Методы алгоритмизации ч.3

3.Технические средства обучения

Всостав учебно-методического комплекса «Программируемые логические контроллеры» (УМК ПЛК) входят следующие технические средства обучения (ТСО):

• ПЛК SIMATIC S7-200 фирмы «Siemens» (Германия);

• панель управления;

• аппаратный имитатор объектов управления ASIMA фирмы «ELWE Technik GmbH» (Германия).

Перечисленные ТСО, выполненные в виде панелей, монтируются на несущей раме лабораторного стенда и предназначены для закрепления полученных теоретических знаний и развития практических навыков программирования ПЛК. В данном разделе приводятся описания этих ТСО и даются примеры разработки программ для ПЛК SIMATIC S7-200.

3.1.Программируемый логический контроллер (ПЛК) и панель управления

ВУМК ПЛК используется модульный микроконтроллер SIMATIC S7-200 фирмы «Siemens» (Германия), в состав которого входят следующие модули:

• модуль центрального процессора (ЦП) CPU S7-222;

• модуль расширения цифровых входов/выходов EM-223;

• модуль расширения аналоговых входов/выходов EM-235.

CPU S7-222 имеет встроенные цифровые входы/выходы – 8 входов и 6 выходов. Модуль расширения EM-223 имеет 8 цифровых входов и 8 цифровых выходов постоянного тока. Модуль расширения EM-235 содержит 4 аналоговых входа и один аналоговый выход и может работать как с потенциальными, так и с токовыми сигналами. Питание контроллера осуществляется от внешнего источника постоянного тока напряжением 24 В.

Контроллер размещен на съемных панелях из пластика, на которых установлены однополюсные гнезда входов и выходов. Подключение контроллера к моделям объектов управления производится гибкими проводами с однополюсными вилками на концах.

Для программирования логического контроллера используется программное обеспечение фирмы «Siemens» – пакет программирования STEP 7-Micro/WIN 32 (версия 3.2 SP4), который может быть установлен на компьютере с операционной системой MS Windows 9x/Me/2000/XP. С помощью пакета STEP 7-Micro/WIN 32 выполняются разработка, отладка и мониторинг прикладных программ.

Панель управления также изготовлена из пластика и содержит одну фиксируемую и три нефиксируемые кнопки, которые можно использовать при работе с моделями объектов управления. Контакты кнопок и линии питания выведены на однополюсные гнезда. Все вилки и гнезда выполнены в электробезопасном исполнении.

3.2. Состав и устройство имитатора объектов управления ASIMA

Имитатор ASIMA представляет собой электронный прибор, передняя панель которого состоит из трех полей (см. рис. 3.1 на следующей странице):

•поля коммутации (слева);

•демонстрационного поля (в центре);

•поля управления (справа).

Конструкция имитатора позволяет также размещать его на несущей раме лабораторного стенда в вертикальном положении.

Ниже рассмотрены состав и назначение отдельных элементов имитатора ASIMA на его передней панели.

31

а

б

24

Рис. 3.1. Имитатор ASIMA: а) передняя панель; б) передняя панель с накладной маской

32

3.2.1. Поле коммутации

Поле коммутации на передней панели имитатора ASIMA служит для его соединения с ПЛК. Имитатор подключается к ПЛК либо отдельными соединительными проводами через 4-мм безопасные гнезда (соединительные гнезда), либо плоским кабелем с 50-контактным штекером через 50-контактное гнездо (10). Соединение отдельными проводами намного практичнее, так как позволяет пользователю протестировать любую цепь. С другой стороны, подключение всех входов и выходов плоским кабелем занимает значительно меньше времени.

Все входы и выходы имитатора ASIMA спроектированы в соответствии с промышленными стандартами для управляющей техники: предусмотрено напряжение 24 В постоянного тока для цифровых входов и выходов и напряжение 0...10 В для аналоговых входов и выходов. Таким образом, имитатор может работать с ПЛК всех основных производителей. Действие сигналов в различных группах безопасных гнезд имитатора ASIMA зависит от установок кодирующего ключа (2), определяемых спецификацией используемой накладной маски (20).

1.Имитатор ASIMA работает со стабилизированным напряжением постоянного тока 24 В от источника питания ПЛК. Гнезда (1) в нижнем ряду, помеченные символом «земли», используются также в качестве общих точек для всех цифровых и аналоговых входных и выходных сигналов.

2.Установка кодирующего ключа (2) в соответствии с маркировкой (21) в нижнем левом углу используемой накладной маски. Установки кодирующего ключа определяют функции светодиодов на демонстрационном поле панели и функции светодиодов, ключей и потенциометров в поле управления, а также их соединения с микроконтроллером имитатора и безопасными гнездами в поле коммутации.

