Разработка архитектуры системы управления 1 страница

Система управления ГАК представляет собой трехуровневую систему, на нижнем уровне которой осуществляется локальное управление основным и вспомогательным технологическим оборудованием (станками и роботами), на втором – выполняется синхронизация работы систем управления нижнего уровня, а на третьем – диагностика состояния комплекса и управление работой ГАК оператором.

Средством реализации управления верхнего уровня является программируемый логический контроллер.

Каждый станок оснащен своей локальной системой управления, которая обеспечивает работу данной единицы технологического оборудования. В нашем случае, каждый станок оснащен системой ЧПУ «Sinumeric 802», а роботы – системой KUKA KR C2.

Диагностика состояния оборудования осуществляется посредством различных датчиков, расположенных на оборудовании.

В данном разделе подробно рассмотрим выбор оборудования для реализации системы управления. Данное методическое пособие основано на сетевых решениях фирмы Siemens AG.

3.1 Выбор программируемого логического контроллера

Программируемые логические контроллеры предназначены для сбора и анализа информации с первичных датчиков, измерения и сравнения параметров, логической обработки сигналов по заданным алгоритмам и выдачи управляющих воздействий (команд) на исполнительные механизмы.

При программировании промышленных программируемых контроллеров используется стандартный язык контактно-релейной логики или функциональных схем.

· Контроллеры S5-90/ 95/100/115/135/155

Семейство контроллеров SIMATIC S5 состоит из следующих направлений:

S5-90U/95U/100U - это компактные ПЛК, предназначенные для решения простых задач автоматизации. Оба контроллера имеют незначительные массогабаритные показатели и не требуют для своей установки больших объемов.

ПЛК S5-115U используется для построения систем автоматического управления средней степени сложности. Он может комплектоваться одним из пяти модулей центральных процессорных элементов: CPU941…CPU945.

Мультипроцессорные контроллеры SIMATIC S5-135U и S5-155U используются для решения задач автоматизации средней и высокой сложности. Контроллеры могут быть использованы для построения замкнутых и разомкнутых систем автоматического управления и регулирования, решения коммуникационных задач, оперативного управления и мониторинга, сигнализации, регистрации и обработки данных.

Программирование всех контроллеров SIMATIC S5 выполняется на языке STEP 5 с представлением программы в виде списка инструкций (STL - statement list), диаграмм лестничной логики (LAD - ladder diagram) или блок-схем управляющей системы (CSF - control system flow-chart).

· ПЛК SIMATIC S7-200

Программируемые контроллеры SIMATIC S7-200 предназначены для построения систем автоматического управления и регулирования, как отдельных машин, так и отдельных частей производственного процесса. На их основе могут создаваться эффективные управляющие устройства, отличающиеся относительно невысокой стоимостью.

SIMATIC S7-200 позволяют решать широкий спектр задач управления. От замены простых релейно-контактных схем до построения автономных систем управления или создания интеллектуальных устройств систем распределенного ввода-вывода.

Программируемые контроллеры S7-200 находят применение там, где основным требованием к системе управления является ее низкая стоимость. Они находят применение для управления:

· прессами;

· смесителями пластификатора и цемента;

· насосными и вентиляторами;

· деревообрабатывающим оборудованием;

· воротами и дверями;

· гидравлическими подъемниками;

· конвейерами;

· оборудованием пищевой промышленности;

· лабораторным оборудованием;

· обменом данными через модем;

· электротехническим оборудованием и аппаратурой.

Программируемые контроллеры SIMATIC S7-200 позволяют использовать несколько вариантов организации промышленной связи:

· Сеть PPI

Связь через сети PPI поддерживается операционной системой центральных процессоров S7-200. Соединения выполняются витой парой и могут использоваться для подключения к программатору, устройствам человеко-машинного интерфейса, объединения нескольких контроллеров. Каждый центральный процессор способен поддерживать одновременный обмен данными с другими центральными процессорами, текстовыми дисплеями или панелями оператора. Скорость передачи данных может составлять 9.6, 19.2 или 187.5 Кбит/с.

