22.2. Модулі управління рухом.

Контролери з модулями управління рухом використовуються в роботах, метало- і деревообробних верстатах, складальних лініях, друкарських машинах, в устаткуванні для обробки їжі, для дозування і упаковки, для автоматичної зварки і лазерного різання, для обробки напівпровідникових пластин і т.н.

Через специфіку завдання, контролери для управління рухом займають окреме місце на ринку ПЛК, оскільки відрізняються як параметрами модулів введення-виводу, так і спеціалізованим програмним забезпеченням. Основними відмінностями від модулів загального застосування є підвищені вимоги до швидкодії і особливий склад каналів введення-виводу, оптимізований для завдань управління рухом з метою мінімізації вартості.

Типовою системою управління рухом є електропривод, який є окремим випадком системи автоматичного регулювання із зворотним або прямим зв'язком. До складу електроприводу входить електродвигун, датчики положення виконавчого механізму, контролер і сервопідсилювач.

У електроприводах використовують асинхронні і синхронні двигуни змінного струму, постійного струму, крокові, лінійні двигуни, а також гідро- і пневмоциліндри з насосами.

Електропривід будується зазвичай з двома контурами зворотного зв'язку. Внутрішній контур з сигналом від датчика швидкості (тахометра або інкрементного енкодера) використовується для управління швидкістю двигуна і часто реалізується всередині сервопідсилювача. Зовнішній контур із зворотним зв'язком від осі двигуна або від його навантаження використовується для управління позицією виконавчого механізму і моментом обертання. Зворотний зв'язок від навантаження дозволяє підвищити точність реалізації траекторії руху і використовувати нежорсткі механічні зв'язки, проте ускладнює налаштування замкнутої системи.

Сигнал зворотного зв'язку зовнішнього контура поступає від датчиків положення, в якості яких використовують енкодери, резольвери, потенціометри, датчики Хола і тахометри. Енкодери діляться на абсолютні і інкрементні. Інкрементні енкодери визначають зміну положення механізму, а абсолютні визначають його абсолютне положення. Резольвери виконують ту ж функцію, що і енкодери, але мають аналоговий вихідний сигнал, оскільки побудовані на основі трансформатора, що обертається, і видають синусоїдальний і косинусоїдальний сигнали, які дозволяють обчислити положення валу двигуна. Недоліком резольвера є низька швидкодія і необхідність використання АЦП.

Сигнали зворотного зв'язку поступають в контролер, який повинен мати модулі для введення сигналів від перерахованих вище датчиків. У контролер поступають також сигнали від кінцевих датчиків, встановлених в крайніх положеннях виконавчого механізму. Управляючий вплив з контролера поступає на двигун через сервопідсилювач. Підсилювачі мають потужні вихідні каскади з радіаторами, тому виготовляються окремо від контролера. На їх входи можуть поступати аналогові сигнали ±10В, цифрові або ШІМ-сигнали. Підсилювачі діляться на підсилювачі швидкості, підсилювачі моменту, підсилювачі з синусоїдальним вхідним сигналом, підсилювачі з імпульсним входом, а також гідравлічні. Зазвичай вони мають вбудований захист від перенапруження, низької напруги, перегріву, к.з., перевищення струму, втрати фази. Вибираючи підсилювач з потрібними характеристиками, можна виконувати управління устаткуванням будь-якої потужності, від мікрозондів для тестування напівпровідникових пластин до могутніх металообробних центрів.

ПЛК можуть мати вхід для джойстика або кнопок, які дозволяють управляти рухом вручну.

Основним параметром модулів введення-виводу для управління рухом є число одночасно керованих осей координат. Вісь координат в переважній більшості випадків асоціюється з одним двигуном. Проте декілька двигунів можуть працювати на загальне навантаження, наприклад два двигуни можуть обертати загальний вал з двох його кінців або спільно здійснювати плоскопаралельне переміщення однієї балки. В цьому випадку декілька двигунів відповідають одній осі координат.

У загальному випадку вісь координат визначається як лінійна комбінація трьох координатних осей, відповідних трьом двигунам, тому вона не відповідає жодному конкретному двигуну окремо.

Оскільки рух в тривимірному просторі можна розкласти на три одновимірних, для побудови будь-якої траєкторії досить три координатні осі. Проте в металообробці часто доводиться повертати столик із закріпленою деталлю або шпіндель із закріпленим інструментом, для опису чого вводяться додаткові осі координат. Найбільш потужні контролери управління рухом можуть синхронно управляти сотнею координатних осей.

