XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

В последнее время значительно увеличился процент промышленный областей, использующих автоматизированный системы управления. Такой рост обеспечен тем, что производство конкурентоспособной продукции невозможно производить без применения современных средств автоматизации. Внедрение средств автоматизации позволяет не только повысить производительность предприятий за счет автоматического сбора и мониторинга данных для управления, но и позволяет существенно улучшить качество продукции, снизить ее себестоимость.

Существует два типа оборудования для автоматизации:

- конфигурируемые устройства. Набор функций подобных устройств задается в простом интерфейсе. Поэтому основным преимуществом данного оборудования является простота конфигурации, для выполнения которой не требуется наличие специалистов, обладающих высоким уровнем знания процесса промышленного программирования;

- свободно программируемые устройства. Подобные устройства являются наиболее распространенным типом оборудования, конфигурацию которого можно выполнить 2 способами программирования: стандартным методом, основанным на языках программирования Basic, Pascal, C, C++, и специальным методом, основанным на применении языков программирования, которые приближены к технологическим.

Одним из новшеств, позволяющих сделать процесс программирование более быстрым, удобным и соответствующим современным походам, стало введение объектно-ориентированного программирования в третью версию стандарта МЭК 61131-3. Самым первым программным комплексом прикладного программирования ПЛК и встраиваемых контроллеров, внедрившим поддержку ООП в языках стандарта МЭК 61131-3, стал CoDeSys 3. Для того чтобы понять принципы использования объектно-ориентированного подхода на базе данного программного комплекса, мы рассмотрим процесс конфигурации преобразователей частоты в программной среде CoDeSys 3.

Преобразователи частоты (ПЧ) представляют собой устройства, основным назначением которых является автоматическое регулирование работы двигателя в целях достижения заданных параметров производительности с оптимальным потреблением электроэнергии. Функциональный диапазон преобразователей частоты включает в себя:

- осуществление плавного пуска и остановки электродвигателя;

- автономный контур регулирования;

- выполнение автоматической адаптации двигателя без процесса вращения;

- поддерживание как векторного, так и частотного алгоритма управления, которые обеспечивают высокую точность регулирования;

- компенсация нагрузки и скольжения;

- возможность управления в замкнутом контуре и взаимодействия с внешними устройствами;

- осуществление функций защиты и диагностики (функциональной и аппаратной);

- наличие гибкой системы управления приводом по промышленной сети, что обеспечивает рациональную интеграцию в системы управления и диспетчеризации.

Преобразователи частоты постоянно контролируют не только параметры работы привода, но и подачи тока необходимой величины и формы в заданный момент времени, что ведет к сокращению затрат электроэнергии до 50 %. Оптимизация энергопотребления характеризуется высоким уровнем энергоэффектвности. За счет выполнения функции «плавного пуска и останова» сокращается величина износа механического оборудования. Например, нефтеперерабатывающий комплекс использует гидравлические системы, в которых наблюдаются пульсации и резкие скачки нагрузки. Внедрение в подобные системы преобразователей частоты решает описанные проблемы и приводит повышению эксплуатационной составляющей оборудования на 40 %. Отсюда следует широкий диапазон применения ПЧ в различном производственном оборудовании, где применяется управляемый электропривод: подъемно-транспортные устройства, технологические линии, насосные установки, системы вентиляции и водоподготовки.[1]

Процесс конфигурации ПЧ может быть выполнен несколькими способами: запись рассчитанных параметров в энергонезависимую память через панель или, при отсутствии панели, через порт связи RS-485, RS-232, USB с помощью ПК. В редких случаях, например, при отсутствии панели управления и платы интерфейсов, возможна прошивка непосредственно микроконтроллера или микросхемы памяти преобразователя частоты с помощью специализированного программатора.

Задачи, возникающие при выполнении конфигурации ПЧ:

- управление командным словом;

- управление словом состояния;

- задание параметров для управления электродвигателем;

- управление словом задания по интерфейсу RS-485 и другими специальными параметрами.

