Файл: Микропроцессорная техника систем автоматизации. Лабораторный практикум.pdf

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Учреждение образования
«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АГРАРНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА
СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ.
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Рекомендовано Учебно-методическим объединением высших
учебных заведений Республики Беларусь по образованию в области
автоматизации технологических процессов, производств
и управления в качестве учебно-методического пособия
для студентов учреждений высшего образования по специальности
1-53 01 01-09 Автоматизация технологических процессов
и производств (сельское хозяйство)
Минск
БГАТУ
2017

2
УДК 681.51(07)
ББК 32.966я7
М59
Составители: доктор технических наук, доцент И. И. Гируцкий,
кандидат технических наук, доцент А. Г. Сеньков
Рецензенты: кафедра проектирования информационно-компьютерных систем
Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», заведующий кафедрой кандидат технических наук, доцент И. Н. Цырельчук; заведующий лабораторией РУП «НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства» кандидат технических наук, доцент В. В. Чумаков
М59
Микропроцессорная техника систем автоматизации. Лабораторный практикум : учебно-методическое пособие / сост.: И. И. Гируцкий,
А. Г. Сеньков. – Минск : БГАТУ, 2017. – 136 с.
ISBN 978-985-519-883-4.
Содержится учебно-методический материал для выполнения лабораторных и практическихработ по дисциплине«Микропроцессорная техника систем автоматизации».
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности
1-53 01 01-09 Автоматизация технологических процессов и производств
(сельское хозяйство).
УДК 681.51(07)
ББК 32.966я7
ISBN 978-985-519-883-4
© БГАТУ, 2017

3
СОДЕРЖАНИЕ
Введение........................................................................................
5
Лабораторное оборудование.......................................................
6
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.
Система программирования TIA Portal V13. Создание проекта.
16
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.
Основы алгоритмического языка STRUCTURED CONTROL
LANGUAGE. Структура программы. Понятие переменной. основные операторы.....................................................................
24
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.
Разработка программного обеспечения с реализацией стандартных функций таймера....................................................
40
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4.
Разработка программы ПЛК с реализацией стандартных функций счетчика.........................................................................
47
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5.
Разработка программы ПЛК с реализацией функций обработки данных о времени и дате..........................................
55
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6.
Средства визуализации человеко-машинного интерфейса.
Организация цифровых полей ввода/вывода на дисплее панели...
64
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7.
Разработка программы ПЛК к с реализацией широтно- импульсной модуляции выходного управляющего сигнала..
70
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8.
Изучение принципов обработки прерываний в ПЛК................
77
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9.
Разработка программы ПЛК с реализацией функции счета быстрых импульсов......................................................................
85
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10.
Изучение сложных типов данных. Массивы. Цифровой ввод данных с панели человеко-машинного интерфейса..................
93
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11.
Изучение методов отладки программ ПЛК..............................
99 99

4
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12.
Организация локальной сети и обмен данными между контроллерами..............................................................................
104
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13.
Разработка программы управления технологическим процессом с использованием программной реализации
ПИД-регулятора............................................................................ 118
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14.
Организация обмена данными с SCADA системой на основе протокола OPC.............................................................................. 121
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 15.
Микропроцессорная система управления технологическим процессом приготовления жидких кормов на свиноводческом комплексе.......................... 125
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 16.
Микропроцессорная система управления технологическим процессом раздачи жидких кормов на свиноводческом комплексе....................................................................................... 131
Список литературы....................................................................... 135

5
ВВЕДЕНИЕ
Современное агропромышленное, и, особенно, сельскохозяйст- венное производство нуждаются в высокоэффективных системах управления технологическими процессами. Отсутствие надежных и функционально достаточных систем управления технологическими и производственными процессами в сельскохозяйственном произ- водстве приводит к существенному невыполнению агротребований и, как следствие, значительному перерасходу кормов и энергии на единицу продукции. Эффективным инструментом решения этой проблемы должны стать автоматизация и компьютеризация.
Надежность, адаптивность (гибкость), возможность обеспечения со- гласованного управления разнородными технологическими объектами и построения распределенных многоуровневых систем управления – основные требования, предъявляемые к современным системам управ- ления. Наиболее полно этим требованиям отвечают системы управле- ния, построенные на базе микропроцессорной техники.
Удовлетворение потребности производства в современных тех- нологиях управления может осуществляться двумя путями. Наибо- лее простым является использование достижений передовых за- падных технологий «под ключ». Однако при этом мы будем фи- нансировать и развивать научный и интеллектуальный потенциал и без того развитых стран. Более сложным, но и более перспектив- ным является развитие собственного научного потенциала.
Поэтому в настоящее время является актуальной подготовка специалистов в области микропроцессорных систем управления технологическими процессами. Учебная программа обучения на- правлена на выработку у студентов методологических основ по- строения современных микропроцессорных систем управления, та- ких как децентрализованность, многоуровневость, открытость, унифицированность программно-технических средств, экономиче- ская и социальная эффективность.
Основой специализированных стендов, на использование кото- рых сориентирован цикл лабораторных работ, является микропро- цессорный контроллер общепромышленного применения типа
Simens S7-1200. Выполнение лабораторных работ позволит студен- ту освоить не только программно-технические средства автомати- зации технологических процессов, но и получить навыки разработ- ки и отладки микропроцессорных систем управления реальными технологическими процессами агропромышленного комплекса.

6
ЛАБОРАТОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Цикл лабораторных работ по курсу «Микропроцессорная техника систем автоматизации» проводится на базе специализированного класса, включающего 6 рабочих мест (рис. 1).
Рис. 1. Общий вид учебного класса
На стенде реализована конфигурация, включающая в себя ПЛК
Simatic S7-1200, компьютер с установленной на нем средой про- граммирования и конфигурирования аппаратных средств, комму- тационное оборудование с использованием сетевых интерфейсов
Profibus и Industrial Ethernet, блоки ввода/вывода дискретных и аналоговых электрических сигналов для имитации технологическо- го процесса. Так же на стенде представлена сенсорная панель опе- ратора KTP700 Basic Color PN – устройство ввода и отображения информации.
В качестве программатора используется ПЭВМ с лицензионной системой программирования TIA (Totally Integrated Automation)
Portal (V13).
Программируемый логический контроллер Simatic S7-1200
(рис. 2) объединяет в компактном корпусе микропроцессор, встро- енный блок питания, входные и выходные цепи. ПЛК серии S7-
1200 имеют модульную конструкцию. Т.е. к центральному процессору (ЦПУ) ПЛК S7-1200 при необходимости увеличения числа обрабатываемых информационных сигналов могут быть подключены коммуникационные модули (СМ), сигнальные модули
(SM) и сигнальные платы (SB) ввода/вывода дискретных и аналоговых сигналов (табл. 1).
а
б

7
Рис. 2. Внешний вид ПЛК Simatic S7-1200: 1 – разъем питания;
2 – съемный клеммный блок для подключения пользователя (за дверцами); гнездо для карты памяти (под верхней дверцей); 3 – светодиоды состояния для встроенных входов/выходов; 4 – разъем PROFINET
Таблица 1
Технические характеристики ПЛК Simatic S7-1200
Напряжение питания
+24 В постоянного тока
Встроенная загружаемая память
2 МБ
Встроенная рабочая память
50 КБ
Энергонезависимая память для сохранения данных при перебоях в питании
2 КБ
Битовая память (М)
8192 байта
ПИД-регулирование
Поддержка 16 контуров
Скоростные счетчики
3
´100 кГц + 3´30 кГц
Импульсные выходы
2
´100 кГц
Встроенные аппаратные часы реального времени
Запас хода без подключения питания – 240 часов
Интерфейс Ethernet
1xRJ45, 10/100 Мбит/с

8
Окончание таблицы 1
Встроенные входы и выходы
2 аналоговых входа
0 .. 10 В/10 бит
14 цифровых входов, 24 В
10 цифровых выходов, 24 В/0.5А на основе транзисторных ключей
Количество каналов системы локального ввода/вывода:
§
каналов ввода/вывода дискретных сигналов, не более:
144/140
§
каналов ввода/вывода аналоговых сигналов, не более:
34/17
Для того чтобы обеспечить поступление информации о состоянии объекта управления, необходимо подключить различные датчики параметров технологических процессов к входам контроллера. С точки зрения схем подключения, датчики можно разделить на датчики с унифицированным выходом и специализированные. Унифицированные выходы включают три типа: выход типа «ключ»; непрерывный, с информационным сигналом в виде тока, напряжения или частоты импульсов; сетевые, когда для передачи данных используются протоколы локальных вычислительных сетей. Если датчик не имеет унифицированного выхода, как, например, термометр сопротивления металлический ТСП, то необходимо наличие специализированных входных модулей в составе контроллера.
Широко распространены датчики с выходом типа «ключ», т. е. имеющие два состояния: технологический параметр достиг заданного значения или нет. В качестве примера можно привести датчики конечного положения с выходом в виде механического контакта или транзисторного ключа. Такие датчики называют бинарными или дискретными. Схемы подключения датчиков и исполнительных механизмов к программируемым контроллерам унифицированы. Дискретные входы (discreet input, DI), как правило, рассчитаны на напряжение 24 В и потребляют ток в диапазоне 4..10 mA (рис. 3).

9
Рис. 3. Схема подключения внешних устройств к входам и выходам контроллера
При замыкании контакта напряжение 24 В поступает на дискретный вход контроллера, например DIa.0. В этом случае операционная система контроллера записывает в соответствующую однобитовую ячейку памяти входов состояние входа DIa.0 как логическую 1 (TRUE), при размыкании контакта и отсутствии напряжения на входе – записывается состояние логический 0
(FALSE). Такие типы сигналов являются широко распространенными.
Причем, в качестве источника дискретного сигнала может выступать не только механический контакт, имеющий два состояния
«замкнут/разомкнут», но и любой электронный прибор. Таким прибором наиболее часто является транзистор в ключевом режиме.
Но обычные дискретные входы контроллеров рассчитаны на сигналы, длительность которых должна превышать время выполнения цикла прикладной программы. Цикл выполнения программы является внутренней характеристикой конкретного контроллера и может изменяться в широких диапазонах, например, 10..500 мс. Если необходимо воспринимать информацию с датчиков, имеющих высокочастотный импульсный выход, например, в диапазоне
0..2000 кГц, то используются специализированные входы контроллера, способные работать в режиме высокочастотного счетчика. Таким образом, подключение датчиков с дискретным сигналом является достаточно тривиальной задачей, не требующей глубоких знаний электроники.

