УДК 681.518.5 ОБУЧАЮЩИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ Канд. техн. наук, доц. ЕЖОВ В. Д.1), инж. ДУБОДЕЛОВ В. Е.2), канд. техн. наук, доц. КРЫШНЕВ Ю. В.3) 1)Белорусский национальный технический университет, 2)ЧНПУП «Вилмир», 3)Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого Разработчики, проектирующие изделие, должны иметь возможность самостоятельно написать программу управления. Никто лучше их не знает, как должно работать конкретное изделие. На последующих этапах жизнен- ного цикла изделия важно, чтобы программа управления была понятна об- служивающему техническому персоналу. Программное и аппаратное обес- печение современных средств автоматизации дает такие возможности. Фирмы – разработчики программного обеспечения предоставляют обшир- ные ознакомительные материалы, а обучающие комплексы облегчат рабо- ту разработчиков и обслуживающего персонала даже при начальных зна- ниях программирования. Можно выделить два способа и области разработки промышленных систем управления. Первый способ – разработка специализированных встраиваемых мик- роконтроллеров, например для автомобильной электроники, бытовых элек- тронных приборов и систем, несложных коммуникационных систем и пр. Для таких микроконтроллеров характерны высокое быстродействие, малые габариты и токи потребления, что важно в автономных системах. Фирма- изготовитель (Atmel, Fujitsu, Microchip, TI) поставляет для своих микро- контроллеров интегрированную среду разработки и отладки программ, включая библиотеки исходных текстов программ, текстовые редакторы, симуляторы. При программировании такого микроконтроллера необходи- мо разработать вычислительное ядро, сделать макет, отладить его, выбрать и приобрести инструментальные средства и средства программирования (отладчик, компилятор, соединители), приобрести, установить и настроить операционную систему, написать драйверы, приобрести дополнительные библиотеки для поддержки современных сетей, сделать тестовый образец, отладить системное программное обеспечение. Только после этого можно будет заняться разработкой прикладной задачи управления разрабатывае- мым изделием. В итоге получаем компактную встраиваемую в изделие плату управления с необходимым набором микросхем. Но время разработки и соответственно ее стоимость оказываются весь- ма значительными. Для программирования таких контроллеров требуют- ся глубокие знания программирования и аппаратной части. Такой способ разработки систем управления оправдан только при крупносерийном про- изводстве для встраиваемых систем. Вторая область – промышленные универсальные контроллеры в системах управления технологическими процессами различных производств. В отличие от встраиваемого микро- контроллера промышленный контроллер – это законченное полнофунк- циональное изделие, предназначенное для легкой интеграции в промыш- 18 ленные системы управления [1]. Для обеспечения доступа к внутренним ресурсам контроллеры имеют встроенные операционные системы реально- го времени (ОС РВ), например MiniOS7, Windows CE.Net, ОС Linux, QNX. Для связи с верхними уровнями управления и устройствами связи с объек- тами контроллеры имеют все необходимые интерфейсы и встроенную под- держку коммуникационных протоколов. Это позволяет программировать работу контроллера на уровне операционной системы, абстрагируясь от низкоуровневых подробностей разработки программы и концентрируясь исключительно на логике процесса управления. Для программирования таких контроллеров достаточно начальных знаний программирования. С развитием полупроводниковых технологий для встраиваемых систем управления созданы однокристальные микроконтроллеры со встроенной операционной системой. Например, однокристальный микроконтроллер SC143-IEC со встроенной ОС РВ имеет 186EX-процессор 96 MГц, 8 МВ ОЗУ, 8 МВ встроенного flash-диска, Ethernet (1x10/100BaseT, 1xMII), 2xCAN, USB, BGA177 (25×25×5 мм). Поддержка прикладного программи- рования на языках стандарта МЭК 61131-3 включает лицензию CoDeSys [2]. Использование встроенной ОС делает труд разработчика на порядок эффективнее. Это важно в условиях, когда налицо общая тенденция со- кращения жизненного цикла изделий различных классов – от простых до сложных изделий. Техника устаревает все быстрее, и производителям по- стоянно приходится либо выпускать новые устройства, либо модернизиро- вать старые. И чем чаще это делается, тем острее встает проблема эффек- тивности разработки