Тренажерная система регулирования уровня жидкости в резервуаре (на базе контроллера Simatic S7-200)

Андреев Н.К., Малацион А.С.

ТРЕНАЖЕРНАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В РЕЗЕРВУАРЕ

В настоящей статье рассматривается тренажерная система регулирования уровня жидкости в резервуаре. Система включает в себя набор аппаратных и программных средств и является приставкой к лабораторному стенду, предназначенному для обучения студентов основам программирования промышленных контроллеров и построенному на базе программируемого логического контроллера SIMATIC S7-200 фирмы SIEMENS.

Ключевые слова: регулятор уровня жидкости в резервуаре, программируемый логический контроллер, датчик реле уровня, SIMATIC S7-200, LAD, STEP 7-Micro/Win32.

Применение средств вычислительной техники для автоматизации производственных процессов выводит производство на качественно новый уровень, при котором управление осуществляется автоматическими и автоматизированными системами, охватывающими полный цикл производства. Наиболее простым и эффективным из всех альтернативных вариантов является использование программируемых логических контроллеров (ПЛК). Для успешного применения ПЛК в системах управления разработчики и обслуживающий персонал должны хорошо разбираться в соответствующих аппаратных средствах, а также владеть техникой программирования контроллеров. В этой связи большое значение имеет подготовка специалистов для работы с ПЛК, которая должна проводиться в учебных классах, оснащённых соответствующей техникой и учебно-методическими пособиями.

Обучение студентов старших курсов на кафедре «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» (ЭПА) микропроцессорным средствам в электроприводе проходит на стенде, изготовленном фирмой ЗАО «Экоинвент». Стенд включает в себя аппаратную часть с набором модулей расширения различных объектов управления (панель с микроконтроллером, панель с семисегментным индикатором, панель «Перекрёсток», панель «Пассажирский лифт») и программную часть с набором виртуальных моделей COSIM. Имитатор содержит виртуальные модели технических объектов различной степени сложности - от электродвигателя переменного тока до системы водоснабжения с регулированием уровня жидкости.

Проведение лабораторных работ показало, что студенты достигают лучших результатов в программировании, когда имеют реальный объект автоматизации. Поэтому в качестве дополнительной приставки к стенду было принято решение спроектировать и изготовить систему регулирования уровня рабочей жидкости в резервуаре. Создание системы управления на базе ПЛК связано с решением целого ряда технических задач, важнейшими из которых являются следующие: разработка алгоритма функционирования и структурной схемы объекта автоматизации; синтез системы управления и формирование его аппаратных средств; разработка прикладной программы, её отладка и тестирование;

Перед началом работы над новым проектом обычно имеется общее представление о функционировании объекта автоматизации. Поэтому основной упор делается на алгоритмическое, аппаратное и программное обеспечение проекта. Алгоритм функционирования регулятора уровня жидкости в резервуаре должен быть достаточно гибким и содержать следующие задачи автоматизации: наполнение или слив до заданного уровня; поддержание уровня жидкости; индикация уровня жидкости; работа в режимах ручного и автоматического управления. На рис. 1 приведена структурная регулятора уровня жидкости.

Рис. 1. Структурная схема регулятора уровня жидкости

В схеме приняты следующие условные обозначения: БК - блок кнопок; БИ - блок индикации; БП - блок питания; В - вода; ВО Жіп СС - виртуальный объект; ДРУ - датчик реле уровня; М - двигатель; МП - магнит-

ный пускатель; ПЛК - программируемый логический контроллер; СН -сливной насос; П - потребитель; ПК - персональный компьютер; Lan ПК -сетевой компьютер; Р - резервуар; РЩ - распределительный щит; УРУ -устройство ручного управления; УК - устройство коммутации; Э - электрод; ЭК - электромагнитный клапан.

Рассмотрим работу структурной схемы регулятора. Питание из сети поступает на распределительный щит, откуда подаётся на блок питания и устройства коммутации. Блок питания преобразует напряжение питающей сети в напряжение, пригодное для питания контроллера и датчиков реле уровня. Резервуар представляет собой ёмкость с установленными в неё датчиками уровня. В качестве датчиков уровня выступают три электрода, расположенных на разных уровнях. Срабатывание датчиков происходит в момент замыкания электрода на заземлённый корпус резервуара через электропроводную жидкость.

Сигналы с электродов обрабатываются датчиком реле уровня, который коммутирует и передаёт их на ПЛК. Временная диаграмма работы датчика реле уровня представлена на рис. 2 [1].

