SPS-UE.pdf

Krzysztof STADNIK

Uniwersytet Zielonogórski , Instytut Inżynierii Elektrycznej

Swobodnie programowalny sterownik urządzeń

energoelektronicznych

Streszczenie. Przedmiotem artykułu jest projekt sterownika swobodnie programowalnego z wykorzystaniem komputera klasy PC. W artykule

przedstawiono układ sterownika, analizę działania oraz zastosowanie. Ponadto przedstawiono właściwości zaproponowanego rozwiązania.

Abstract . The project of freely programmable driver is the object of article from utilization the computer of class of PC. The arrangement of driver,

analysis in article was introduced the working as well as use. It moreover propriety was introduced was proposed solution. ( Preparation of Papers

for Przegląd Elektrotechniczny – Program Logic Controller for PC ).

Słowa kluczowe: Sterownik PLC, sterownik programowalny, układy sterowania.

Keywords: PLC, Program Logic Controller, PC controller.

Wstęp

Techniki sterowania przy pomocy sterowników

programowalnych to obecnie dynamicznie rozwijająca się

dziedzina elektrotechniki, stosowana do automatyzacji

procesów technologicznych. Prawidłowo dobrany sterownik

i oprogramowanie zwiększa efektywność i bezpieczeństwo

pracy urządzeń wykonawczych.

Biorąc pod uwagę rodzaj zastosowanego sterownika

jego oprogramowanie można wyróżnić podstawowe funkcje

przedstawionego układu:

ustalony zbiór reguł obejmujących zasady zarządzania

systemem przez kontroler, a także ustalający sposób

kodowania informacji i jej przesyłania. Ze względu na rodzaj

transmisji interfejsy możemy podzielić na szeregowe

i równoległe.

W interfejsie szeregowym poszczególne bity danego

słowa przesyła się kolejno, bit po bicie. Najbardziej znanym

interfejsem szeregowym jest interfejs RS232C oraz jego

modyfikacje. Obecnie jednak jest wypierany przez znacznie

szybszy interfejs USB.

W interfejsach równoległym przesyłaną informację dzieli

się na słowa (np. po 8 lub 16 bitów). Przykładem takich

interfejsów w komputerze PC są ISA, PCI oraz IEE1284.

Do celów, które ma spełniać sterownik wybrano

interfejs IEE1284, który jest bardziej przyjazny

w projektowaniu układów wykonawczych i magistrali

sterownika oraz nie wymaga dodatkowych

specjalizowanych układów, które wpływają znacznie na

koszty układów wykonawczych, nie bez znaczenia jest

również oprogramowanie sterownika, które jest dużo

łatwiejsze niż innych interfejsów. W komputerach

nie posiadających portu LPT można użyć konwertera

USB->IEE1284 bez zamiany oprogramowania.

Włączenie

wyłączenie

zasilania

układu

napędowego.

Reagowanie na stany zagrożenia dla urządzenia.

Sterowanie

układem

rozruchowym

napędu

elektrycznego.

Schemat blokowy układu sterownika przedstawiono na

rysunku 1.

INTERFEJS

MAGISTRALA

KONTROLER

W Tabeli 1 przedstawiono porównanie interfejsu

IEE1284 i USB, gdyż interfejs USB jest alternatywą do

budowy układów wykonawczych w przyszłości. Nie

zapomnijmy jednak, że interfejs IEE1284 rozwija się dalej.

Tabela 1. Porównanie interfejsów.

Własność

MODUŁ

WE/WY

MODUŁ

DAC

ZASILACZ

IEE1284

USB

Max. szybkość

transmisji

2,4MB/s

(200kB/s)

480Mb/s

(2Mb/s = 250kB/s)

równoległa

8 bitów danych

9 bitów sterujących

Szeregowa

4 - żyłowa

OBIEKT

Magistrala

Max. odległość

urządzeń

3 m

(bez ekranowania)

5 m

Rys.1. Schemat blokowy sterownika swobodnie programowalnego.

Max. ilość urządzeń

128

127

Z przedstawionego schematu wnika sterownik składa się

z Kontrolera, którym jest komputer klasy PC, interfejsu

w tym wypadku jest to interfejs Centronics (LPT). Moduł

wejść cyfrowych został dostosowany do pracy z czujnikami

o zasilaniu DC24V. Moduł wyjść cyfrowych jest modułem

przekaźnikowym.

