Глава 2. Программируемые логические контроллеры

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 7Следующая ⇒

Программируемый логический контроллер, ПЛК — микропроцессорное устройство, для применения в промышленных условиях, предназначенное для выполнения алгоритмов управления. Принцип работы ПЛК заключается в сборе и обработке данных по прикладной программе пользователя с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства. Промышленные контроллеры являются сердцем и “мозгами” всех автоматизированных систем. ПЛК использует программируемое запоминающее устройство для внутреннего хранения ориентированных на пользователя инструкций, для выполнения специальных функций, таких как логические, упорядочения, отсчета времени, математические действия, управление через цифровые или аналоговые входы и выходы различными типами механизмов или процессов. ПК и связанные с ним периферийные устройства разрабатывают так, чтобы они могли быть легко интегрированы в промышленную систему управления. (ГОСТ Р 51840-2001 (МЭК 61131-1-92) Программируемые контроллеры по определению являются надежными и практически “необслуживаемыми” устройствами и выполняют функции регулирования и управления различными объектами (технологическими процессами).

Существуют различные виды программируемых контроллеров. В данной работе рассмотрим контроллер S7300.

1.2 Контроллер S7300

S7-300 - это модульный программируемый контроллер (рисунок 1) универсального назначения. [сайт: 1] Несколько типов центральных процессоров различной производительности и широкий спектр модулей различного назначения с множеством встроенных функций позволяют выполнять максимальную адаптацию оборудования к требованиям решаемой задачи. Работа с естественным охлаждением, возможность применения структур распределенного ввода-вывода, удобство обслуживания обеспечивают экономичность применения S7-300 при решении широкого круга задач автоматизации. При модернизации и развитии производства контроллер может быть легко дополнен необходимым набором модулей. SIMATIC S7-300 является универсальным контроллером: Он является идеальным изделием для работы в промышленных условиях благодаря высокой степени электромагнитной совместимости, высокой стойкости к вибрационным и ударным нагрузкам, температурной устойчивости.

Рисунок 1.Программируемый контроллер S7300.

Основными областями применения являются:

· Машиностроение.

· Автомобильная промышленность.

· Складское хозяйство.

· Технологические установки.

· Системы измерения и сбора данных.

· Текстильная промышленность.

· Упаковочные машины и линии.

· Производство контроллеров.

· Автоматизация машин специального назначения.

Программное обеспечение

Промышленное программное обеспечение SIMATIC - это система тесно связанных инструментальных средств для программирования и обслуживания систем автоматизации SIMATIC S7/C7.

STEP 7 - это базовый пакет программ, включающий в свой состав весь спектр инструментальных средств, необходимых для программирования и эксплуатации систем управления, построенных на основе программируемых контроллеров SIMATIC S7/C7.

Выводы

Контроллер-устройство, предназначенное для выполнения алгоритмов управления. S7-300–универсальный контроллер. Он является идеальным изделием для работы в промышленных условиях благодаря высокой степени электромагнитной совместимости, высокой стойкости к вибрационным, ударным и температурным нагрузкам. Применяется в различных областях.

Глава 3. Обзор языков программирования контроллеров

В качестве основных языков используются:

Графические языки:

· Последовательных функциональных схем (SFC)

· Релейных диаграмм (LD)

· Функциональных блоковых диаграмм (FBD)

Текстовые языки:

· Список инструкций (instruction list - IL)

· Структурированный текст (Structured Text - ST)

SFC

1. SFC. Теория конечных автоматов, используемая для формализации состояний сложных процессов управления, опирается на различные графические модели описания состояний. Одну из самых известных моделей предложил К. Петри, она получила название “Сетей Петри”, или диаграммы состояний, и послужила теоретической основой языка последовательных функциональных схем (Sequential Function Charts, или Grafcet, SFC), наиболее важного из всего семейства языков.
SFC позволяет формулировать логику программы на основе чередующихся процедурных шагов и транзакций (условных переходов), а также описывать последовательно-параллельные задачи в понятной и наглядной форме.

Строго говоря, SFC не является языком программирования. Это средство проектирования прикладного ПО, состоящее из комплекса большого числа программных единиц: программ, функциональных блоков, функций. Обеспечение параллельности выполнения программ, установление и контроль состояния порожденных процессов, обеспечение синхронизации по приему и обработке данных, описание однозначно понимаемых заказчиком и исполнителем состояний автоматизируемого процесса — все это возможно при использовании SFC.
К основным достоинствам SFC относятся:

· высокая выразительность. Язык SFC имеет те же возможности, что и диаграммы состояний, и хорошо подходит для описания динамических моделей;

· графическое представление. Благодаря графической мнемонике SFC максимально прост в использовании и изучении. Вместе с тем он является наглядным средством представления логики на разных уровнях детализации;

· предварительное проектирование ПО. Использование языка SFC на ранних этапах проектирования прикладного ПО позволяет избежать в дальнейшем непонимания между заказчиком, проектировщиком ПО и программистом.

Написание программы на языке SFC может иметь 2 стадии:

· Составление графа, представляющего собой последовательность шагов и переходов.

· Программирование действий внутри шагов или условий на языке ST.

Область применения

Типичными областями применения последовательных систем являются

производства с конвейерной обработкой. Однако последовательные системы управления могут использоваться и при управлении непрерывными производствами, например, для запуска и останова процессов, для изменения уставок, так же как и для изменения состояния в случае каких-либо ошибок.

Системы могут использоваться на всех уровнях производства:

• Уровень индивидуального управления (Открытие вентилей, запуск моторов...)

• Уровень управления группой (Дозирование, нагрев, заполнение...)

• Уровень устройства (Бак, миксер, размельчитель …)

• Уровень предприятия (Синхронизация устройств и общих ресурсов, выбор пути перемещения)

Взаимосвязь SFC и STEP 7

Рисунок 2 показывает взаимосвязь SFC и STEP 7.

Рисунок 2.Взаимосвязь SFC и STEP7.

Элементы схемы

SFC - это последовательная система управления.

Схема состоит из последовательности элементов, причем элементы делятся на основные и структурные.

Основными элементами являются:

• Шаг

• Переход

• Текст

Структурными элементами являются:

• Последовательность

• Параллельное ветвление

• Альтернативное ветвление

• Цикл

Основные элементы шаг и переход имеют название, уникальное внутри схемы. В процессе создания редактор последовательно нумерует их. Однако вы можете ввести собственное название не длиннее 16 символов. На схеме будут изображены первые 10 символов.

Помимо названия, редактор присваивает элементам последовательные номера, уникальные для данного типа основного элемента, и эти номера не могут быть изменены. При необходимости редактор перенумерует элементы для уничтожения промежутков в нумерации.

Комментарий может использоваться по желанию, например, для текстового описания функциональности элемента, и может содержать до 256 символов в нескольких строках. Однако его отображение на схеме ограничено 10 символами справа от элемента схемы.

FBD
2. FBD. Язык функциональных блоков (Function Block Diagrams) позволяет создать программную единицу практически любой сложности на основе стандартных кирпичиков

(арифметические, тригонометрические, логические блоки, PID-регуляторы, блоки, описывающие некоторые законы управления, мультиплексоры и т. д.). Он использует технологию инкапсуляции алгоритмов обработки данных и законов регулирования. Все программирование сводится к “склеиванию” готовых компонентов. В результате получается максимально наглядная и хорошо контролируемая программная единица.

LD
3. LD. Язык релейных диаграмм, или релейной логики (Ladder Diagrams), применяется для описания логических выражений различного уровня сложности и использует в качестве базовых элементов программирования графические элементы “контакты” (contacts) и ”катушки” (coils), связанные с входными и выходными каналами соответственно.

Присутствие в стандарте языка LD определяется скорее всего данью традициям: для релейной техники было разработано огромное количество оборудования и алгоритмов. Сегодня, имея типовой набор цифрового ввода-вывода, можно создавать управляющие системы на отлаженной годами алгоритмической базе.

ST
4. ST. Язык структурированного текста (Structured Text) относится к классу текстовых языков высокого уровня.

Он уходит корнями в такие известные языки программирования, как Aда, Паскаль и Cи. На его основе можно создавать гибкие процедуры обработки данных. Язык структурированного текста является основным для программирования последовательных шагов и транзакций языка SFC. Кроме того, он имеет “выходы” во все остальные языки, что делает его универсальным в применении разными категориями пользователей.

IL
5. IL. В “достандартные” времена (до 1993 г.) практически каждый программируемый контроллер сопровождался своим Ассемблером.

Выросли целые поколения программистов, ориентированных на определенные кланы микропроцессоров. Освоение новой техники сталкивалось с проблемой освоения очередного языка программирования под новый кристалл. Отдельные мнемонические конструкции Ассемблеров были похожи, но о каком-либо стандарте не было речи.
Появление языка инструкций (Instruction List) в наборе стандартных языков — это унификация интерфейса языка программирования низкого уровня, не ориентированного на какую-либо микропроцессорную архитектуру. У языка IL есть очень важное качество: на его основе создаются оптимальные по быстродействию программные единицы.

Выводы

Для каждого проекта, в зависимости от типа контроллера, сложности проекта и требований к эффективности кода производится выбор средств разработки, в частности, языка программирования.Существуют различные языки программирования контроллеров, как графические, так и текстовые.

Графические языки программирования контроллеров (SFC, FBD, LD)
Текстовые языки программирования контроллеров (ST, IL)

Каждый язык по-своему уникален и находит применение в той или иной области.

В качестве стандартных инструментальных средств используются последние версии пакетов Siemens - в частности, STEP7.

Глава 4. Сети Петри

Назначение Сетей Петри

Сети Петри представляют собой графическое и математическое средство моделирования, применимое к системам самых различных типов. Системы могут содержать большое число взаимодействующих элементов, каждый элемент, в свою очередь, также может быть системой с множеством компонентов, которые взаимодействуют друг с другом сложным образом. Примерами подобных систем могут служить экономические системы, юридические, химические, биологические системы, а также системы управления.

Они представляют собой перспективный инструмент описания и исследования мультипрограммных, асинхронных, распределенных, параллельных, недетерминированных и/или стохастических систем обработки информации. В качестве графического средства сети Петри могут использоваться для наглядного представления моделируемой системы, подобно блок-схемам, структурным схемам и сетевым графикам. Вводимое в этих сетях понятие фишек позволяет моделировать динамику функционирования систем и параллельные процессы. В качестве математического средства аналитическое представление сети Петри позволяет составлять уравнения состояния, алгебраические уравнения и другие математические соотношения, описывающие динамику систем. В настоящее время сети Петри применяются в основном в моделировании. Во многих областях исследований явление изучается не непосредственно, а косвенно, через модель. Модель – это представление, как правило, в математических терминах того, что считается наиболее характерным в изучаемом объекте или системе. Манипулируя моделью системы, можно получить новые знания о ней, избегая опасности, дороговизну или неудобства анализа самой реальной системы. Обычно модели имеют математическую основу.

Развитие теории сетей Петри проводилось по двум направлениям. Формальная теория сетей Петри занимается разработкой основных средств, методов и понятий, необходимых для применения сетей Петри. Прикладная теория сетей Петри связана главным образом с применением сетей Петри к моделированию систем, их анализу и получающимся в результате этого глубоким проникновением в моделируемые системы.

Моделирование в сетях Петри осуществляется на событийном уровне. Определяются, какие действия происходят в системе, какие состояние предшествовали этим действиям и какие состояния примет система после выполнения действия. Выполнения событийной модели в сетях Петри описывает поведение системы. Анализ результатов выполнения может сказать о том, в каких состояниях пребывала или не пребывала система, какие состояния в принципе не достижимы. Однако, такой анализ не дает числовых характеристик, определяющих состояние системы. Не смотря на описанные выше достоинства сетей Петри, неудобства применения сетей Петри в качестве языка программирования заключены в процессе их выполнения в вычислительной системе. В сетях Петри нет строго понятия процесса, который можно было бы выполнять на указанном процессоре. Нет также однозначной последовательности исполнения сети Петри, так как исходная теория представляет нам язык для описания параллельных процессов. Сети Петри являются одним из наиболее распространенных современных формализмов для моделирования и анализа параллельных распределенных систем. В настоящее время ведется большое число теоретических и практических исследований для разработки распределенных алгоритмов, основанных на сетях Петри. Вместе с тем специалистами ощущается необходимость развития формализма с целью более адекватного и удобного представления систем со сложной структурой. Ведутся исследования по расширению сетей Петри за счет добавления конструкций, отражающих модульность и иерархичность систем, а также поддерживающих пошаговую разработку путем последовательной детализации.

Определение Сети Петри

Сеть Петри (Рисунок 3) определяется как двудольный ориентированный граф, все вершины графа относятся к одному из двух классов:

P-позиции

T-переходы

Позиции изображаются окружностями, переходы - отрезками прямой. Дуги в сетях Петри - направленные.

Сеть Петри состоит из 4-х элементов:

1. Множество позиций .

2. Множество переходов .

3. Входная функция .

4. Выходная функция .

Определения

P = {P1, P2, P3…., Pn} - Множество позиций.

T = {T1, T2, T3…, Tn} – Множество переходов.

Входная функция «I»: отображение входных позиций для переходов.

Выходная функция «O»: отображение выходных позиций для переходов.

Элементарная сеть Петри изображена на рис. 3.

Рисунок. 3. Элементарная сеть.

Маркировка сетей Петри

Маркировка используется для моделирования динамических свойств системы.

Маркировка M - это присваивание фишек позициям сети. Фишка - это базовое понятие сетей Петри (подобно позициям и переходам). Фишки присваиваются позициям, однако их количество и положение при выполнении сети Петри могут изменяться.

На графе сети Петри фишки обычно изображаются маленькой точкой в кружке-позиции. Приведем пример графического представления маркированной сети Петри:

Рисунок 4..Маркировка сетей Петри.

Маркировка (метка) сети Петри – это функция, отображающая множество позиций в множество неотрицательных целых чисел .

: .

Маркировка может определяться как -вектор: , где и каждое ( ) есть . Вектор определяет для каждой позиции сети Петри количество точек (маркеров, фишек) в этой позиции.

Сеть Петри с маркировкой называется маркированной. Маркированная сеть Петри есть совокупность сети Петри и маркировки : . Маркировка для сети , , , .

Маркировка характеризует динамику изменения состояний системы, причем динамика изменения состояний моделируется движением точек по позициям сети. Маркировка может изменяться в результате запуска переходов. Переход маркированной сети с маркировкой называется разрешенным, если , то есть в каждой входной позиции находится не меньше точек, чем из этой позиции исходит дуг в . Всякий разрешенный переход может запуститься. В результате запуска перехода маркировка сети изменяется на новую: из всякой входной позиции перехода удаляется столько точек, сколько дуг ведет из в , а в каждую выходную позицию помещается столько точек, сколько дуг ведет из в . Последовательность запусков переходов называется выполнением сети.

Пусть позиции и содержат по одной точки. Рассмотрим выполнение такой маркированной сети. В данной маркировке разрешен только переход . При его запуске точка удалится из , а затем в позициях и появится по точке, то есть в результате запуска появится точка еще и в .

Теперь становятся разрешенными переходы и . Поскольку запуститься может любой разрешенный переход, предположим, что запускается переход . После его запуска из позиции и точки удаляться, а в позиции появиться одна точка. В получившейся маркировке не разрешен ни один переход. На этом выполнение сети Петри заканчивается.

Маркировка называется непосредственно достижимой из , если найдется такой переход , разрешенный в , что при его запуске получается маркировка , то есть .

Маркировка называется достижимой из маркировки , если существует последовательность переходов , срабатывание которых переводит сеть из маркировки в маркировку , то есть .

Множество достижимых из маркировок сети Петри называется множеством достижимости и обозначается .

Интерпретация сетей Петри основана на понятиях условия и события. Состояние системы описывается совокупностью условий. Функционирование системы – осуществление последовательности событий. Для возникновения события необходимо выполнение некоторых условий, называемых предусловиями.[4]

Возникновение события может привести к нарушению предусловий и к появлению некоторых новых условий, называемых постусловиями. В сети Петри условия моделируются позициями, события – переходами. Предусловия события представляются входными позициями соответствующего перехода, постусловия – выходными позициями. Возникновение события моделируется запуском перехода. Выполнение условий представляется наличием точек в соответствующих позициях, невыполнение – их отсутствием.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 Следующая ⇒