Введение
Довольно часто при разработке автоматических систем управления возникает необходимость дополнить управляющий контроллер одним или двумя недостающими портами ввода-вывода. При этом нецелесообразно дополнять контроллер дорогим многопортовым модулем расширения.
Кроме того, иногда возникает необходимость добавить в систему управления вынесенный на некоторое расстояние порт ввода-вывода для чтения показаний датчика или коммутации питания агрегата.
В обоих случаях на выручку придёт недорогой локальный контроллер с одним или двумя портами ввода-вывода, подключаемый по полевому интерфейсу RS-485 и обеспечивающий связь на расстоянии до 1200 метров.
Описание линейки подобных локальных микроконтроллеров приведено ниже.
Локальные микроконтроллеры
Представленная здесь линейка локальных микроконтроллеров имеет в своём наборе четыре типа устройств, отличающихся типом портов ввода-вывода. Для упрощения здесь будут использованы следующие сокращения названий для портов ввода и вывода: AI – аналоговый вход, AO – аналоговый выход, DI – цифровой вход, DO – цифровой выход. Локальные микроконтроллеры, производимые отечественной компанией АМС-МЗМО [3], имеют сокращённые названия ЛМК5, ЛМК6, ЛМК7 и ЛМК8. Все локальные микроконтроллеры конструктивно выполнены в пластиковом корпусе, имеющем габаритные размеры 44×47×28 мм, с элементом крепления для установки на DIN-рейку. Внешний вид одного ЛМК приведён на рис. 1.
Все типы ЛМК имеют встроенный интерфейс RS-485 и поддерживают протокол Modbus RTU на скорости от 9600 до 115 200 Бод. Также ЛМК имеют встроенный индикатор жёлтого цвета с обозначением «Передача» для контроля подключения питания и индикации активности обмена данными по интерфейсу RS-485. При подаче питания каждый ЛМК формирует от одной до пяти вспышек индикатора «Передача», которые сигнализируют о скорости связи от 9600 до 115 200 Бод, соответственно.
Подключение любого ЛМК к интерфейсу RS-485 и источнику питания производится через один из разъёмов RJ-45. Второй разъём RJ-45 является транзитным и обеспечивает удобное последовательное подключение следующего ЛМК. Для обеспечения связи и питания используется стандартный сетевой кабель UTP, имеющий 4 витые пары проводов. Одна пара используется для подключения сигнальных цепей «A» и «B», а остальные провода используются для подключения источника питания постоянного напряжения +12 вольт. Назначение контактов розетки разъёма RJ-45 ЛМК следующее: 1, 2, 3 – «GND», 4 – «В», 5 – «А», 6, 7, 8 – «+12V».
С противоположной стороны ЛМК подключается порт ввода-вывода через контакты клеммника. В зависимости от типа ЛМК порт может быть входным или выходным.
Тип входных портов AI и выходных портов AO определяется установкой перемычек на плате ЛМК. Входные порты могут использоваться для измерения напряжения от 0 до 10 В, тока от 0 до 20 мА или сопротивления от 0 до 10 кОм, а входные порты могут формировать выходное напряжение от 0 до 10 В или ток от 0 до 20 мА. Максимальному значению входного сигнала AI и выходного сигнала АО соответствует цифровое значение 1023 благодаря применённым в ЛМК 10-разрядным АЦП и ЦАП.
На рис. 2 и рис. 3 приведено назначение перемычек для настройки выходного порта AO ЛМК6 и назначение перемычек для настройки входных портов AI ЛМК8.
В таблице приведены адреса регистров Modbus и краткие технические характеристики портов для всех типов ЛМК.
Чтение регистров входных портов поддерживается функцией 0x3, а запись в регистры выходных портов поддерживается функцией 0x10 Modbus RTU.
Скорость обмена по интерфейсу RS-485 для всех ЛМК по умолчанию составляет 9600 бод. Формат данных: 8 бит, 1 стоп-бит, без паритета.
Смена адреса ЛМК осуществляется функцией 0x6 Modbus RTU путём записи нового значения адреса модуля в регистр с адресом 9999.
Выходным элементом ЛМК5 служит твердотельное реле PVT312, которое позволяет коммутировать нагрузку 250 В 190 мА постоянного/переменного тока. ЛМК5 способен формировать статический выходной сигнал или сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Выходным элементом ЛМК7 является электромеханическое реле TRD-5VDC-SC-CL, позволяющее коммутировать нагрузку 6 A / 250 В переменного тока или 12 А / 28 В постоянного тока.
