Владимир Васильевич Стретенцев
Табличный ПЛК.Табличное программирование контроллеров
2.2. Использование триггерных ячеек
Одним из недостатков первой версии программы управления шлагбаумом является жесткая зависимость пуска приводного двигателя от состояния концевых выключателей. Если из-за раскачки стрелы шлагбаума на ветру или намокания контактов произойдет замыкание концевого выключателя, то это может привести к неконтролируемому включению двигателя стрелы, так как одна из кнопок, «Открыть» или «Закрыть», уже нажата. Попробуем повысить надежность системы управления шлагбаумом. Изменим способ подачи команд «открыть» и «закрыть». Вместо двухкнопочного выключателя с фиксацией применим обычные нажимные кнопки. Это более надежное и удобное решение. Также добавим кнопку «Стоп», при нажатии на которую состояние выходов 11 и 12, управляющих движением стрелы шлагбаума, становится равным нолю. Хотя нажатие на кнопку «Стоп» остановит движение, ею нельзя заменить аварийную кнопку. Аварийная кнопка должна отключить систему вне зависимости от работы контроллера.
Необходимо отметить, что контакты кнопок «Открыть» и «Закрыть» нормально открытые, а контакт кнопки «Стоп» нормально замкнутый. Это сделано для того, чтобы при неисправности кнопки «Стоп» или обрыве провода, соединяющего ее с контроллером, заблокировать команды открытия и закрытия. Кнопка «Стоп» наряду с аварийной кнопкой является частью системы безопасности, при неисправности которой запрещается работа механизмов.
Чтобы реализовать алгоритм управления с помощью кнопок, необходимо ввести в программу триггерные ячейки. Кнопка управления обычно имеет нормально открытый контакт, и при ее нажатии на входе контроллера появится единица. А концевой выключатель обычно имеет нормально замкнутый контакт, и при его срабатывании на входе контроллера будет уровень, соответствующий нолю. Но реализуемый в программе алгоритм требует, чтобы срабатывание конечного выключателя также давало единицу. Поэтому необходимо инвертировать некоторые входные логические сигналы. Для инверсии сигналов от конечных выключателей, кнопки «Стоп» и главного контактора в ячейку операции запишем слово «NOT».
Состояние программы при отсутствии силового питания представлено на рис. 14, из которого можно увидеть, что силовое питание выключено, аварий нет, шлагбаум открыт, команды «вверх» и «вниз» равны нолю. В отличие от первоначальной программы, верхняя строка перенесена вниз, а в строке 4 появился входной сигнал от кнопки «Стоп», приходящий на входной контакт номер 7. Во многих активных ячейках символ «&» заменен на «R» или «S».
Рис. 14. Табличная программа управления шлагбаумом с использованием триггерных ячеек перед включением главного контактора
Начальное значение всех ячеек «RS» равно единице, и если не сбросить их в ноль, то возможно появление на выходах ВВЕРХ и ВНИЗ логической единицы, которая самопроизвольно запустит двигатель при первоначальной подаче питания. Чтобы этого не произошло, в строке 7 на входной контакт номер 1 приходит сигнал с главного контактора, коммутирующего силовое питание. После того, как на контроллер будет подано напряжение, а главный контактор еще не будет включен, на контакте номер 1 будет логический ноль, который после инверсии сбросит ячейки «RS».
Пересчет таблицы внутренним интерпретатором производится сверху вниз, и значение ячейки «RS» определяется нижней триггерной активной ячейкой. Поэтому при отключенном главном контакторе ячейки «RS» будут находиться в сброшенном состоянии, независимо от сигналов кнопок управления. В целях безопасности должна быть предусмотрена схема, не позволяющая включать главный контактор при неработающем контроллере. На первый взгляд, достаточно блокировать включение главного контактора на время загрузки контроллера. Но наиболее правильным решением будет формирование на выходе контроллера сигнала готовности, который станет активным только после полной загрузки программы контроллера и разрешит включить главный контактор.
Как только главный контактор будет включен, триггерные активные ячейки в строке 7 перейдут в нулевое состояние и больше не будут влиять на результат, а ячейки «RS» в верхнем заголовке останутся в ноле. Так как стрела шлагбаума находится в верхнем положении и верхний концевой выключатель сработал, то ячейка «RS» в первом столбце будет удерживаться в сброшенном состоянии и не позволит включить двигатель при нажатии на кнопку «Открыть». Шлагбаум, находящийся в открытом состоянии, дальше открываться не будет. Программа, готовая принять команду оператора, показана на рис. 15.