3.Гнезда (3) с маркировкой от S0 до S12 используются для подключения к ПЛК датчиков и ключей на имитаторе ASIMA в соответствии с используемой накладной маской (20) и установками кодирующего ключа (2). Каждый из подключаемых ключей и датчиков физически может действовать как замыкающий или размыкающий контакт, в зависимости от положения селекторов

(4) с той же самой маркировкой.

Маркировка гнезд (23) на левой границе используемой маски может отличаться от их маркировки на панели под маской. Однако именно маркировка на маске соответствует изображенным на ней датчикам и обозначениям ключей.

4.Каждый из селекторов (4), обозначенных символами от S0 до S12, связан с одним из безопасных гнезд (3) на передней панели имитатора, имеющим то же обозначение. В зависимости от положения селектора, соответствующий датчик или ключ, назначенный согласно используемой маске или установкам кодирующего ключа (2), действует как размыкающий (верхнее положение) или замыкающий (нижнее положение) контакт.

5.Гнезда (5), помеченные цифрами от 0 до 7, служат для подключения приводов на используемой маске (обмоток реле и контакторов) к выходам ПЛК. Рабочее состояние привода индицируется соответствующим светодиодом.

6.Гнезда (6), помеченные маркировкой от H1 до H4, соединяются непосредственно с сигнальными лампами или светодиодами (12) с той же маркировкой в поле управления. Эти гнезда могут также подключаться непосредственно к выходам ПЛК или к гнездам (5) в зависимости от назначений на маске.

7.Четыре из представленных на накладной маске приводов (обмоток реле и контакторов) в дополнение к соответствующим светодиодам могут оснащаться электрически изолированным размыкающим контактом. Четыре размыкающих контакта (7) могут быть использованы в качестве аппаратных средств между выходами ПЛК и гнездами (5) на передней панели имитатора для повышения безопасности измерений.

33

8.Гнезда (8) используются для подключения аналоговых входов U1 и U2 на передней панели имитатора к аналоговым выходам ПЛК. Диапазон рабочих напряжений составляет 0...10 В для каждого аналогового входа.

9.Гнезда (9) используются для подключения аналоговых выходов U1 и U2 на передней панели имитатора к аналоговым входам ПЛК. Диапазон рабочих напряжений составляет 0...10 В для каждого аналогового выхода.

10.В дополнение к гнездам в поле коммутации, все входы и выходы имитатора ASIMA подключены к 50-контактному гнезду (10). Это гнездо используется для соединения имитатора плоским кабелем с ПЛК, если входы и выходы ПЛК соединены с соответствующими соединителями в кабеле.

3.2.2. Поле управления

11.Кнопки (11), помеченные маркировкой от S0 до S5, могут физически (как аппаратные средства) действовать как замыкающие или размыкающие контакты, в зависимости от установок соответствующего ключа (от S0 до S5), положения селекторов (4) и установок безопасных гнезд

(3) в поле коммутации.

12.Сигнальные лампы (12), помеченные маркировкой от H1 до H4, непосредственно подключаются к гнездам (6) с той же маркировкой в поле коммутации, а также соединены с 50-контакт- ным гнездом (10).

13.Тумблеры (13), помеченные маркировкой от S6 до S11, могут физически (как аппаратные средства) действовать как замыкающие или размыкающие контакты, в зависимости от установок соответствующего ключа (от S6 до S11), положения селекторов (4) и установок безопасных гнезд (3) в поле коммутации.

14.Селектор выбора режима работы «man./auto.» («ручной/автоматический»).

15.Когда селектор (14) находится в положении «man.», напряжение 0...10 В постоянного тока, устанавливаемое на потенциометре (15), подается непосредственно на аналоговый вход микроконтроллера имитатора ASIMA. В зависимости от используемой маски (20) и соответствующих установок кодирующего ключа (2), оно может быть использовано, например, для установки значения расхода входящего или исходящего потока.

Когда селектор (14) находится в положении «auto.», аналоговый вход U1 в поле гнезд (8) подключается к аналоговому входу микроконтроллера имитатора.

16.Напряжение 0...10 В постоянного тока, устанавливаемое на потенциометре (16), подается непосредственно на аналоговый вход микроконтроллера имитатора. Его действие зависит от используемой маски (20) и соответствующих установок кодирующего ключа (2).

3.2.3. Демонстрационное поле

На демонстрационном поле размещены светодиоды, индицирующие состояния приводов – обмоток реле и контакторов. Светодиодная линейка индицирует уровни наполнения и перемещения.

ПЛК может управлять только теми светодиодами или сегментами светодиодной линейки, которые назначены конкретным приводам используемой накладной маской (20) и соответствующими установками кодирующего ключа (2).