К сети PPI могут подключаться:

o Программаторы Field PG или Power PG.

o Персональные компьютеры (AT-совместимые), через PC/PPI- или USB/PPI-кабель.

o Текстовый дисплей TD 200 или TD 200C, сенсорная панель TP 070 или TP 170 Micro, панель оператора OP 73 Micro, другие панели оператора SIMATIC.

o До 31 программируемого контроллера. Одновременно с этим к сети может быть подключен программатор, компьютер, текстовый дисплей TD 200 или панель оператора. Непосредственный обмен данными между двумя контроллерами S7-200 осуществляется с помощью инструкций NETR и NETW.

· Cеть MPI

Все центральные процессоры CPU 22x могут подключаться через встроенный интерфейс к сети MPI и обмениваться данными с программируемыми контроллерами SIMATIC S7-300/S7-400. Скорость передачи данных может составлять 19.2 или 187.5 Кбит/с. В сети MPI контроллеры S7-200 способны выполнять только функции пассивных устройств и не могут обмениваться данными между собой.

· PPI интерфейс в режиме свободно программируемого порта

В этом режиме могут быть реализованы необходимые для обмена данными протоколы (ASCII протокол, протоколы Modbus или USS). Подключение к устройствам с встроенным портом RS 232 осуществляется через PC/PPI-кабель. В CPU 226 в свободно программируемом режиме может использоваться оба встроенных порта. Максимальная скорость передачи данных может достигать 38.4 Кбит/с.

К свободно программируемому PPI порту могут подключаться:

o любые устройства с встроенным последовательным интерфейсом: принтер, сканнер, модем и т.д.;

o программируемый контроллер S7-200 для организации непосредственной связи между двумя центральными процессорами;

o до 31 преобразователя частоты MICROMASTER при использовании протокола USS.

· AS-Interface

Программируемые контроллеры SIMATIC S7-200 (CPU 22x) с коммуникационным процессором CP 243-2 способны выполнять функции ведущего устройства AS-Interface. К одному коммуникационному процессору допускается подключение до 62 ведомых устройств AS-Interface, обслуживающих до 248 каналов ввода и до 186 каналов вывода дискретных сигналов.

· Ведомое устройство PROFIBUS-DP

PROFIBUS-DP используется для организации однородной связи между всеми системными компонентами SIMATIC, обеспечивает возможность использования изделий других фирм-изготовителей. SIMATIC S7-200 подключается к PROFIBUS-DP через модуль EM 277. Модуль выполняет функции стандартного ведомого DP-устройства и способен выполнять обмен данными со скоростью до 12 Мбит/с.

· Industrial Ethernet

Подключение к сети Industrial Ethernet может производиться через коммуникационный процессор CP 243-1 или CP 243-1IT. В сети Industrial Ethernet CP 243-1 способен поддерживать до 8 логических соединений. Для управления обменом данными используются функции PUT/GET, механизм обмена данными клиент/ сервер, протокол TCP/IP. Обмен данными с компьютерными приложениями может быть организован через S7-OPC сервер. Скорость передачи данных может составлять 10 или 100 Мбит/с.

Коммуникационный процессор CP 243-1IT позволяет интегрировать S7-200 в мир IT-технологий. Он поддерживает функции Web-сервера, а также передачу сообщений по каналам электронной почты.

· Модемная связь

Коммуникационный модуль EM 241 выполняет функции модема и способен работать в одном из следующих режимов:

o дистанционное программирование и отладка с удаленного компьютера, оснащенного модемом и программным обеспечением STEP 7 Micro/WIN.

o обмен данными через сеть MODBUS в режиме ведущего или ведомого сетевого устройства.

o передача буквенно-цифровых SMS-сообщений на мобильные телефоны или пейджеры.

o обмен данными между двумя CPU 22x.

Основные технические характеристики SIMATIC S7-200 представлены в таблице 3.

