Помоги проекту - поделись книгой:
4.2. Готовность силового питания
Многие процессы и механизмы требуют для своего функционирования значительных затрат электроэнергии. Обычно питание оборудования разделяют на силовое и контрольное. Первое снабжает электричеством исполнительные механизмы и технологические процессы. Второе питает различные датчики и приборы управления, также такое питание называют цепью управления. Еще можно выделить питание осветительных приборов, подогрев, питание связного оборудования и других вспомогательных систем. Программируемые контроллеры успешно применяются во всех перечисленных системах, но мы рассмотрим применение контроллеров для управления исполнительными механизмами и процессами.
Так как подача силового питания приводит в действие исполнительные устройства, работа которых сама по себе может быть небезопасной, то для эксплуатации этих устройств необходима простая и надежная система отключения. Во время работы могут возникать нештатные ситуации, при которых вероятен переход исполнительных механизмов и систем в состояния, не предусмотренные их конструкцией. Поэтому управление включением и отключением силового питания — наиболее важная часть системы безопасности.
Использование главного контактора, подающего силовое питание, — хорошее, испытанное временем решение. Напряжение на катушку главного контактора подается через цепь последовательно включенных аварийных кнопок, при нажатии на одну из которых отключается катушка главного контактора и снимается силовое питание. Конечно, есть ситуации, когда внезапное отключение главного контактора может привести к тяжелым последствиям. Например, в последовательной цепи конвейеров отключение одного из них приведет к заваливанию остановившегося конвейера грузом, перемещаемым предыдущим конвейером. Даже если при аварии одновременно будут отключены все конвейеры, то из-за разности скоростей торможения последовательно стоящих конвейеров может произойти заваливание конвейера грузом с предыдущего. Можно привести и другие примеры негативного влияния резкого отключения силового питания. Причем такое отключение может произойти не только от нажатия аварийной кнопки, а, например, из-за аварии на подстанции или в передающих электросетях. Поэтому вопрос безопасного останова механизма или процесса при отключении силового питания должен рассматриваться на стадии их проектирования. И здесь в первую очередь необходимо позаботиться о безопасности людей, а не о возможных экономических потерях.
Управление силовым питанием при помощи контроллера — удобное решение, когда оборудование эксплуатируется в штатном режиме и не предполагается резкой остановки оборудования. Но в любом случае должна быть предусмотрена возможность отключения силового питания независимо от работоспособности контроллера. Наиболее простым и безопасным способом подачи силового питания будет такой, при котором контроллер остается только наблюдателем за процессом включения. В цепи включения главного контактора помимо кнопок включения, выключения, аварийных кнопок и датчиков должен быть нормально открытый контакт реле готовности контроллера. Если программа контроллера полностью загрузилась и контроллер может управлять оборудованием в штатном режиме, программа активирует реле готовности контроллера и становится возможным включение главного контактора. То есть при неработающем контроллере главный контактор не включится. Если необходимо программное управление различными электрическими устройствами, то силовое питание после главного контактора подается на так называемые линейные контакторы, питающие отдельные устройства. При таком способе можно из программы управлять силовым питанием отдельных частей оборудования, не вторгаясь в цепи безопасности.
На рис. 53 показана программа, выдающая разрешение на включение главного контактора и разрешение на включение питающихся от него систем. Перед подачей питания на исполнительные устройства необходимо убедиться, что ручки управления установлены в безопасное положение и подача питания не приведет к серьезным последствиям. Если ручки управления выключены, то импульс, сформированный по переднему фронту сигнала «цепь управ. 220 В включена», устанавливает в единицу ячейку «RS» в первом столбце и, следовательно, выходную переменную с адресом 11. Данная переменная разрешает включение силового питания и может быть сброшена либо сигналом аварии, либо отключением питания цепи управления. Защита от подачи питания при включенных ручках управления предусмотрена для того, чтобы в момент включения не произошел случайный, непредсказуемый пуск оборудования.
