Проектирование системы управления технологическим процессом с использованием возможностей контроллера KOYO DL06

Содержание Введение

1. Описание технологического процесса

1.1 Структурная схема

1.2 Алгоритм работы

1.3 Таблица входных/выходных сигналов

2. Выбор и краткое описание исполнительного оборудования и датчиков

3. Схема подключения оборудования к Koyo d0−06dd1 и расчет стоимости системы

4. Расчет стоимости системы на Siemens S7−200

5. Обоснование и выбор базового ПЛК

6. Проектирование управляющей программы для ПЛК

6.1 Создание таблицы символов

6.2 Разработка программы на языке релейной логики

7. Создание человеко-машинного интерфейса (ЧМИ)

7.1 Особенности среды разработки и способы загрузки проекта в сенсорную панель

7.2 Структура ЧМИ и описание используемых объектов

7.3 Таблица соответствия адресов памяти ПЛК и идентификаторов объектов интерфейса Заключение Литература

Введение

Обычно системы управления являются сложными объектами, включающими большое число аналоговых элементов и устройств. При серийном производстве таких систем возникают значительные трудности индивидуальной настройки каждой отдельной системы управления. В итоге все выпускаемые системы отличаются друг от друга параметрами и требуют постоянных довольно сложных и трудоемких регулировок.

Названные и ряд других причин обусловили широкое распространение цифровых систем управления. В цифровых системах информация заключена не в таких параметрах сигналов, как величина напряжения или тока, а в числах, представленных обычно в двоичном коде. Для формирования, передачи и преобразования двоичных сигналов в цифровых системах управления используются отдельные элементы цифровой техники, т. е. регистры, счетчики, логические элементы, а также микропроцессорные комплекты, специализированные или универсальные цифровые вычислительные машины.

Применение цифровых систем позволяет устранить основные недостатки аналоговых систем управления. Вместе с тем, следует отметить, что широкое использование цифровых систем управления пока еще сдерживается их большой стоимостью и ограниченным быстродействием.

Очень важным является то, что математическое описание и анализ большинства современных цифровых систем управления базируются на методах анализа аналоговых систем.

Целью данной курсовой работы является проектирование системы управления технологическим процессом с использованием возможностей контроллера KOYO DL06. В качестве альтернативы будет рассмотрено построение аналогичной системы на основе контроллера SIEMENS S7−200.

1. Описание технологического процесса

1.1 Структурная схема Весь процесс перемещения контейнеров с помощью робота условно представить в виде следующей структурной схемы.

таблица программа интерфейс датчик Рисунок 1.1 — Структурная схема технологического процесса перемещения контейнеров с помощью робота На схеме для удобства описания процесса введены следующие условные обозначения:

X — Бак Х;

Y — Бак Y;

M1 — Двигатель открытия крана бака Х;

M2 — Двигатель открытия крана бака Y;

1.2 Алгоритм работы

Старт работы системы.

Предполагается, что систему можно запустить путём нажатия кнопки «Пуск 1» или «Пуск 2», которые запускают полностью весь технологический процесс.

Рассмотрим последовательность процессов при старте и функционировании системы.

Пуск 1. Проверяется состояние тензо-весов, если весы пусты, тогда открывается бак X и тензо-весы начинают наполняться содержимым, как только вес будет равен 50 кг бак X закрывается, открывается бак Y и тензо-весы начинают наполняться вторым компонентом. Как только вес на тензо-весах будет равен 100 кг, прекращается подача содержимого Y. Шибер МЭО-16 переходит в положение нужное для подачи в бак находящийся на 2 этаже и начинает работать молоток, постоянно ударяя по баку в котором смешаны ингредиенты X и Y.

Стоп 1. Шибер МЭО-16 закрывается, затем останавливается молот.

Пуск 2. Происходят те же действия, что и при нажатии Пуск 1, только шибер МЭО-16 переведён в положение позволяющее нам отправлять ингредиент на 1 этаж. Так же запускается Шнек.

Стоп 2. Шибер МЭО-16 закрывается, шнек останавливается.

В случае нажатия Пуск 1 или Пуск 2, при котором тензо-весы показывают значение отличное от 0. Происходят те же действия, за исключением наполнения кампонентами.

Алгоритм работы системы.

Все вышеперечисленные условия и действия условно можно представить в виде блок схем, что существенно упростит определение требуемых входных и выходных сигналов и написание самой программы функционирования системы на языке релейной логики.

