Ввод частоты, периода и счет импульсов
Функции счетчика, частотомера и измерителя периода следования импульсов обычно совмещаются в одном и том же средстве ввода, используемого для решения следующих задач:
измерение скорости вращения вала двигателя с целью ее стабилизации или изменения по заданному закону,
подсчет количества продукции на конвейере;
измерение частоты периодического сигнала;
работа с датчиками, имеющими импульсный выход (например, с энкодерами - датчиками угла поворота, электросчетчиками или анемометрами);
автоматическое дозирование счетной продукции;
подсчет количества продукции, выданной со склада.
Структуру типового средства ввода рассмотрим на примере счетчика-частотомера NL-2C [НИЛ АП] (рис.3.17). Он содержит два 32-разрядных счетчика-частотомера. Каждый счетчик имеет изолированные и неизолированные входы. Изолированные выполнены на оптроне и являются пассивными со стороны источника сигнала. Неизолированные входы имеют программно регулируемые уровни логического нуля и единицы, что позволяет уменьшить вероятность ошибочного срабатывания модуля в условиях помех. Для регулировки уровней использованы два 8-разрядных цифроуправляемых потенциометра. Для подавления помех служит также цифровой фильтр с перестраиваемыми параметрами, выполненный на микроконтроллере, входящем в состав модуля.
Gate - входы разрешения счета; In - счетные входы с программируемыми логическими уровнями; Dout - дискретные выходы; INIT* - вывод для выполнения начальных установок модуля; Data+, Data- выводы интерфейса RS-485.
Рис.3.17. Структурная схема модуля ввода частотных сигналов NL-2C [НИЛ АП]
Для расширения функциональных возможностей каждый счетный вход модуля имеет вход разрешения счета (Gate) и источник тока для питания «сухих» контактов. Модуль имеет также 4 изолированных дискретных выхода с общей «землей».
Счетчик содержит 4 микроконтроллера, обеспечивающих:
исполнение команд, посылаемых из СПУ;
выполнение алгоритма цифровой фильтрации;
подсчет количества импульсов;
реализация протокола обмена через интерфейс RS-485.
В состав модуля входит сторожевой таймер, вырабатывающий сигнал сброса, если микроконтроллер перестает вырабатывать сигнал «ОК» (периодический сигнал, подтверждающий, что микроконтроллер не «завис»). Второй сторожевой таймер внутри микроконтроллера переводит выходы модуля в безопасные состояния (Safe Value), если из СПУ перестает приходить сигнал «Host ОК».
Схема питания модулей содержит вторичный импульсный источник питания, преобразующий поступающее извне напряжение в диапазоне от +10 до +30В в напряжение +5В для питания внутренних электрических цепей.
Модуль содержит также изолирующий преобразователь напряжения для питания каскадов вывода дискретных сигналов.
Модуль измеряет частоту в диапазоне от 10Гц до 300кГц с погрешностью ±0,0002/(f Т), где f - измеряемая частота, Гц; Т - время счета импульсов (1.0 или 0.1с).
Внешние управляющие команды посылаются в модуль через порт RS-485. Используются всего 54 команды.
Модули управления движением
Контроллеры с модулями управления движением используются в роботах, металло- и деревообрабатывающих станках, сборочных линиях, типографских машинах, в оборудовании для обработки пищи, для дозирования и упаковки, для автоматической сварки и лазерной резки, для обработки полупроводниковых пластин и т.п.
В силу специфики задачи контроллеры для управления движением занимают отдельное место, поскольку отличаются как параметрами модулей в/в, так и специализированным ПО.
Основными отличиями от модулей общего применения являются повышенные требования к быстродействию и особый состав каналов в/в, оптимизированный для задач управления движением с целью минимизации стоимости.
Типовой системой управления движением является электропривод, который является частным случаем системы автоматического регулирования с обратной или прямой связью. В состав электропривода входит электродвигатель, датчики положения исполнительного механизма, контроллер и сервоусилитель.
В электроприводах используют асинхронные и синхронные двигатели переменного и постоянного тока, шаговые, линейные двигатели, а также гидро- и пневмоцилиндры с насосами.
Электропривод обычно строится с 2-мя контурами обратной связи:
внутренний контур с сигналом от датчика скорости (тахометра или инкрементного энкодера) используется для управления скоростью двигателя и часто реализуется внутри сервоусилителя.
внешний контур с обратной связью от оси двигателя или от его нагрузки используется для управления позицией исполнительного механизма и вращающим моментом. Обратная связь от нагрузки позволяет повысить точность реализации траектории движения и использовать нежесткие механические связи, однако усложняет настройку замкнутой системы.
Сигнал обратной связи внешнего контура поступает от датчиков положения: энкодеров, резольверов, потенциометров, датчиков Холла и тахометров. Энкодеры делятся на абсолютные (определяют абсолютное положение) и инкрементные (определяют изменение положения механизма). Резольверы выполняют ту же функцию, что и энкодеры, но имеют аналоговый выходной сигнал, построены на основе вращающегося трансформатора и выдают синусоидальный и косинусоидальный сигналы, которые позволяют вычислить положение вала двигателя. Недостатком резольвера является низкое быстродействие и необходимость использования АЦП.
Сигналы обратной связи поступают в контроллер, который должен иметь специальные средства (например, модули) для ввода сигналов от указанных датчиков. В контроллер поступают также сигналы от концевых датчиков, установленных в крайних положениях исполнительного механизма. Управляющее воздействие из контроллера поступает на двигатель через сервоусилитель. Усилители имеют мощные выходные каскады с радиаторами и изготавливаются отдельно от контроллера. На их входы могут поступать аналоговые сигналы ±10В, цифровые или ШИМ-сигналы. Усилители делятся на усилители скорости, момента, с синусоидальным входным сигналом, с импульсным входом, а также гидравлические. Обычно они имеют встроенную защиту от перенапряжения, низкого напряжения, перегрева, к.з., превышения тока, потери фазы. Выбирая усилитель с нужными характеристиками, можно выполнять управление оборудованием любой мощности, от микрозондов для тестирования полупроводниковых пластин до мощных металлообрабатывающих центров.
Контроллеры могут иметь вход для джойстика или кнопок, которые позволяют управлять движением вручную.
Основным параметром модулей в/в для управления движением является число одновременно управляемых осей координат. Ось координат в подавляющем большинстве случаев ассоциируется с одним двигателем. Однако несколько двигателей могут работать на общую нагрузку, например 2 двигателя могут вращать общий вал с 2-х его концов или совместно осуществлять плоскопараллельное перемещение одной балки. В этом случае несколько двигателей соответствуют одной оси координат.
В общем случае ось координат определяется как линейная комбинация 3-х координатных осей, соответствующих 3-м двигателям, поэтому она не соответствует ни одному конкретному двигателю отдельно.
Поскольку движение в 3-мерном пространстве можно разложить на 3 одномерных, для построения любой траектории достаточно 3-х координатных осей. Однако в металлообработке часто приходится поворачивать столик с закрепленной деталью или шпиндель с закрепленным инструментом, для описания чего вводятся дополнительные оси координат. Наиболее мощные контроллеры управления движением могут синхронно управлять сотней координатных осей.
Модули в/в для управления движением оптимизированы для ввода сигналов энкодеров, резольверов, тахометров, потенциометров и концевых выключателей, а также для вывода сигналов управления сервоусилителями.
Модули ввода могут иметь следующие входы:
дифференциальные или одиночные входы счетчиков разрядностью 16, 24, 32 бит для сигналов энкодера;
дискретные входы;
входы прерываний процессора;
аналоговые входы для сигналов от резольвера и потенциометра.
Типовые модули вывода могут содержать:
аналоговые каналы вывода с разрядностью 12, 14 или 16 бит для управления сервоусилителями;
дискретные выходы (обычно с открытым коллектором);
цифровые выходы;
импульсные выходы для шаговых двигателей.
Основные параметры модулей в/в:
время обновления данных;
разрядность и число АЦП и ЦАП;
число дискретных и импульсных в/в;
емкость памяти в шагах;
тип и возможности ПО;
типы коммуникационных интерфейсов (RS-232/422, RS-485, USB, Ethernet, PCI, VME, ISA и др.).
Сигнал от инкрементного энкодера может поступать в некоторых случаях со скоростью до 20 Мбит/с, что требует быстродействующих счетчиков импульсов. В некоторых модулях используются процессоры цифровой обработки сигналов и специализированные микросхемы (ASIC).
В системах управления движением специализированными являются не только модули, но и ПО.
Примеры некоторых встроенных функций, контроллеров управления движением:
плавный пуск;
перемещение: непрерывное, абсолютное, относительное, синхронное, в контрольную точку (для калибровки и синхронизации);
синхронизация координат в режиме контрольных точек;
реализация заданной траектории движения в пространстве;
интерполяция: линейная, круговая, сплайнами;
возврат в начальное положение;
ручной режим управления;
управление зависимостью скорости от времени: трапецеидальная, S-образная (трапеция с закруглениями вместо углов);
автонастройка контуров регулирования;
отладка программы без реального привода;
подавление резонансных явлений (вибраций);
автоматическое распознавание двигателя;
синхронизация работы нескольких приводов (в том числе при работе двигателей на общий вал);
управление силой или давлением;
защита (от непреднамеренного запуска, при сбоях в оборудовании, при срабатывании концевых выключателей);
самодиагностика;
мониторинг текущего состояния;
аварийная сигнализация и аварийный останов;
функция таймера.
Системы управления движением воспринимают информацию от программ автоматизированного проектирования (САПР) и чаще используются с компьютерами, чем с ПЛК.
Для работы с компьютером под ОС Windows используются буферы FIFO на входе и выходе модуля, чтобы исключить неконтролируемые задержки ОС.