Программное управление технологическими комплексами в энергетике

УДК 621.31:[681.51:004](075.8)
ББК 32.96я73
 
П30

Ре ц е н з е н т ы: кафедра «Автоматизированный электропровод» УО 
«Гомельский государственный технический университет им. П.О. Сухого» (заведующий кафедрой кандидат технических наук, доцент В.С. Захаренко); проректор по научной  работе УО «Белорусский государственный 
университет информатики и радиоэлектроники» доктор технических наук, 
профессор А.П. Кузнецов

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги 
или любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издате льства

Петренко, Ю. Н.
П30 
Программное управление технологическими комплексами в энергетике : учеб. пособие / Ю. Н. Петренко, 
С. О. Новиков, А. А. Гончаров. – Минск : Выш. шк., 
2013. – 407 с.: ил.
ISBN 978-985-06-2227-3.

Рассматривается реализация проектов систем управления технологических комплексов на основе ПЛК. Описаны языки программирования ПЛК: РКС, LAD, FBD, STL, SCL, GRAPHCET, SFC, CFC. 
Рассматриваются промышленные компьютерные сети, объединяющие ПЛК, интеллектуальные датчики и исполнительные устройства на 
основе технологий PROFINet, FIELDbus и PROFIbus. 
Изложены приемы и правила работы в системе программирования 
CoDeSys.
Для студентов учреждений высшего образования по энергетическим специальностям.
Будет полезно специалистам, занимающимся разработкой дискретных систем управления технологических комплексов.

УДК 621.31:[681.51:004](075.8)
ББК 32.96я73  

ISBN 978-985-06-2227-3 
© Петренко, Ю.Н., Новиков С.О.,
 
Гончаров А.А., 2013
 
© Оформление. УП «Издательство
 
“Вышэйшая школа”», 2013

Предисловие

Ускорение научно-технического прогресса на современном 
этапе развития немыслимо без решения задач комплексной автоматизации производства. Быстрое развитие этого направления является одним из определяющих факторов интенсификации экономики. Оно позволяет кардинально повысить производительность труда, качество выпускаемой продукции и эффективность производства. Основной задачей современного 
направления автоматизации является разработка и внедрение 
гибких автоматизированных производственных систем различного назначения на базе промышленных роботов, автоматических манипуляторов, контрольно-измерительных и диагностических комплексов и транспортно-складских систем 
с управлением от ЭВМ, а также их интеграции с системами 
автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства.
Наряду с системами числового программного управления 
для автоматизации технологических комплексов самого различного назначения с использованием программируемых логических контроллеров широко используются дискретные системы логического управления. Наметился переход от локальной автоматизации отдельных технологических комплексов 
к распределенному взаимосвязанному управлению оборудованием цеха или предприятия на основе промышленных вычислительных сетей.
Представленная работа посвящена вопросам проектирования и моделирования работы дискретных логических систем 
управления, область применения которых чрезвычайно широка – комплексы литья под давлением, агрегатные станки, автоматические линии, шлифовальные станки, отдельные циклы 
станков с числовым программным управлением (например, 
автоматическая смена инструмента), управление различными 
энергетическими системами и объектами автоматики и мно

гое другое. Моделирование дискретных систем управления 
предполагает применение программируемых логических контроллеров (ПЛК) и соответствующего программного обеспечения – специализированных языков программирования, наиболее распространенные из которых представлены в работе.
Изложены приемы и правила работы в системе программирования CoDeSys, основным назначением которой является 
использование программых логических контроллеров и промышленных компьютеров в стандарте МЭК 61131-3. Средства 
CoDeSys позволяют реализовывать законы управления, моделировать схемы управления и исследования их поведения при 
различных условиях работы в реальном времени.
Авторы благодарят рецензентов за их ценные замечания, 
которые способствовали улучшению содержания книги.

Авторы

Список сокращений

АЛ – автоматическая линия
АУ – алгоритм управления
ВВП – входные и выходные последовательности
ВТ – вычислительная техника
ГАМ – графо-аналитическая модель
ГСА – граф-схема алгоритма
ГУ – граф управления
ИМ – исполнительный механизм
ИТ – информационные технологии
КВ – контролирующее воздействие
КОП – код операции
ЛО – логическое описание
ЛЦ – логическая цепь
НЗ – нормально закрытый
НО – нормально открытый
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство
ОС – операционная система
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство
ПК – персональный компьютер
ПЛК – программируемый логический контроллер
ПО – программное обеспечение
ППЗУ – перепрограммируемое ПЗУ
ПС – принципиальная схема
ПФ – предикатная формула
РКС – релейно-контактная схема
РП – рабочая программа
РПП – рабочая программа пользователя
САПР – система автоматизированного проектирования
СИМ – система ИМ 
СК – символьная команда
СЛУ – система логического управления
СПФ – система предикатных формул
СхЭ – схема размещения электрооборудования
ТЗ – техническое задание
ТМ – технологическая машина

ТП – технологический процесс
ТС – таблица состояний
УВ – управляющее воздействие
УВМ – управляющая вычислительная машина
УУ – управляющее устройство
ЧПУ – числовое программное управление
ШУ – шкаф управления
ЭВМ – электронная вычислительная машина
BCD – Binary Coded Decimal (двоично-десятичный код)
BI – Binary (двоичный код)
CFC – Continuous Function Chart (схема непрерывных функций)
COM – Component Object Model (объектная модель)
CPU – Central Processor Unit (Центральное процессорное устройство)
DCOM – Distributed COM (распределенная объектная модель)
DHCP – Dynamic Host Confi guration Protocol (динамический протокол конфигурации Хоста)
DP – Decentralized Peripherials (децентрализованная периферия)
FBD (нем. FUP) – Function Blocks Diagram (функциональная блочная 
диаграмма)
FTP – File Transfer Protocol (трансферный протокол передачи данных)
HMI – Human Machine Interface (человеко-машинный интерфейс)
HTML – Hypertext Markup Language
HTTP – Hypertext Transfer Protocol
I/O – Input/Output (вход/выход)
IP – Internet Protocol (интернет-протокол)
IT – Information Technologies (см. ИТ)
LAD (нем. КОP) – Ladder Diagram (см. РКС)
MCR – Master Control Relay (главное реле управления)
NC – см. НЗ 
NO – см. НО 
RPC – Remote Procedure Call 
SCL – Structure Control Language (структурированный язык управления)
SRT – Soft Real Time (канал реального времени)
STL (нем. AWL) – Statement List (язык ассемблерного типа «список 
команд»)
ТСР – Transmission Control Protocol 
UDP – User Datagram Protocol
XML – Extensible Markup Language
TSP – файл поддержки целевой платформы в CoDeSys

Введение

Информационные технологии характеризуют уровень развития общества, его динамику. Общей задачей является автоматизация – от проектирования и научных исследований до 
производства готовой продукции.
Традиционно процесс создания сложных технических объектов состоит из нескольких этапов, важнейшим из которых 
является проектирование. Результат данного этапа – проект 
некоторого изделия, устройства или ТМ. 
Первым этапом в создании проекта электрооборудования 
станков и других ТМ является разработка циклограмм работы (алгоритмов управления) на базе циклограмм и схем расположения исполнительных механизмов, полученных от конструкторов – механиков и технологов.
При использовании программируемых контроллеров и 
ПК для реализации сложных алгоритмов дискретного управления оборудованием этот этап становится определяющим. 
Хорошо и детально проработанный алгоритм управления 
(АУ) обеспечивает простоту и эффективность разработки 
управляющих программ и другой проектной документации. 
Наряду с этим все неточности и ошибки в алгоритме управления тиражируются и усиливаются на последующих этапах 
проектирования, изготовления, монтажа и запуска в эксплуатацию.
Основным источником ошибок в АУ являются различные 
несоответствия между алгоритмом и управляемыми исполнительными механизмами, а также несоответствия в самом АУ.
Общепризнанным современным средством выявления и 
устранения проектных ошибок является компьютерное моделирование. Средства моделирования и проверки проекта до 
начала аппаратной реализации одинаково актуальны как при 
традиционном проектировании, так и при использовании 
САПР электрооборудования.

