Введение
Важную роль в автоматизации технологических процессов выполняют регуляторы, обеспечивающие поддержание заданного параметра среды с помощью исполнительных устройств. Регуляторы бывают дискретные и аналоговые. Дискретные регуляторы могут иметь два состояния выходного сигнала регулирования электрического исполнительного устройства: включённое и отключённое. Данные регуляторы применяются, например, в системах нагревателей воды, управления штоковыми приводами, линейными актуаторами и т.п. Аналоговые регуляторы имеют выходной сигнал регулирования, изменяющийся в определённом диапазоне напряжения, например, от 0 до 10 вольт. Такие регуляторы управляют вентиляторами, приводами клапанов и задвижек и т.п.
В настоящее время регуляторы проектируют на базе различных контроллеров. Часто для разработки регуляторов применяют программируемые логические контроллеры (ПЛК).
Дискретный регулятор температуры
Рассмотрим процесс создания регулятора на конкретном примере. В качестве основы регулятора выбран один из широко распространённых и недорогих ПЛК под названием Matrix отечественной компании Segnetics [1]. Данный ПЛК имеет цветной графический дисплей, кнопки управления, светодиодные индикаторы, дискретные входы DIN, релейные и оптические выходы DOUT, аналоговые входы AIN, аналоговые выходы AOUT, встроенные энергонезависимые часы с памятью, интерфейс RS-485 и System Bus. Опционально в него может быть установлен сетевой модуль интерфейса Ethernet. Модельный ряд контроллеров Matrix довольно широк и определяет состав портов и интерфейсов. Внешний вид одной из развитых моделей ПЛК Matrix представлен на рис. 1. Интерфейс System Bus позволяет подключить к ПЛК несколько модулей расширения с целью увеличения количества портов ввода-вывода.
Рассмотрим конкретный пример разработки устройства, предназначенного для автоматического регулирования температуры воды. Схема данного устройства приведена на рис. 2.
В качестве нагревательного элемента в схеме применён промышленный трубчатый электрический нагреватель (ТЭН). Его мощность выбирается в соответствии с ёмкостью бака для воды и обычно составляет от 1 до 2 кВт. С целью повышения надёжности работы системы в схеме применено твердотельное реле, которое является полупроводниковым устройством и работает в ключевом режиме. Благодаря малому сопротивлению открытого канала данного элемента на нём формируется малое падение напряжения и рассеивается в виде тепла минимальная мощность. Кроме того, включение и отключение нагрузки в этом элементе производится при переходе переменного напряжения через ноль. Это позволяет устранить возникающие при коммутации мощных нагрузок электрические возмущения, засоряющие промышленную питающую сеть.
Входной защитный автомат обесточивает схему в случае поломки системы и предотвращает возникновение пожара.
Источник питания формирует постоянное питающее напряжение 24 В для контроллера и цепей управления нагрузкой.
Включение и отключение системы производится с помощью переключателя, подключённого к дискретному входу контроллера.
Датчиком температуры воды служит промышленный, широко распространённый платиновый датчик Pt1000, погружаемый в нагреваемую воду. Этот датчик имеет широкий диапазон измерения температуры – от –40°C до +120°C. При 0°C его сопротивление составляет 1000 Ом, отсюда и сформировалось его обозначение: Pt1000.
Центральным узлом системы является программируемый логический контроллер Matrix с управляющей программой.
Программа
Для программирования ПЛК его производителем создана свободно распространяемая среда разработки SMLogix [2]. Данная среда позволяет разрабатывать программы на языке FBD, т.е. путём применения различных логических и математических блоков, соединяемых между собой связями. Достаточно подробное описание этой среды разработки и работы с ней приведено в источнике [3].
Программа предоставит оператору возможность настройки, визуального контроля работы системы и графического отображения температуры воды.
Процесс разработки начинается с обычной установки среды разработки на персональный компьютер. После установки и запуска среды разработки на экране монитора компьютера появится главное окно разработки, показанное на рис. 3.
Весь проект программы удалось разместить в одном окне. В проекте использованы компараторы, мультиплексоры, сумматоры и преобразователи данных.
Вход DIN1 подключён к мультиплексору, с помощью которого производится подключение выходного сигнала DOUT1 к схеме управления или отключения от неё. Таким образом, можно запускать или останавливать регулятор внешним переключателем.
