Старооскольский технологический институт

(филиал) Федерального государственного образовательного

учреждения высшего профессионального образования

«Государственный технологический университет

«Московский институт стали и сплавов»

Кафедра АиПЭ

Д.А. Полещенко, Кривоносов В.А.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ

методические указания

к выполнению лабораторных работ

для студентов специальностей

220301 – «Автоматизация технологических процессов и производств»,

230201 – «Информационные системы и технологии»,

140604 – «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов»,

230102 – «Автоматизированные системы обработки информации и управления»

(очная форма обучения)

Одобрено редакционно-издательским советом

Старый Оскол

2008

УДК 519.7

ББК 6*3,1

Рецензент: декан ФАИТ, зав. каф. АиПЭ, профессор, д.т.н. Еременко Ю.И.

Полещенко Д.А., Кривоносов В.А. Автоматизация технологических процессов и производств. Методические указания к выполнению лабораторных работ. Старый Оскол, СТИ МИСиС, 2008. – 60 с.

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Автоматизация технологических процессов и производств» для студентов специальностей: 220301 – «Автоматизация технологических процессов и производств», 230201 – «Информационные системы и технологии», 140604 – «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», 230102 – «Автоматизированные системы обработки информации и управления», очной формы обучения.

 Полещенко Д.А., Кривоносов В.А.

 СТИ МИСиС

Содержание

Предисловие

Автоматизация технологических процессов и производств является одним из основных направлений повышения эффективности, экологической безопасности, безаварийности производств. Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) обеспечивают снижение удельных затрат сырья и энергии, повышение ресурса технологического оборудования за счет оптимизации производственных режимов, предупреждения аварийных ситуаций, рациональной загрузки агрегатов.

Современные АСУ ТП являются распределенными, иерархическими системами управления. Основой таких АСУ ТП служат микропроцессорные устройства, осуществляющие сбор и обработку информации на нижних уровнях иерархии управления, а также рабочие станции с установленными на них SCADA системами на верхних уровнях.

Лабораторный практикум по дисциплине «Автоматизация технологических процессов» включает цикл работ по построению системы автоматизированного управления температурным режимом в электрической нагревательной печи на основе промышленных микропроцессорных контроллеров.

В процессе выполнения лабораторной работы №1 студенты осваивают все базовые процедуры и операции по подготовке к работе и программированию контроллера Simatic S7-300. В лабораторной работе №2 производится ознакомление с интеграцией контроллера Simatic S7-300 со SCADA системой PROTOOL. В работе №3 студенты обучаются программировать базовые инструкции STEP 7 и знакомятся с функционированием таймеров на примере реализации широтно-импульсной модуляции аналогового сигнала. В лабораторной работе №4 производится экспериментальное исследование и построение математической модели объекта управления. В работе №5 определяются оптимальные параметры
ПИ-регулятора. В работе №6 осуществляется построение и экспериментальная проверка качества функционирования системы управления температурным режимом на основе контроллера Simatic S7-300.

По каждой из лабораторных работ студенты оформляют индивидуальные отчеты. В процессе защиты отчета студент должен ответить на вопросы и выполнить практическое задание.

Лабораторная работа №1

Ввод аналоговых сигналов в Simatic S7-300

1.1 Цель работы: получить навык ввода и калибровки аналогового сигнала в контроллер Simatic S7-300.

1.2 Теоретическое введение

Программируемый контроллер SIMATIC S7-300

Программируемый контроллер S7-300 имеет модульное построение. Модули, из которых он состоит, могут быть центральными (расположенными рядом с CPU) или распределенными (расположенными рядом с объектом управления) без обязательных специальных установок или назначений параметров.

S7-300 включает в себя следующие компоненты:

• Стойки (Racks) – служат для размещения модулей и соединения их между собой;

• Электропитание (Power Supply, PS) – обеспечивает подачу электроэнергии к внутренним устройствам;

• Центральное процессорное устройство (Central Processing Unit, CPU) – хранит и обрабатывает программу пользователя;

• Интерфейсные модули (Interface Modules, IM) – соединяют стойку с другой стойкой;

• Сигнальные модули (Signal Modules, SM) – адаптируют системные сигналы к внутреннему уровню сигнала или управляют приводами посредством цифровых или аналоговых сигналов;

• Функциональные модули (Function Modules, FM) – выполняют сложную или критичную по времени обработку независимо от CPU;

• Коммуникационные процессоры (Communications Processors, CP) – устанавливают соединения со вспомогательными сетями (подсетями);

• Подсети (Subnets) – соединяют программируемые контроллеры друг с другом и с другими устройствами.

Области памяти CPU

В системах SIMATIC S7 распределенный вход/выход (I/O) является интегрированной частью системы. CPU с его различными областями памяти формирует аппаратную основу для обработки пользовательских программ.

Пользовательская память

На рис. 1 показаны области памяти CPU, важные для программы. Сама пользовательская программа находится в двух областях, которые называются загрузочная память и рабочая память.

Загрузочная память может быть интегрированной в CPU или подключаемой (plugin) картой памяти. Вся программа пользователя, включая конфигурационные данные, располагается в загрузочной памяти.

Рабочая память представляет собой высокоскоростную RAM полностью встроенную в CPU. Рабочая память содержит связанные части пользовательской программы; в основном это программный код и пользовательские данные.

Рис. 1.1 Области памяти CPU

Программирующее устройство (программатор) переносит всю программу, включая данные конфигурации, в загрузочную память. Затем операционная система CPU копирует программный код и пользовательские данные в рабочую память. При обратной загрузке программы в программирующее устройство выбранные из загрузочной памяти блоки дополняются текущими значениями адресов данных из рабочей памяти.

Если загрузочная память состоит из RAM, для хранения программы пользователя требуется резервная батарея. Там, где загрузочная память реализована как интегрированная EEPROM или подключаемая карта флэш-памяти EPROM, CPU может работать без резервной батареи.

В состав загрузочной памяти CPU 3ххIFM входят RAM- и EEPROM-компоненты. Программа перемещается и тестируется в памяти RAM, а затем посредством команды меню протестированная программа может храниться в интегральной (встроенной) памяти EEPROM, защищенной от сбоев питания.

CPU S7-300 (за исключением CPU 318) снабжены встроенной загрузочной памятью RAM, способной хранить всю программу. Карту флэш-памяти EPROM можно использовать в качестве носителя данных или защищенной от сбоев электропитания среды хранения для программы пользователя.

В S7-300 текущие значения частей пользовательской памяти (блоки данных – data blocks) и системной памяти (память меркеров, таймеры и счетчики) могут храниться на энергонезависимом элементе памяти. Таким образом, можно сохранить и обезопасить данные в случае сбоя питания без резервного источника питания.

Системная память

Системная память (system memory) содержит адреса (переменные), к которым обращаются в программе. Адреса объединены в области (области адресов), которые содержат определяемое центральным процессорным устройством количество адресов. Адреса могут быть, к примеру, входами, используемыми для сканирования сигнального состояния переключателей мгновенного контакта (кнопок) и переключателей ограничения (конечных выключателей), и выходами, которые можно задействовать для управления контакторами и лампами.

Системная память CPU содержит следующие области адресов:

• Входы (Inputs, I) – являются образом («образом процесса») модулей цифрового входа.

• Выходы (Outputs, Q) – являются образом («образом процесса») модулей цифрового выхода.

• Память меркеров (Bit memory, M) – хранит информацию, доступную всей программе.

• Таймеры (Timers, T) – это ячейки памяти, используемые для реализации интервалов ожидания и мониторинга.

• Счетчики (Counters, C) – это организуемые на программном уровне ячейки памяти, используемые для ведения счета по возрастанию и убыванию.

• Временные локальные данные (Temporary local data, L). Ячейки памяти, используемые в качестве динамических промежуточных буферов во время обработки блоков. Временные локальные данные расположены в L-стеке, которые динамически используются CPU во время выполнения программы.

Различают бинарные (дискретные) и аналоговые сигналы.

Бинарные (дискретные) сигналы

Бинарный сигнал (binary signal) содержит один бит информации. Примерами дискретных сигналов являются входные сигналы от конечных выключателей, переключателей мгновенного контакта и т.п., которые поступают на цифровые входные модули, и выходные сигналы, которые управляют лампами, контакторами и т.п. через цифровые выходные модули.

Аналоговые сигналы

Аналоговый сигнал (analog signal) содержит 16 бит информации. Аналоговый сигнал соответствует «каналу», который отображается в контроллере в виде машинного слова (word), то есть двух байт. Аналоговые входные сигналы (например, напряжения от терморезисторов) поступают в аналоговые входные модули, оцифровываются и после этого становятся доступными для обработки в контроллере в виде 16-разрядного сигнала (16 информационных битов). С другой стороны, 16-разрядный сигнал может управлять аналоговым индикатором посредством аналогового выходного модуля, где информация преобразовывается в аналоговую величину (например, ток).