Компьютерное моделирование вместо дорогостоящего макетирования и натурных испытаний – это обширные программы исследований и разработок. 
Контроллер – это мозг любой автоматической машины, 
обеспечивающий ее логику работы. Например: контроллер системы впрыска топлива автомобилей, контроллер управления 
лифтом, автоматом сборки часов, стиральной машиной и т.д. 
Естественно, чем сложнее логика работы машины, тем «умнее» должен быть контроллер. Технически контроллеры реализуются по-разному. Это может быть механическое устройство, пневматический или гидравлический автомат, релейная 
или электронная схема либо даже компьютерная программа. 
Часто контроллер встроен в конкретную машину и обладает жесткой логикой работы, заложенной при изготовлении. 
Проектирование таких контроллеров окупается только для изделий, выпускаемых значительным тиражом. При создании 
машин, занятых в сфере промышленного производства, как 
правило, приходится иметь дело не более чем с единицами 
однотипных устройств. Кроме того, очень существенной 
здесь является возможность быстрой перенастройки оборудования на выпуск другой продукции. Для уникальных проектов, мелкосерийных изделий и опытных образцов также желательно иметь универсальный свободно программируемый 
контроллер. 
Идея создания программируемых логических контроллеров 
(ПЛК) родилась практически сразу с появлением микропроцессора. ПЛК представляет собой вычислительную машину, 
имеющую некоторое множество выходов и множество выходов (рис. 1В). Контроллер отслеживает изменение входов и 
вырабатывает программно-определенное воздействие на вы
Рис. 1В. Принцип работы ПЛК

ходах. Обладая памятью, ПЛК способен реагировать поразному, в зависимости от предыстории. Такая модель соответствует широко известным конечным автоматам. Однако 
возможности управления по времени, развитые вычислительные способности, включая цифровую обработку сигналов, 
поднимают ПЛК на более высокий уровень. Они ориентированы на длительную работу в условиях промышленной среды. 
Это обусловливает определенную специфику схемотехнических решений и конструктивного исполнения. 
Мощное вычислительное ядро современных ПЛК делает 
их очень похожими на компьютеры. Однако ПЛК – не «железо», а технология. Она включает специфическую аппаратную 
архитектуру, принцип циклической работы и специализированные языки программирования. Программирование ПЛК 
осуществляется людьми, хорошо знающими прикладную область, но не обязанными быть специалистами в математике. 
В первую очередь контроллеры ориентированы на решение 
задач промышленного производства. Поэтому оценивать их 
нужно с позиций производственной реальности. Представьте 
себе, что у вас есть автоматизированный фрезерный станок. 
Его система управления, представляющая собой не менее полусотни реле и пускателей, выполнена в виде шкафа управления (ШУ). Требуется срочно заменить «еще теплый» шкаф на 
ПЛК. Есть два варианта: 
 • вы осмысленно перерисовываете схему ШУ на языке 
LD и поясняете ее техникам;
 • вы пишете программу на языке общего применения и до 
пенсии связываете свою жизнь с этим станком. 
Специализация языков ПЛК заключена в упрощении их 
применения, приближении к предметной области. На сегодняшний день ПЛК – это на 90 % программный продукт. Контроллер, не обеспеченный средствами визуального прикладного проектирования с поддержкой стандартных языков, использовать очень трудоемко. Один современный ПЛК способен заменить десятки регуляторов, сотни таймеров и тысячи реле.
Для того чтобы разрабатываемая система управления решала поставленные вопросы, необходимо использовать эффективное программно-алгоритмическое обеспечение, которое позволяет реализовывать законы управления, моделировать схему управления и исследовать ее поведение при различных условиях работы.

В качестве такой системы рассмотрена система программирования CoDeSys. Программный комплекс CoDeSys разработан компанией 3S-Smart Software Solutions GmbH (3S). Основным его назначением является программирование ПЛК 
и промышленных компьютеров в стандарте МЭК 61131-3. 
В нем собран полный набор языков МЭК, предназначенных 
для программировани ПЛК. CoDeSys является штатным инструментом программирования ПЛК ведущих европейских 
изготовителей. Некоторые из них используют CoDeSys как базовое ядро собственных систем программирования, известных под собственными торговыми марками. 
Как средство программирования ПЛК CoDeSys можно разделить на две части: среду программирования и систему исполнения. Среда программирования функционирует на персональном компьютере в среде Windows (рис. 2В).
Поскольку CoDeSys дает машинный код, поддержка его 
исполнения достаточно проста и по минимуму сводится к набору функций поддержки ввода-вывода и отладки. Система 
исполнения функционирует в ПЛК и обеспечивает загрузку 
кода прикладной программы, «горячее» обновление кода, от
Рис. 2В. Составные части CoDeSys