С помощью встроенного в среду разработки конфигуратора портов SBconfigurator, вызываемого нажатием правой кнопки мыши по устройству Matrix:USB Ф Настройка Ф Ресурсы Ф AIN1, входной аналоговый порт AIN1 настраивается на подключение к нему датчика температуры Pt1000. Окно конфигуратора портов показано на рис. 4.
В результате такой настройки данные со входа AIN1 будут отображаться в программе в градусах Цельсия без дополнительных преобразований.
Данные датчика температуры поступают через входной порт AIN1 на компаратор и сравниваются с заданной в настройках температурой воды в баке. В зависимости от результата сравнения формируется выходной сигнал регулирования, подключённый через мультиплексор к выходному порту DOUT1.
Таким образом, при температуре воды меньше заданной в настройках системы нагреватель будет включаться, а при достижении заданной температуры – отключаться. В схеме также предусмотрено формирование гистерезиса температуры в 1 градус Цельсия.
Кроме того, в схему добавлено два компаратора для формирования аварийного оповещения персонала при переходе температуры воды верхней или нижней заданной границы.
Синие прямоугольники на схеме с установками, переменными и прочими данными сформированы с помощью встроенного программного инструмента SMArt на панели инструментов. Окно программного инструмента SMArt приведено на рис. 5.
Здесь создаются экраны будущего интерфейса и их наполнение. Кроме того, задаются кнопки для переходов между экранами. Главным окном в данном проекте является окно меню, на котором размещаются графические значки для остальных экранов с их названиями. Значки выбираются из готовой библиотеки среды разработки и хранятся в каталоге: C:\Program Files (x86)\SMLogix\PixelArt\ColorIcons\128pix\Ravenna.
В экран «Справка» вводится текст описания программы. На экран «Пульт» добавляются элементы текста и вывода чисел для обеспечения наблюдения за системой оператором. Экран «Настройки» заполняется энергонезависимыми уставками температуры и её границ. Экран «Время» формируется автоматически после размещения на нём готового элемента экрана «Время и дата» из самого программного инструмента SMArt. Аналогично создаётся экран «Журнал» и «График». В составе элемента графика присутствует перо, для которого задаётся диапазон рисования, например, от 0 до 100 градусов Цельсия.
Теперь окно инструмента SMArt можно закрыть или оставить открытым и переключиться на главное окно среды разработки.
После проделанных операций в закладке UI появится окно списка элементов всех экранов дисплея контроллера.
Элементы данного списка помещаются на поле схемы в виде синих прямоугольников, и к ним подключаются связи, показанные на рис. 3.
Загрузка проекта
Загрузка программы в контроллер производится непосредственно из среды разработки SMLogix через кабель связи MicroUSB, подключённый к порту USB компьютера. При этом питание контроллера осуществляется от напряжения 5 В этого же кабеля.
После загрузки программы проекта в контроллер можно приступить к проверке. Для этого необходимо нажать кнопку «Подключиться с отладкой» на панели инструментов или «F5» на клавиатуре компьютера. При этом проект автоматически транслируется в код загрузочной программы, записывается в контроллер и стартует. На экране компьютера будет отображаться состояние портов и значения сигналов, а на дисплее контроллера – главный экран «Меню».
Замыкая токопроводящей перемычкой вход DIN0 контроллера с общей цепью, можно визуально проверить его работу по изменению сигнала на экране монитора компьютера и экране «Пульт» контроллера.
В качестве выходного порта DOUT желательно использовать порт контроллера с оптроном, поскольку он имеет неограниченный ресурс для переключений. В отличие от него, порты с электромеханическими реле имеют ограничение в 100 тысяч переключений.
Для проверки входа AIN1 можно использовать резистивный потенциометр на 3 кОм, который будет имитировать датчик температуры Pt1000. Сопротивление в 1 кОм будет соответствовать температуре датчика 0°C.
Готовый файл проекта размещён на сайте журнала и может быть использован для дальнейшего развития.
Источники и ресурсы:
- URL: https://segnetics.com/ru/Matrix.
- URL: https://dl.segnetics.com/PRODUCTS/SMLogix/Version_3.35/Lite_Pack/.
- URL: https://www.cta.ru.
© СТА-ПРЕСС, 2025
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