17.Штыри (17) предназначены для фиксирования маски на передней панели имитатора.

18.Светодиоды (18) индицируют рабочие состояния приводов на маске. Различные установки кодирующего ключа (2) активизируют только светодиоды, предусмотренные данной маской.

34

19.Светодиодные сегменты (19) индицируют уровни перемещения, наполнения и т. п. Тип индикации (отдельные сегменты или линейка переменной длины) определяется используемой маской (20) и соответствующими установками кодирующего ключа (2).

20.Накладная маска (20) для реализации электронной модели объекта управления.

21.Маркировка (21) установок кодирующего ключа (2), соответствующих используемой маске

(20).

22.Таблица (22) на маске (20) определяет, каким гнездам в поле коммутации соответствуют светодиоды приводов, используемых на маске. В левом столбце таблицы приводятся обозначения светодиодов, совпадающие с наименованиями приводов на маске; в правом столбце указывается маркировка соответствующих им гнезд в поле коммутации.

23.Маркировка гнезд (23) на маске (20) определяет соответствие представленных на ней датчиков и ключей гнездам (3) панели. Маркировка связанных с гнездами (3) селекторов (4) в нижней части передней панели имитатора определяет действие соответствующих датчиков и ключей как замыкающих или размыкающих контактов.

24.Наименование маски (24). На рис. 3.1, например, показана наложенная на переднюю панель имитатора маска M16 с изображенной на ней системой вертикальных емкостей. Маска совмещена с демонстрационным полем и полем управления панели.

Функции элементов, размещенных во всех трех полях передней панели имитатора ASIMA, всегда зависят от установок кодирующего ключа (2) в поле коммутации и используемой маски (20), наложенной на демонстрационное поле и поле управления панели.

35

4.Задания для самостоятельной работы

Впредлагаемых в данном разделе заданиях требуется разработать управляющую программу для ПЛК с процессором CPU S7-222 фирмы «Siemens» и выполнить схемы разводки соединений для ПЛК. Задания ориентированы на использование технических средств обучения, описанных в разделе 3.

Решения всех заданий приведены в разделе 5.

4.1.Автоматическое реверсивное включение электродвигателя с переключением «звезда/треугольник» (маска М6)

Вал асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором должен вращаться в обоих направлениях. Для исключения высоких пусковых токов электродвигатель должен включаться по схеме «звезда/треугольник» (рис. 4.1). Требуется разработать управляющие программы для ПЛК, используя предлагаемые релейно-контактные схемы.

Описание работы

Вариант 1

В исходном положении пускатель K1 (вращение по часовой стрелке) и пускатель K2 (вращение против часовой стрелки) отключены. Двигатель включают нажатием кнопок: S1 – для приведения вала во вращение по часовой стрелке и S2 – против часовой стрелки. Соответствующий пускатель своими контактами включает контактор звезды K4 и реле времени К5 (на маске не показано). После периода пуска длительностью 5 с реле времени отключает контактор звезды K4 и включает контактор треугольника K3. Направление вращения вала может быть изменено только после отключения двигателя кнопкой S0 независимо от состояния процесса. Состояние «включено» должно индицироваться сигнальными лампами H1 и H2 соответственно направлению вращения вала. При перегрузке двигатель должен автоматически отключаться контактом реле защиты Q1, в качестве которого используется кнопка S5.

Рис. 4.1. Схема включения электродвигателя (маска M6)

36

Вариант 2

Вотличие от варианта 1, в варианте 2 должна быть предусмотрена возможность изменения направления вращения вала без предварительного отключения двигателя.

Вариант 3

Вдополнение к варианту 2 требуется обеспечить возможность непрерывного изменения длительности периода пуска двигателя (с включением по схеме звезды) в диапазоне примерно от 2 с до 10 с посредством потенциометра или путем подачи напряжения 0...10 В на аналоговый вход ПЛК.

Примечание

Тумблер над потенциометром в нижней части поля управления должен быть установлен в левое положение. С помощью этого потенциометра можно изменять напряжение на выходе U1out в пределах 0...10 В относительно общего провода.

Задание

1.Изменение направления вращения вала с предварительным отключением двигателя.

1.1.Закончить схему внешних соединений ПЛК, начертив не показанные на ней контакты с учетом требований электробезопасности.

1.2.Составить список назначений в соответствии с вариантом 1 описания работы.

1.3.Разработать управляющую программу для ПЛК в соответствии с описанием работы, используя релейно-контактную схему, и загрузить программу в ПЛК.

1.4.Протестировать разработанную программу на имитаторе ASIMA.

1.5.Кратко объяснить, какие меры всегда должны быть приняты в целях обеспечения безопасности работы.