На рис. 53 показано состояние программы в момент появления на входе контроллера сигнала «цепь управ. 220 В включена». Таймер задержки включения TON в строке 2 только что установил текущее значение времени. Данная задержка нужна для того, чтобы все датчики и приборы в цепи управления успели войти в работу до начала управления оборудованием. В зависимости от применяемых приборов время задержки может быть изменено. Так как главный контактор еще не включен и таймер в строке 2 не установил на своем выходе единицу, то разрешение управления системами отсутствует.
На рис. 54 показано состояние этой же программы при включенном силовом питании. Выходной сигнал «разрешение управления системами» формируется двумя активными ячейками в строках 2 и 10. Состояние активной ячейки в строке 2 будет равным единице через 2 секунды после включения цепи управления. Состояние ячейки в строке 10 станет равным единице после включения главного контактора.
Если во время работы по какой-то причине пропадает напряжение 220 вольт в цепи управления, то дальнейшая эксплуатация оборудования должна быть прекращена. Состояния различных датчиков, концевых и аварийных выключателей при отсутствии напряжения управления не будут отражать текущие состояния исполнительных механизмов и систем. В таком случае при отключении цепи управления должен отключаться главный контактор и сниматься разрешение управлять системами.
На рис. 55 показано состояние табличной программы при пропадании напряжения 220 вольт в цепи управления.
Данный вариант слежения за силовым питанием показан для примера. На практике алгоритм программы, управляющей питанием, будет зависеть от применяемых схемных решений и может сильно отличаться от приведенного выше. Но независимо от применяемых решений необходимо предусмотреть, чтобы подача силового питания происходила только при наличии сигнала разрешения от контроллера. Такой сигнал должен гарантировать, что программа полностью загружена и находится в состоянии работы.
4.3. Кнопки «Пуск» и «Стоп»
Для управления различными устройствами на производстве часто применяют две кнопки — зеленую для включения оборудования и красную для выключения. Возможны и другие варианты управления включением, но двухкнопочный — самый распространенный. Чтобы реализовать такое управление в табличной программе, для начала необходимо уточнить некоторые особенности двухкнопочного управления. Зеленую кнопку будем называть «Пуск», красную — «Стоп». Кратковременное нажатие на кнопку «Пуск» должно включить оборудование. Причем включение произойдет сразу же, в момент нажатия на кнопку. Возможный вариант включения в момент отпускания кнопки, или по заднему фронту, пока рассматривать не будем. Аналогично и кнопка «Стоп» отключит оборудование в момент ее нажатия.
Для обеспечения безопасной эксплуатации оборудования требуется, чтобы кнопки управления обеспечивали отключение при первой необходимости. Поэтому кнопка «Стоп» имеет приоритет над кнопкой «Пуск». Так же и в электрических схемах в целях безопасности предусматривается контроль состояния кнопки «Стоп» и подключающей ее линии. Многие производители кнопок выпускают зеленые кнопки с нормально открытым контактом, а красные кнопки — с нормально замкнутым контактом. Такое решение применяется для того, чтобы обрыв в цепи красной кнопки «Стоп» был равнозначен ее нажатию и удержанию. В этом случае кнопка «Пуск» блокируется и, следовательно, эксплуатация оборудования невозможна.
На рис. 56 показаны четыре состояния программы, использующей кнопки «Пуск» и «Стоп». Так как кнопка «Стоп» имеет нормально замкнутый контакт, то значение соответствующей ей переменной с адресом 3 инвертируется. Теперь нажатие на кнопки «Пуск» и «Стоп» одинаково активирует соответствующие этим кнопкам активные триггерные ячейки — «R» для кнопки «Пуск» и «S» для кнопки «Стоп». Причем кнопка «Стоп» имеет приоритет. Если обе кнопки будут нажаты одновременно, то это будет равнозначно нажатию кнопки «Стоп». Программа пересчета таблицы обрабатывает строки сверху вниз. При нажатой кнопке «Пуск» будет установлена активная триггерная ячейка в строке 2, но она не повлияет на результат, так как состояние «R» ячейки первого столбца будет определяться триггерной ячейкой в строке 3, состояние которой зависит от кнопки «Стоп».