и модернизации систем управления изделиями [3]. Кроме систем комплексной автоматизации под ключ (Siemens, Allen- Bradley) наибольший интерес представляют системы «открытого» стандар- та, в роли которых выступают, как правило, PC-совместимые конт- роллеры, например ICP-DAS. При производстве совместимой продукции, подчиненной требованиям «открытого» стандарта, производитель может развивать свои удачные решения и внедрять их даже в полностью захва- ченных областях рынка. Так начинающие коллективы получают шанс най- ти свое место среди промышленных гигантов. Тем самым расширяется и сам рынок. Технология программирования «открытого» стандарта МЭК 61131-3 разделена на две основные составляющие: среду разработки и среду вы- полнения. Среда разработки – это средства визуального программирования в стандарте МЭК 61131-3, оптимизирующие компиляторы, интерактивный графический отладчик, встроенная визуализация человеко-машинный ин- терфейс (HMI), диспетчерское управление и сбор данных (SCADA Supervisory Control And Data Acquisition), конфигураторы ввода/вывода и оборудования, ОРС и DDE серверы и многое другое. Среда разработки ра- ботает на офисных PC под Windows 98/NT/XP/2000/7. Код созданной в ней прикладной программы может работать на разных аппаратных плат- формах. Наибольшей известностью пользуются следующие комплек- сы программирования: CoDeSys, (3S Smart Software Solutions), ISaGRAF (CJ International), MULTIPROG wt (Klopper und Wiege Software GmbH), OpenPCS (Infoteam Software GmbH), SoftCONTROL (Softing GmbH), iCon-L 19 (ProSign (Process Design) GmbH) [4]. Главная задача любого комплекса – автоматизация работы разработчика, избавление от рутинной работы. Такая среда программирования создает надежный и читабельный код. Каждый из этих комплексов имеет средства быстрой разработки и от- ладки программ. Все комплексы имеют демоверсии, позволяющие про- граммировать и тестировать в режиме эмуляции. Приемы редактирования хорошо изложены во всех комплексах. Стандарт МЭК 61131-3 имеет сле- дующие языки программирования: • LD (Ladder Diagram, релейно-контактные схемы) – графический язык релейных диаграмм, реализующий программу электрической схемой на базе электромагнитных реле; • FBD (Function Block Diagram, функциональные блоковые диаграм- мы) – графический язык. Функциональный блок (ФБ) выражает некую подпрограмму, например перемножение или сложение сигналов. Каждый ФБ имеет входы (слева) и выходы (справа). Программа создается путем соединения блоков, взятых из библиотеки. На рис. 1 показан фрагмент эк- рана при разработке алгоритма управления объектом на языке FBD; Рис. 1. Фрагмент экрана среды разработки программы на языке FBD • SFC (Sequential Function Chart, последовательностные функциональ- ные диаграммы) – графический высокоуровневый язык, описывающий по- следовательность состояний и условий переходов; • ST (Structured Text, структурированный текст) – текстовый паскалепо- добный язык программирования; • IL (Instruction List, список инструкций) – текстовый аппаратно- независимый низкоуровневый ассемблероподобный язык; • CFC – язык функциональных блоков, ориентированный на управление целыми технологическими единицами (клапанами, моторами, насосами). Элементы программы, выполненные на любом МЭК-языке, можно ко- пировать в буфер обмена Windows и вставлять в программу на другом язы- ке с автоматическим перекодированием. 20 Среда выполнения, согласно стандарту МЭК 61131-3, представляет со- бой виртуальную машину, своего рода драйвер между аппаратной частью контроллера и программами пользователя, выполненными в среде разра- ботки МЭК. Контроллер, поддерживающий, например, ISaGRAF, выпуска- ется со встроенной средой выполнения (драйвером) и готов обрабатывать пользовательские программы, разработанные в ISaGRAF. Специалист, изучивший стандартные компоненты МЭК, сможет ра- ботать с контроллерами многих фирм, поддерживающих стандарт МЭК 61131-3: ABB, ICP-DAS, Mitsubishi Electric, Owen Co, Schneider Electric, Moeller, Fastwel Inc., Prolog Co и др. Таким образом, изучение сис- тем автоматизации, поддерживающих стандарт МЭК, обеспечит наиболее широкую область применения полученных знаний. С учетом всего сказанного за основу комплектации обучающего ком- плекса принято оборудование фирмы ICP-DAS, хорошо зарекомендовав- шее себя как недорогое и простое в настройке и эксплуатации [5]. В состав комплекса включено следующее оборудование: • преобразователи