2.Изменение направления вращения вала без отключения двигателя.

2.1.В соответствии с описанием внести изменения в релейно-контактную схему таким образом, чтобы можно было изменять направление вращения вала без предварительного отключения двигателя.

2.2.Изменить разработанную ранее программу для ПЛК в соответствии с новой релейно-кон- тактной схемой.

2.3.Протестировать программу на имитаторе ASIMA.

3.Изменение направления вращения вала без предварительного отключения двигателя с внешней регулировкой длительности периода пуска.

3.1.Построить схему алгоритма процесса или необходимые функциональные блоки для настройки ПЛК в соответствии с вариантом 3 описания работы. Разработать программу для ПЛК в соответствии со схемой алгоритма процесса (или функциональными блоками).

Исходные данные

Схема внешних соединений ПЛК (рис. 4.2). На приведенной схеме не показаны ключи S0, S1, S2 и S5.

Примечание

Расположение входов и выходов контроллера на схеме не привязано к конкретной модели ПЛК.

37

+24 В

10 В

ПЛК

0 В

Рис. 4.2. Исходная схема внешних соединений ПЛК

На рис. 4.3 и 4.4 приведены релейно-контактные схемы управления электродвигателем для различных вариантов его работы.

+24 В

0 В

Рис. 4.3. Релейно-контактная схема управления электродвигателем для варианта 1

38

+ 24 В

0 В

Рис. 4.4. Релейно-контактная схема управления электродвигателем для варианта 2

4.2. Чеканочный пресс (маска М18)

Разработка системы последовательного управления с программируемым логическим контроллером для чеканочного пресса (рис. 4.5).

Описание работы

В исходном состоянии пресса все четыре электромагнитных клапана (Y1 – Y4) закрыты, и штоки поршней пневмоцилиндров одностороннего действия втянуты. Матрица пресса пуста.

С началом цикла чеканки клапан Y1 открывается и заготовка перемещается пневмоцилиндром из магазина в матрицу. Если датчик B2 индицирует правильную установку заготовки в матрицу, клапан Y1 закрывается и открывается клапан Y2. Монетный штамп опускается вниз, а затем, после получения сигнала от датчика B3 и последующей 3-секундной задержки, возвращается вверх, в начальное положение. Процесс чеканки заканчивается, когда срабатывает датчик B4. Далее открывается клапан Y3 и отчеканенная монета удаляется из матрицы. Когда срабатывает датчик B6, открывается клапан Y4 и монета сдувается в сборный контейнер. Отчеканенная монета падает в сборный контейнер, и при срабатывании оптического датчика B5 закрываются клапаны Y3 и Y4. Новый цикл чеканки может быть начат, если сработал датчик B5. Индикатор H4 мигает с частотой 2 Гц во время опускания монетного штампа до срабатывания датчика B3.

39

Рис. 4.5. Схема работы чеканочного пресса (маска M18)

Примечание

В чеканочном прессе применяется пневмопривод с цилиндрами одностороннего действия. Если управляющее напряжение приложено к одному из клапанов, загорается светодиод соответствующего привода. Через несколько секунд шток поршня выходит из пневмоцилиндра и срабатывает датчик, установленный на этом цилиндре. Если привод клапана отключен от источника питания (светодиод не горит), шток поршня втягивается в течение нескольких секунд (сжатый воздух в пневмоцилиндре сбрасывается в атмосферу через обратный клапан).

Заготовка в матрице индицируется как светодиодный сегмент. Распознавание отчеканенной монеты оптическим датчиком также индицируется светодиодом.

Если в результате некорректной работы управляющей программы контроллера заготовка вставлена в матрицу до того, как из нее удалена отчеканенная монета, звучит сигнал тревоги.

Чеканочный пресс может работать в автоматическом или ручном режиме.

Автоматический режим

При нажатии кнопки S1 «On» в исходном состоянии чеканочного пресса включается автоматический режим его работы. При этом загорается индикаторная лампа H1. В автоматическом режиме циклы чеканки повторяются автоматически один за другим.

Процесс чеканки всегда может быть прерван в любой фазе нажатием кнопки S4 «Stop». Останов процесса должен индицироваться непрерывно включенной индикаторной лампой H4. Если после этого нажата кнопка S3 «Start», индикаторная лампа H4 гаснет и прерванная операция продолжается.

Если нажата кнопка S0 «Off», начатый цикл чеканки доводится до конца и пресс останавливается. Если после этого нажать кнопку S1 «On», процесс чеканки возобновляется с нового цикла.

Ручной режим

При нажатии кнопки S2 «man./auto.» в исходном состоянии чеканочного пресса включается ручной режим его работы. При этом загорается индикаторная лампа H2.

40