ПРОГРАММИРОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ КОНТРОЛЛЕРОВ
АННОТАЦИЯ
В книге рассмотрено программирование логических контроллеров (ПЛК, англ. PLC) начального уровня, которые называют также программируемыми логическими реле (ПЛР, англ. PLR). Представлены программируемые логические реле LOGO немецкой компании Siemens и отечественные логические контроллеры ONI и OWEN. Описывается программирование логических контроллеров с помощью языка программирования FBD (язык функциональных блок-схем). Книга состоит из 5 глав.
В главе 1 рассмотрены основные понятия и законы алгебры логики и вводится понятие логической схемы.
В главе 2 рассмотрены принципы построения логического контроллера, его внутренняя структура, описываются входы и выходы контроллера.
Глава 3 посвящена описанию логического реле SIEMENS LOGO, приводятся примеры программирования контроллера с помощью среды программирования LOGO Soft Comfort.
Глава 4 посвящена описанию программируемого логического реле ONI, приводятся примеры программирования контроллера с помощью среды программирования ONI PLR Studio.
Глава 5 посвящена описанию программируемого логического реле OWEN, приводятся примеры программирования контроллера с помощью среды программирования OWEN LOGIC.
В главах 3, 4, 5 подробно рассмотрены все этапы программирования логического контроллера, а именно: создание программы, тестирование, отладка, загрузка программы в контроллер. Рассмотренные в книге среды программирования (LOGO Soft Comfort, ONI PLR Studio, OWEN LOGIC) предоставляют инструменты для выполнения этих этапов.
Каждая глава заканчивается контрольными вопросами и заданиями, предлагающими задачи для самостоятельного программирования. В конце книги приведены решения предлагаемых задач.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ _ 5
ГЛАВА 1. ЭЛЕМЕНТЫ ЦИФРОВОЙ ЛОГИКИ _ 11
1.1. Основные понятия алгебры логики _ 11
1.2. Законы и правила алгебры логики _ 15
1.3. Проектирование логической схемы _ 17
Контрольные вопросы и задания _ 28
ГЛАВА 2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ КОНТРОЛЛЕРОВ _ 30
2.1. Модульное исполнение _ 30
2.2. Внутренняя структура контроллера _ 31
2.3. Входы и выходы контроллера _ 34
2.4. Согласование сигналов _ 38
Контрольные вопросы и задания _ 41
ГЛАВА 3. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ РЕЛЕ SIEMENS LOGO! _ 43
3.1. Номенклатура логических реле SIEMENS LOGO! _ 43
3.2. Модули расширения _ 46
3.3. Подключение внешних цепей _ 49
3.4. Программное обеспечение LOGO! Soft Comfort _ 51
3.4.1. Пользовательский интерфейс _ 51
3.4.2. Создание нового проекта _ 55
3.4.3. Работа с панелью симуляции _ 60
3.4.4. Обзор специальных функций _ 61
3.4.4.1. Таймеры _ 61
3.4.4.2. Счетчики _ 67
3.4.4.3. Аналоговые функции _ 70
3.4.4.4. Прочее _ 86
3.4.5. Примеры управляющих программ _ 96
3.4.5.1. Автоматическое управление освещением _ 96
3.4.5.2. Управляемые жалюзи _ 97
3.4.5.3. Освещение охраняемой территории _ 101
3.4.5.4. Гаражные ворота _ 101
3.4.6. Загрузка программы в контроллер _ 108
Контрольные вопросы и задания _ 121
ГЛАВА 4. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ РЕЛЕ ONI _ 122
4.1. Логические реле Микро ПЛК ONI PLR-M _ 122
4.2. Логические реле ONI PLR-S _ 124
4.3. Модули расширения _ 127
4.4. Подключение внешних цепей _ 130
4.5. Программное обеспечение ONI PLR Studio _ 132
4.5.1. Пользовательский интерфейс _ 132
4.5.2. Создание нового проекта _ 135
4.5.3. Работа с панелью симуляции _ 141
4.5.4. Примеры работы с блоками _ 142
4.5.5. Примеры управляющих программ _ 157
4.5.5.1. Импульсное регулирование температуры воздуха в помещении _ 157
4.5.5.2. Управление насосной парой _ 161
4.5.5.3. Сигнал SOS _ 164
4.5.5.4. Управление двумя вентиляторами _ 166
4.5.6. Загрузка программы в контроллер _ 167
Контрольные вопросы и задания _ 169
ГЛАВА 5. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ РЕЛЕ ОВЕН _ 171
5.1. Номенклатура логических реле ОВЕН _ 171
5.2. Модули расширения _ 175
5.3. Подключение внешних цепей _ 177
5.4. Среда программирования OWEN LOGIC _ 180
5.4.1. Пользовательский интерфейс _ 180
5.4.2. Создание нового проекта _ 186
5.4.3. Работа с панелью симуляции _ 191
