Программное управление технологическими комплексами

УДК 681.51:004.42(075.8)
ББК 32.965я73
 
Н73

Ре ц е н з е н т ы:  кафедра проектирования информационных компьютерных систем учреждения образования «Белорусский государственный 
университет информатики и радиоэлектроники» (доцент кафедры кандидат 
технических наук В.Ф. Алексеев); доцент кафедры автоматизации производственных процессов и электротехники учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет» кандидат технических наук И.Ф. Кузьмицкий

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

ISBN 978-985-06-3004-9 
©  Новиков С.О., Петренко Ю.Н., 2019
 
©  Оформление. УП «Издательство “Вышэйшая школа”», 2019

Список основных сокращений

АВР – автоматический ввод резерва
АПВ – автоматическое повторное включение
АУ – алгоритм управления
ИМ – исполнительный механизм
КЗ – короткое замыкание
КОП – код операции
ЛЦ – логическая цепь
ЛЭП – линия электропередач
НЗ – нормально закрытый (замкнутый)
НО – нормально открытый (разомкнутый)
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство
ПК – персональный компьютер
ПЛК – программируемый логический контроллер
ПО – программное обеспечение
ППЗУ – перепрограммируемое ПЗУ
ПУЭ – правила устройства электроустановок
РЗА – релейная защита и автоматика
РКС – релейно­контактная схема
РП – рабочая программа
РПП – рабочая программа пользователя
САПР – система автоматизированного проектирования
ТС – таблица состояний
УВМ – управляющие вычислительные машины
ЧПУ – числовое программное управление
ЭВМ – электронная вычислительная машина
BCD – Binary Coded Decimal (двоично­десятичный код)
BI – Binary (двоичный код)
CFC – Continuous Function Chart (схема непрерывных функций)
COM – Component Object Model (объектная модель)
CP – Central Processor (центральный процессор)
CPU – Central Processor Unit (центральное процессорное устройство)
DP – Decentralized Peripherials (децентрализованная периферия)
FBD (нем. FUP) – Function Blocks Diagram (функциональная блочная 
диаграмма)

FTP – File Transfer Protocol (трансферный протокол передачи данных)
HTTP – Hypertext Transfer Protocol (протокол передачи гипертекста)
I/O – Input/Output (вход­выход)
IP – Internet Protocol (интернет­протокол)
IT – Information Technologies (информационные технологии)
LAD (нем. КОP, рус. РКС) – Ladder Diagram
MCR – Master Control Relay (главное реле управления)
NC (рус. НЗ) – Normally Closed (нормально закрытый (замкнутый))
NO (рус. НО) – Normally Open (нормально открытый (разомкнутый))
RLO – Result Logical Operation (результат логической операции)
RPC – Remote Procedure Call (удаленный вызов процедур)
SCL – Structure Control Language (структурированный язык управления)
SFС – Sequential Function Chart (последовательные функциональные 
схемы)
SRT – Soft Real Time (канал реального времени)
STL (нем. AWL) – Statement List (язык ассемблерного типа «список 
команд»)
ТСР – Transmission Control Protocol (протокол управления передачей)
TSP – Time Stamp Protocol (файл поддержки целевой платформы 
в CoDeSys)
UDP – User Datagram Protocol (протокол пользовательских 
датаграмм)
XML – Extensible Markup Language (расширяемый язык разметки)

Предисловие

Разработка современных информационных систем представляет собой сложнейшую задачу, решение которой требует применения специальных методик и инструментов. Неудивительно, 
что в последнее время среди системных аналитиков и разработчиков значительно вырос интерес к CASE­технологиям и инструментальным CASE­средствам (CASE – Computer­Aided 
Software/System Engineering), позволяющим максимально систематизировать и автоматизировать все этапы разработки как алгоритмического, так и программного обеспечения.
Технология создания информационных систем предъявляет особые требования к методикам реализации и программным инструментальным средствам. На современном рынке 
достаточно много систем, в той или иной степени удовлетворяющих разработчиков ПО. Данные системы представляются 
как совокупность взаимодействующих работ или функций. 
Такая чисто функциональная ориентация является принципиальной – функции системы анализируются независимо от 
объектов, которыми они оперируют. Это позволяет более четко смоделировать логику и взаимодействие процессов организации.
Под моделью  понимают описание системы (текстовое и 
графическое), которое должно дать ответ на некоторые заранее определенные вопросы.
Моделируемая система рассматривается как произвольное 
подмножество какого­либо множества. Произвольное потому, 
что, во­первых, мы сами умозрительно определяем, будет ли 
рассматриваться некий объект как компонент системы или как 
воздействующий извне, и, во­вторых, потому, что оно зависит 
от точки зрения на систему. Система имеет границу, которая 
отделяет ее от остального множества. Взаимодействие системы с окружающим миром описывается как вход (нечто, что 
перерабатывается системой), выход (результат деятельности 