Таблица 3

Общие технические характеристики ПЛК SIMATIC S7-200

Характеристика	Значение
Степень защиты	IP 20 в соответствии с IEC 529
Диапазон рабочих температур: · рабочий § при горизонтальной установке § при вертикальной установке · хранения и транспортировки	0…55°C 0…45°C -40…+70°C
Относительная влажность	5…95%, без конденсата
Испытательное напряжение изоляции: · между цепями =5/=24 В · между цепями ~115/230 В и землей · между различными цепями ~115/230 В · между цепями ~230 В и =5/=24 В · между цепями ~115 В и =5/=24 В	~500В. ~15000В. ~15000В. ~15000В. ~15000В.
Электромагнитная совместимость: · стойкость к воздействию помех по EN 50082-2     · генерация помех по EN 50081-1 и EN 50081-2	соответствие требованиям: IEC 801-2, IEC 801-3, IEC 801-4, EN 50141, EN 50204, IEC 801-5, VDE 0160. соответствие требованиям EN 55011, класс A, группа 1 и EN 55011, класс B, группа 1.
Механические воздействия: · вибрация   · ударные нагрузки	IEC 68, часть 2-6: 10 … 57 Гц; постоянная амплитуда 0,3 мм; 58 … 150 Гц; постоянное ускорение 1 g (монтаж на профильной шине) или 2 g (монтаж на плоской поверхности) IEC 68, часть 2-27/полусинусоидальные воздействия: ускорение до 15 g в течение 11 мс, 6 ударов по каждой из 3 осей

· ПЛК SIMATIC S7-300/SIMATIC S7-300F/ SIMATIC S7-300F Outdoor

SIMATIC S7-300 - это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации различной степени сложности.

Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур локального и распределенного ввода-вывода, широкие коммуникационные возможности, множество функций, поддерживаемых на уровне операционной системы, удобство эксплуатации и обслуживания обеспечивают возможность получения рентабельных решений для построения систем автоматического управления в различных областях промышленного производства.

Рис. 5 Общий вид ПЛК SIMATIC S7-300

Эффективному применению контроллеров способствует возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.

Общие технические характеристики ПЛК SIMATIC S7-300 представлены в таблице 4.

Таблица 4

Общие технические характеристики ПЛК SIMATIC S7-300

Характеристика	Значение
Степень защиты	IP 20 в соответствии с IEC 529
Диапазон рабочих температур: · рабочий § при горизонтальной установке § при вертикальной установке · хранения и транспортировки	0…60°C   0…40°C -40…+70°C
Относительная влажность	5…95%, без конденсата (RH уровень сложности 2 в соответствии с IEC 1131-2)
Атмосферное давление	795 … 1080 ГПa
Изоляция: · цепи =24 В · цепи ~230 В	Испытательное напряжение =500В. Испытательное напряжение ~1460В.
Электромагнитная совместимость: · устойчивость к шумам     · наводки	По EN 50082-2, испытания по IEC 801-2, ENV 50140, IEC 801-4, ENV 50141, IEC 801-5. По EN 50081-2, испытания по EN 55011, класс A, группа 1.
Механические воздействия: · вибрация     · ударные нагрузки	IEC 68, часть 2-6: 10 … 58Гц/ постоянная амплитуда 0.075мм; 58…150Гц/ постоянное ускорение 1g. Длительность вибраций: 10 циклов по каждой из взаимно перпендикулярных осей. IEC 68, часть 2-27: полусинусоидальные ударные воздействия с ускорением 15g (пиковое значение) длительностью 11мс.

Контроллеры SIMATIC S7-300 могут включать в свой состав:

· Модуль центрального процессора. В зависимости от степени сложности решаемой задачи в контроллерах могут быть использованы различные типы центральных процессоров, отличающихся производительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием встроенных входов-выходов и специальных функций, количеством и видом встроенных коммуникационных интерфейсов и т.д.

· Модули блоков питания, обеспечивающие возможность питания контроллера от сети переменного тока напряжением 120/230В или от источника постоянного тока напряжением 24/48/60/110В.

· Сигнальные модули, предназначенные для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов с различными электрическими и временными параметрами.

· Коммуникационные процессоры для подключения к сетям PROFIBUS, Industrial Ethernet, AS-Interface или организации связи по PtP (point to point) интерфейсу.

· Функциональные модули, способные самостоятельно решать задачи автоматического регулирования, позиционирования, обработки сигналов. Функциональные модули снабжены встроенным микропроцессором и способны выполнять возложенные на них функции даже в случае отказа центрального процессора ПЛК.