После подачи питания на контроллер и до тех пор, пока кнопки не были нажаты, ячейка «RS» в первом столбце будет в состоянии «единица», логическое И по столбцу тоже даст единицу (рис. 56, таблица «а»). Чтобы выходная переменная «Включить» с адресом 11 при первом пересчете таблицы после загрузки была равна нолю, используется выходная операция NOT, которая инвертирует результат логического И по столбцу.
При нажатии на кнопку «Пуск» ячейка «RS» в первом столбце будет сброшена в ноль и логическое И по столбцу станет равным нолю. Операция инверсии переведет выходную переменную «Включить» в единицу (рис. 56, «б»). После отпускания кнопки «Пуск» ячейка «RS» в первом столбце останется в сброшенном состоянии, при этом переменная «Включить» будет равна единице (рис. 56, «в»). Нажатие на кнопку «Стоп» установит ячейку «RS» в единицу, а операция инверсии переведет выходную переменную «Включить» в ноль (рис. 56, «г»). После отпускания кнопки «Стоп» состояние программы будет таким, как показано в таблице «а» на рис. 56.
Показанная несложная программа двухкнопочного управления разобрана довольно подробно для того, чтобы показать влияние начальных условий на работу блоков программ, использующих триггерные ячейки. Так как после включения контроллера при первом проходе программы пересчета таблицы ячейки «RS» в столбцах имеют значение «единица», то при отсутствии активных ячеек, обозначаемых символом «&», состояние выходной переменной будет определяться только активными ячейками «R» и «S». Первое изменение ячейки «RS» произойдет только после того, как станет единицей значение в строке с триггерной ячейкой «R».
На рис. 57 представлена программа, использующая кнопки «Пуск» и «Стоп», в которой при нажатии на кнопку «Пуск» выходная переменная «Включить» становится равной единице не сразу, а только через полсекунды. Если время нажатого состояния кнопки «Пуск» будет меньше полусекунды, то переменная «Включить» останется в ноле.
4.4. Реверсивное управление
Программируемые логические контроллеры применяются для управления различными исполнительными устройствами, среди которых наиболее распространенными являются электрические двигатели. Помимо простых операций включения и выключения двигателей, контроллеры производят и реверсивное управление электродвигателями, приводящими в движение разные механизмы. Обычно для реверсивного управления трехфазным двигателем применяется схема, состоящая из двух трехфазных контакторов, один из которых подключает двигатель напрямую, а другой меняет очередность фаз, подключаемых к двигателю. Во время работы реверсивные контакторы включаются по одному в зависимости от необходимого направления вращения двигателя. При таком подключении требуется предусмотреть защиту от одновременного включения реверсивных контакторов.
Управление пуском двигателя в нужную сторону и защиту от одновременного включения реверсивных контакторов можно реализовать в программе контроллера. Так как при одновременном включении реверсивных контакторов произойдет короткое межфазное замыкание, то дополнительно к программной защите необходимо предусмотреть защиту от одновременного включения контакторов в электрической схеме. Пример программы реверсивного управления двигателем показан на рис. 58. Строки 2 и 3 программы служат для включения реверсивных контакторов, подающих питание на двигатель, а строки 5 и 6 блокируют возможность одновременного включения двух контакторов. При возникновении ситуации, при которой одновременно могут быть поданы два сигнала — «пуск влево» и «пуск вправо», — программа отключит оба контактора. Это отличается от блокировок, применяемых в электрических схемах, где первый включенный контактор блокирует включение другого и будет выключен только снятием напряжения с его катушки.
