Министерство общего и профессионального образования РФ
_______________
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет (ЛЭТИ)
________________________________________________________
ПРОГРАМММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
1999
Введение
Автоматизация современного производства базируется на концепции распределенного управления. Необходимость децентрализации управляющих систем во многом диктуется структурой самих объектов управления, однако практическая возможность широкого внедрения распределенных систем управления в производственные процессы появилась сравнительно недавно. Структурная организация распределенных систем управления основывается на функционально-целевой декомпозиции сложного объекта на более простые взаимосвязанные и взаимодействующие подсистемы (функциональная децентрализация), на пространственном (топологическом) распределении функций управления (топологическая децентрализация) и на принципах построения локальных управляющих вычислительных сетей (ЛУВС).
Таким образом, при управлении сложным, территориально-рассредоточенным объектом используются децентрализованные системы, состоящие из множества контроллеров, управляющих отдельными подсистемами (агрегатами) объекта, интегрированных в единую систему посредством локальных управляющих вычислительных сетей.
При этом архитектуры контроллеров, используемых для целей управления, могут существенно отличаться от традиционных машин «фон-неймановского» типа, имея, например, физически и логически разделенную память программ и память данных, память с побитной адресацией и т.д. Так же, как и локальные управляющие вычислительные сети отличаются от локальных вычислительных сетей общего назначения централизованным управлением и детерминированным доступом в канал, обеспечивающим доставку информации между абонентами сети за гарантированное время. Эти особенности аппаратно-программных средств, применяемых в распределенных системах управления, обеспечивают наилучшее соответствие децентрализованной системы принципам организационно-технологического управления территориально-рассредоточенным производством в реальном времени.
В настоящем учебном пособии рассматриваются достаточно подробно вопросы архитектуры современных промышленных программируемых логических контроллеров (ПЛК), программируемых компьютерных контроллеров (ПКК), организации программного обеспечения (ПО), включая системное программное обеспечение и средства разработки, а также принципы построения распределенных систем управления на современных средствах вычислительной техники (ВТ).
Специальное внимание уделено средствам отображения и визуализации организационно-технологического управления.
Иллюстрация перечисленных вопросов носит сравнительно конкретный характер, что, по мнению авторов, позволяет начинающему пользователю познакомиться с основными принципами использования рассматриваемых аппаратных и программных средств и уяснить особенности решения задач, возникающих при работе с программно-техническими комплексами микропроцессорных систем автоматизации и управления (САиУ).
1. Программируемые логические контроллеры серий
MULTICONTROL, MIDICONTROL, MINICONTROL, COMPACT PLC
1. 1. Общие сведения
Все типы промышленных логических контроллеров австрийской фирмы Bernecker&Rainer Industrie-Elektronik Ges.m.b.H.(B&R), предназначенные для построения САиУ, включают в себя, как минимум, модуль блока питания (БП) и модуль центрального процессора (ЦПУ). Помимо этого, ПЛК могут содержать в своем составе следующие компоненты:
модули ввода/вывода дискретных сигналов;
модули ввода/вывода аналоговых сигналов (АЦП и ЦАП);
модули интерфейса (для подключения панелей оператора и др.);
математические сопроцессоры;
модули счетчиков (для задач позиционирования и подсчета событий);
модули таймеров;
модули расширения (для подсоединения кассет расширения);
сетевые процессоры.
Конструктивно контроллеры делятся на:
модульные ПЛК крейтного (кассетного) исполнения:
MULTI-, MIDI-, MINICONTROL;
ПЛК моноблочного исполнения - COMPACT PLC.
ПЛК крейтного исполнения представляют собой кассету модулей, размеры которой зависят от типа контроллера. Кассета модулей является корпусом, открытым спереди и снабженным направляющими пазами (местами), в которые вставляются модули. Разводка соединительных шин производится на задней стороне кассеты, где находятся соединительные розетки для модулей. Каждая кассета имеет определенное число мест для модулей. Эти места нумеруются слева направо шестнадцатеричными номерами, начиная с места, непосредственно следующего за центральным процессором. Обозначение мест приведено в верхней части кассеты. Системные места для блока питания и ЦПУ обозначаются как NT/PS и CPU. Для монтажа в стойку управления у кассеты имеются монтажные ребра.
В качестве программирующего устройства (инструментальной ЭВМ) ПЛК использует обычный персональный компьютер (ПК). Для поддержки функций программирующего устройства фирмой B&R разработан программный комплекс PROSYS, который кроме традиционных функций редактора, ассемблера и отладчика реализует оригинальные методики программирования в терминах лестничных логических диаграмм (LAD), функциональных блоков (FBK) и схем последовательностей (SEQC).
1. 2. Аппаратное обеспечение
Рисунок 1.1 представляет общую структурную схему программируемых логических контроллеров с модулями ЦПУ, построенными на базе микропроцессоров Hitachi 6303 (Motorola 6303). Технические характеристики ПЛК приведены в таблице 1.1.
Рис.
1.1
Системное ОЗУ в основном предназначено для временного хранения системных переменных. Пользователь имеет ограниченный доступ в эту часть памяти. Системное ОЗУ использует Система Программирования B&R (PROSYS) для передачи параметров функциональным блокам.
В пользовательском ОЗУ размещается прикладная программа и данные пользователя. При пропадании электропитания данные в этом ОЗУ сохраняются за счет питания от резервной батареи.
Таблица 1.1
Тип ПЛК |
MINIСONTROL |
MIDICONTROL |
COMPACT PLC |
Модуль процессора |
CP31 |
CP41 |
Моноблок |
Процессор |
6303 |
||
Быстродействие |
Около 4 мс/1000 команд |
||
Модуль ЗУ программ пользователя |
ЕЕ32 |
EE32 |
Моноблок |
Объем Тип |
16 кбайт ЗУПВ/ЭСППЗУ |
16 кбайт ЗУПВ/ЭСППЗУ |
16 кбайт ЗУПВ/ЭСППЗУ |
Память расширения |
Нет |
Нет |
16 кбайт ЭСППЗУ для данных |
Количество входов/выходов: цифровых аналоговых |
192 16 |
192 128 |
16/14 2/2 |
Количество регистров: сохраняющихся несохраняющихся |
7168 7148 20 |
||
Количество флажков: сохраняющихся несохраняющихся |
800 300 500 |
||
Время/дата |
Программные часы
|
Часы реального времени |
|
Адресуемые аппаратные таймеры |
24 |
64 |
Нет |
Программные таймеры |
64 |
||
Временные циклы/импульсы |
10 мс, 100 мс, 1 с, 10 с |
||
Пользовательское ППЗУ служит для хранения прикладной программы и сохраняет данные даже после пропадания электропитания. Пользователь не имеет доступа в эту память. Программирование ППЗУ производится по команде из программирующего устройства (ПК) в соответствии с содержимым пользовательского ОЗУ. Процесс программирования происходит параллельно с нормальной работой ПЛК.
Функциональные блоки, изображенные ниже магистрали системного интерфейса - это дополнительные (помимо БП и ЦПУ) модули расширения, устанавливаемые в слоты кассеты ПЛК.
Все модули ЦПУ имеют интерфейс ONLINE для связи с инструментальной ЭВМ в интерактивном режиме работы. Такой режим необходим на этапе создания прикладного ПО и его отладки. Он позволяет контролировать ход выполнения пользовательской программы, загруженной в ПЛК.
Модули ЦПУ снабжены светодиодным индикатором, отображающим различные функциональные состояния. В режиме автономной работы индикатор состояния - это единственное устройство отображения, которое может показать наличие аппаратных сбоев и программных зависаний.
В модулях ЦПУ имеется ПЗУ, содержащее библиотеку быстродействующих математических подпрограмм для выполнения операций с плавающей запятой. Эти подпрограммы являются частью операционной системы. Они вызываются из блоков стандартных функций или с помощью мнемоники команд STL (модифицированного ассемблера MOTOROLA®). Кроме основных операций сложения, вычитания, умножения, деления и извлечения квадратного корня, имеются различные программы преобразования и сервисные программы (например, сравнения или копирования). Числа представляются в стандартном 4-байтовом формате IEEE.
Для реализации в алгоритмах управления временных задержек в ПЛК реализован богатый выбор времязадающих функций. Это временные циклы, временные импульсы, программные часы и программные таймеры. Временные циклы генерируются операционной системой. Имеются четыре различных временных базы: (10мс, 10мс), (40мс, 60мс), (0,4с, 0,6с) и (4с, 6с), определяемые временем нахождения сигнала на низком и высоком уровнях соответственно.
Временные импульсы - это флажки, которые устанавливаются равными 1 операционной системой в течение цикла программы. Имеются четыре временные базы, определяющие частоты генерации импульсов: 10 мс, 100 мс, 1 с, 10 с.
Время в программных часах генерируется операционной системой. Содержимое регистров программных часов сохраняется при отключении электропитания, однако сами часы при этом останавливаются. Точность измерения времени составляет 1/100 секунды.
Все ЦПУ имеют 64 программных таймера, которые работают в режиме задержки включения. Функционирование каждого программного таймера обеспечивается специальными регистрами-флажками. Каждый таймер обслуживается тройкой флажков: флажком запуска таймера, флажком истечения времени работы таймера, флажком длительности интервала времени.
Для всех трех типов ПЛК разработчиком выпускается большая номенклатура функциональных модулей.
Остановимся кратко на некоторых из них.
Блоки питания устанавливается в крайний левый слот кассеты и вырабатывает необходимые для работы ПЛК напряжения. ПЛК MIDICONTROL и MINICONTROL могут содержать в своем составе блоки питания разных типов. Выбор типа БП необходимо производить на основе данных о суммарной потребляемой мощности всех модулей, установленных в кассету. Модули блока питания оборудованы светодиодными индикаторами, которые указывают на определенные рабочие состояния (разряд/наличие батареи, контроль выходных напряжений).
Модули ввода дискретных сигналов предназначены для приема информации двухвариантного характера. Все уровни сигналов на входе из допустимого диапазона преобразуются аппаратными средствами, расположенными на плате входного модуля, к одному общему уровню сигнала, согласующемуся с системной шиной. Состояния входов отображается с помощью светодиодов.
Модули вывода дискретных сигналов предназначены для управления внешними устройствами (реле, двигателями, магнитными клапанами и т.д.). Состояние каждого выхода также отображается с помощью светодиодных индикаторов. Имеется три типа модулей вывода дискретных сигналов различных по схемотехнике выходных цепей: релейные, транзисторные и тиристорные модули.
Модули аналогового ввода/вывода. Аналоговые входные модули преобразуют сигналы обратной связи (ток, напряжение или температуру) в цифровые значения, которые могут обрабатываться ПЛК. Аналоговые выходные модули преобразуют численные величины в токи и напряжения.
Модули интерфейса предназначены для асинхронного последовательного обмена ПЛК с другими устройствами (включая другой ПЛК). Модули аппаратно поддерживают интерфейсы RS 232, RS 485 и TTY.