компресорні та насосні станції.

2. Модульні системи, див Рисунок 1.1 .4, Рисунок 1.1 .5.

Рисунок 1.1.4 – Simatic S7 - 300

Рисунок 1.1.5 – Simatic S7 - 400

Це універсальні пристрої, функції яких можна ступінчато розширювати за рахунок додаткових модулів в залежності від складності розв'язуваних завдань. Для цього в розпорядженні користувача є широкий спектр модулів.

Серед них:

1. модулі живлення;

2. модулі центрального процесора з різними швидкодією та

об'ємами пам'яті;

3. сигнальні модулі для вводу-виводу як цифрових, так і

аналогових сигналів;

4. функціональні модулі із власним мікропроцесором, які

розв'язують спеціальні задачі та розвантажують центральний процесор;

5. модулі комунікації для обміну інформацією з іншими

пристроями.

3. Розподіленні системи, див. Рисунок 1.1 .6.

Рисунок 1.1.6 – Розподілена система

Існує 2 види розподілених систем: з розподіленою периферією та розподіленим інтелектом. Тут під периферією слід розуміти пристрої вводу-виводу. А під інтелектом - обчислювальну потужність.

В системах автоматизації з розподіленою периферією периферійні модулі встановлюються поблизу з виконуючими пристроями та давачами технологічного процесу.

Введення сигналів з давачів та виведення на виконуючи пристрої здійснюється по місцю їх встановлення. Після цього інформація в цифровому вигляді через комунікаційну мережу передається в модуль центрального процесора системи управління. При цьому спрощується електричний монтаж та обслуговування, а також зменшується вплив електромагнітних поміх, бо сигнали давачів та виконавчих пристроїв не треба передавати на великі відстані.

Системи автоматизації з розподіленою периферією використовуються на виробництві, де технологічне обладнання віддалене одне від одного на велику відстань.

У системах автоматизації з розподіленим інтелектом декілька контроллерів розв'язують задачі управління технологічним процесом. При програмуванні таких систем необхідно застосовувати спеціальні методи, які дозволяють створювати програми, виконання яких не прив'язано до конкретного контроллера. У кожний момент часу завдання управління динамічно розподіляється між контроллерами що є в системі. Вихід з ладу одного з контроллерів не призводить у такій системі до втрати управління над об'єктом.

До теперішнього часу не всі питання створення систем з розподіленим інтелектом ще вирішені, тому дослідження в цій галузі продовжуються.

4. Резервовані системи, див Рисунок 1.1 .7.

Рисунок 1.1.7 – Резервована система підвищеної надійності Simatic S7 - 400Н

Резервовані системи реалізують системи автоматичного управління з підвищеними вимогами до надійності функціонування.

Галузь застосування резервованих систем - це, наприклад, автомобільна, металургійна, фармацевтична та харчова промисловості. Вони виключають простої виробництва та пов'язані з ними великі збитки.

Конструктивною особливістю резервованих систем є наявність двох ідентичних підсистем. Управління процесом здійснює ведуча підсистема. У разі її відмови функції управління переводяться на ведену підсистему.

5. Системи безпечного управління, див. Рисунок 1.1 .8.

Рисунок 1.1.8 – Система безпечного управління Simatic S7 - 400F

Систем безпечного управління при виникненні аварійних ситуацій не створюють небезпеки для життя персоналу та не викликають загрози для навколишнього середовища.

У системах безпечного управління допускаються часткове чи повне резервування компонентів системи, а також відсутність резервування. У системах безпечного управління без резервування аварійні ситуації супроводжуються переведенням технологічного обладнання в безпечний стан та зупинкою виробництва. У резервованих системах безпечного управління з резервуванням в аварійних ситуаціях здійснюється переведення управління з компонентів системи що відмовили на резервні без зупинки виробництва.

Галузь застосування систем безпечного управління - нафтопереробне та хімічне виробництво, системи управління трубопроводами та пасажирським транспортом, енергетика.

Продукти фірми Siemens для комплексної автоматизації виробництва.

Системи автоматизації фірми Siemens традиційно мають позначення SIMATIC. Далі йде цифра, яка відповідає коду покоління систем автоматизації.

Компоненти систем автоматизації, які виробляє фірма Siemens, наведені в каталозі ST-70.

У розділах цього каталогу можна, наприклад, знайти:

• Компактні мікроконтроллери, які мають позначення SIMATIC

S7- 200

• Модульні контроллери - SIMATIC S7-300 і S7-400

• Пристрої та компоненти для побудови систем з розподіленою периферією SIMATIC DP

• Промислові комп'ютери SIMATIC PC;

• Комп'ютери-програматори SIMATIC PG

• Компоненти для реалізації SLOT- та SOFT- систем управління

• Пристрої візуалізації SIMATIC HMI

• Пристрої комунікації SIMATIC NET

У проспекті з короткою інформацією, присвяченою компактним мікроконтроллерам SIMATIC S7-200, наведені зовнішній вигляд контроллерів у натуральну величину, їх технічні характеристики, органи управління та індикації, метод підключення зовнішніх пристроїв, місце знаходження модуля ППЗУ та комунікаційного інтерфейсу, а також вигляд кишенькового програматора.

Є аналогічна технічна інформація про модульні контроллери та виробляємі різновиди модулів.

Фірмою Siemens виробляються функціональні модулі для наступних завдань:

• Регулювання

• Позиціонування

• Зчитування/дозування

• Швидкісна обробка сигналів

Таким чином, у цьому розділі були розглянуті варіанти апаратного виконання сучасних систем автоматизації на основі промислових комп'ютерів та логічних контроллерів що програмуються. А також продемонстровані деякі компоненті систем комплексної автоматизації, які виробляє фірма Siemens.