Стоит обратить внимание на то, что в блок схемах отображён только базовый алгоритм работы системы и более «тонкая» настройка функционирования будет проходить на программном уровне.

1.3 Таблица входных/выходных сигналов На основании приведённых выше алгоритмов, можно определить, какие входные и выходные сигналы должны быть задействованы во время разработки системы.

Перечень входных дискретных сигналов, а также выходных дискретных сигналов с условными обозначениями и комментариями приведён в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Таблица входных и выходных сигналов

2. Выбор и краткое описание исполнительного оборудования и датчиков Для реализации проекта был выбран контроллер KOYO DL06, а так же модули расширения. Далее приведено краткое описание контроллера, выбранного модуля расширения, а также использованных устройств с приведением схемы подключения к контроллеру для каждого их них.

Микроконтроллер KOYO DL06.

Возможности микроконтроллеров DL06.

Серия DL06 включает в себя восемь различных моделей. Все они имеют одинаковый внешний вид и одинаковые характеристики процессора. Процессор предлагает набор команд очень похожий на команды нового мощного процессора DL260, включая команды ASCII и MODBUS. Все микроконтроллеры DL06 имеют два коммуникационных порта, которые могут использоваться для программирования, подключения операторских панелей и работы с сетью. Модели с входами постоянного тока предусматривают возможность переключения четырех входных каналов в режим высокоскоростного ввода. Модели с выходами постоянного тока предусматривают возможность переключения первого и второго канала вывода в режим импульсного выхода. Более подробная информация по этим и другим функциям приводится в главе 4 «Спецификации и работа процессора».

Для реализации проекта используется модель D0−06DD1, которая имеет следующие спецификационные характеристики:

— Тип дискретного входа: постоянный ток;

— Тип дискретного выхода: постоянный ток — потребитель;

— Внешнее питание: ~95−240 В

— Высокоскоростной порт: есть

— Импульсный выход: есть.

На рисунке ниже приведена разметка входов/выходов микроконтроллера с учётом условных обозначений.

Рисунок 2.1 — Вид корпуса микроконтроллера Koyo D0−06DD1

Подключение питания.

На рисунке ниже показано подключение внешнего источника питания к Koyo D0−06DD1.

Рисунок 2.2 — Схема подключения источник питания Электродвигатель постоянного тока (24 V)

Такое электрическое устройство, как электродвигатель постоянного тока 24 V или 12 V, является широко используемым. Конструктивно оно довольно просто: достаточно подать напряжение к двум контактам, замкнуть цепь, и устройство начнет вращение.

Такое оборудование незаменимо, так как преобразует электрическую энергию в механическую энергию вращения (в нашем случае обеспечивает работу лент загрузки и выгрузки) за счет потребления постоянного тока. Если есть необходимость поменять направление движения на противоположное, достаточно изменить полярность проводов с питанием.

Магнитный пускатель Магнитный пускатель, электрический аппарат низкого напряжения, предназначенный для дистанционного управления (пуска, остановки, изменения направления) и защиты асинхронных электродвигателей малой и средней мощности с короткозамкнутым ротором.

Тензовесы Использование: изобретение относится к двухопорным тензометрическим весам и позволяет повысить точность взвешивания. Сущность изобретения: весы выполнены в виде весоизмерительного модуля, снабженного сменными лотками для различных взвешиваемых грузов.

Переключатель МЭО-16

Механизмы исполнительные электрические однооборотные постоянной скорости МЭО-16 предназначены для перемещения регулирующих органов в системах автоматического регулирования технологическими процессами в соответствии с командными сигналами, поступающими от регулирующих и управляющих устройств.

Шиберные задвижки с запорным элементом, выполненным в виде металлической пластины небольшой толщины, широко применяются в вакуумной технике. Это обусловлено возможностью изготовления шиберной задвижки практически любого сечения при минимальной длине, при этом в открытом состоянии задвижка не содержит никаких элементов, выступающих внутрь трубы. Благодаря этому такая задвижка создаёт минимальное сопротивление остаточному газу, что крайне важно для эффективного создания высокого вакуума.

Полный список технологического оборудования приведен в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Полный список исполнительного оборудования

3. Схема подключения оборудования к Koyo D0−06DD1 и расчет стоимости системы На рисунке ниже приведена микропроцессорная сеть системы на основе контроллера Koyo D0−06DD1.

Рисунок 3.1 — Микропроцессорная сеть для контроллера Koyo D0−06DD1

Одним из немаловажных критериев для проектирования цифровой системы автоматизированного управления является итоговая стоимость всего оборудования, на которую и будет ориентироваться заказчик.

Фактор суммарной стоимости необходимо учитывать также при сравнительном анализе использования контроллеров SIEMENS и KOYO. Составим таблицу, в которой и рассчитаем итоговую стоимость оборудования.

Таблица 3.1. Стоимость оборудования для системы на основе KOYO DL06

В данный расчет не было включено периферийное оборудование.

4. Расчет стоимости системы на SIEMENS S7−200

Рассчитаем суммарную стоимость базового оборудования для микропроцессорной сети на основе контроллера SIEMENS S7−200 CPU224.

Результаты расчетов приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1. Стоимость оборудования для системы на основе SIEMENS S7−200 CPU224

Очевидно, что при прочих равных система автоматизированного управления на основе контроллера SIEMENS S7−200 обойдется немного дешевле, чем система на основе KOYO DL06.

5. Обоснование и выбор базового ПЛК Выбор базового ПЛК зависит от целого ряда характеристик:

— Количество входов/выходов;

— Наличие аналоговых входов (если такие предусмотрены системой);

— Возможность подключение модулей расширения и их максимально возможное количество;

— Объем памяти;

— Скорость выполнения команд;

— Стоимость.

Если систематизировать перечисленные выше параметры для KOYO DL06 и SIEMENS S7−200, будет получена следующая таблица:

Таблица 5.1. Сравнение контроллеров KOYO DL06 и SIEMENS S7−200 CPU224

Таким образом, мы видим, что, ПЛК KOYO DL06 отлично подходит для реализации нашей схемы и он ничуть не уступает контроллеру SIEMENS S7−200.

6. Проектирование управляющей программы для ПЛК

Современное производство характеризуется высокой интенсивностью и сложностью технологических процессов, обеспечивающих сокращение производственных затрат, повышение качества выпускаемой продукции и гибкое изменение ее номенклатуры. Управление подобными процессами возможно только на базе компьютеров. Это связано с тем, что только компьютеры позволяют реализовать сложные алгоритмы управления с возможностью относительно легко и быстро вносить изменения в управляющие программы, что придает производственным процессам большую гибкость.

Развитие микроэлектронной технологии обусловило промышленный выпуск и широкое применение микропроцессорных управляющих устройств — программируемых контроллеров. Это привело к переносу центра тяжести работ из области схемотехнического проектирования управляющих устройств в область алгоритмизации задач управления, выбору типа программируемого контроллера и разработке управляющей программы.

Далее рассмотрим программу на языке FBD для реализации технологического процесса.

6.1 Создание таблицы символов

Для реализации проекта рассмотрим таблицу символов с обозначением контактов и адресами.

Таблица 6.1. Таблица символов

6.2 Разработка программы на языке релейной логики

Этот язык программирования, изобретенный в США десятилетия назад, получил наиболее широкое распространение. Изначально изобретенный для замены логических схем, выполненных на релейной технике, язык релейно-контактных схем является базовым в США на сегодняшний день, и применяется в 95% всех приложений. Визуально этот язык напоминает последовательность цепей управления, в которой все входы должны быть установлены в значение «истина» для активации одного или нескольких выходов.

Язык релейно-контактных схем получил такое широкое распространение, потому что на нем могут писать практически все программисты в любой стране. Поскольку он напоминает знакомый всем формат электрических цепей, даже не специалист в области программирования, знакомый с электроникой может разобраться в программе для поиска ошибок в ней. На этом языке легко писать программы. Имея базовое представление о входных и выходных сигналах, можно начать писать код. Большинство других языков IEC требуют большей подготовки, например, прорисовки диаграмм всех потенциальных процессов. Наконец, программа, реализованная в виде релейно-контактных схем, может быть организована в виде папок или подпрограмм, которые загружаются в контроллер, позволяя проводить легкую сегментацию программы.

Рассмотрим программу для перемещения контейнеров с помощью робота на языке релейной логики.

7. Создание человеко-машинного интерфейса (ЧМИ)

Человеко-машинный интерфейс (ЧМИ) — широкое понятие, охватывающее инженерные решения, обеспечивающие взаимодействие оператора с управляемыми им машинами. Создание систем человеко-машинного интерфейса тесно связано с эргономикой, но не тождественно ей. Наиболее сложной задачей является создание ЧМИ для пилотов самолёта. В промышленных условиях ЧМИ чаще всего реализуется с использованием типовых средств: операторских панелей, персональных компьютеров и типового программного обеспечения.

7.1 Особенности среды разработки и способы загрузки проекта в сенсорную панель

Операторские панели Weintek в основном применяются в составе оборудования как средство управления, отображения и ввода информации (человеко-машинный интерфейс, HMI). Как правило, панель оператора работает в паре с контроллером. В такой системе контроллер управляет исполнительными устройствами оборудования (клапана, контакторы, пневмоцилиндры, двигатели и т. д.), воспринимает сигналы с датчиков, в контроллере выполняется основной алгоритм. Операторская панель служит лишь человеко-машинным интерфейсом — на ней отображается информация, получаемая с контроллера, на ней задается информация, необходимая для контроллера, с нее запускаются определенные алгоритмы контроллера. Но управляющий алгоритм в операторской панели не выполняется.

Операторская панель Weintek:

— программируется с помощью специального бесплатного ПО EasyBuilder 8000;

— очень просты в программировании, не требуется специальных навыков, не требуется создавать драйвера для работы с контроллерами — просто выбрать из списка;

— на панели нельзя создать алгоритм, управляющий устройством. Панель предназначена только для отображения и ввода информации;

— нельзя подключить к панели контроллер, которого нет в списке драйверов;

— есть модели с диагональю от 4,3″ и небольшой стоимости;

— более надежна, быстрее происходит загрузка при включении.

Таким образом, операторская панель Weintek рекомендуeтся к использованию, когда проект:

— не требует выполнения алгоритма в панели;

— не требует применения сложной графики/мультимедиа/баз данных;

— требуется низкая цена и высокая надежность;

— требуется простота программирования.

Есть несколько вариантов загрузки проекта в панели оператора Weintek:

— по USB (только модели с буквой i в конце названия — МТ6050i, МТ6070iH и т. д.);

— через USB диск (флешка) все панели, кроме MT6050i и MT8050i;

— через Ethernet все панели, где есть Ethernet — Серия 8000.

7.2 Структура ЧМИ и описание используемых объектов

Рассмотрим человеко-машинный интерфейс для перемещения контейнеров с помощью робота в режимах: конструктора (рисунок 7.1) и эмуляции (рисунок 7.2).

Рисунок 7.1 ЧМИ в режиме конструктора

Рисунок 7.2 ЧМИ в режиме офф-лайн эмуляции

Список используемых элементов для построения ЧМИ:

1. Битовая кнопка (запуск и остановка процесса);

2. Битовый индикатор (датчики: движения контейнера, движения робота, работа руки, присутствие груза в роботе).

7.3 Таблица соответствия адресов памяти ПЛК и идентификаторов объектов интерфейса Для правильного взаимодействия ПЛК и ЧМИ составим таблицу соответствия.

Таблица 7.1. Таблица соответствия адресов памяти ПЛК и идентификаторов объектов интерфейса

Таким образом, после составления таблицы взаимодействия ПЛК и объектов интерфейса, мы обеспечиваем правильную работу процесса перемещения контейнеров.

Заключение

В результате выполнения курсовой работы была спроектирована система управления технологическим процессом на контроллере KOYO DL06, а так же было проведено сравнение основных характеристик и схем подключения для аналогичной системы на контроллере SIEMENS S7−200.

Была разработана программа на языке релейной логики, реализующая процесс перемещения контейнеров с помощью робота.

Для этого были составлены:

— Таблица входных и выходных сигналов системы;

— Составлен алгоритм работы на основе технологического процесса;

— Создана таблица символов;

— Таблица соответствия адресов памяти ПЛК и идентификаторов объектов интерфейса;

— Человеко-машинный интерфейс (ЧМИ);

— Оценка стоимости системы.

В результате вышеперечисленных действий было выяснено, что использование микроконтроллерной сети на основе контроллера KOYO DL06 является оптимальной по характеристикам и наиболее экономически выгодной для решений поставленной задачи.

1. Программируемый контроллер S7−200. Системное руководство, SIMATIC, 2004. — 538 с.

2. Руководство пользователя контроллера DL06 D0−06USER-M-RUS, PLC systems, 2012. — 439 c.