Модулі введення-виводу для управління рухом оптимізовані для введення сигналів енкодерів, резольверів, тахометрів, потенціометрів і кінцевих вимикачів, а також для виведення сигналів управління сервопідсилювачами. Основні параметри типових модулів для управління рухом приведені нижче.

Модулі введення можуть мати наступні входи:

• диференціальні або одиночні входи лічильників розрядністю 16/24/ 32 біт для сигналів енкодера;

• дискретні входи;

• входи переривань процесора;

• аналогові входи для сигналів від резольвера і потенціометра.

Типові модулі виводу можуть містити:

• аналогові канали виводу з розрядністю 12, 14 або 16 біт для управління сервопідсилювачами;

• дискретні виходи (зазвичай з відкритим колектором);

• цифрові виходи;

• імпульсні виходи для крокових двигунів.

Основні параметри модулів введення-виводу:

• час оновлення даних;

• розрядність і число АЦП і ЦАП;

• число дискретних і імпульсних входів/виходів;

• ємність пам'яті в кроках;

• тип і можливості програмного забезпечення;

• типи комунікаційних інтерфейсів (RS-232/422, RS-485, USB, Ethernet, PCI, VМЕ, ISA і ін.).

Сигнал від інкрементного енкодера може поступати в деяких випадках зі швидкістю до 20Мбіт/с, що вимагає швидкодіючих лічильників імпульсів. У деяких модулях використовуються процесори цифрової обробки сигналів і спеціалізовані мікросхеми (ASIC).

У системах управління рухом спеціалізованими є не тільки модулі, але і програмне забезпечення. Приведемо приклади деяких вбудованих функцій, які виконуються контролерами для управління рухом:

• плавний пуск;

• переміщення: безперервне, абсолютне, відносне, синхронне, в контрольну точку (для калібрування і синхронізації);

• синхронізація координат в режимі контрольних точок;

• реалізація заданої траєкторії руху в просторі;

• інтерполяція: лінійна, кругова, сплайн;

• повернення в початкове положення;

• ручний режим управління;

• управління залежністю швидкості від часу: трапецеїдальне, 8-образне (трапеція із закругленнями замість кутів);

• автоналаштування контурів регулювання;

• відладка програми без реального приводу;

• придушення резонансних явищ (вібрацій);

• автоматичне розпізнавання двигуна;

• синхронізація роботи декількох приводів (зокрема при роботі двигунів на загальний вал);

• управління силою або тиском;

• захист (від ненавмисного запуску, при збоях в устаткуванні, при спрацьовуванні кінцевих вимикачів);

• самодіагностика;

• моніторинг поточного стану;

• аварійна сигналізація;

• аварійний останов;

• функція таймера.

Системи управління рухом сприймають інформацію від програм автоматизованого проектування (САПР) і частіше використовуються з комп'ютерами, ніж з ПЛК. Для роботи з комп'ютером під ОС Windows використовуються буфери FIFO на вході і виході модуля, щоб виключити неконтрольовані затримки ОС.

ЛЕКЦІЯ 23. ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ.

23.1. Розвиток програмних засобів автоматизації.

23.2. Графічне програмування.

23.3. Графічний інтерфейс.

23.4. Відкритість програмного забезпечення.

23.5. Зв'язок з фізичними пристроями.

23.6. Бази даних.

23.7. Операційні системи реального часу.

23.1. Розвиток програмних засобів автоматизації.

Сучасні системи промислової і лабораторної автоматизації дозволяють вирішувати широкий круг завдань, які можна розділити на декілька груп, що мають свої особливості:

• автоматизація управління технологічними процесами (АСОВІ ТП);

• взаємодія системи з диспетчером (оператором);

• автоматизований контроль і вимірювання (моніторинг);

• забезпечення безпеки;

• дистанційне керування, вимірювання, сигналізація (завдання телемеханіки).

Історія розвитку програмних засобів автоматизації показала, що всі особливості окремих застосувань можна врахувати шляхом налаштування декількох універсальних програм на виконання конкретного завдання. До таких універсальних програм відносяться:

• ОРС сервер;

• засоби МЕК-програмування контролерів;

• SCADA-пакети.