системы), управление (стратегии и процедуры, под управлением которых производится работа) и механизм (ресурсы, необходимые для проведения работы). Находясь под управлением, система преобразует входы в выходы, используя внутренние механизмы.
Модель не может быть построена без четко сформулированной цели. Цель должна сообразовываться с ответами на 
следующие вопросы:
 • почему этот процесс должен быть промоделирован;
 • что должна показывать модель;
 • что может получить исследователь?
Формулировка цели позволяет сфокусировать усилия в 
нужном направлении. 
Ускорение научно­технического 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, контрольно­измерительных и диагностических комплексов и транспортно­складских систем с 
управлением от ЭВМ, а также их интеграция с системами автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства. Правильное решение этой задачи следует 
искать на пути разработки и применения современных методов и средств для математического моделирования, планирования развития и эксплуатации технических систем.
Для автоматизации технологических комплексов самого 
различного назначения с применением программируемых логических контроллеров наряду с системами ЧПУ 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.
В принципе, поиск оптимального решения требует анализа 
всех возможных вариантов. Однако простой перебор их даже 
с использованием самых быстродействующих ЭВМ в ряде 

случаев может потребовать такой затраты времени, что сделает его практически нереализуемым. 
Представленное учебное пособие посвящено 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 ЧПУ (например, автоматическая 
смена инструмента), управление различными энергетическими системами и объектами автоматики и др. 
Управление многими объектами и технологическими комплексами производится через дискретные промежутки времени. Эти свойства регулируемости создают благоприятные 
предпосылки для использования дискретных цифровых регуляторов. В свою очередь, высокий технологический уровень 
производства стимулирует разработку дискретных систем 
управления с применением современных микропроцессорных 
средств.
Моделирование дискретных систем управления предполагает применение программируемых логических контроллеров 
(ПЛК) и соответствующего программного обеспечения (ПО) – 
специализированных языков программирования, наиболее 
распространенные из которых представлены в работе.
Широкое внедрение новых технологий (в частности, ПЛК) 
в системы управления технологическими системами является 
важной частью задач, определенных материалами Национальной стратегии устойчивого социально­экономического развития Республики Беларусь на период до 2020 г.
В учебном пособии изложены приемы и правила работы в 
системе программирования CoDeSys, основным назначением 
которой является программирование ПЛК и промышленных 
компьютеров в стандарте МЭК 61131­3. Средства CoDeSys 
позволяют реализовывать законы управления, моделировать 
схемы управления и исследовать их поведение при различных 
условиях работы в реальном масштабе времени.
Авторы благодарят рецензентов за ценные замечания, которые способствовали улучшению содержания книги.

Авторы

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 технологической машины. 
Начальной ступенью в создании проекта электрооборудования станков и других технологических машин является разработка циклограмм работы (алгоритмов управления – АУ) 
на базе циклограмм и схем расположения исполнительных 
механизмов, полученных от конструкторов – механиков и технологов. При использовании программируемых контроллеров и персональных компьютеров (ПК) для реализации 
сложных алгоритмов дискретного управления оборудованием этот этап становится определяющим. Хорошо и детально 
проработанный алгоритм управления обеспечивает простоту 
и эффективность разработки управляющих программ и другой проектной документации, тогда как все неточности 
и ошибки в АУ тиражируются и усиливаются на последующих этапах проектирования, изготовления, монтажа и запуска в эксплуатацию.
Основным источником ошибок в алгоритме управления 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 логику ее 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 по­разному. 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 
родилась практически сразу с появлением микропроцессора. 
ПЛК представляет собой вычислительную машину, имеющую 
некоторое множество входов и множество выходов (рис. 1). 
Контроллер отслеживает изменение входов и вырабатывает 

Рис. 1. Принцип работы ПЛК

программно определенное воздействие на выходах. 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 
программно­алгоритмическое обеспечение, которое позволяет 
реализовывать законы управления, моделировать схему управления и исследовать ее поведение при различных условиях работы. 
В качестве такой системы рассмотрена система программирова