Логический синтез и аппаратная реализация

 

Учебное пособие

 

 

 

 

Воронеж 2009

 

ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

 

 

А.В. Романов   Е.М. Васильев

ДИСКРЕТНЫЕ СИСТЕМЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ:

ЛОГИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ И АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

 

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

 

 

Воронеж 2009

УДК 681.51.001.2 (0758)

Романов А.В. Дискретные системы интеллектуального управления: логический синтез и аппаратная реализация: учеб. пособие / А.В. Романов, Е.М. Васильев. – Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009. 183 с.

В учебном пособии рассматриваются практические вопросы расчета, анализа и проектирования дискретных систем интеллектуального управления.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлениям 220200 "Автоматизация и управление", 140600 "Электротехника, электромеханика и электротехнологии", 110300 "Агроинженерия", специальностям 220201 «Управление и информатика в технических системах», 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», 110302 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства», дисциплинам «Технические средства систем управления», «Системы программного управления», «Автоматика».

Учебное пособие предназначено для студентов очной формы обучения. Может быть полезно для аспирантов и специалистов, занимающихся вопросами разработки дискретных систем автоматики.

 

Табл. 0+32+37=69. Ил. 5(0)+33+31=77. Библиогр.: 10 назв.

 

Рецензенты: кафедра автоматизации технологических процессов Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (зав. каф. д-р техн. наук, проф. В.Д. Волков);

д-р. техн. наук, проф. В.М. Питолин

 

© Романов А.В., Васильев Е.М., 2009

© Оформление. ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Для успешной реализации дискретных информационно-управляющих систем необходимы как теоретические знания по формированию управляющих булевых функций, так и практические навыки их реализации на каком-либо аппаратном уровне. Одним из примеров такого программно-аппаратного комплекса являются модули LOGO.

Универсальные логические модули LOGO! или, как их еще называют, интеллектуальные реле, являются компактными функционально законченными изделиями, предназначенными для построения наиболее простых устройств автоматического управления. Они успешно используется по всему миру в различных промышленных и непромышленных установках, заменяя обычные релейно-контакторные технологии коммутации.

Основное преимущество данных модулей не только в компактности, но и в модульности построения систем автоматики на их основе, а также в возможности программирования интеллектуального реле, в том числе и без использования персонального компьютера.

Учебное пособие предназначено для закрепления знаний студентов и получения практических навыков в области разработки дискретных интеллектуальных систем автоматики с элементами программного управления. Оно соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлениям 220200 "Автоматизация и управление", 140600 "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" и 110300 "Агроинженерия". Пособие предназначено для студентов специальности 220201 «Управление и информатика в технических системах» по дисциплине «Технические средства систем управления»; специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» по дисциплине «Системы программного управления»; специальности 110302 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» по дисциплине «Автоматика».

Курс лабораторных работ спланирован в соответствии с рабочими программами указанных дисциплин и предназначен для закрепления теоретических знаний, а также приобретения навыков самостоятельной работы проектирования и анализа систем, основанных на логических реле.

При выполнении лабораторных работ студенты разбиваются на бригады по два человека. Каждая бригада выполняет курс лабораторных занятий самостоятельно в соответствии с индивидуальным заданием, полученным у преподавателя.

В отчете о выполнении лабораторных работ должны быть предусмотрены следующие разделы:

· цель и задание работы;

· предварительные расчеты (при необходимости);

· функциональная схема проектируемой автоматической системы с описанием;

· ход выполнения работы и полученные результаты;

· общие выводы по работе.

Защита работы происходит в устной или письменной форме по тестовым вопросам.

 

В первом разделе настоящего учебного пособия приведены общие сведения об интеллектуальном реле LOGO!, модулях, расширяющих его применение в системах автоматики.

Второй раздел посвящен описанию программного средства. Приведены общие сведения и назначение программы, описание и параметры основных и специальных функций, порядок работы с программой.

В третьем разделе учебного пособия в рамках лабораторного практикума следуют методические указания по выполнению четырех лабораторных работ, затем заключение и библиографический список.

1. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ РЕЛЕ LOGO!. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Как уже говорилось, универсальные логические модули LOGO! являются компактными функционально законченными изделиями, предназначенными для построения наиболее простых устройств автоматического управления. Их отличительными особенностями являются:

· компактное, комфортабельное, экономичное и универсальное решение для построения наиболее простых устройств автоматического управления (рис. 1.1);

· простота обслуживания и монтажа, интегрированные входы и выходы;

· удобное и простое программирование логики построения системы управления;

· библиотеки встроенных функций (34 встроенные функции, до 130 функций на программу);

· исполнение с интегрированным дисплеем и клавиатурой (рис. 1.1, а), причем возможно программирование с встроенной клавиатуры без использования программатора и специального программного обеспечения.

 

а) LOGO! Basic                             б) LOGO! Pure

Рис. 1.1. Внешний вид и основные элементы реле LOGO!

 

Семейство LOGO! объединяет в своем составе следующие элементы, подробные технические характеристики которых можно найти в [1].

· Универсальные логические модули:

– LOGO! Basic с встроенной клавиатурой и дисплеем (рис. 1.1, а);

– LOGO! Pure без клавиатуры и дисплея (рис. 1.1, б).

· Модули расширения:

– 8- и 16-канальные модули ввода-вывода дискретных сигналов DM8 и DM16 (рис. 1.2, а), всего можно использовать 24 входа и 16 каналов выходных сигналов;

– 2-канальные модули ввода аналоговых сигналов (рис. 1.2, б) AM2 (предназначены для измерения сигналов напряжения 0…10 В или силы тока 0…20 мА) и AM2 PT100 (для измерения температуры с помощью датчиков Pt100);

– коммуникационный модуль LOGO! CM (поддерживает 4 виртуальных дискретных входа и 4 виртуальных дискретных выхода и выполняет функции ведомого устройства AS-Interface);

– коммуникационный модуль LOGO! CM EIB/KNX (для подключения к сети EIB Instabus, используемой для автоматизации зданий, причем в ней выполняет функции ведущего устройства и позволяет опрашивать до 24 дискретных и до 8 аналоговых EIB-датчиков, а также управлять работой до 16 дискретных и до 2 аналоговых EIB исполнительных устройств);

– коммуникационный модуль LOGO! CM LON (рис. 1.3), который позволяет производить подключение логических модулей LOGO! к сети LON Works, где выполняет функции ведущего устройства и позволяет опрашивать до 16 дискретных и до 8 аналоговых LON датчиков, а также управлять работой до 12 LON дискретных устройств.

 

Рис. 1.3. Коммуникационный модуль LOGO! CM LON,

подключенный к интеллектуальному реле

 

· Модули блоков питания LOGO! Power (выходная мощность 30 Вт и 60 Вт).

· Модуль LOGO! Contact для бесшумной коммутации 3-фазных цепей переменного тока (рис. 1.4) имеет две модификации с напряжением питания обмотки электромагнита на 24 В постоянного тока и 230 В переменного тока.

· Дополнительные при­надлежности – модули памяти; соединительный кабель PC/LOGO!; монтажные комплекты; имитатор входных сигналов.

Для более удобной разработки программ может использоваться пакет LOGO! Soft Comfort, описание которого приведено во втором разделе данного учебного пособия.

Все модули семейства LOGO! выпускаются в компактных пластиковых корпусах, предназначенных для установки на стандартные 35 мм профильные шины DIN. На верхней части корпуса расположены клеммы для подключения цепи питания, а также датчиков или органов ручного управления. На нижней части корпуса расположены клеммы для подключения нагрузки (реле, контакторов, соленоидных вентилей и т.д.). Набор остальных элементов зависит от типа конкретного модуля.