интерфейсов USB, RS232, RS485. CAN; • микроконтроллеры с встроенной ОС реального времени, с мезонин- ными модулями и наборами модулей связи с объектами; • программируемый логический контроллер; • контроллер с встроенной ОС реального времени, с возможностью раз- работки и отладки программ и встроенными модулями связи с объектами; • персональные компьютеры с ОС WindowsXP; • объекты управления: нагреватель, электропривод постоянного тока, частотно-регулируемый асинхронный привод, шаговые двигатели, станок с ЧПУ и др. Все оборудование может свободно конфигурироваться и дополняться, а также есть возможность собственных разработок на мезонинных моду- лях. На рис. 2 представлен фрагмент обучающего комплекса. Рис. 2. Фрагмент обучающего комплекса связь Ethernet Коммутатор на объект на объект связь 21 Контроллеры I-7188EGD и mPAC-7186 выполнены на базе процессора АМD188 40 МГц, имеют DOS-совместимую операционную систему MiniOS7, до 512 КВ ОЗУ и до 512 КВ flash-памяти для хранения пользова- тельских программ. На рис. 3 представлена структурная схема контроллера I-7188. Он имеет встроенный драйвер и лицензию ISaGRAF, часы реально- го времени, интерфейсы RS232, RS485, Ethernet, протокол для интеграции с модулями удаленного ввода/вывода серии M-7000 и программным обес- печением SCADA или HMI. К контроллеру I-7188 можно подключать не только модули ввода/вывода, но и любые другие устройства: принтеры, модемы, другие компьютеры и контроллеры – словом, все, что может об- мениваться данными через последовательный порт, которых I-7188 имеет четыре. Есть возможность установки мезонинных модулей расшире- ния [X303], [X304], [X305] и других для собственных разработок. Кроме системы ISaGRAF, контроллеры I-7188EGD и mPAC-7186 программи- руются системой SOFTLOGIC в TRACE MODE®6, интегрированной со SCADA/HMI [6]. Все перечисленное позволяет реализовать на контроллере I-7188EGD или mPAC-7186 автономную замкнутую систему автоматиче- ского управления с контролем и оперативным управлением с удаленной рабочей станции. Рис. 3. Структурная схема контроллера I-7188 Конструкции промышленных контроллеров обеспечивают легкость монтажа, возможность замены неисправных блоков без разборки схем со- единений, а также комплектуются различными модулями связи с объекта- ми. Для работы в тяжелых промышленных условиях контроллеры имеют все необходимые защиты, широкий температурный диапазон, гальваниче- ские развязки, средства самодиагностики. Модули удаленного ввода/вывода M-7019R, M-7024, M-7033D, M- 7055D, M-7080D – это функционально законченные устройства в негорю- 22 чем пластиковом корпусе с быстросъемными винтовыми клеммниками и креплением на DIN-рейку или плоскость. Модули имеют встроенные кон- троллеры c памятью и развитым ПО для конфигурирования, обработки сигналов с датчиков и поддержки протокола Modbus RTU. Их работа осуществляет- ся как под управлением контроллеров I-7188EGD и mPAC-7186 с програм- мированием в ISaGRAF, так и непосредственно от ПК как операторской станции с программированием в системе SOFTLOGIC в TRACE MODE 6, интегрированной со SCADA/HMI. На рис. 4 показана структурная схема преобразователя данных M-7033D, представляющего собой трехканальный аналого-цифровой пре- образователь сигналов от промышленных термосопротивлений ТПС. Пре- образователь имеет фотоэлектрическую развязку и встроенные источники тока для запитывания термосопротивлений, подключаемых к преобразова- телю. Входящее в состав преобразователя четырехзначное табло предна- значено для локального отображения измеряемой величины. Рис. 4. Структурная схема преобразователя данных ТПС M-7033D Для надежной работы в тяжелых промышленных условиях модули имеют двустороннюю гальваническую изоляцию 3000 В, широкий диа- пазон рабочих температур, встроенные изолирующие преобразователи питания. Контроллер WinCon-8737 [5] содержит 7-слотовую внутреннюю шину, к которой подключены модули ввода/вывода I-8024, I-87026, I-8042, I-87017R, I-8090 и I-8091. Поддерживаются коммуникационные интерфей- сы RS-232, RS-422, Ethernet, CAN. Контроллеры WinCon имеют большую вычислительную мощность – RISC-процессор Intel StrongARM 206 МГц, 64 МВ ОЗУ, 32 МВ flash-памяти, а также установленную ОС реального времени Windows CE.Net. Подключив через разъемы PS/2, USB и VGA клавиатуру, дисплей и мышку, можно разрабатывать, отлаживать и тести- ровать программы на самом контроллере. Контроллер WinCon имеет встроенную поддержку протоколов Modbus и OPC для связи с контролле- рами других производителей и SCADA-системами. 23 На рис. 5 показан внешний вид контроллера WinCon-8737 с разъемами для периферийных устройств на базовом блоке и пятью сменными моду- лями для связи с объектом управления. Рис. 5. Внешний вид контроллера WinCon-8737 Программирование контроллеров WinCon-8000 осуществляется в инст- рументальной системе Micro TRACE MODE 6 для Windows [6] на любом из пяти языков программирования стандарта МЭК 61131-3. Все платы ввода/вывода и сетевые взаимодействия с операторскими станциями под- держиваются процедурой автопостроения. Особенностью Micro TRACE MODE 6 для WinСon-8000 является встроенный операторский интерфейс в контроллере (embedded HMI). С его помощью и при подключении дисплея непосредственно к VGA-порту контроллера создаются графические опера- торские панели, полноценные графические мнемосхемы с объемной гра- фикой, трендами, динамическим текстом, гистограммами, кнопками и т. д. Программное обеспечение среды программирования TRACE MODE предоставлено бесплатно компанией AdAstrA Research Group, Ltd. Мас- штаб систем автоматизации – от автономных управляющих контроллеров до распределенных систем управления, обменивающихся данными с ис- пользованием различных коммуникаций – локальной сети, Интернета/Ин- тернета, шин на основе RS 232/485 и пр. Таким образом, перечисленные программные и аппаратные средства обучающего комплекса в сочетании с представленными объектами управ- ления позволяют собирать законченные системы управления с различными иерархиями и конфигурациями. На комплексе можно обучать студентов, знакомя их со всеми средствами промышленных систем управления: от программирования до средств защиты и способов монтажа. Опытные спе- циалисты могут на обучающем комплексе повышать свою квалификацию Ввод аналоговых сигналов Вывод аналоговых сигналов Токовая петля Ввод дискретных сигналов Вывод дискретных сигналов Выходные зажимы реле Выход с открытым коллектором Датчик/частота VGA Порт Ethernet Соmрасt Flash ЖКИ индикатор Входной разъем питания СОМ 2 СОМ3 USB Разъем клавиатуры Разъем мыши Параллельная шина Слоты ввода/вывода Кнопка сброса RISC CPU 206 МГц EEPROM/Flash/SDRAM Сторожевой таймер Часы реального времени Уникальный серийный номер оборудования 24 в языках программирования стандарта МЭК 61131-3 или отлаживать ма- кеты систем управления. В Ы В О Д Развитие полупроводниковых технологий и технологий встраиваемых операционных систем позволяет разрабатывать систему управления, не вдаваясь в низкоуровневые подробности программирования. Разработчик, проектирующий изделие, может самостоятельно написать программу уп- равления, а обслуживающий персонал – модернизировать ее. Специалист, изучивший стандартные компоненты МЭК на базе обу- чающего комплекса, поддерживающего «открытый» стандарт МЭК 61131- 3, сможет работать с контроллерами многих фирм, поддерживающих этот стандарт. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. П р о г р а м м и р у е м ы е контроллеры. Общие положения и функциональные ха- рактеристики: ГОСТ Р 51840–2001 (МЭК 61131-3–92) Госстандарт России, Москва, БЗ 11 – 2001/301. – Режим доступа: http://standartgost.ru/. – Дата доступа: 09.11.2011. 2. О д н о к р и с т а л ь н ы й компьютер SC143-IEC со встроенной ОС РВ. – Режим доступа: www.prolog-plc.ru/becknew. – Дата доступа: 09.11.2011. 3. Г о р б у н о в, Н. Встраиваемая ОС как основа успеха. – Режим доступа: http://www. swd.ru/index.php3?pid=566. – Дата доступа: 06.05.2011. 4. П е т р о в, И. В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и инструмен- ты / И. В. Петров; под ред. В. П. Дьяконова. – М.: СОЛОН-Пресс, 2003. – 256 с. 5. I n d u s t r i a l PC to you. – Режим доступа: http://www.ipc2u.by. – Дата доступа: 03.05.2011. 6. S C A D A системы для АСУ ТП. SCADA-SOFTLOGIC-MES-EAM. – Режим доступа: http://www.adastra.ru. – Дата доступа: 06.05.2011. Представлена кафедрой электротехники и электроники Поступила 06.12.2011 УДК 629.7 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ИМПУЛЬСНОГО КОНТРОЛЯ ОБМОТОК АВИАЦИОННЫХ КОЛЛЕКТОРНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА ШЕЙНИКОВ А. А., канд. техн. наук СУХОДОЛОВ Ю. В. Военная академия Республики Беларусь Описание объекта контроля. Авиационные коллекторные генераторы постоянного тока всех типов (ГСР, ГСР-СТ, СТГ) аналогичны по конст- рукции. Отличие ГСР (генератор самолетный с расширенным диапазоном 25