5.4.4. Библиотека компонентов _ 193
5.4.5. Примеры управляющих программ _ 195
5.4.5.1. Дозированный слив жидкости из бака _ 195
5.4.5.2. Выключатель света с автоматическим отключением _ 198
5.4.5.3. Светофор. Программа и макетный образец _ 201
5.4.5.4. Охранная сигнализация с инфракрасным и микроволновым датчиками движения. Программа и макетный образец _ 202
5.4.5.5. Управляемая рекламная подсветка. Программа и макетный образец _ 206
5.4.5.6. Подключение к контроллеру силовой нагрузки. Программа и макетный образец _ 210
5.4.6. Загрузка программы в контроллер _ 212
Контрольные вопросы и задания _ 213
6. РЕШЕНИЯ И ОТВЕТЫ _ 215
6.1. Решения к главе 1 _ 215
6.2. Решения к главе 2 _ 218
6.3. Решения к главе 3 _ 219
6.4. Решения к главе 4 _ 223
6.5. Решения к главе 5 _ 228
ЛИТЕРАТУРА _ 230
Введение
Программируемые логические контроллеры делятся на две большие группы: собственно программируемые логические контроллеры (ПЛК) и программируемые логические реле (ПЛР).
ПЛК (PLC) – это программируемые логические контроллеры верхнего уровня, которые применяются для средних и комплексных систем автоматизации, имеют более продвинутые технические и коммуникационные характеристики. Программное обеспечение для ПЛК включает в себя четыре или пять языков программирования, которые предоставляют широкие возможности для программирования разнообразных систем автоматизации.
ПЛР (PLR) – это программируемые логические контроллеры нижнего уровня, которые применяются для малых систем автоматизации, имеют более скромные технические и коммуникационные характеристики. Программное обеспечение для ПЛР, как правило, ограничено двумя или одним языком программирования, что подчас приводит к невозможности создания программ для сложных алгоритмов управления.
Далее представлен краткий обзор программируемых логических контроллеров компаний: Siemens, IEK Group и ОВЕН.
Линейка программируемых логических контроллеров немецкой компании Siemens AG (www.siemens.com) включает в себя: ПЛК серии Simatic S7 и ПЛР – логические модули LOGO. Simatic – это сокращение, построенное из слов «Siemens» и «Automatic». У истоков этой серии стояла модель S7-200, выпуск которой начался в 1992 году. Текущие модели серии – Simatic S7-1200 и Simatic S7-1500.
ПЛК серии Simatic S7 программируются с помощью интегрированной среды программирования TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal). На данный момент последней версией является TIA Portal V17, которая включает в себя программные пакеты:
- Simatic Step 7для программирования контроллеров;
- Simatic WinCCдля разработки человеко-машинного интерфейса (от простейших кнопочных панелей до сложных конфигураций уровня SCADA);
- Simatic StartDrive для программирования и диагностики приводов;
- Simatic Step 7 Safety и другие.
Программный пакет Simatic Step 7 подразделяется на:
- Simatic Step 7 Professional, который можно использовать для программирования контроллеров Simatic всех поколений: S7-300, S7-400, S7-1200, S7-1500 и др.
- Simatic Step 7 Basic – это оптимизированное по цене программное обеспечение STEP 7, которое можно использовать для программирования контроллеров Simatic S7-1200 Basic и для настройки панелей Simatic HMI Basic с помощью Simatic WinCC, поскольку Simatic WinCC входит в состав программного пакета Simatic Step 7 Basic.
Логические модули (ПЛР) LOGO! предназначены для построения малых систем автоматизации. Они могут использоваться автономно или дополняться необходимым набором модулей расширения. Компактные размеры, относительно низкая стоимость, простота программирования, монтажа и эксплуатации позволяют получать на основе модулей LOGO! множество решений для различных областей промышленного производства и автоматизации зданий.
Для программирования логических модулей LOGO используется программное обеспечение (ПО) LOGO! Soft Comfort, включающее языки программирования FBD и LAD. В настоящее время актуальной является версия V8.3.
Вследствие известных событий использовать в настоящее время продукцию компании Siemens затруднительно, поэтому переходим на отечественную продукцию. И у России есть чем заменить зарубежные контроллеры.
