Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Программирование контроллеров для АСУ и мехатронных систем. Учебное пособие.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
И. А. ЕЛИЗАРОВ, П. В. БАЛАБАНОВ, В. Н. НАЗАРОВ,
А. А. ТРЕТЬЯКОВ, В. А. ПОГОНИН
ПРОГРАММИРОВАНИЕ
КОНТРОЛЛЕРОВ ДЛЯ АСУ И
МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
Утверждено Учёным советом университета в качестве учебного пособия
для студентов 4, 5 курсов, обучающихся по направлениям подготовки
27.03.04 «Управление в технических системах», 27.03.03 «Системный анализ и
управление» и 15.03.06 «Мехатроника и робототехника»,
очной и заочной форм обучения
Учебное э
лектронное издание
Тамбов
Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ»
2022
1
УДК 681.5
ББК ç973.26-04я73
П78
Доктор экономических наук, кандидат технических наук,
доцент ФГБОУ ВО «ТГУ им. Г. Р. Державина»
Кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой САПР
Р е ц е н з е н т ы:
О. В. Кондраков
ФГБОУ ВО «ТГТУ»
Л. Коробова
И.
П78
Программирование контроллеров для АСУ и мехатронных систем [Электронный
ресурс] : учебное пособие / И. А. Елизаров, П. В. Балабанов, В. Н. Назаров,
А. А. Третьяков, В. А. Погонин. – Тамбов : Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ»,
2022. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Системные требования : ПК не ниже класса Pentium II ; CD-ROM-дисковод ; 19,0 Mb ; RAM ; Windows 95/98/XP ; мышь. –
Загл. с экрана.
ISBN 978-5-8265-2501-2
Рассмотрены основы работы с системой программирования промышленных
контроллеров CoDeSys 3.5. Приведены синтаксис языков программирования,
входящих в международный стандарт IEC-61131.3, а также примеры программ на
языках программирования CFC, LD, ST, SFC.
Предназначено для студентов 4, 5 курсов, обучающихся по направлениям подготовки 27.03.04 «Управление в технических системах», 27.03.03 «Системный анализ и
управление» и 15.03.06 «Мехатроника и робототехника», очной и заочной форм обучения, а также может быть полезно инженерам, магистрам и аспирантам, занимающимся разработкой прикладного программного обеспечения промышленных контроллеров.
УДК 681.5
ББК ç973.26-04я73
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются
за разработчиком. Нелегальное копирование и использование данного продукта
запрещено.
ISBN 978-5-8265-2501-2
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
образования «Тамбовский государственный
технический университет»
(ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2022
2
ВВЕДЕНИЕ
Современную промышленность невозможно представить без систем автоматизации. Сложность производственных процессов делает невозможным
управление ими вручную, к тому же системы автоматики обходятся гораздо
дешевле, чем обслуживающий персонал, да и работают они быстрее и надёжнее. В настоящее время практически ни одно здание не обходится без автоматики. Школы, больницы, детские сады, офисные и складские помещения, загородные дома и коттеджи – все эти объекты оснащены инженерными системами
с автоматическим управлением. Несмотря на многообразие применений и сфер
использования, все системы автоматики работают по одному принципу и обладают схожей структурой, в центре которой находится «мозг» системы – программируемый логический контроллер (ПЛК).
ПЛК предназначен для работы в режиме реального времени в условиях
промышленной среды и должен быть доступен для программирования неспециалистом в области информатики. Изначально ПЛК предназначались для
управления последовательными логическими процессами, что и обусловило слово «логический» в названии ПЛК. Современные ПЛК, помимо простых логических операций, способны выполнять цифровую обработку сигналов, управление
приводами, регулирование, функции операторского управления и т.д.
Массовое производство программируемых логических контроллеров различными фирмами-производителями привело к трём неблагоприятным последствиям в области программного обеспечения:
1) большое количество разнородных языков программирования, так как
каждый изготовитель в комплекте с ПЛК поставлял свои программные средства
его программирования;
2) огромная сложность перенесения прикладного программного обеспе-
чения на другую программно-аппаратную платформу;
3
3) нехватка специалистов, имеющих навыки разработки программного
обеспечения для различных программно-аппаратных платформ.
Для разрешения этих проблем был разработан стандарт Международной
электротехнической комиссии IEC 61131-3. В этом стандарте описаны два текстовых языка (IL – Список Инструкций и ST – Структурированный Текст), три
графических языка (LD – Язык Лестничной Логики, FBD – Язык Диаграмм
Функциональных Блоков и SFC – Язык Последовательных Функциональных
Схем).
Одной из наиболее популярных систем программирования контроллеров
является программная платформа CoDeSys v3.5. Она в полной мере реализует
требования стандарта IEC (МЭК) 61131-3.
CoDeSys в качестве среды программирования используют большое количество компаний – производителей программируемых логических контроллеров как отечественных, так и зарубежных. Среди них отечественная компания
ОВЕН – производитель современных технических средств автоматизации. Контроллеры серий ПЛК2хх и СПК1хх этой компании программируются в среде
CoDeSys v3.5.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 27.03.04 «Управление в технических системах», 27.03.03
«Системный анализ и управление» и 15.03.06 «Мехатроника и робототехника»,
и направлено на формирование следующих компетенций:
− способность производить разработку, инсталляцию и настройку сис-
темного, прикладного и инструментального программного обеспечения систем
автоматизации и управления;
− способность эксплуатировать системы управления, применять совре-
менные инструментальные средства и технологии программирования на основе
профессиональной подготовки, обеспечивающие решение задач системного
анализа и управления.
4
Глава 1
ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ КОНТРОЛЛЕРЫ
КОМПАНИИ ОВЕН
Компания ОВЕН (www.owen.ru) – ведущий российский разработчик и
производитель контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации
для различных отраслей промышленности, активный участник российской программы импортозамещения. С 2006 года компания ОВЕН осуществляет выпуск
программируемых контроллеров ОВЕН ПЛК.
Программируются контроллеры ОВЕН ПЛК с помощью профессиональ-
ной среды CoDeSys, разработанной немецкой компанией 3S-Software.
Спектр применений ОВЕН ПЛК достаточно широк, это как построение
распределённых систем управления и диспетчеризации, так и автоматизация
небольших задач. Основные отрасли применения: ЖКХ, энергетика, автоматизация зданий и системы жизнеобеспечения, машиностроение и металлообработка, водоснабжение и водоотведение, нефтехимия и нефтедобыча, сельское
хозяйство, химическая и пищевая промышленность и др.
На данный момент компанией ОВЕН выпускается несколько линеек контроллеров:
− моноблочные контроллеры для малых, средних и распределённых
систем автоматизации ПЛК200/ПЛК210. ОВЕН ПЛК200/ПЛК210 – новая линейка высокопроизводительных контроллеров с расширенными коммуникационными возможностями и дополнительными функциями надёжности. Контроллеры универсальны благодаря широкому спектру коммуникационных протоколов и дополнительным модулям расширения входных и выходных сигналов
Мх210 с интерфейсом Ethernet. Программирование контроллеров осуществляется в среде CoDeSys v3.5;
− моноблочные контроллеры для средних систем автоматизации
ПЛК110[М02]/ПЛК110/ПЛК160. Оптимальны для построения систем автомати-
5
зации среднего уровня и распределённых систем управления. Они обладают
достаточно мощными вычислительными ресурсами (процессоры с частотой до
400 МГц, ОЗУ – до 16 Мб), несколькими последовательными портами RS-232 и
RS-485, имеют порт Ethernet для включения в локальные или глобальные сети
верхнего уровня. Программирование контроллеров осуществляется в среде
CoDeSys v2.3;
− контроллеры с HMI для локальных систем автоматизации ОВЕН
ПЛК63/ПЛК73. Это небольшие контроллеры для автоматизации малых объектов и установок. Основное направление применения контроллера: HVAC, насосные станции, малые станки по упаковке и переработке. Отличительной особенностью контроллеров является дисплей и кнопки управления, позволяющие
организовать управление установкой прямо с лицевой панели контроллера.
Программирование контроллеров осуществляется в среде CoDeSys v2.3;
− контроллеры ПЛК1хх (ПЛК100/ПЛК150/ПЛК154) – линейка компакт-
ных моноблочных контроллеров с входами/выходами на борту для автоматизации малых систем. Это первая линейка контроллеров ОВЕН, которая до настоящего времени пользуется большой популярностью за счёт хорошего соотношения цена–качество. Основное применение контроллеры получили в сферах
ЖКХ, производстве и модернизации автоматики котельных, климатическом
оборудовании, пищеперерабатывающих и упаковочных аппаратах и др. Программирование контроллеров осуществляется в среде CoDeSys v2.3;
− коммуникационные контроллеры ПЛК304/328 оптимально подходят
для построения распределённых систем управления и диспетчеризации с использованием как проводных, так и беспроводных технологий. Данные контроллеры находят широкое применение в системах сбора и диспетчеризации
информации АСКУЭ, АСОДУ за счёт большого количества встроенных последовательных портов RS-232/RS-485 и наличия интерфейса Ethernet. Программирование контроллеров осуществляется в среде CoDeSys v3.5;
− сенсорные панельные контроллеры СПК107/СПК110. Сенсорные па-
нельные контроллеры объединяют функции программируемого контролера и
6
панели оператора в одном корпусе (ПЛК+HMI), при этом разработка алгоритмов управления и визуализации в единой среде программирования CoDeSys
v3.5. Контроллеры имеют широкий набор коммуникационных интерфейсов:
Ethernet, 3×RS-485, 2×RS-232, USB Host, USB Device, слот для SD-карт и протоколов обмена Modbus (RTU, ASCII, TCP), ОВЕН, OPC UA (Server), MQTT
(Client), SNMP (Manager/Agent). Контроллеры СПК107/СПК110 широко ис-
пользуются в системах HVAC, в сфере ЖКХ (ИТП, ЦТП), АСУ водоканалов,
для управления климатическим оборудованием, в сфере производства строительных материалов. Программирование контроллеров осуществляется в среде
CoDeSys v3.5.
Контроллеры компании ОВЕН сотой серии ПЛК присутствуют на рынке
автоматизации более 15 лет и успешно зарекомендовали себя в самых различных областях. Но с течением времени появляются новые или расширяются требования к ПЛК, в том числе к их коммуникационным возможностям и удобству
программирования. Новую двухсотую серию контроллеров ОВЕН ПЛК отличают несколько схемотехнических решений:
− корпус контроллера ПЛК210 (рис. 1.1) выполнен в едином стиле с мо-
дулями ввода-вывода серии Мх210 и блоком питания БП60К. В отличие от контроллеров серии ПЛК1хх новые контроллеры имеют вертикальную ориентацию, что позволяет повысить плотность монтажа и эффективнее использовать
место в щитах;
− контроллер ПЛК210 имеет существенно развитые коммуникационные
возможности, интерфейсы и протоколы: 4 порта Ethernet Ethernet 10/100 Мбит/c
(RJ45) с поддержкой различных промышленных протоколов – Modbus TCP
(Master/Slave), MQTT (Client) SNMP (Manager/Agent), OPC UA (Server); 2 порта
RS-485 с поддержкой Modbus – RTU/ASCII (Master/Slave), ОВЕН (Master); один
порт RS-232 с поддержкой Modbus – RTU/ASCII (Master/Slave), ОВЕН (Master);
один порт USB Host; один порт USB Device и один порт для подключения карт
формата microSD;
7
Рис. 1.1. Программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК210
− достаточно мощные вычислительные ресурсы: Центральный процес-
сор – RISC-процессор Texas Instruments Sitara AM3358 (800 МГц), объём флешпамяти – 512 Мб, объём оперативной памяти – 256 Мб (DDR3), объём Retainпамяти – 64 Кб (MRAM), операционная система – Linux;
− наличие двух разъёмов для подключения источника питания 24 В, что
позволяет реализовать резервирование питания для повышения надёжности работы устройства. Контроллер имеет расширенный диапазон питающего напряжения (от 10 до 48 В). Порт 1 – основное питание, порт 2 – резервное питание.
Переход на резервное питание происходит, если напряжение на основном – менее 9 В. При восстановлении работоспособности основного источника питания
контроллер перейдёт на работу от него автоматически. При этом информация
об активном источнике питания доступна в пользовательском приложении и
может быть использована для контроля аварийных ситуаций;
− наличие нескольких модификаций ПЛК210 с разным числом входных
и выходных сигналов. В настоящее время на сайте компании доступны четыре
модели ПЛК: ПЛК210-01-CS – имеет на борту 12 дискретных входов (DI) и
8
18 дискретных выходов (DO), ПЛК210-02-CS – 24 DI/12 DO, ПЛК210-03-CS –
24 DI/16 DO (электромагнитные реле), ПЛК210-04-CS – 12 DI/12 DO и четыре
универсальных аналоговых входа (AI). Программирование контроллеров осуществляется в среде программирования CoDeSys v3.5 (код в карте заказа – CS);
− поддержка кольцевой топологии Ethernet при подключении модулей
Мх210 (STP/RSTP) и встроенный Firewall.
В зависимости от установленной версии прошивки контроллер ПЛК210
программируется в среде CoDeSys v3.5 SP16 Patch 3. Скачать необходимую
версию системы программирования CoDeSys v3.5 можно с официального сайта
компании ОВЕН (https://owen.ru/product/codesys_v3).
Контрольные вопросы
1. С какого года компанией ОВЕН осуществляется выпуск программи-
руемых контроллеров?
2. Какова номенклатура выпускаемых программируемых логических
контроллеров компании ОВЕН?
3. В какой среде программируются контроллеры серии ПЛК1хх?
4. В какой среде программируются контроллеры серии ПЛК2хх?
5. В какой среде программируются контроллеры сенсорные панельные
контроллеры ОВЕН?
6. Какие схемотехнические решения отличают контроллеры ПЛК210?
7. Чем отличаются друг от друга модификации контроллеров ПЛК210?
9
Глава 2
ВВЕДЕНИЕ В СРЕДУ ПРОГРАММИРОВАНИЯ CODESYS V3.5
2.1. УСТАНОВКА CODESYS
Программный комплекс CoDeSys – это современный продукт, который
широко используется в качестве среды программирования контроллеров. Разработчиком CoDeSys является немецкая компания 3S-Smart Software Solutions
GmbH. Среда CoDeSys предоставляет пользователю возможность программирования на всех языках программирования в соответствии со стандартом IEC
(МЭК) 61131-3. Помимо программирования контроллеров, среда CoDeSys используется для разработки человеко-машинного интерфейса.
Для программирования контроллера ОВЕН ПЛК210 в зависимости от
прошивки контроллера используется версия CoDeSys v3.5 SP14 Patch 3 или
версия CoDeSys v3.5 SP16 Patch 3. Прошивка – это внутреннее системное программное обеспечение контроллера, которое управляет его работой на аппаратном уровне.
Для начала работы со средой программирования CoDeSys v3.5 требуется:
1) скачать и установить необходимую версию CoDeSys. Скачать можно с
сайта компании ОВЕН (https://owen.ru/product/codesys_v3);
2) скачать и установить таргет-файлы контроллеров. Таргет-файл (target) –
файл целевой платформы, в котором в специальном формате описываются ресурсы контроллера и организуется его связь с CoDeSys. Каждая модификация
контроллера, которая поддерживается системой CoDeSys, имеет свой таргетфайл. Скачать таргет-файлы контроллеров компании ОВЕН можно непосредственно с сайта компании (https://owen.ru/product/codesys_v3);
3) скачать и установить репозиторий предыдущих версий системных
библиотек для CoDeSys (CoDeSys Repository Archive v3.5 SP4). Скачать репозиторий библиотек можно также с сайта компании ОВЕН.
10