Рис. 2. Временная диаграмма работы ДРУ: 1 - уровень воды в резервуаре; 2- состояние реле 1 при замыкании нижнего электрода; 3- состояние реле 2 при замыкании среднего электрода; 4- состояние реле 3 при замыкании верхнего электрода; 5 - расположение электродов в резервуаре

ПЛК представляет собой ядро системы управления. Он взаимодействует с объектом управления через свои входы и выходы: обрабатывает информацию, поступающую от объекта, и выдаёт управляющие сигналы на его исполнительные механизмы. Контроллер управляет технологиче-

ским процессом в соответствии с некоторой прикладной программой, разработанной пользователем. В качестве исполнительных механизмов в этой схеме используются электромагнитный клапан и сливной насос. Включение механизмов возможно через устройства коммутации - два магнитных пускателя, управляемых сигналами с ПЛК. В схеме предусмотрено дистанционное управление регулятором уровня жидкости через промышленную локальную сеть посредством специализированного виртуального объекта, созданного на языке Win CC. Для управления технологическим процессом предусмотрены блок кнопок (ПУСК «Насос», ПУСК «Клапан», СТОП), переключатель, задающий требуемый уровень жидкости (нижний, верхний и средний), а также индикация работы насоса, электромагнитного клапана и уровня жидкости в резервуаре.

Следующим этапом в создании регулятора уровня жидкости на базе ПЛК является разработка функциональной и электрической принципиальной схем. По схемам собрана действующая модель регулятора уровня жидкости, а также панель управления, которая обозначена на принципиальной схеме как блок УРУ (рис. З).

Рис. 3. а) Резервуар с водой: 1 - электромагнитный клапан, 2 - датчик уровня, 3 - сливной насос; б) Панель управления: 4 - магнитный пускатель, 5 - ДРУ

Объект управления (рис. 3 а) представляет собой резервуар цилиндрической формы, в корпус которого вмонтированы три электрода (2), электромагнитный клапан (1) и сливное отверстие для подключения насоса (3). Электроды предназначены для контроля уровня жидкости с помощью датчика-реле уровня, расположенного в панели управления. Панель управления представляет собой ящик из оргстекла (рис. 3б), на лицевую поверхность которого выведены органы ручного и автоматическо-

го управления, а также световые индикаторы работы двигателя и насоса. Внутри ящика выполнен монтаж схемы, реализующей связь ПЛК с объектом управления.

Стенд с ПЛК и регулятор уровня жидкости расположены в разных учебных аудиториях. Их удалённая связь осуществляется по десятижиль-

2 ттт

ному кабелю, сечением 0,25мм . Объект управления подключается к ПЛК с помощью специально разработанной съёмной лицевой панели (рис. 4). На лицевую панель выведены приборные гнёзда с кнопок, сигнальных ламп, датчиков уровня, насоса и электромагнитного клапана. Исполнительные устройства соединяются с контроллером гибкими проводами с помощью гнёзд в съёмной лицевой панели, в зависимости от технического задания.

Рис. 4. Съёмная лицевая панель «Управление уровнем жидкости»

В качестве исполнительных органов выбраны сливной насос и электромагнитный заливной клапан от стиральной машины «Вирпл». Общая мощность устройств 70 Вт, напряжение питания 220 В, частотой 50 Гц. Работа устройств осуществляется через два реле с катушками на 24 В постоянного тока. Выбор такого реле обусловлен тем, что на дискретных выходах ПЛК 8ІМЛТІС 87-200 формируется напряжение 24 В.

Контроллер 87-200 имеет модульную конструкцию и состоит из базового блока СРи 222 (8 вх./6 вых.) и дискретного модуля расширения

EM 221 (8 вх./8 вых.). В состав базового блока входят центральный процессор, модуль питания, устройства памяти, дискретные входы/выходы, коммуникационный порт RS-485. Внутренний модуль питания CPU 222 включает два источника постоянного тока: первый работает с напряжением 5 В и обеспечивает питание аппаратной логики, второй рассчитан на напряжение 24 В и служит для питания цепей датчиков. Коммуникационный порт обеспечивает возможность подключения центрального процессора к персональному компьютеру с целью программирования и диагностики, а также создания промышленных сетей [2].

Конечным этапом работы над регулятором уровня жидкости является разработка прикладной программы и её отладка. Тестовая часть программы позволяет выявить и исключить возможные неисправности. Для достижения результата необходимо выбрать программное обеспечение, поддерживаемое контроллером S7-200, и язык программирования, на котором проще реализовать алгоритм функционирования системы.

Различают базовое и прикладное программное обеспечение (ПО). Базовое ПО состоит из комплекса программ, поставляемых с ПЛК. В основном это программы управления работой контроллера (программа-монитор) и комплекс программ, необходимых для разработки и выполнения прикладных программ. Прикладное ПО представляет собой набор программ в машинных кодах, предназначенных для решения задач управления объектом. При разработке прикладного ПО используют специализированные, проблемно ориентированные языки, понятные и доступные специалистам в области автоматики, а не только информатики. Для работы над проектами автоматизации с применением программируемых контроллеров SIMATIC S7-200 фирмой Siemens разработано специальное программное обеспечение STEP 7-Micro/Win32. Фирма Siemens входит в ряд производителей ПЛК, поддерживающих систему команд IEC 1131-03, разработанной согласно стандарту Международной электротехнической комиссии, а также собственной системой команд под названием SIMATIC.

Благодаря простоте и лёгкости в освоении, при написании прикладной программы регулятора уровня жидкости предлагается использовать язык релейно-контактных схем LAD. Язык LAD (Ladder Diagram, «лестничная логика») является графическим языком. При написании программы на этом языке пользователь создаёт её фрагменты в форме вычислительных логических цепочек, используя графические элементы языка (контакты, катушки, таймеры, счётчики и т.д.).

Пример простейшей программы, реализующей автоматическое от-

ключение по достижении жидкостью нижнего или верхнего уровня, представлен на рис. 5. Программа начинается с вычислительной цепочки индикации лампы «Стоп». Лампа загорается в случае, если не работает ни клапан, ни насос, т. е. реализована логическая функция «И». Цепочка Network 2 и Network 5 реализуют логическую функцию «ИЛИ». Отключение насоса и клапана происходит либо по достижении заданного уровня, либо при нажатии кнопки «Стоп». Цепочки Network 3 и Network 4 обеспечивают включение насоса либо клапана при нажатии соответствующих кнопок. Включить насос возможно, если в резервуаре есть жидкость.

Рис. 5. Программа управления уровнем жидкости на языке Ladder

Особенностями данной программы является отсутствие программной индикации уровня жидкости, работы насоса и клапанов. Кроме того, не используется датчик среднего уровня жидкости. Тестирование программы показало, что при достижении конечного уровня в момент отключения насоса или клапана возникает переходной процесс из-за волнения жидкости на поверхности. В течение некоторого времени происходят ложные срабатывания датчика уровня. После окончания переходного процесса датчик случайным образом может давать единичный или нулевой сигнал. Данная особенность может негативно сказаться на работе приведённой или более сложной программы. Поэтому перед отключением двигателя или клапана

нужно дать время на завершение переходного процесса. Решить указанную задачу можно путём усовершенствования программы с помощью дополнительных контактов и вычислительных цепочек.

Рис. 6. Программа управления уровнем жидкости с таймерами

Рассмотрим принцип работы указанной программы. Предположим, необходимо слить воду до нижнего уровня. Если замкнут контакт «пуск-слив» и в резервуаре есть жидкость, то включается «насос». При условии, что уровень жидкости уменьшился до минимального (нормально закрытый контакт «уровень_1»), в ячейку памяти М0.6 записывается единичное состояние. Контакт М0.6 замыкается и даёт разрешение на отсчёт времени таймеру Т105. Таймер замкнёт свой контакт Т105 по достижении уставки времени в пять секунд. Значение «1» на контакте Т105 даёт разрешение на отключение насоса и сброса бита М0.6, после чего таймер об-нулится и примет исходное состояние. То есть, реализуется задержка отключения насоса на пять секунд после достижения нижнего уровня. Это время позволяет дождаться завершения переходного процесса. Отключение клапана по верхнему уровню выполнено аналогичным образом. На рисунке 6 представлена программа с использованием таймеров. Испытание разработанной системы показало, что она работоспособна и отвечает

поставленным к ней требованиям.

Таким образом, в работе показан процесс создания системы регулирования уровня жидкости на базе ПЛК SIMATIC S7-200 от разработки алгоритма функционирования до написания прикладной программы. В настоящее время разрабатывается мнемосхема регулятора уровня жидкости на специализированном программном продукте фирмы SIEMENS - Win CC с целью управления и контроля уровня жидкости в резервуаре по локальной сети.

Источники

1. Топильский В.Б. Схемотехника измерительных устройств. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2010. 232 с.

2. Методические пособия для выполнения лабораторных работ на ПЛК фирмы Siemens. М.: ЗАО «Экоинвент» в 3-х частях.

Зарегистрирована 01.09.2011 г.