В нашем случае, мы будем выполнять программирование преобразователей частоты в программном комплексе промышленной автоматизации CoDeSys 3, используя принципы ООП. Основной идеей ООП является то, что любой сложный процесс может быть разложен на составные части. Так, основными понятиями являются класс, включающий в себя свойства и методы, и объект являющийся экземпляром определенного класса. Для описания используемых в классах методов и свойств будем использовать так называемые интерфейсы, которые похожи с функциональным блоком, но в отличие от последнего интерфейс не имеет реализации и объявления локальных переменных.[2] Структура конфигурации преобразователей частоты будет выглядеть следующим образом (рисунок 1):

Рисунок 1 - Структура конфигурации преобразователя частоты в CoDeSys 3

Класс преобразователей частоты характеризуется двумя показателями: состояние ПЧ и режим работы. Для управления состоянием ПЧ мы используем два метода: GetState (запрашивает статус) и SetState (устанавливает статус). Для получения и установки статуса ПЧ методом SetState зададим переменную IState в области входных переменных. Данная переменная необходима для получения и установления состояние ПЧ в текущий момент времени. Для управления режимом работы (включение и выключением) применяется интерфейс Work, включающий в себя Start и Stop методы соответственно. Каждый из представленных методов имеет возвращаемый тип данных bool.

Следующим шагом после создания требуемых интерфейсов является создание самого класса посредством программной единицы POU, которая представлена в виде функционального блока. В третьей версии стандарта МЭК 61131-3 существовавшая ранее концепция функционального блока была расширена методами, свойствами и поддержкой наследования классов, что позволяет использовать ФБ в качестве класса. [3] В результате мы получаем класс с автоматически включенными методами вышеописанных интерфейсов (рисунок 2):

Рисунок 2 - Создание класса преобразователей частоты

Алгоритм реализации созданного класса заключается в следующем: для установления взаимосвязи между методами SetState и GetState используется внутренняя переменная State в функциональном блоке. Так, метод PCH. Start передает значение «true» в метод PCH.SetState (и в свойство State) и включает ПЧ. Метод PCH.Stop передает значение «false» и выключает ПЧ.

Используя один из принципов объектно-ориентированного программирования – инкапсуляцию («черный ящик»), мы создадим объект класса PCH. Например, в качестве объекта мы можем рассмотреть преобразователь частоты, предназначенный для насосной установки, из общего количества промышленных частотных преобразователей. Отредактируем программу, выполняемую контроллером, следующим образом:

- зададим переменную PCHOn, которая управляет включением ПЧ;

- создадим объект pch1, который принадлежит классу PCH;

- зададим генератор импульсов PCHSwither, который необходим для переключения переменной PCHOn каждые 3 секунды;

- методы pch1.Start и pch1.Stop включают и выключают ПЧ соответственно.

Полученные результаты при реализации алгоритма работы преобразователя частоты (рисунок 3):

Рисунок 3 - Реализация алгоритма работы преобразователя частоты

При запуске проекта мы видим, что в начальный момент времени преобразователь частоты активен и статус указывает нам на это. По истечению 3 секунд статус изменится в противоположном направлении, так как преобразователь частоты прекратит свою работу.

Таким образом, применение принципов объектно-ориентированного программирования стандарта МЭК-61131-3 в программной среде CoDeSys 3 позволяет в условиях необходимости использования большого количества однотипных объектов создать единожды создать алгоритм работы одного объекта, который мы сможем использовать повторно и применять к нему принципы ООП. Такой подход не только значительно упрощает и ускоряет процесс программирования, но позволяет использовать созданные объекты в различных отраслях промышленности.

Список литературы:

Петров И. В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приёмы прикладного проектирования / И.В. Петров.- М.: СОЛОН-Пресс, 2014. — 256с.

Кузьмина Н.А. Объектно-ориентированное программирование в стандарте МЭК 61131-3 / Н.А. Кузьменко //В записную книжку инженера . – 2016. – № 4.-264-266 с.

Оборудование для автоматизации ОВЕН [Электронный ресурс] – Режим доступа: https:// https://owen.ru / (дата обращения 02.02.2021).

Код для цитирования: Скопировать