Маркировка модулей семейства LOGO!, нанесенная на их корпусе, несет информацию об их назначении, конструктивных и функциональных особенностях (рис. 1.5). В маркировке аналоговых модулей присутствует обозначение “LOGO! AM2”, в маркировке коммуникационных модулей – “LOGO! CM”.

 

Рис. 1.5. Маркировка модулей семейства LOGO!

 

При программировании LOGO можно воспользоваться готовой типовой программой управления или написать свою программу.

Наиболее простые устройства управления могут быть построены на основе логического модуля LOGO! Basic или LOGO! Pure без использования модулей расширения. Для построения более сложных устройств логический модуль дополняется необходимым набором модулей расширения.

Максимальная конфигурация позволяет обслуживать 24 дискретных и 8 аналоговых входов, а также 16 дискретных выходов. При использовании модулей расширения необходимо соблюдать следующие правила:

· модули расширения DM8 могут подключаться только к модулям с таким же уровнем напряжения питания и таким же родом тока. Для исключения ошибок при монтаже все модули снабжены устройствами механической кодировки;

· аналоговые и коммуникационные модули могут подключаться к модулям любого типа;

· для повышения быстродействия устройства управления непосредственно за логическим модулем рекомендуется устанавливать сначала дискретные, потом аналоговые, потом коммуникационные модули расширения.

Свободная программируемость и возможность адаптации аппаратуры к требованиям решаемой задачи обеспечивает широкую универсальность модулей LOGO! и позволяет использовать их в различных областях, в частности:

· для управления электрическим освещением, дверями, воротами, тентами;

· для управления вентиляторами, насосами, компрессорами, небольшими холодильными машинами и прессами;

· для управления автоматическим включением резерва на насосных станциях и в распределительных устройствах;

· для управления поливом в оранжереях;

· для управления освещением витрин и мостов;

· в судовых и транспортных системах;

· в системах контроля доступа и т.д.

 

Логические модули LOGO! отвечают требованиям следующих международных и национальных стандартов [1]:

· сертификат соответствия Госстандарта России №РОСС DE.АЯ46.В61141 от 14.03.2003 г. подтверждает соответствие логических модулей LOGO! и их компонентов требованиям стандартов ГОСТ Р 50377-92 (стандарт в целом), ГОСТ 29125-91 (п. 2.8), ГОСТ 26329-84 (п.п. 1.2; 1.3), ГОСТ Р 51318.22-99, ГОСТ 51318.24-99;

· CE на соответствие требованиям стандартов VDE 0631, IEC 61131-2, EN 55011, ограничительный класс B;

· UL508, CSA C22.2, сертификат № 142. FM класс I, раздел 2, группы A, B, C, D, Tx, а также класс I, зона 2, группа IIC Tx;

· морские сертификаты: Lloyds Register of Shipping (LRS), American Bureau of Shipping (ARS), Germanischer Lloyd (GL), Det Norske Veritas (DNV), Bureau Veritas (BV), Nippon Kaiji Kyokai (NK).

 

2. ПРОГРАММНОЕ СРЕДСТВО LOGO! Soft Comfort

 

2.1. Происхождение и возможности программы LOGO! Soft Comfort

 

Программа LOGO! Soft Comfort разработана фирмой Siemens применительно к IBM-совместимым компьютерам и предназначена для программирования логических реле LOGO той же фирмы. Это многоязычное программное обеспечение, которое дает возможность разрабатывать, тестировать и имитировать, измерять, архивировать и распечатывать программы коммутации систем автоматики с помощью персонального компьютера. Программа позволяет сконструировать логическую цепочку, отвечающую какому-либо булевскому выражению; в случае необходимости произвести коррекцию схемы, проверить ее работу, записать результат в память компьютера, а также загрузить в логическое реле для выполнения.

Пакет LOGO! Soft Comfort работает под управлением операционных систем Windows 95/ 98/ NT 4.0/ ME/ 2000/ XP, Linux и MAC OS X. Программное обеспечение может быть установлено на программаторе или компьютере либо использовано в клиент/серверных приложениях. Разработка и отладка программы может выполняться в автономном режиме без связи между компьютером и модулем LOGO!, а также в интерактивном режиме. В последнем случае связь между компьютером и логическим модулем устанавливается с помощью соединительного кабеля PC/LOGO.