· Интерфейсные модули, обеспечивающие возможность подключения к базовому блоку (стойка с CPU) стоек расширения ввода-вывода. Контроллеры SIMATIC S7-300 позволяют использовать в своем составе до 32 сигнальных и функциональных модулей, а также коммуникационных процессоров, распределенных по 4 монтажным стойкам. Все модули работают с естественным охлаждением.

Рис. 6 Структура ПЛК SIMATIC S7-300

Области применения SIMATIC S7-300/ S7-300C охватывают:

o автоматизацию машин специального назначения;

o автоматизацию текстильных машин;

o автоматизацию упаковочных машин;

o автоматизацию машиностроительного оборудования;

o автоматизацию оборудования для производства технических средств управления и электротехнической аппаратуры;

o построение систем автоматического регулирования и позиционирования;

o автоматизированные измерительные установки и другие.

Необходимо, чтобы в состав контроллера входили: модуль центрального процессора, коммуникационные процессоры, модуль блока питания.

SIMATIC S7-300 Outdoor является идеальным изделием для эксплуатации в тяжелых промышленных условиях, отличающихся сильным воздействием вибрации и тряски, повышенной влажности, широким диапазоном рабочих температур. Он способен управлять работой:

o светофоров;

o систем управления движением;

o очистных сооружений;

o холодильных установок;

o специальными транспортными средствами;

o подвижным составом;

o строительными машинами и т.д.

Программируемые контроллеры SIMATIC S7-300F в сочетании со станциями распределенного ввода-вывода SIMATIC ET 200S PROFIsafe и SIMATIC ET 200M, оснащенными F-модулями, позволяют создавать распределенные системы безопасного управления (F-системы), в которых возникновение аварийных ситуаций не создает опасности для жизни обслуживающего персонала и угрозы для окружающей природной среды. На основе распределенных структур могут создаваться системы безопасного управления, отвечающие требованиям безопасности уровней SIL 1 … SIL 3 стандартов IEC/EN 61508, а также категорий 1 … 4 стандарта EN 954-1. Системы безопасного управления применяются:

o в автомобильной промышленности;

o в машиностроении и станкостроении;

o для управления конвейерами;

o в обрабатывающей промышленности;

o в системах управления пассажирским транспортом;

o в системах материально-технического обеспечения и т.д.

· ПЛК SIMATIC S7-400/SIMATIC S7-400H/ SIMATIC S7-400FH

SIMATIC S7-400 - это мощный программируемый контроллер для построения систем управления средней и высокой степени сложности.

Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, гибкие возможности расширения, мощные коммуникационные возможности, простота создания распределенных систем управления и удобство обслуживания делают SIMATIC S7-400 идеальным средством для решения практически любых задач автоматизации.

Основными областями применения SIMATIC S7-400 являются:

o машиностроение;

o автомобильная промышленность;

o складское хозяйство;

o технологические установки;

o системы измерения и сбора данных;

o текстильная промышленность;

o упаковочные машины и линии;

o производство контроллеров;

o автоматизация машин специального назначения.

Несколько типов центральных процессоров различной производительности и широкий спектр модулей с множеством встроенных функций существенно упрощают разработку систем автоматизации на основе SIMATIC S7-400.

Если алгоритмы управления становятся более сложными и требуют применения дополнительного оборудования, контроллер позволяет легко нарастить свои возможности установкой дополнительного набора модулей.

Основные технические характеристики ПЛК SIMATIC S7-400 представлены в таблице 5.

Таблица 5

Общие технические характеристики ПЛК SIMATIC S7-400

Характеристика	Значение
Степень защиты	IP 20
Диапазон рабочих температур: · рабочий § при горизонтальной установке § при вертикальной установке · хранения и транспортировки	0…60°C 0…40°C -40…+70°C
Относительная влажность	5…95%
Атмосферное давление	795 … 1080 ГПa
Электромагнитная совместимость: · устойчивость к шумам     · наводки	По EN 50082-2, испытания по IEC 801-2, ENV 50140, IEC 801-4, ENV 50141, IEC 801-5. По EN 50081-2, испытания по EN 55011, класс A, группа 1.
Механические воздействия: · вибрация     · ударные нагрузки	IEC 68, часть 2-6: 10 … 58Гц/ постоянная амплитуда 0.075мм; 58…150Гц/ постоянное ускорение 1g. Длительность вибраций: 10 циклов по каждой трех из взаимно перпендикулярных осей. IEC 68, часть 2-27: полусинусоидальные ударные воздействия с ускорением 15g (пиковое значение) длительностью 11мс.