Для систем автоматизації, не пов'язаних з АСОВІ ТП, використовуються програми LABVIEW, MATLAB, HP-VEE і ін., орієнтовані на автоматизацію експериментів, вимірювань або математичну обробку їх результатів. Для простих завдань або широко тиражованих застосувань буває економічно ефективно використовувати пропрієтарні програми на C++ або Visual Basic із застосуванням елементів ACTIVEX, що знижують трудомісткість розробки.

Для вирішення перерахованих вище завдань спочатку використовувалися універсальні мови програмування високого рівня і команда професійних програмістів. Проте практика показала вкрай низьку ефективність такої розробки. Виявилось, що розробка системи повинна виконуватися не програмістами, а фахівцями тієї наочної області, яка потребує автоматизації, тобто технологами, а також системними інтеграторами, які здійснюють комплексне впровадження системи.

Необхідність в розробці засобів програмування, призначених спеціально для систем автоматизації і орієнтованих на технологів, була викликана наступними причинами:

• вимогою надійності програмного забезпечення. Система, написана цілком на алгоритмічній мові для конкретного замовлення, містила дуже багато програмного коду, на ретельну розробку і тестування якого не вистачало часу;

• стислими термінами впровадження системи і обмеженою вартістю робіт. Для створення системи в короткий термін при обмеженому бюджеті була потрібна велика кількість готових універсальних програмних компонентів, вже написаних і ретельно відтестованих;

• необхідністю модифікації системи в процесі її експлуатації. Внести зміни до спеціалізованої програми міг лише програміст, що написав її, який зазвичай працював вже на іншому підприємстві. Тому замість того, щоб модифікувати програмне забезпечення, його доводилося переписувати наново;

• вимогами сумісності з іншими системами автоматизації, що працюють на тому ж підприємстві. Були необхідні стандартні інтерфейси між програмами, створеними різними виробниками на різних апаратно-програмних платформах;

• високими вимогами до якості призначеного для користувача інтерфейсу. Обмежений бюджет часу і фінансових ресурсів не дозволяв розробити достатньо хороший програмний інтерфейс на універсальних алгоритмічних мовах.

Перераховані причини привели до наступного розподілу праці зі створення програмних засобів для систем автоматизації: фірми, що спеціалізуються на програмному забезпеченні, створюють універсальні системи програмування завдань автоматизації (SCADA-пакети і засоби МЕК-програмування), а інжинірингові фірми (системні інтегратори) адаптують ці засоби до потреб конкретного замовника. В результаті досягається вирішення всіх перерахованих вище проблем. Більш того, завдяки істотному спрощенню процесу адаптації в порівнянні з класичним програмуванням зміни в алгоритмах управління можуть бути внесені, наприклад, технологом експлуатуючої організації без залучення системних інтеграторів або програмістів.

В даний час пропрієтарні програми природним чином витиснені з ринку промислової автоматизації SCADA-пакетами і аналогічними універсальними засобами автоматизації, а також засобами програмування контролерів на мовах стандарту МЕК 61131-3.

Через свою універсальність SCADA-пакети виявилися дуже дорогими для застосування в простих завданнях, коли, наприклад, необхідно записати в комп'ютер декілька значень температури або зробити один контур управління температурою в термошафі. Цю проблему частково вдається вирішити введенням залежності ціни SCADA-пакетів від кількості тегів, проте залишається невирішеною проблема трудомісткості вивчення і складності адаптації SCADA до простих завдань, а також висока вартість консультацій із застосування. SCADA-пакети не змогли зайняти сегмент ринку простих систем, які не вимагають попереднього вивчення або налаштування і побудовані за принципом «Plug&Play», — «встанови — і грай». Подібні програми вже не можуть бути такими універсальними і функціонально насиченими, як SCADA. Вони є спеціалізованими, орієнтованими на вузьке коло завдань відображення графіків або простого управління з невеликою кількістю тегів.

Економічно доцільно залишилося також розробляти замовлені програми для серійно тиражованих, однотипних систем автоматизації, наприклад систем контролю температури в силосах елеваторів. Для спрощення і підвищення якості замовленого програмування широко використовуються ACTIVEX елементи, спеціально розроблені для завдань автоматизації: для побудови графіків, органів управління і індикації, для відображення технологічних схем. Такі системи створюються на мовах візуального програмування Visual C++, Visual Basic, VBA, Delphi.