LOGO! Soft Comfort версии 4.0 позволяет реализовать следующие функции [2]:

· выполнять разработку, отладку, документирование и архивирование программ для логических модулей LOGO! всех поколений как в автономном, так и в интерактивном режиме;

· использовать для разработки программы языки LAD ("ladder diagram" – "контактный план", представление в виде логических схем, язык релейно-контактных схем) и FBD ("function block diagram" – "функциональный план", язык функциональных блок-схем). Визуальное различие между этими двумя представлениями иллюстрирует рис. 2.1;

 

а) схема на LAD          б) схема на FBD

Рис. 2.1. Пример реализации схемы на языках LAD и FBD

 

· выполнить настройку параметров модулей и используемых функций, в частности разрешить или запретить автоматический переход с зимнего времени на летнее и наоборот;

· осуществлять быстрый просмотр всей или некоторой части программы;

· использовать символьную адресацию для входов, выходов и функций. Вводить комментарии для всех переменных и функций;

· моделировать работу программы модуля LOGO! на компьютере. Загружать готовую программу в логический модуль или считывать программу из памяти логического модуля;

· отображать состояния всех переменных и функций в режиме моделирования работы программы или в процессе работы программы в логическом модуле;

· сохранять программу на жестком диске компьютера;

· производить сравнение программ логических модулей;

· запускать и останавливать выполнение программы логическим модулем;

· определять состав функций, сохраняющих свои состояния при перебоях в питании логического модуля;

· формировать тексты оперативных сообщений, включать в них необходимые значения параметров и определять условия их появления на экране логического модуля;

· использовать в процессе проектирования функции копирования, вырезания, вставки и т.д.;

· использовать мощную систему оперативной помощи и подсказок и т.д.

Ранние версии программного обеспечения для работы с LOGO воспроизводили на экране монитора компьютера общий вид модуля логического реле со всеми его элементами (мини-дисплеем, клавишами программирования, клеммами входов, выходов, питания) и позволяли либо при помощи мыши, либо используя клавиши перемещения курсора (­, ¯,, ®), «Enter» и «Esc» осуществить процесс программирования реле. При этом стрелки перемещения курсора соответствовали серым клавишам (t,u,3,4) на корпусе модуля, клавиша «Enter» – клавише «ОК», а клавиша «Esc» – клавише «Esc» модуля логического реле. Начиная с версии 4.0 LOGO! Soft Comfort не воспроизводит на мониторе внешний вид модуля.

Процесс программирования заключается в сборке структурной схемы рассматриваемого автоматического устройства с использованием стандартного набора логических операторов и специальных функций. Сборка схемы ведется в строгом порядке: начиная с выходов в сторону входов; то есть справа налево.

После завершения программирования имеется возможность проверить работу схемы, для чего в меню модуля выбирается команда «Start», вызывающая преобразование картинки: на входах реле появляются изображения контактов, на выходах – сигнальные лампочки. Теперь, если замыкать входные контакты (I1...I6), для чего нужный контакт необходимо «щелкнуть мышкой», создавая на входах модуля различные комбинации нулей и единиц, то можно пронаблюдать, что происходит на его выходах (Q1...Q4). Без учета дополнительных модулей программа позволяет моделировать различные логические устройства, имеющие до шести входов и до четырех выходов.

Недостатком программы с точки зрения применения в учебном процессе является невозможность моделирования непосредственно релейно-контактных схем. Для решения задач в таком варианте следует применять программы Wewb 4 (Eltctronic Workbench 4.0) или Wewb 5. Но наиболее важно то, что освоение программного обеспечения LOGO! Soft Comfort дает практические навыки программирования одноименного логического реле (микропроцессора), что очень полезно с практической точки зрения.