Программируемый контроллер SIMATIC S7-400H разработан для построения систем автоматического управления, отличающихся повышенной надежностью функционирования. Наличие резервированной структуры позволяет продолжать работу в случае возникновения одного или нескольких отказов в его компонентах. Как правило, такие системы управляют производствами, простой которых вызывает большие экономические потери.

Благодаря своей высокой надежности SIMATIC S7-400H может использоваться:

o в системах с высокими затратами на перезапуск производства в случае отказа контроллера;

o в системах с высокой стоимостью простоя;

o в процессах обработки ценных материалов (например, в фармацевтической промышленности);

o в системах без постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала;

o в системах с небольшим количеством обслуживающего персонала.

Программируемые контроллеры S7-400F/FH предназначены для построения систем безопасного управления, в которых возникновение отказов не влечет за собой появление опасности для жизни обслуживающего персонала и не приводит к загрязнению окружающей природной среды. На основе программируемых контроллеров S7-400F/FH могут создаваться системы безопасного управления, отвечающие требованиям:

o классов AK1 … AK6 по DIN V 19250/ DIN V VDE 0801;

o классов SIL 1 … SIL 3 по IEC 61508;

o категорий 1 … 4 по EN 954-1.

· Выбор ПЛК

При выборе ПЛК необходимо руководствоваться следующими критериями:

o технические характеристики, например: количество каналов ввода/вывода, быстродействие, уровень напряжения входов/выходов и т.д;

o эксплуатационные характеристики, такие, как: диапазон рабочих температур, влажность и т.д;

o потребительские свойства, такие, как: производительность, надежность, затраты на приобретение, монтаж, эксплуатацию и т.д.

В качестве устройства управления второго уровня для данного комплекса выберем ПЛК SIMATIC S7-300. Он является одним из наиболее современных контроллеров фирмы Siemens, обладает модульной структурой, что обеспечивает гибкость создаваемой системы. ПЛК SIMATIC S7-300 по соотношению цена/производительность является лидером среди всех контроллеров фирмы Siemens.

3.2 Конфигурирование ПЛК на примере ПЛК SIMATIC S7-300.

В контроллерах SIMATIC S7-300 используют семь типов стандартных центральных процессоров. Выберем в качестве центрального процессора CPU 315-2DP – центральный процессор со встроенными интерфейсами MPI и PROFIBUS DP для построения высокопроизводительных систем управления со скоростной обработкой данных.

Общие технические характеристики процессора CPU 315-2DP представлены в таблице 6.

Таблица 6

Общие технические характеристики процессора CPU 315-2DP.

Характеристика	Значение
Рабочая память для выполнения программы и хранения данных.	128 Кбайт
Минимальное время выполнения: · логических операций/операций со словами · арифметических операций с фиксированной /плавающей точкой	0.2/0.4 мкс 2.0/3.0 мкс
Блоки данных: · количество на программу, не более · размер, не более	16 Кбайт
Функциональные блоки: · количество на программу, не более · размер, не более	16 Кбайт
Функции: · количество на программу, не более · размер, не более	16 Кбайт
Языки программирования	STEP 7 (LAD, FBD, STL); S7-SCL; S7-GRAPH; S7-HIGRAPH.
Количество счетчиков
Количество таймеров
Напряжение питания: · номинальное значение · допустимый диапазон изменений	=24 В 20,4…28,8
Потребляемый ток: · на холостом ходу, типовое значение · номинальный	60 мА 0.6 А
Пусковой ток	2.5 А
Потребляемая мощность	2.5 Вт
Масса	0.29 кг
Габариты, мм	40х125х130

Функционирование центрального процессора обеспечивается блоком питания PS 307, который также подходит и для питания цепей датчиков и исполнительных устройств

Основные технические характеристики модуля блока питания PS 307 представлены в таблице 7.