Рис. 15. Табличная программа управления шлагбаумом с использованием триггерных ячеек после включения главного контактора
Нажатие на кнопку «Закрыть» переведет ячейку «RS» во втором столбце из ноля в единицу, результат логического И по столбцу также будет равен единице. Команда «вниз» запустит двигатель, и стрела начнет опускаться. Состояние программы в этот момент показано на рис. 16.
Рис. 16. Табличная программа управления шлагбаумом с использованием триггерных ячеек и нажатой кнопкой «Закрыть»
Стрела шлагбаума еще находится в верхнем конечном положении, начинается движение вниз. Силовое питание включено, аварий нет, команда «вниз» равна единице.
После начала движения оператор отпустит кнопку «Закрыть», при этом выходная переменная с адресом 12 будет активной благодаря установленной в единицу ячейке «RS» во втором столбце, как показано на рис. 17.
Рис. 17. Табличная программа управления шлагбаумом с использованием триггерных ячеек и отпущенными кнопками
Стрела, дойдя до закрытого положения, выключит нижний концевой выключатель, ячейка «RS» во втором столбце будет сброшена, логическое И по второму столбцу будет равно нолю – и двигатель остановится (рис. 18).
Рис. 18. Табличная программа управления шлагбаумом с использованием триггерных ячеек после срабатывания нижнего концевого выключателя
При всей кажущейся простоте программа управления шлагбаумом вполне может быть использована на реальном объекте. Можно добавить фотодатчики и другие обратные связи с механизмами, но сейчас нас интересует сама возможность управлять оборудованием простой программой в таблице.
2.3. Семь строк таблицы
Для управления оборудованием, в данном случае шлагбаумом, нам потребовалась табличная программа размером в семь строк. Большую часть программы занимают названия переменных или комментарии к ним, что эквивалентно схеме подключения из инструкции по эксплуатации. В таблице можно непрерывно видеть состояния входных и выходных переменных, а также цепи формирования сигналов. Программа управления шлагбаумом, графический интерфейс, система отладки с возможностью наблюдения за формированием сигналов в режиме реального времени и описание назначения физических выводов контроллера уместились в семь строк таблицы. Дополнительно можно создать графический интерфейс оператора, но в случае со шлагбаумом для индикации достаточно к схеме подключить несколько контрольных лампочек, а табличную программу, в случае необходимости, просматривать на экране смартфона, подключая его к контроллеру по беспроводной сети.
2.4. Применение логических операций над входными переменными
Если высоты подъема стрелы будет недостаточно для проезда машины с негабаритным грузом, то у оператора должна быть возможность поднять стрелу выше положения, при котором срабатывает верхний концевой выключатель. Это нештатный режим работы, и он должен осуществляться под полным контролем оператора и его помощника. Обычно для обхода концевых выключателей используется кнопка «Шунт», при нажатии и удержании которой блокируются концевые выключатели.
Пока в программе управления шлагбаумом применялись только две операции над входными переменными – «=» и «NOT». Табличная программа с использованием логической операции «AND» над входными переменными показана на рис. 19. В ней можно увидеть, что силовое питание включено, аварий нет, стрела шлагбаума находится в верхнем конечном положении, следовательно, шлагбаум открыт.
Рис. 19. Использование логических операций над входными переменными в программе управления шлагбаумом
Для того чтобы ввести в программу управления шлагбаумом кнопку «Шунт», используется логическая операция «И». Так как двигатель остановлен срабатыванием верхнего концевого выключателя, сбросившего ячейку «RS» в первом столбце, с помощью триггерной ячейки «R» в строке 10, то для обхода концевого выключателя и продолжения движения необходимо отменить сброс, переведя триггерную ячейку «R» в строке 10 в ноль. Это можно сделать нажатием на кнопку «Шунт», при котором аргумент операции «логическое И» в строке 9 станет нолем и будет в этом состоянии, пока кнопка «Шунт» остается нажатой. Нулевой результат входной операции в строке 9 сделает результат в строке 10 равным нолю и отменит сброс.
Так как кнопка «Шунт» нормально открытая и при нажатии дает единицу, а для блокировки сигнала конечного выключателя нужен ноль, то сигнал от кнопки «Шунт» необходимо инвертировать. Логическое И инвертированных сигналов от конечного выключателя и кнопки «Шунт» через триггерную ячейку «R» будет сбрасывать ячейку «RS» команды пуска двигателя при достижении стрелой конечного положения, а нажатие на кнопку «Шунт» будет блокировать сброс. Таким образом, при удержании кнопки «Шунт» нажатием на кнопку «Открыть» можно поднять стрелу выше верхнего концевого выключателя. Табличная программа в момент обхода верхнего концевого выключателя показана на рис. 20.
Рис. 20. Обход верхнего концевого выключателя нажатием на кнопку «Шунт»
В таком виде программа в таблице хорошо читается, имеет несложный алгоритм, позволяет контролировать входные сигналы контроллера и цепи формирования выходных сигналов и может быть использована на реальном объекте. Но мы продолжим вносить в программу изменения – даже не столько для улучшения ее алгоритма, сколько для того, чтобы показать возможности табличного программирования контроллеров.
2.5. Применение таймера с задержкой на включение
Немного усложним алгоритм работы шлагбаума. Подъем и опускание стрелы шлагбаума происходит за определенное время. Следовательно, если стрела шлагбаума начала движение из нижнего положения, то через время, необходимое для подъема стрелы, мы ожидаем срабатывания верхнего концевого выключателя. Если за отведенное для подъема время сигнал от концевого выключателя не был получен, то мы можем говорить либо о неисправности шлагбаума, либо о повышенной нагрузке на механизм подъема. В таком случае требуется вмешательство специалиста.
Добавим к программе управления шлагбаумом возможность контролировать время выполнения операции. Для этого в качестве входных данных используем значения выходных переменных «команда „вверх“» и «команда „вниз“», управляющих двигателем шлагбаума. Время операции будем контролировать таймером с задержкой на включение TON. В таблице на рис. 21 выходное значение таймера в строке 18 станет равным единице только в том случае, если сигнал на входе таймера продержится равным единице больше установленного времени. То есть если при подъеме стрелы шлагбаума двигатель остается включенным больше 8 секунд, то на выходном контакте 13 установится логическая единица.
Рис. 21. Использование таймеров в программе управления шлагбаумом
Этим сигналом можно включить индикатор «Авария» или звуковой сигнал. Чтобы не усложнять программу, не будем вводить дополнительную кнопку квитирования аварий. Для сброса аварии применим кнопку «Стоп», которая подключена к контакту номер 7. При возникновении аварийной ситуации нажатие на кнопку «Стоп» квитирует аварию и отключает, к примеру, звуковой сигнал. Однако при этом произойдет сброс ячеек «RS» в первых двух столбцах и будет потеряна информация о направлении движения шлагбаума, в котором возникла аварийная ситуация. Это несколько усложнит задачу сервисной службы найти причину, по которой стрела шлагбаума не может подняться или опуститься за заданное время.
Состояние программы в аварийной ситуации представлено на рис. 21, из которого можно увидеть, что вышло время операции «поднять шлагбаум». Стрела шлагбаума находится между верхним и нижним конечными положениями. Силовое питание включено, кнопка «Открыть» нажата и отпущена. Сформирована команда «вверх». Таймер в строке 18 установил на своем выходе логическую единицу. За 8 секунд стрела шлагбаума не дошла до верхнего концевого выключателя.
Выбор времени таймеров, с помощью которых контролируется время открытия и закрытия шлагбаума, производится во время пусконаладочных работ. Если во время эксплуатации установленного времени недостаточно для выполнения операции, то это может быть следствием отсутствия смазки или обледенения механизмов, электрической или механической поломки, а также удержания стрелы каким-либо препятствием.
Чтобы не повредить двигатель шлагбаума при перегрузке, добавим в программу еще одну строку – для автоматического отключения команд «вверх» и «вниз» при возникновении аварийной ситуации. Табличная программа с добавленной строкой 20 представлена на рис. 22. Теперь при возникновении аварийной ситуации двигатель шлагбаума остановится и оператор будет уведомлен об аварии, например, звуковым сигналом. Отключается звуковое оповещение нажатием на кнопку «Стоп».
Рис. 22. Табличная программа управления шлагбаумом с аварийной блокировкой пуска
Рассмотрим способ блокировки подробнее. В случае, показанном на рис. 22, при возникновении аварийной ситуации команды управления двигателем не сбрасываются, а блокируются. Результат логического И по столбцу будет равен нолю не из-за сброса ячейки «RS» в столбце, а по причине нулевого состояния активных ячеек в строке 20. Можно отключать команды «вверх» и «вниз» по-другому, заменив в строке 20 операцию инверсии на «=» и переведя активные ячейки в триггерные активные ячейки типа R. При возникновении аварии двигатель также будет отключен. Только в этом случае при аварийной остановке двигателя потеряется ценная информация о направлении движения стрелы шлагбаума перед аварией. Если помеха движению стрелы может быть устранена без привлечения специалистов сервисной службы, то нажатие на кнопку «Стоп» квитирует аварию и восстанавливает работоспособность шлагбаума.
2.6. Применение таймера, формирующего импульс
Дальнейшие изменения программы управления шлагбаумом в основном будут предназначены для демонстрации возможностей табличного программирования. Помимо ситуаций, которые возникают при штатной работе оборудования, стоит продумать реакцию системы управления на аварийные ситуации. Добавим еще одно улучшение. Сформируем звуковой сигнал заданной длительности, оповещающий об аварии.
В таблице на рис. 22 к выходу 13 контроллера, который отвечает за индикацию аварийной ситуации, подключены световой и звуковой сигналы. При аварии звуковой сигнал будет включен до тех пор, пока оператор не нажмет кнопку «Стоп». Это не всегда удобно, так как вместе с отключением звукового сигнала отключается и световая индикация, которая могла быть подтверждением факта аварийной остановки.
Для того чтобы разделить световую и звуковую сигнализации добавим в программу выходную переменную «авария, звук» (рис. 23). Для ограничения длительности звукового сигнала используем таймер, формирующий импульс, TP. Установим длительность звукового сигнала в 2 секунды. Теперь при возникновении аварийной ситуации пуск двигателя будет заблокирован, раздастся короткий звуковой сигнал, индикаторная лампа «Авария» будет гореть до нажатия на кнопку «Стоп». На рис. 23 показано состояние программы, когда вышло время операции «открыть шлагбаум». Стрела не достигла своего верхнего положения за 8 секунд. Звуковой сигнал включен – и будет отключен через 0,845 секунды.
Рис. 23. Табличная программа управления шлагбаумом с ограничением длительности аварийного звукового сигнала
2.7. Управление скоростью
Многие современные шлагбаумы замедляют движение стрелы возле конечных положений. Такое решение делает работу шлагбаума плавной, уменьшает износ деталей, повышает безопасность эксплуатации. Находящиеся рядом со шлагбаумом люди могут успеть среагировать на начало движения. При этом время открывания шлагбаума может даже сократиться. Замедление во время пуска и останова будет компенсировано прохождением средней зоны с повышенной скоростью.
Чтобы реализовать замедление при подходе к конечным положениям, введем в схему предварительные верхний и нижний выключатели. Программа управления шлагбаумом с предварительными выключателями показана на рис. 24. Эти выключатели должны срабатывать до конечных выключателей. Теперь мы имеем три сектора движения стрелы: нижний сектор разгона или торможения, средний сектор движения стрелы с высокой скоростью, верхний сектор торможения или разгона.
Рис. 24. Табличная программа управления шлагбаумом с предварительными выключателями
При подъеме вверх стрела шлагбаума начинает медленное движение от своего нижнего положения до нижнего предварительного выключателя. По прохождении нижнего предварительного выключателя включается повышенная скорость и стрела с высокой скоростью движется до верхнего предварительного выключателя. Потом повышенная скорость отключается и стрела медленно подходит к своему верхнему положению.
Для реализации режима работы шлагбаума с изменением скорости движения стрелы необходимо ввести в программу две входные переменные, отражающие состояние предварительных выключателей, и одну выходную переменную, которая будет включать повышенную скорость. Обозначим ее как «2-я скорость».
В таблице, представленной на рис. 24, отображено состояние шлагбаума после нажатия кнопки «Открыть». В этот момент команда «вверх» запустит двигатель стрелы шлагбаума на пониженной скорости. На ограничение скорости будет влиять ноль в строке 13 от сработавшего нижнего предварительного выключателя. После прохождения нижнего предварительного выключателя значение в строке 13 станет равным единице, активная ячейка в этой строке тоже станет равной единице. Следовательно, логическое И по пятому столбцу и выходная переменная «2-я скорость» также будут равны единице. Стрела шлагбаума начнет двигаться с повышенной скоростью до верхнего предварительного выключателя. Далее, при срабатывании верхнего предварительного выключателя, произойдет замедление.
Из таблицы видно, что на отключение высокой скорости влияют три активные ячейки в пятом столбце. Состояние одной из них, в строке 10, зависит от кнопки «Шунт». Сделано это для того, чтобы при необходимости обойти концевые выключатели движение стрелы происходило на пониженной скорости.