Линейка программируемых логических контроллеров серии ONI российской группы компаний IEK Group (www.oni-system.com) включает в себя: ПЛК ONI PLC-S и программируемые реле двух семейств: старшего – Микро ПЛК ONI PLR-M и младшего – ONI PLR-S.
ПЛК ONI PLC-S относятся к контроллерам верхнего уровня. Они имеют модульную конструкцию и используются для построения систем управления средней сложности. Габариты модулей ONI PLC-S имеют небольшие размеры, не более 91×63×30 мм. Несмотря на такую компактность, они обладают высокой надежностью и производительностью. Для заказа доступно несколько модулей центрального процессора, к каждому из которых можно дополнительно установить модули расширения. Все модули монтируются на стандартную DIN рейку шириной 35 мм.
Для программирования ONI PLC-S используется программное обеспечение ONI CICON, которое предоставляется бесплатно. ПО поставляется с широким набором готовых функциональных блоков, что позволяет существенно ускорить процесс разработки и отладки программ. Для разработки программ доступно 4 языка: LD, IL, SFC, FBD. Эти языки соответствуют международному стандарту IEC (МЭК) 61131-3. Загрузка разработанных проектов в контроллер осуществляется с использованием или стандартного кабеля miniUSB, или патч-корда Ethernet, или с помощью SD карты. Имеется возможность конфигурирования коммуникационных протоколов по каналам RS232, RS485 и Ethernet.
Программируемые реле ONI PLR-M и ONI PLR-S обладают высокой надежностью и производительностью при сравнительно невысокой цене. Развитые сетевые возможности ONI PLR-M позволяют организовывать обмен данными в промышленных сетях. Это достигается благодаря встроенным в модули ЦПУ интерфейсам Ethernet, RS485 и RS232 с протоколами связи Modbus RTU/TCP/ASCII. Модули ЦПУ ONI PLR-M и ONI PLR-S позволяют подключать модули расширения, что увеличивает их потенциальные возможности по использованию.
Программирование ONI PLR-M и ONI PLR-S осуществляется с помощью программного обеспечения ONI PLR Studio, которое предоставляется бесплатно. ПО поставляется с широким набором готовых функциональных блоков и специальных программ.
Линейка программируемых логических контроллеров российской компании ОВЕН (www.owen.ru) включает в себя:
https://owen.ru/catalog/programmiruemie_logicheskie_kontrolleri – логические контроллеры;
https://owen.ru/catalog/programmiruemie_rele – логические реле.
К логическим контроллерам относятся следующие основные модели:
ОВЕН ПЛК200/ПЛК210 – новая линейка современных моноблочных контроллеров с расширенными коммуникационными возможностями и дополнительными функциями надежности;
ОВЕН ПЛК110[М02], ПЛК160[М02] – моноблочные контроллеры для средних систем автоматизации. Оптимальны для построения систем автоматизации среднего уровня и распределенных систем управления.
Программирование ПЛК ОВЕН осуществляется в профессиональной среде CODESYS v.2.3.x, максимально соответствующей стандарту МЭК 61131, и имеющей следующие отличительные черты:
- поддержка 5 языков программирования;
- наличие функции документирования проектов;
- практически неограниченное количество используемых в проекте счетчиков, триггеров, генераторов;
- большое количество логических операций, которое ограничивается только количеством свободной памяти контроллера.
Для программирования и отладки используются интерфейсы: Ethernet, USB, RS-232.
Программируемые логические реле ОВЕН ПЛР отличаются от полноценных ПЛК меньшим числом каналов ввода-вывода, меньшим объемом памяти, невозможностью выполнения сложных математических операций. Коммуникационные возможности ОВЕН ПЛР ограничены, как правило, одним интерфейсом для загрузки программы или связи с АСУ верхнего уровня. Основные типы интерфейсов – это RS-485 или Ethernet.
Линейка ОВЕН ПЛР включает в себя следующие модели:
ПР103 программируемое реле с Ethernet;
ПР102 программируемое реле на 40 каналов ввода/вывода с возможностью их расширения;
ПР200 программируемое реле с дисплеем;
ПР100 компактное программируемое реле для локальных систем автоматизации;
ПР110 программируемое реле для дискретных локальных систем;
ПР114 программируемое реле с поддержкой аналоговых сигналов для локальных систем.
Для программирования ОВЕН ПЛР используется бесплатное ПО – OWEN Logic, включающее в себя язык программирования FBD. Загрузка программы в логическое реле производится с помощью кабеля miniUSB.