ЛМК8 имеет два универсальных входных порта AI1 и AI2, способных измерять напряжение, ток и сопротивление. В режиме измерения сопротивления эти порты можно использовать как дискретные входы DI1 и DI2.
Проект
Приведённый здесь проект, разработанный автором статьи, демонстрирует подключение всех типов ЛМК к управляющему контроллеру. В качестве управляющего контроллера выбран производительный контроллер SMH5 компании Segnetics [1], имеющий большой объём памяти, встроенный цветной графический сенсорный дисплей и современные коммуникационные порты. Внешний вид этого контроллера представлен на рис. 4.
Ознакомительная информация о контроллере приведена в источнике [2]. Данный контроллер имеет несколько портов дискретных входов и выходов, но не имеет аналоговых портов ввода и вывода, поэтому к нему невозможно подключить, например, датчики для измерения параметров и устройства плавного регулирования. Но эта задача легко решается после подключения к контроллеру ЛМК нужного типа, например, ЛМК8 с входными портами AI1, AI2 и ЛМК6 с выходным портом AO.
Подключение производится c помощью интерфейса RS-485, используя программный протокол Modbus RTU. Простую предварительную проверку работоспособности ЛМК легко выполнить с помощью любого компьютера, подключив к нему ЛМК через преобразователь USB-RS-485 и запустив на компьютере программу Modbus Poll. Внешний вид программного окна для проверки всех типов ЛМК приведён на рис. 5.
Для детализации данных в процессе обмена между компьютером и ЛМК по протоколу Modbus RTU в программе Modbus Poll имеется вкладка Display→Communication Traffic. С её помощью можно легко отыскать проблему нарушения связи. Внешний вид окна Communication Traffic приведён на рис. 6.
Для сопряжения контроллера SMH5 с ЛМК была разработана специальная программа на языке функциональных блоков FBD в среде разработки SMLogix [4]. Данная среда свободно предоставляется компанией производителей контроллеров SMH5. Знакомство с данной средой разработки приведено в источнике [5]. Внешний вид среды разработки с программой проекта представлен на рис. 7.
Интерфейс программы разработан с помощью встроенного в среду разработки программного инструмента SMArt и представлен на рис. 8.
Интерфейс состоит из нескольких окон, на которых располагаются графические элементы, программные органы управления и индикации, а также справочные тексты. Внешний вид главного окна программы представлен на рис. 9.
Это окно содержит графические элементы меню для справки, настройки времени и отображения портов подключённых контроллеров. Окно портов ввода-вывода приведено на рис. 10.
В этом окне можно наблюдать за изменением значений входных портов и задавать произвольные значения для выходных портов подключённого ЛМК. Перед номерами ЛМК имеются цветные значки, показывающие состояние связи. Красный цвет значка означает отсутствие связи, а зелёный цвет – нормальное соединение.
Количество подключаемых ЛМК с портами ввода-вывода определяется требованиями разрабатываемой системы управления.
Диспетчеризация проекта
Поскольку контроллер SMH5 имеет необходимые свободные интерфейсы RS-485 и Ethernet, с их помощью можно легко организовать диспетчеризацию системы управления. В приведённом проекте уже заложены регистры с картой памяти, которые позволяют дистанционно собирать информацию о состоянии всех портов контроллеров по интерфейсу RS-485 или Ethernet и отображать её на персональном компьютере. Карта памяти регистров для диспетчеризации приведена на рис. 11.
Кроме того, можно воспользоваться встроенной в контроллер функцией VNC с заводским паролем «segnetics» и получить на удалённом устройстве копию графического дисплея контроллера системы управления шлюзом.
Файл рассмотренного здесь проекта можно загрузить с сайта редакции журнала.
Заключение
Подобным образом можно дополнять портами ввода-вывода контроллеры других производителей, используя преимущества каждого контроллера в отдельности и объединяя их для создания автоматических систем управления различными объектами.
Кроме того, несколько ЛМК можно подключить через преобразователь USB-RS-485 к персональному компьютеру и использовать его для сбора данных с различных датчиков физических параметров и для управления внешними устройствами автоматики.
Литература
- URL: https://segnetics.com.
- URL: https://segnetics.com/ru/smh5.
- URL: https://www.laminar.ru/product/sistema-upravleniya-kchp/avtomatika/.
- URL: https://www.segnetics.com/ru/smlogix.
- Вальпа О. Программирование логических контроллеров // СТА. 2025. № 1. С. 18.
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!