Komplikacja

budowy urządzeń

mała

Duża

Magistrala interfejsu wykonawczego sterownika

W projekcie do komunikacji z układami wykonawczymi

zastosowano konfigurację magistralową, gdzie wszystkie

współpracujące w sterowniku urządzenia dołączone są

równolegle do magistrali. Sama magistrala jest zespołem

linii, po których przekazywane są wszystkie informacje

między układami sterownika. Na rysunku 2 przedstawiono

magistralę naszego sterownika.

Do budowy magistrali systemowej sterownika wykorzystano

8 bitów danych i trzy bity sterujące interfejsu IEE1284

Wybór rodzaju interfejsu

Sterowanie pracą każdego urządzenia podłączanego do

komputera, a także przesłanie informacji, odbywa się za

pośrednictwem systemu interfejsu. Jest to układ

komunikacyjno – informacyjny układów sterownika

z kontrolerem, czyli komputerem. Obowiązuje w nim

pracującego w trybie PS/2 (Byte Mode). Na rysunku 3

przedstawiono cykl odczytu danych na magistrali, natomiast

na rysunku 4 cykl zapisu. Jak można zauważyć magistrala

jest magistralą multipleksowaną 8 bitową, sygnałem ALE

rozróżniamy czy w danym momencie na magistrali mamy

daną lub adres. Rozwiązanie takie umożliwia nam

zaadresowanie do 255 urządzeń. Wybór takiej magistrali

umożliwia ze względu na podobieństwo do magistrali

mikrokontrolera 8051 na stworzenie niezależnego układu

sterownika na bazie układów rodziny 8051 z udziałem już

istniejących modułów.

przetwornik optyczny, zapewniający tym samym

optoizolację między obwodami wejściowymi, a obwodami

magistrali sterownika.

W prezentowanym rozwiązaniu również zastosowano

optoizolację wejść wykorzystując do tego celu transoptor

PC847, który chroni układ przed przepięciami do 5kV.

Schemat układu zabezpieczającego wejścia sterownika

przedstawiono na rysunku 6.

+5V DC

Magistrala

Wyjecie (0..5)

Wejscie (0..24V)

D0-D7

LED

ISO

PC847

~STR

ALE

Rys.6. Schemat układu zabezpieczającego wejścia.

~ALF

Moduł wyjść cyfrowych, zwany też modułem wyjść

dyskretnych, zamienia obliczone w sterowniku binarne

sygnały sterujące na sygnały prądu stałego lub

przemiennego, potrzebne do wysterowania urządzeń takich

jak przekaźniki, lampki sygnalizacyjne, zawory

dwupołożeniowe itp. Urządzenia te w obwodach

wyjściowych zasila się ze źródła zewnętrznego.

~SP

Rys.2. Magistrala sterownika

ADRES

DANE

ADRES

Moduł zastosowany w sterowniku jest modułem

przekaźnikowym to znaczy, że nasz moduł wyjść cyfrowych

posiada już wbudowane przekaźniki, które zapewniają

izolację galwaniczną wyjścia sterownika i chronią układ

przed przepięciami do 6kV. Układ dodatkowo posiada

optoizolację co przedstawia rysunek 7.

ALE

Rys.3. Cykl odczytu danych.

24V DC

ADRES

DANE

ADRES

ALE

0..230V AC/DC

220

0..230V AC/DC

Wej.

cyfrowe

DIODE

ISO

PC847

Rys.4. Cykl zapisu danych.

Moduł wejść - wyjść

Moduł wejść – wyjść można podzielić na dwa niezależne od

siebie moduły: moduł wejść cyfrowych i wyjść cyfrowych.

Na rysunku 5 przedstawiono schemat blokowy modułu

wejść – wyjść sterownika.

Rys.7. Schemat zabezpieczenia wyjść sterownika.

Bloki cyfrowe modułu wejść – wyjść oparto o popularne

cyfrowe układy scalone HCT jako układ wyjść cyfrowych

wykorzystano rejestr równoległy 74HCT574, bufor

wejściowy stanowi układ 74HCT245, a jako układ

adresowania wykorzystano demultiplekser 74HCT138.

Sprawia to, że moduł jest stosunkowo tani i prosty

w realizacji.

Układy

Mag.

DANE

syg.

wyjściowe

DANE

Moduł przetwornika DAC

Moduł przetwornika DAC jest modułem wyjść analogowych,

który obliczone wartości sygnałów sterujących w postaci

słów są przepisywane do modułu analogowego, gdzie są

przetwarzane przez przetwornik cyfrowo - analogowy na

wartości napięcia lub prądu w obwodzie wyjściowym

modułu. Schemat blokowy modułu przetwornika DAC

przedstawiono na rysunku 8.

Podstawowym elementem moduł analogowego jest

przetwornik cyfrowo – analogowy DAC (digital analog

conventer), układ firmy MAXIM MX7548.

Jest on przetwornikiem o rozdzielczości 12 bitów

i magistrali 8 bitowej danych, dane 12 bitowe podawane są

w dwóch cyklach. Maksymalne napięcie wyjściowe

V out =25V

DANE

Układy

syg.

wejściowe

Uład

Adreso-

wania

ALE

Rys.5. Schemat blokowy modułu wejść-wyjść sterownika.

Moduł wejść cyfrowych zmienia sygnały prądu stałego

lub przemiennego pochodzące z takich urządzeń, jak np.

przyciski, przełączniki, styki ograniczników lub z wszelkiego

rodzaju półprzewodnikowych układów przełączających, np.

wyłączniki zbliżeniowe. W produkowanych obecnie

modułach do takiej zamiany wykorzystywany jest zazwyczaj

dla

napięcia

referencyjnego

V ref =25V.

Rozdzielczość więc modułu wynosi 6,1mV, szybkość

narastania napięcia na wyjściu wynosi en=15nV/Hz.

Schemat elektryczny przedstawiono na rysunku 9.

Mag.

Filtr

syg.

wyjściowy

DANE

DAC

Układ

Adreso-

wania

ALE

Rys.8. Schemat blokowy modułu przetwornika DAC.

VCC

VREF

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB1

VREF

5 3

U17B

DB2

DB0

RFB

U17A

VOUT

OUT1

NE53

5 6

- CSMSB

- CSLSB

- WR

- LDAC

CTRL

DF/- DOR

- CSLSB

- WR

VCC

AGND

DGND

MX7548

Rys.9. Schemat elektryczny modułu przetwornika DAC.

Właściwości sterownika

1. Cztery

wejścia

przystosowane

współpracy

z czujnikami 24V DC.

2. Cztery wyjścia przystosowane do pracy w zakresie

napięć 0230V AC/DC i obciążeniu maksymalnym 5A.

3. Maksymalna częstotliwość pracy modułu wejścia –

wyjścia 100kHz - 100Hz.

4. Wyjście

analogowe

rozdzielczości

bitów

i maksymalnym napięciu wyjściowym 25V.

5. Możliwość wykorzystania do programowania sterownika

dowolnego języka programowania dostępnego dla

komputerów klasy PC np. Pascal, C++, Visual Basic itp.

Zastosowanie

Prezentowany sterownik może znaleźć szerokie

zastosowanie w sterowaniu wszelkiego rodzaju silników

niskiego napięcia, wentylatorów, urządzeń elektrycznych,

sterowania i zabezpieczania domów, maszyn itp.

LITERATURA

[1] C z a j a Z . , W y kład, Mikroprocesory

i Mikrosystemy, Politechnika Gdańska (2003)

[2] Metzger P., Anatomia PC, Wydanie VII, Helion

(2002)

[3]

Markowski

A.,

Układy

analogowe

systemach

mikoprocesorowych, WNT (1992)

[4] Link W., Jak mierzyć sterować i regulować za pomocą Basicu?,

WNT (1991)

[5] Jamrógiewicz T., Magistrala USB, www.elektroda.pl (2004)

[6]

Interfacing

the

Standard

Parallel

Port,

www.senet.com.au/~cpeacock , (2004)

[7] Axelson J., Programming, Interfacing, and Using the PC's

Parallel Printer Port, Lakeview Research (1996)

Autorzy : inż. Krzysztof Stadnik, Uniwersytet Zielonogórski, Instytut

Inżynierii Elektrycznej, ul. Podgórna 50, 65-246 Zielona Góra,

E-mail: shadoweyes@wp.pl ;

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: