Проектирование систем автоматизации. Курс лекций

нем падение напряжения помехи Uпом. При неправильном соедине- нии аналогового входа с источником сигнала (показано зачеркнутой линией) к дифференциальному входу модуля прикладывается сум- марное напряжение измеряемого сигнала и помехи. При более кор- ректном подключении дифференциального входа (показано пунк- тирной линией) на вход модуля воздействует синфазная помеха Uпом, которая при низком значении коэффициента подавления синфазного сигнала может вносить погрешность в результат измерения. Схема, устраняющая полностью влияние помехи, приведена на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Правильное соединение земель и питания. Обозначения см. на рис. 4.7

Электромагнитные наводки появляются вследствие явления элек- тромагнитной индукции. Их мощность зависит от площади охвачен- ного проводником контура или от длины провода. Наиболее распро- страненными приемниками электромагнитных помех являются длинные провода – цепи заземления, кабели, соединяющие датчики и модули аналогового ввода, кабели информационных коммуникаций. Эффективным способом противодействия наводкам является приме- нение экранированной витой пары. Витая пара имеет минимальную эффективную площадь контура, что минимизирует ЭДС наводки, а заземленный экран препятствует проникновению в контур электро- магнитного излучения. Экран должен быть заземлен в одной точке, если его заземлить в двух точках, получится замкнутый контур со значительной площадью, в котором будет наводиться помеха.

81

Рассмотрим схему заземления гальванически связанных цепей, приведенную на рис. 4.9. Указанная схема имеет ряд недостатков. Ток мощной нагрузки – электродвигателя – протекает, создавая па- дения напряжения Uземли, по той же шине заземления, что и сигнал. Приемник сигнала включен по однополярной схеме, а не по схеме подключения дифференциального устройства. Используемое управ- ляющее устройство не имеет гальванической развязки аналоговой и цифровой частей, поэтому содержащий помеху ток питания цифро- вой части проходит через вывод AGND и создает дополнительное напряжение помехи на сопротивлении R1.

Приведенные выше факторы приводят к тому, что напряжение на входе приемника равно сумме напряжения сигнала и напряжения помехи Uземли = R1(Iпит + Iм), где Iм – ток мотора. Для уменьшения по- мехи можно использовать в качестве проводника заземления медную шину большого сечения, но лучше выполнить заземление по схеме, показанной на рис. 4.10. На ней все цепи заземления соединены в одной точке, при этом ток питания электродвигателя не наводит на- пряжение помехи на сопротивлении R1, а падение напряжения на со- противлении R2 не суммируется с напряжением сигнала на аналого- вом входе.

82

Отдельно рассмотрим заземление экрана сигнального кабеля. По- скольку сигнальный кабель имеет длину десятки и сотни метров, не- обходима его защита от электромагнитной помехи, что достигается применением витой пары, и от электростатических зарядов и емкост- ных наводок, для чего применяется экранирование. При частоте по- мехи не более 1 МГц экран заземляют в одной точке. Если его зазем- лить с двух сторон – со стороны источника и со стороны приемника сигнала, получится замкнутый контур значительной площади, в кото- ром будет наводиться ток помехи. Проходя по экрану, ток помехи будет наводить помеху на центральные жилы кабеля через взаимную индуктивность. При значительной длине кабеля и заземлении экрана с обеих сторон на экран будет поступать помеха, обусловленная блу- ждающими токами в земле и шумами на шине заземления. Блуждаю- щие токи наводятся мощными электродвигателями, электрифициро- ванным транспортом, естественными электрическими полями.

Экран кабеля следует заземлять со стороны источника сигнала. Если его заземлить со стороны приемника сигнала (рис. 4.12), то ток помехи пойдет по пути, показанному штриховой линией, т.е. через емкость между жилами кабеля, создавая на ней и соответственно на дифференциальном входе приемника напряжение помехи. Поэтому заземлять экран надо со стороны источника сигнала (рис. 4.13). В случае незаземленного источника сигнала (например, термопары) возможно заземление экрана с любой из сторон, поскольку замкну- тый контур при этом не образуется.

Рис. 4.12. Заземление экрана со стороны приемника сигнала

84

4.7. Программирование контроллеров

Программирование контроллеров является неотъемлемой частью проектирования системы управления. Для конфигурирования кон- троллера, привязки переменных процесса к адресам входов/выходов контроллера полезно использовать предусмотренные ГОСТ 34.201– 89 схему соединений внешних проводок (С5) и схему соединений внутренних проводок (С4). Указанный ГОСТ допускает выполнение этих схем в виде таблиц, для программирования контроллера такой вариант предпочтителен.

Программирование большинства контролеров осуществляется c помощью инструментального ПО, поставляемого изготовителем контроллера. Данное ПО работает на компьютере разработчика, со- единенного с контроллером через последовательный порт или по се- ти Ethernet. Инструментальное ПО обладает рядом сервисных функ- ций и обеспечивает:

•конфигурирование контроллера;

•написание собственно кода программы;

•компиляцию исполняемого модуля;

•загрузку скомпилированной программы в контроллер;

•наблюдение за исполнением программы и ее отладку, включая просмотр значений внутренних переменных;

•просмотр и при необходимости очистку таблиц результатов самодиагностики контроллера.

Лицензия на инструментальное ПО приобретается для компьюте- ра разработчика, а не для установленного в системе контроллера. Соответственно на объекте для эксплуатации всего имеющегося пар- ка одинаковых контроллеров достаточно иметь одну лицензию. Ана- логично разработчику для нескольких проектов с несколькими кон- троллерами в каждом достаточно иметь лицензии в количестве, соот- ветствующем количеству рабочих мест программиста. Присутствие инструментального ПО в системе в ходе ее промышленной эксплуа- тации не является обязательным. Включение в состав АСУТП стан- ции инжиниринга, имеющей инструментальное ПО для контролле- ров, практикуется при создании АСУТП крупных производств, когда АСУТП имеет несколько контроллеров и относительно сложное ПО.

Программирование контроллеров делится на конфигурирование и собственно программирование. Под конфигурированием понимается присвоение адресов физическим каналам модулей ввода/вывода, распределение памяти между внутренними регистрами и простран-

86

ством ввода/вывода, настройка последовательных портов, присвое- ние IP-адресов Ethernet портам и т.п. Программирование – это собст- венно проектирование и написание кода программы. Конфигуриро- вание и программирование выполняется при помощи одного и того же инструментального ПО.

Стандартом МЭК 61131-3 предусмотрены 5 языков программиро- вания ПЛК [4.26]. Не все изготовители контроллеров поддерживают все 5 языков для полного ассортимента своей продукции.

Язык последовательностных функциональных диаграмм (SFC – Sequential Function Chart) является графическим языком высокого уровня. В его основе лежат сети Петри – метод формального описа- ния дискретных систем, опирающийся на разделение системы или ее частей на множество простых позиций, между которыми при выпол- нении определенных условий происходят переходы. Позиция изо- бражается в виде окружности, а переход – в виде отрезка. Переходы соединяются с позициями направленными дугами. Любая позиция может обладать маркером (обозначается жирной точкой) и переда- вать его другим позициям по исходящим дугам (рис. 4.14). Проверка условия перехода (разрешение) выполняется, только если хотя бы одна из исходных позиций владеет маркером. Несколько позиций могут иметь маркеры одновременно, таким образом, сеть имеет воз- можность отображать процессы, происходящие параллельно и взаи- мосвязано. Состояние системы описывается конфигурацией набора позиций, обладающих маркерами. Следует отметить, что сети Петри и язык SFC развивались разными путями и в настоящее время их отождествлять нельзя.

Рис. 4.14. Пример сети Петри

87

Дуги в представлении языка SFC, в отличие от сетей Петри, изо- бражаются в виде вертикальных прямых (переходов), направление – сверху вниз. Позиции, называемые в SFC шагами или этапами, пред- ставляются в виде прямоугольников. Написанная на SFC программа состоит из шагов, переходов и условий, разрешающих переходы. Язык SFC не содержит собственно команд контроллера, выполняе- мые ПЛК действия должны быть запрограммированы на одном из четырех приведенных ниже языков, а эти подпрограммы будут вы- зываться программой, написанной на SFC.

Язык IL (Instruction List) – список инструкций – внешне похожий на ассемблер. На самом деле он не является ассемблером микропро- цессора, на котором реализован контроллер. Его достоинства и не- достатки соответствуют плюсам и минусам настоящего ассемблера. С ростом производительности применяемых в ПЛК микропроцессо- ров и увеличением объема памяти актуальность написания программ на языке IL уменьшается.

Язык релейных диаграмм LD (Ladder Diagram), также называемый языком релейно-контактных схем (РКС), – наиболее распространен- ный язык программирования ПЛК. Представление операторов и свя- зей между ними похоже на принципиальную электрическую схему устройства, реализованного на основе электромагнитных реле. Он дает весьма наглядное представление о логике программы, а в режи- ме отладки – о ходе ее выполнения. Применение данного языка тре- бует от обслуживающего персонала АС минимальных знаний в об- ласти программирования. Особенно язык LD эффективен при про- граммировании логики обработки дискретных сигналов и перемен- ных. В состав языка наряду с операторами дискретной логики входят операторы пересылки, математических действий, ПИД-регулятора, вызова подпрограмм, что обеспечивает написание полноценных про- грамм, полностью реализующих функционал нижнего уровня АС.

Язык ST (Structured Text) – структурированный текст – это похо- жий на Паскаль язык высокого уровня. Его использование предпоч- тительнее для случаев, когда требуется большой объем вычислений.

Графический язык FBD (Function Block Diagram) – язык функцио-

нальных блоковых диаграмм – использует представление, аналогич- ное принципиальной электрической схеме устройства на микросхе- мах. Программа на языке FBD выглядит как совокупность блоков- операторов, соединенных друг с другом по входам и выходам.

Программирование контроллеров с использованием приведенных выше графических языков внешне выглядит очень простым. Тем не

88

менее при всей эффективности языков стандарта МЭК 61131-3 коды программ реальных АС получаются сложными для восприятия. ПО для контроллера является сложным программным продуктом, к на- писанию и документированию которого следует подходить проду- манно и ответственно. Программа контроллера не должна в двух местах обращаться к одному и тому же входу или выходу, в против- ном случае появляется риск возникновения ошибки при изменении схемы внешних подключений контроллера и соответствующих кор- ректировках ПО. Символьные имена переменным следует присваи- вать информативные, желательно с использованием обозначений на ФСА объекта, схемах внешних подключений С5. Языки стандарта МЭК 61131-3 поддерживают структурированное программирование,

иэтим надо пользоваться. Программа ПЛК должна быть разделена на соответствующие подпрограммы, процедуры и функции, что су- щественно облегчает ее написание, отладку и сопровождение. Эти рекомендации полностью соответствуют правилам цивилизованного написания программ в других областях, не связанных с АСУТП, и на широко распространенных языках программирования.

Создаваемое ПО для контроллеров должно иметь документацию. Документация также нужна для приложений, реализуемых в SCADA-среде и на более высоких уровнях обработки информации (см. гл. 3). Правила разработки, оформления и обращения программ

ипрограммной документации устанавливаются комплексом ГОСТов – Единой системой программной документации (ЕСПД) [1.6]. Номера стандартов ЕСПД начинаются с цифр 19. Ключевыми документами в программной документации проекта являются:

•техническое задание [4.27];

•спецификация [4.28];

•руководство пользователя [4.29];

•руководство оператора [4.30];

•схемы алгоритмов, программ, данных и систем [4.31].

ТЗ согласно ГОСТ [4.27] должно содержать следующие разделы:

•введение;

•основания для разработки;

•требования к программе или программному изделию;

•требования к программной документации;

•технико-экономические показатели;

•стадии и этапы разработки;

•порядок контроля и приемки.

89

В техническое задание допускается включать приложения. Спецификация является основным программным документом для

компонентов, применяемых самостоятельно, и для комплексов. В случае отсутствия для компонента спецификации для него основным программным документом будет текст программы. В общем случае спецификация содержит следующие разделы: документация, ком- плексы, компоненты. В разделе «Документация» перечисляются про- граммные документы, за исключением ТЗ и спецификации, в разде- лах «Комплексы» и «Компоненты» – обозначения спецификаций комплексов, входящих в данный комплекс, и обозначения основных программных документов соответственно. Комплекс – это два или более компонента, не соединенных изготовителем (разработчиком) в единое целое, но предназначенных для выполнения взаимосвязанных функций.

Руководство программиста описывает назначение программы, ее основные характеристики, формат обращения к ней. В разделе «Наз- начение и условия применения программы» указывают назначение и функции, выполняемые программой, требования к ресурсам вычис- лительной системы, периферийному оборудованию, системному и прикладному ПО и т.п. В разделе «Характеристики программы» при- водят ее основные характеристики и особенности (временные харак- теристики, режим работы, средства контроля правильности выпол- нения и т.п.). В разделе «Входные и выходные данные» описывают организацию входной и выходной информации. В разделе «Сообще- ния» приводят тексты выдаваемых программисту или оператору в ходе выполнения программы сообщений, объясняют, при необходи- мости, их содержание, указывают действия, предпринимаемые по сообщениям. Руководство программиста может иметь приложения, содержащие дополнительные материалы.

Руководство оператора по своей структуре похоже на руководство программиста, оно содержит информацию, необходимую оператору для корректной эксплуатации ПО. В разделе «Назначение програм- мы» приводятся сведения о ее назначении и информация, достаточ- ная для понимания функций программы и ее использования. В раз- деле «Условия выполнения программы» указывается минимальный и/или максимальный состав технических и программных средств, иные условия, необходимые для ее выполнения. В разделе «Выпол- нение программы» указывается последовательность действия опера- тора, обеспечивающих загрузку, запуск и завершение программы, описываются команды оператора и реакция программы на них. В

90