Резкая смена направления вращения двигателя при отключении пуска в одну сторону и одновременном включении пуска в другую сторону в некоторых случаях может спровоцировать ударные механические нагрузки. Чтобы смягчить пуск при резкой смене направления вращения двигателя, введем в строки таблицы, отвечающие за блокировку включения контакторов, таймеры с задержкой включения TON. В этом случае разрешение включить противоположное направление вращения будет дано не сразу, а через некоторое время, необходимое для остановки двигателя. В примере, представленном на рис. 59, это время равно 0,5 секунды. До снятия блокировки пуска вправо осталось 0,35 секунды.
4.5. Контроль температуры
Температура различных сред, с которыми взаимодействует оборудование во время работы, а также тепловой режим важных частей оборудования должны находиться под непрерывным контролем управляющей автоматики. Даже в системах, которые при своей работе не изменяют состояния сред, соблюдение теплового режима ответственных элементов значительно продлит время безотказной работы.
Программа, контролирующая температуру, может использовать аналоговые значения температур, или дискретные сигналы превышения или снижения температуры относительно заданного значения. Соответственно, для этого могут быть задействованы как аналоговые входы контроллера, так и дискретные. Причем аналоговое значение температуры может быть получено двумя способами: в целочисленном виде при подключении аналоговых датчиков к обычным входам аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и в градусах Цельсия при подключении к специальным входам измерения температуры. Специальные входы измерения температуры тоже являются входами АЦП, но, в отличие от обычных аналоговых входов, преобразование полученных от АЦП целочисленных значений в градусы Цельсия производится программой пересчета таблицы. В этом случае в табличной ячейке состояния входа будет записана температура в градусах Цельсия, а не целочисленное значение с АЦП. Подключение температурных датчиков к обычным аналоговым входам потребует либо дополнительной обработки значений в табличной программе, либо использования в расчетах целочисленных значений от аналого-цифрового преобразователя, по которым быстро определить реальное значение температуры достаточно сложно. При любом из этих решений табличная программа потеряет прозрачность, что, в свою очередь, усложнит дальнейшее обслуживание и ремонт оборудования. Использование простых аналоговых входов для измерения температуры — это возможное, но не лучшее решение.
При необходимости контролировать пороговые значения температуры наиболее простым способом будет использование дискретных датчиков, настроенных на определенную температуру. В отличие от тепловых реле с биметаллической пластиной и гистерезисом в 7 °C и более, датчики температуры имеют гистерезис около 1 °C. Для их подключения используются обычные дискретные входы контроллера. Чтобы однозначно зафиксировать превышение порогового значения, можно добавить таймер с задержкой на включение. Если датчик будет находиться во включенном состоянии больше установленного времени, то результат запишется в активные ячейки.
Пример программы, включающей вентилятор охлаждения при срабатывании дискретного температурного датчика, показан в таблице «а» на рис. 60. В момент срабатывания датчика температуры начинается отсчет времени таймеров TON в строке 2 и TOF в строке 3. Если датчик температуры остается включенным больше 5 секунд, то включается вентилятор охлаждения. Если работающий в течение 20 секунд вентилятор не смог понизить температуру, то выходной сигнал «разрешение работы» переходит в ноль. Для того чтобы вентилятор не выключался сразу же после отключения датчика температуры, а продолжал работать еще некоторое время, можно использовать триггерные ячейки. Такой вариант программы показан в таблице «б» на рис. 60. В этом случае управление вентилятором осуществляется ячейками «S» и «R». При срабатывании датчика температуры, как и в предыдущем случае, начинается отсчет времени таймеров. Через 5 секунд при включенном датчике активная триггерная ячейка «S» в строке 2 запускает вентилятор охлаждения. Если в предыдущем случае при выключении реле температуры вентилятор отключался сразу, то здесь после отключения реле вентилятор будет работать еще 15 секунд. Такая задержка будет сформирована таймером TON в строке 4 (рис. 60, «б»).
Пример использования простых аналоговых входов для измерения температуры показан на рис. 61. Независимо от типа аналогового датчика измеряемая температура может быть преобразована в электрический сигнал, напряжение которого будет функцией от температуры, измеряемой датчиком. Напряжение с датчика температуры поступает на аналоговый вход контроллера. Аналого-цифровой преобразователь, подключенный к этому входу, преобразует измеряемое напряжение в целочисленное значение, разрядность которого будет определяться разрядностью АЦП. К примеру, если разрядность АЦП — 12 бит, то минимальное получаемое значение будет ноль, а максимальное — 4095. Опытным путем или с помощью таблиц и вычислений мы можем найти, какие значения, получаемые с АЦП, соответствуют интересующим нас температурам.
Рассмотрим пример, приведенный на рис. 61, в котором при температуре выше 30,5 °C (измеряется датчиком) должен включиться вентилятор, а при температуре ниже 15,2 °C должен включиться подогрев. Опытным путем составляем таблицу зависимости цифрового значения, получаемого с АЦП, от измеряемой температуры. Пока нас интересуют два цифровых значения, которые соответствуют 15 °C и 30 °C. Допустим, это 1693 и 2091. Используя операции сравнения, включаем либо подогрев, либо вентиляцию.
Программа проста, понятна и не требует специальных входов для измерения температуры. Но при эксплуатации, настройке или ремонте оборудования довольно сложно интерпретировать такие показания датчика температуры. На рис. 61 полученное с АЦП значение равно 1569. Сложно определить, какой температуре оно соответствует. Можно только сделать вывод, что температура ниже 15,2 °C. Реализовать в табличной программе алгоритм пересчета значений с АЦП в температуру в градусах Цельсия нецелесообразно, это усложнит общий алгоритм управления и сделает его трудным для понимания. Поэтому предпочтительнее использовать для измерения температуры специальные аналоговые входы.
На рис. 62 показана программа, в которой сигнал с датчика температуры приходит на аналоговый вход измерения температуры. Теперь вместо значения, получаемого с АЦП, в таблице представлена текущая температура, измеряемая датчиком, в привычных градусах Цельсия. Помимо удобного представления текущей температуры, теперь довольно просто производить настройку граничных значений в градусах.
4.6. Аналоговый джойстик
Для оперативного ручного управления различными механизмами, имеющими электрические приводы, часто используют качающуюся ручку управления, при смещении которой относительно центрального положения производится какое-либо действие. Наиболее распространенное название таких ручек управления — джойстик. Для того чтобы в зависимости от величины смещения ручки изменялась, например, скорость перемещения управляемого объекта, конструкцией джойстика предусмотрено изменение электрического сигнала на его выходе пропорционально отклонению ручки от центрального положения.
В настоящее время выпускаются джойстики по самым различным технологиям, но мы рассмотрим способ, при котором изменение положения ручки джойстика приводит к изменению напряжения на его выходе. Наиболее простая реализация этого способа заключается в использовании в качестве датчика отклонения переменного резистора, когда отклонение ручки джойстика будет приводить к повороту оси переменного резистора. Если на неподвижные выводы переменного резистора подать опорное напряжение, то с подвижного вывода можно снимать напряжение, которое будет пропорционально углу отклонения. Подав напряжение с выхода джойстика на аналоговый вход контроллера, можно получать цифровое значение, пропорциональное углу отклонения ручки джойстика.
На рис. 63 показан пример программы управления с помощью аналогового джойстика скоростью вращения электрического двигателя, подключенного к преобразователю частоты (ПЧ). Выходное напряжение с джойстика поступает на аналоговый вход контроллера, преобразуется в цифровое значение, которое присваивается переменной с адресом 101. Так как в центральном положении джойстика переменный резистор будет установлен в среднее положение, то напряжение на входе АЦП будет равно примерно половине опорного. По мере отклонения ручки джойстика влево напряжение будет увеличиваться от половины опорного напряжения вплоть до опорного напряжения в крайнем левом положении ручки. При отклонении ручки джойстика вправо напряжение на входе АЦП станет падать и в крайнем правом положении ручки будет равно нолю. Обработка сигнала с джойстика в программе на рис. 63 разделена на несколько блоков.
Поделиться книгой: