Часть1 (Рябов В.Т. - Комплексная разработка механических, электронных и программных компонентов ТО), страница 13

Для программирования и поддержки выполнения управляющих программ такихконтроллеров применяют специализированные объектно-ориентированные языки и среды(Genesis, Genie, QNX-Momentics и др.) и универсальные (Windows) либо специализированные(QNX/Neutrino, Linux, VxWorks и др.) операционные системы (ОС).

Достаточно подробныйобзор таких систем приведен в [1, 2, 3].Если центральный контроллер берет хотя бы часть целевых функций на себя, недопустимо ждать, когда ОС загрузится в течение минуты (и даже десяти секунд). И дело здесь не впервоначальном включении, а в том, что программные сбои из-за множества причин всегдавозможны. Ошибки оператора, сбои в питании, помехи – от этого можно защитится, но следует быть готовым к их проявлениям. Есть надежные средства обнаружения и устраненияпрограммных сбоев, но они связаны с перезагрузкой программного обеспечения.

В этом случае предпочтительнее выбирать специализированные ОС, разработанные на основе микроядра (QNX/Neutrino, Linux), когда возможно при трансляции создавать компактные программы,способные к автономной работе без поддержки полномасштабной ОС, либо, если есть возможность, полностью резидентные системы с заданной физической структурой программного обеспечения.Международный стандарт МЭК 61131-3 определяет языки разработки программногообеспечения ПЛК, на основе которых созданы инструментальные среды для их программирования, как специальные, предназначенные для конкретных типов, так и универсальные. Такфирма Siemens на основе этого стандарта поставляет специальные средства разработки ПОдля своих контроллеров Siemens LOGO, Siemens SIMATIC и Siemens PC.

Фирма 3S (SmartSoftware Solutions) поставляет универсальную среду CoDeSys, включающую редакторы дляввода программ на определенных стандартом шести языках программирования, компилято-41ры, генерирующие исполняемый машинный код и широкий набор средств отладки и сопровождения.Все языки делятся на символьные и графические.Символьные языки ориентированы как на профессиональных программистов, так испециалистов в предметных областях, знакомых с общими основами программирования.Язык IL (cписок инструкций) - низкоуровневый язык, применяемый для реализацииособо критичных по времени модулей проекта. Характеризуется высоким временем разработки и требует углубленного знания структуры контроллера; широко используется при оптимизации.

Этот язык схож с типовым ассемблером и каждый его исполняемый оператортранслируется в машинный код используемого микропроцессора или микроконтроллера.Язык ST, STL (cтруктурированный текст, язык структурированного текста). В системепрограммирования Siemens применена аббревиатура немецкого языка SCL. Из-за разных аббревиатур иногда возможна путаница, так язык Список инструкций IL на немецком обозначают также STL, поэтому далее мы будем придерживаться английских аббревиатур и всегдаприводить имя языка на русском. Структурированный текст – высокоуровневый Pascal-образный язык, наиболее широко применяющийся в настоящее время для разработки проектовПО ПЛК.

Сокращает время разработки, удобен как для реализации алгоритмов, так и сложных математических вычислений. Приведенный в начале раздела пример кванта вполне иллюстрирует этот язык.Графические языки ориентированы на специалистов в предметных областях и позволяют им свои профессиональные знания и умения применить для программирования ПЛК.Язык LD (контактно-релейные схемы) предназначен для разработчиков МП САУ,имеющих большой опыт разработки контактно-релейных систем. Программа на этом языкеизображается в виде электрической схемы, состоящей из набора цепей, состоящих из нормально разомкнутых и нормально замкнутых контактов, кнопов и катушек реле. Эти цепиподают питание на исполнительные механизмы.

Все цепи в процессе работы программы поочередно моделируются и, если состояния элементов схемы и внешние условия позволяютисполнительному механизму срабатывать, он включается. Таким образом реализуется типовое отношение условие-действие, положенное в основу управляющей программы. Вся управляющая программа разбивается на ряд шагов, описывающих отношение условие-действие,после окончания очередного действия система переходит к следующему шагу и так до завершения цикла. По своей сути программа внешне похожа на контактно-релейную схему ипри компиляции создает программный код, моделирующий работу изображенной схемы.Язык FBD (функциональные блоковые диаграммы) ориентирован на специалистов,имеющих опыт разработки принципиальных электрических схем с ипользованием логических ячеек, триггеров, таймеров и других электронных компонентов, являвшихся основойдискретной электроники в 60-е…70-е годы.

Тогда на таких элементах часто разрабатываласьвся система управления. Сейчас такие компоненты в виде интегральных схем (ИС) малой исредней степени интеграции также выпускаются, но используются в основном для периферийных цепей САУ. Программа на этом языке напоминает принципиальную электрическуюсхему на ИС.На языке SFS (последовательные функциональные схемы) программа выглядит какавтоматный граф и включает в себя события (условия перехода) и действия (состояния). Всеусловия перехода размечаются, в каждом из состояний задается список управляющих воздействий и готова программа, представляющая из себя, по сути, один последовательный процесс.

Проблема лишь в том, что описать совокупность параллельно протекающих процессовтаким образом в одной программе достаточно сложно, а подчас и невозможно. Правда, эточасто и не нужно.42Язык CFS (непрерывные функциональные диаграммы) ориентирован на специалистовв области автоматики и систем автоматического регулирования. В нем программа изображается, как ряд структурных схем систем автоматического регулирования.

Имеется возможность задавать обратные связи, элементы сравнения, законы регулирования.Языки контактно-релейных схем LD и функциональных блоковых диаграмм FBD часто бывают встроены в ПЛК малой и средней сложности, реализуя все возможности его вычислительного ядра. Больших возможностей языка программирования для таких контроллеров просто и не требуется. Таким образом, ПЛК для своего программирования не требует никаких инструментальных средств и является законченным автономным изделием.В развитых системах проектирования программного обеспечения эти языки могутсмешиваться и дополнять возможности друг друга.Вопросы к экзамену.1. Структура программного обеспечения САУ на физическом и логическом уровнях.2.

Защита программного обеспечения от сбоев в процессе работы.3. Языки программирования программируемых логических контроллеров.43Гл. 2. Электронные компоненты системавтоматического управленияТолько знание работы основных электронных компонентов позволит нам усвоить правила построения систем управления и энергообеспечения и понять, из каких предпосылокони строятся, постичь гармонию аппаратного и программного обеспечения САУ. Изучениеначнем с полупроводникового диода и закончим микроконтроллерами.

При этом физику работы компонента будем изучать лишь на том уровне, чтобы понять формирование его основных свойств. Для тех, кто хочет подробнее ознакомиться с работой и применением различных электронных компонент, рекомендуем прекрасную книгу [1].2.1. Дискретные электронные компоненты САУОсновными электронными компонентами современных САУ являются интегральныесхемы малой, большой и сверхбольшой степени интеграции (ИС, БИС, СБИС). Дискретныеэлектронные компоненты применяют в основном на периферии, в линиях связи с объектомуправления, в устройствах формирования требуемых энергетических потоков (электронныхключах) и, как вспомогательные элементы для подключения различных интегральных схем.Полупроводниковый диод.

Основу полупроводникового диода составляет p-n переход, пропускающий ток в одном направлении и не пропускающий в другом. Диод – этодвухвыводной прибор, его вольтамперная характеристика и обозначение на принципиальныхэлектрических схемах, представлены на рис. 2.1.Имеется две ветви вольтамперной характеристики,прямая, когда положительное напряжение подано навывод, помеченный знаком «+» (на р-вывод p-n перехода или анод) и обратная.На прямом участке зависимость представляетиз себя экспоненту и ток, начиная с некоторого значения Uд резко возрастает. Это напряжение называют прямым падением или «пяточкой» диода, длякремниевых диодов оно составляет около 0,6…0,7вольта.

Оно существенно зависит от температурыперехода и падает примерно на 0,2 вольта при повышении температуры на 100 градусов.Стандартными характеристиками выпрямительных диодов, применяемых в САУ является номинальное и предельное значение прямого тока диодаРис. 2.1. ВольтампернаяIпр,иногда в зависимости от температуры корпуса.характеристика диода.Важным также является и предельное значение обратного напряжения Uобр.У диодов Шоттки в основе переход металл-полупроводник. Прямое падение напряжения на них ниже и составляет 0,25…0,4 В, однако диоды Шоттки отличаются меньшимипредельными значениями обратного напряжения по сравнению с типовыми кремниевымидиодами.Применяют диоды, как элементы САУ очень широко. Прежде всего – диод, это выпрямитель переменного тока.

На рис. 2.2 приведены наиболее типовые примеры применения диодов в качестве защиты от индуктивности нагрузки при ее включении и выключении (рис. 2.2,а), для защиты линий связи вычислительного ядра САУ с элементами контроля и управления(рис. 2.2, б), для автоматического подключения резервного питания (рис.

2.2, в).44Примерами индуктивных нагрузок являются все двигатели, электромагнитные клапаны, силовые электромагниты и т.п. При включении индуктивной нагрузки в ней появляется напряжение самоиндукции, препятствующее нарастанию тока, т.е. направленное против основного питания Uн(рис. 2.2, а). Таким образом, напряжение UА на выводе нагрузки оказывается больше, чем номинальное напряжеРис. 2.2. Примеры использования диодов в САУ.ние питания. Диод VD1 шунтирует этонапряжение. При выключении питанияток через нагрузку падает. ЭДС самоиндукции, препятствуя падению тока, создает на выводеА нагрузки отрицательный потенциал UА.

Диод VD2 отводит этот потенциал на землю.На рис. 2.2, б) диод предохраняет от ошибок при коммутации витой пары, ведущей ккакому-либо датчику на объекте управления. Если неправильно скоммутировать разъем Х,диод не позволит протекать току датчика в противоположном направлении и, тем самым повредить какие-либо компоненты вычислительного ядра, куда поступает сигнал от датчика,либо повредить датчик, если он питается от вычислительного ядра.На рис, 2.2, в) диод VD1 автоматически подключит резервную батарею Uб, если внезапно пропадет основное номинальное питающее напряжение Uн (Uб+0,5…0,7В= Uн).На обратной ветви вольтамперной характеристики ток сначала очень мал и составляетдоли микроампера.