10
Пользователь имеет доступ только к клеммникам контроллера, однако полезно владеть информацией о входном каскаде, который и осуществляет первичную обработку сигнала (рис. 4). Для повышения помехоустойчивости связь внешних электрических сигналов с внутренней схемой контроллера осуществляется через оптрон, выполняющий функцию гальванической развязки цепей питания внешних датчиков от цепей питания внутренних микросхем ПЛК. Наличие гальванической развязки препятствует проникновению внешних помех во внутренние электрические схемы контроллера и повышает надежность его функционирования.
Рис. 4. Типовая схема первичного каскада дискретного входа
Вывод дискретных сигналов используется для управления состоянием включено/выключено исполнительных устройств.
Устройства вывода отличаются большим многообразием. Знание структуры выходных каскадов необходимо для правильного их применения. Выходные платы также нуждаются в некотором изолирующем барьере, чтобы ограничить ущерб от возможных неисправностей на стороне объекта и исключить электрические помехи, нарушающие работу процессора (рис. 5).

11
Рис. 5. Типовая схема каскада транзисторного выхода ПЛК
На лабораторном стенде имеются модули ввода/вывода цифровых и аналоговых сигналов, предназначенные для учебной имитации подачи на контроллер внешних входных и снятия с контроллера управляющих выходных сигналов (рис. 6).
Рис. 6. Модули ввода/вывода цифровых и аналоговых сигналов
Модуль Festo 8DIn (рис. 6, а) – источник входных цифровых сигналов
– позволяет подавать на цифровые входы контроллера одновременно до
8 дискретных сигналов постоянного напряжения +24 В.

12
Модуль Festo 8DOut (рис. 6, б) – приемник выходных цифровых сигналов. Содержит 8 светодиодных индикаторов уровней выходных цифровых сигналов контроллера и позволяет передавать их на внешнюю нагрузку через соединительные разъемы.
Модуль Festo 4AIn/2AOut (рис. 6, в) – модуль ввода/вывода аналоговых сигналов. Модуль обеспечивает подачу на аналоговые входы контроллера до 4 аналоговых сигналов в диапазоне от 0 до 10 В постоянного напряжения. При переключении соответствующего тумблера в верхнее положение значение аналогового напряжения задается вращением ручки потенциометра. При переключении тумблера в нижнее положение аналоговое напряжение может быть подано от внешнего источника при подключении его через 4 мм электрический разъем. Модуль обеспечивает также отображение значений двух сигналов с аналоговых выходов контроллера в диапазоне от -10 до + 10 В постоянного напряжения с возможностью подключения нагрузки.
Значение аналогового напряжения отображается на цифровом вольтметре.
В качестве выхода аналогового сигнала контроллера на его передней стороне имеется аналоговая сигнальная плата SB 1223
AQ 1x12bit. Схема подключения нагрузки к единственному аналоговому выходу показана на рис. 7.
Рис. 7. Схема подключения нагрузки к аналоговому выходу ПЛК

13
Сенсорная панель оператора KTP700 Basic – предназначена для визуализации параметров процесса (объекта) и/или осуществления операторского управления.
Сенсорная панель оператора позволяет реализовать следующие функции человеко- машинного интерфейса:
- отображение параметров технологического процесса (или объекта) в текстовом или графическом режимах;
- управление и обработка аварийных сообщений, регистрация времени и даты возникновения аварийных сообщений;
- ручное управление с помощью функциональных кнопок или сенсорного экрана;
- построение диаграмм и трендов, отображение сводных отчетов;
- возможность программирования, графики и настройки функциональных клавиш.
Аппаратная архитектура панели устроена по подобию обычных персональных компьютеров, только вместо жесткого диска используется Flash-память.
Типовая панель состоит из следующих аппаратных компонентов: процессор; оперативная память небольшого объема; встроенная Flash-EEPROM память (ПЗУ) для хранения
ОС и накопления пользовательских данных; различные слоты расширения и интерфейсы для подключения программатора и/или сети передачи данных.
Сенсорная панель
KTP700 Basic имеет следующие характеристики:
- напряжение питания – + 24 В постоянного тока;
- разрешение экрана – 800´480 точек;
- объем доступной для хранения пользовательских данных оперативной памяти – 10 Мб;
- 1 слот для подключения устройств USB объемом до 16 Гб;
- 1 слот для сетевого подключения по стандарту
Industrial Ethernet;
- поддерживаемые протоколы передачи данных: PROFINET,
TCP/IP, DHCP, SNMP, DCP, LLDP, MODBUS.