Программируемые логические контроллеры и программируемые логические реле находят широкое применение в следующих областях:
Автоматизации зданий:
– системы электроснабжения;
– системы теплоснабжения (ИТП, котельные);
– системы хладоснабжения;
– системы вентиляции и кондиционирования;
– системы пожаротушения;
– системы дымоудаления;
– системы наружного и внутреннего освещения;
– системы открывания дверей и ворот.
Автоматизация технологических процессов:
– конвейеры, подъёмные механизмы;
– насосные группы и регулирующие клапаны;
– водоподготовка, водоснабжение и водоотведение;
– пневматические системы управления;
– системы автоматического регулирования микроклимата в теплицах и оранжереях.
Автоматизация установок и оборудования:
– насосные станции;
– воздушные компрессоры;
– токарные, фрезерные, сверлильные станки;
– грузовые и пассажирские лифты и подъёмники;
– фасовочно-упаковочные автоматы;
– мешалки и экструдеры;
– торговые автоматы;
– автоматические производственные линии.
Автоматизация энергосистем:
– автоматический ввод резерва АВР;
– блочно-модульные котельные и мини-ТЭЦ;
– системы резервного электроснабжения на базе ДГУ;
– системы управления приоритетными нагрузками;
– тепловые насосы;
– системы отопления на базе солнечных коллекторов.
Из приведенных сведений следует, что номенклатура программируемых логических контроллеров и логических реле, а также программного обеспечения для них весьма обширны, и охватить их в одном учебном пособии очень сложно, поэтому далее будут рассмотрены только программируемые логические реле: LOGO, ONI и ОВЕН, и соответствующее им программное обеспечение: Logo! Soft Comfort, ONI PLR Studio, OWEN Logic. Учебное пособие предназначено для широкого круга читателей и может быть использовано как при самостоятельном изучении программирования логических контроллеров, так и при его преподавании в учебных заведениях различного уровня.
ГЛАВА 1. ЭЛЕМЕНТЫ ЦИФРОВОЙ ЛОГИКИ
1.1. Основные понятия алгебры логики
Изучение основ цифровой логики начнем с определения понятий, которые будут встречаться на протяжении всей книги.
Логические переменные – это исходные данные, которые могут принимать только два значения: «0» и «1». Логические переменные обычно выражают наличие или отсутствие какого-либо факта. Значение логической переменной в технике часто представляют уровнями электрического напряжения: высоким H (High) и низким L (Low). H – уровень соответствует логической единице, обычно близок к напряжению питания, как правило, +5 В, L – уровень соответствует логическому нулю, близок к нулевому напряжению. В случае, когда более высокий уровень сигнала принимают за «1», а более низкий – за «0», говорят о позитивной или положительной логике. Если же принято противоположное соответствие, то имеет место отрицательная (негативная) логика. Далее будем пользоваться положительной логикой.
Совокупность логических операций (действий), выполняемых над логическими переменными, образуют логическую функцию. Логическая функция, как и логические переменные, принимает только два значения, «0» или «1». Логическую функцию чаще всего записывают либо в аналитической форме в виде уравнения функции, либо в форме таблицы истинности. Таблица истинности – это совокупность значений функции, соответствующих всем возможным комбинациям значений логических переменных. Число строк (k) в таблице истинности (если речь идет о бинарном коде) равно числу возможных наборов двоичных значений, и может быть вычислено по формуле k = 2n, где n – число переменных. Например, число строк в таблице истинности (а значит и число значений функции) для двух переменных (A, B) равно 22 = 4, для трех переменных (A, B, C) равно 23 = 8 и т.д.
Инструментом связи между логическими переменными и логическими функциями служит булева алгебра, названная по имени английского математика Дж. Буля. В булевой алгебре (алгебре логики) к простейшим базовым логическим функциям относятся функции, которые образуют полный набор, с помощью которого можно записать любую другую логическую функцию, и можно реализовать логическое устройство любой сложности. Такой набор простейших функций называется функционально полным логическим базисом. Таких базисов четыре:
- И, НЕ (2 элемента)
- ИЛИ, НЕ (2 элемента)
- И-НЕ (1 элемент)
- ИЛИ-НЕ (1 элемент).
В технике базовые логические функции реализуются в виде устройств, которые называются логическими элементами. Иногда их называют вентилями. Логические элементы выпускаются в виде микросхем. Одна микросхема может содержать несколько одинаковых логических элементов. Из логических элементов составляют логические схемы, иногда очень сложные, которые позволяют выполнять арифметические операции и хранить информацию. На базе логических элементов И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ созданы цифровые устройства, используемые в том числе и в вычислительной технике: триггеры, счетчики, регистры, сумматоры, шифраторы, дешифраторы. Логические контроллеры также представляют собой класс технических устройств, позволяющих выполнять логические операции, состоящие как из простейших базовых логических функций, так и специальных функций, таких, как таймеры, счетчики и др.
Логическую функцию можно изобразить графически в виде логической схемы. А затем эту схему можно реализовать в техническом устройстве. Это будет устройство жесткой логики, предназначенное для выполнения единственной логической схемы. Программируемый логический контроллер является устройством гибкой логики, его можно запрограммировать на выполнение различных логических схем.
Алгоритм построения логических схем, следующий:
1. Определить число логических переменных.
2.Определить количество базовых логических операций и их порядок.
3. Изобразить для каждой логической операции соответствующий ей логический элемент.
4.Соединить логические элементы в порядке выполнения логических операций.
При графическом представлении логических схем используются условно-графические обозначения простейших логических функций, представленные в таблице 1.1 (щелкнуть по таблице для увеличения)
В таблице 1.1 показаны обозначения в соответствии со стандартами ГОСТ и ANSI. Стандарт ГОСТ применяется в России. Похожие обозначения используются в международном электротехническом стандарте – МЭК (IEC – International Electrotechnical Commission). Стандарт ANSI – национальный американский стандарт, разработан Американским национальным институтом стандартизации (American National Standards Institute).
Для логических операций «И», «ИЛИ», «НЕ» применяются следующие обозначения
Пример 1.1. Составить логическую схему по логическому выражению
Имеем:
число логических переменных – две: A, B;
число логических действий – шесть: «И»; «ИЛИ»; «НЕ»; «НЕ»; «И»; «ИЛИ».
Таким образом, в логической схеме должно быть шесть элементарных логических функций, равное числу логических действий.
Схему строим слева направо в соответствии с порядком логических действий и с учетом последовательности выполнения математических операций, как показано на рис. 1.1.
Таким образом, по уравнению логической функции можно получить логическую схему. Полученная логическая схема, по сути, является программой на языке FBD, по которой будет работать логический контроллер.
Встречаются логические функции, которые содержат десятки и сотни логических действий, и практическая реализация таких функций становится затруднительной. Однако существуют законы и правила алгебры логики, которые позволяют упрощать сложные логические выражения. Применяя эти законы и правила, можно привести логическое выражение к более простому виду, что потребует и более простых технических средств для его практической реализации.
Пример составления программы для логического контроллера на языке FBD
Рассмотрим пример на составление коммутационной программы для логического контроллера LOGO! на языке FBD.
Предположим, что имеется охраняемый объект, на котором установлены 4 датчика движения. Если сработал любой один датчик, то это предполагается случайным срабатыванием, и охранная система на него не реагирует. Если сработали любых два и больше датчиков, то включается усиленное освещение объекта. Если сработали любых три и больше датчиков, то в дополнение к усиленному освещению включается сирена.
Для создания коммутационной программы на языке FBD применим программное обеспечение для логических контроллеров LOGO!, которая называется LOGO! Soft Comfort. Работа с этим программным обеспечением подробно рассмотрена в данном учебном пособии.
Коммутационная программа представлена на рис. 1.12.
На разработку программы для логического контроллера надо затратить несколько часов, а иногда и несколько дней. Но в учебном пособии представлена методика, которая позволяет упростить создание программы и кардинально сократить время на разработку программы. Справедливости ради, следует сказать, что методику можно применить не всегда, но во многих случаях она отлично работает.
Программное обеспечение позволяет провести симуляцию (смоделировать) работу коммутационной программы. Симуляция показывает, что коммутационная программа работает в полном соответствии с изложенным алгоритмом работы охранной системы. Так, например, на рис 1.12 показано, что при срабатывании датчиков движения A и D (выделено красным цветом) подключается выход Q1 (усиленное освещение). Задавая в коммутационной программе различные варианты срабатывания датчиков движения, получаем сигналы на выходах Q1 и Q2.
Рис. 1.12. Коммутационная
программа для логического контроллера LOGO!
После того, как мы убедимся, что коммутационная программа работает в соответствии с заданным алгоритмом, её можно загружать в логический контроллер. Процессы загрузки программы в логические контроллеры LOGO!, ONI и ОВЕН подробно рассмотрены в учебном пособии.
Стоимость учебного пособия – 490 руб.