Таблица 7

Основные технические характеристики PS 307.

Характеристика	Значение
Входное напряжение: · номинальное значение · допустимый диапазон измерений	~120/230 В ~93…132/187…264 В
Частота переменного тока: · номинальное значение · допустимый диапазон изменений	50/60 Гц 47…63 Гц
Номинальный входной ток при: · Uвх~120 В · Uвх~230 В	4.1 А 1.8 A
Пусковой ток, не более (+25 °C)	55 A, до 3 мс
Выходное напряжение: · номинальное значение · допустимый диапазон изменений	=24 В =24 В ±3%
Индикация наличия выходного напряжения	Зеленый светодиод
Выходной ток: · номинальное значение · допустимый диапазон изменений	10 А 0…10 А
Габариты	120х125х120

Программируемые контроллеры SIMATIC S7-300 обладают мощными коммуникационными возможностями и способны работать в промышленных сетях Industrial Ethernet, PROFIBUS, PROFINET, AS-Interface, MPI, поддерживать соединения через последовательные каналы связи на основе интерфейсов RS 232C, RS 422/RS 485, TTY, поддерживать обмен данными в системах модемной связи, через Internet и Intranet. Один программируемый контроллер S7-300 способен работать одновременно в нескольких сетях. Общее количество устанавливаемых логических соединений ограничивается функциональными возможностями центрального процессора. Коммуникационные модули S7-300 применяются для получения необходимого количества коммуникационных каналов.

Выберем коммуникационный процессор СР 342-5 для разгрузки центрального процессора контроллера от выполнения коммуникационных задач. Данный процессор способен поддерживать:

· функции ведущего или ведомого устройства PROFIBUS DP;

· функции связи с программатором, устройствами и системами человеко-машинного интерфейса;

· поддерживает связь с другими программируемыми контроллерами SIMATIC S7/ C7/ WinAC;

· поддерживает связь с программируемыми контроллерами SIMATIC S5.

Основные технические характеристики коммуникационного процессора СР 342-5 приведены в таблице 8.

Таблица 8

Основные технические характеристики процессора СР 342-5

Характеристика	Значение
Скорость обмена данными	9.6 Кбит/с …12 Мбит/с
Количество S7 соединений, не более	16 (определяется типом центрального процессора)
Функции S5-совместимой связи (SEND/RECEIVE): · количество соединений, не более · объем данных на соединение	240 байт (SEND и RECEIVE)
Комбинированный режим работы: · количество соединений, не более · объем диагностических данных на ведомое DP-устройство	32 (без DP), 28 (с DP)
Объем диагностических данных на ведомое DP-устройство	240 байт
Ведущее DP-устройство: · ведущее устройство класса · количество ведомых DP-устройств, не более · объем данных ввода-вывода   · объем данных ввода-вывода на ведомое устройство	DP V0   2160 байт на ввод и 2160 байт на вывод 244 байт на ввод и 244 байт на вывод
Ведомое DP устройство: · ведомое устройство класса объем данных ввода-вывода	DP V0 240 байт на ввод и 240 байт на вывод
Количество обслуживаемых OP соединений (асинхронный обмен данными), не более
Напряжение питания	=24 В
Потребляемый ток: · от шины контроллера · от источника питания	150мА 250мА
Потребляемая мощность	6.75 Вт
Условия эксплуатации: · диапазон рабочих температур · диапазон температур хранения и транспортировки · относительная влажность	0…60 °C -40…+70 °C   до 95% при 25 °C, без конденсата
Габариты	40х125х120 мм
Масса	0.3 кг

Для организации обслуживания через AS-interface ведомых устройств применяют коммуникационный процессор СР 343-2. Один коммуникационный процессор СР 343-2 способен обслуживать до 248 дискретных входов и до 248 дискретных выходов, подключенных через AS-interface. К одному коммуникационному процессору допускается подключать до 62 аналоговых ведомых устройств.

Основные технические характеристики коммуникационного процессора СР 343-2 приведены в таблице 9.

Дата добавления: 2014-12-26