atpv

Навчальні матеріали з автоматизації технологічних процесів та виробництв, розроблені спільнотою

Лабораторний практикум

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 5. Реалізація Control Module

Мета роботи – навчитися створювати для ПЛК логіку модулів керування відповідно до ISA-88.

Загальні теоретичні відомості

У попердніх лабораторних роботах для керування виконавчими механізмами (ВМ) використовувались безпосередньо вихідні змінні. Однак ВМ, наприклад клапан, це більш складний об’єкт, який окрім дискретних сигналів (відкрити/закрити) потребує:

Окрім цього, в залежності від типу ВМ, додатково може знадобитися ведення певної статистичної інформації про кількість включень, кількість тривог за певний час і т.д. З точки зору фізичної моделі, виконавчий механізм – це реальний фізичний пристрій, який знаходиться на найнижчому рівні ієрархії фізичних пристроїв підприємства. В термінах ISA-88, виконавчий механізм – це Модуль Керування (Control Module). Модуль Керування може виконувати тільки базові функції керування (basic control). Реалізація цих функцій в поєднані з описом стану Модуля Керування є апаратурним об’єктом (Equipment Entity). У даній лабораторній роботі необхідно реалізувати апаратурні об’єкти, та базові функції керування для цих об’єктів.

На рис.5.1 показаний можливий варіант виділення Модулів Керування (Control Module, надалі CM) для нашого об’єкта керування, а в табл. 5.1 наведений перелік цих об’єктів, вхідні та вихідні параметри, режими, стани та особливості керування.

Таблиця 5.1. Перелік CM та параметрів їх роботи

Назва CM Опис Вихідні змінні (на ВМ) Вхідні змінні (датчики) Примітка
CMVnab_D1 Клапан набору D1 VNabor_D1_M VNabor_D1_CLS_M Можна реалізувати єдиним типом cmVLVD; Команди програмного керування: відкрити/закрити; Команди оператора: перевести в ручний/автоматичний, відкрити, закрити; Стани: відкритий, закритий, відкривається, закривається, невизначений; Стани тривог: не відкрився, не закрився, порушення стану; Режими: ручний/автоматичний;
CMVslv_D1 Клапан зливу D1 VSliv_D1_M VSliv_D1_CLS_M  
CMVnab_D2 Клапан набору D2 VNabor_D2_M VNabor_D2_CLS_M  
CMVslv_D2 Клапан зливу D2 VSliv_D2_M VSliv_D2_CLS_M  
CMVnab_T1 Клапан набору T1 VNabor_T1_M VNabor_T1_OPN_M VNabor_T1_CLS_M  
CMVslv_T1 Клапан зливу T1 VSliv_T1_M VSliv_T1_OPN_M VSliv_T1_CLS_M  
CMVnab_T2 Клапан набору T2 VNabor_T2_M VNabor_T2_OPN_M VNabor_T2_CLS_M  
CMVslv_T2 Клапан зливу T2 VSliv_T2_M VSliv_T2_OPN_M VSliv_T2_CLS_M  
CMVdoz Клапан перемикання дозатору VDoz_T1toT2_M VDoz_T1_OPN_M VDoz_T2_OPN_M  
CMVngr_T1 Клапан нагрівання Т1 VNagrev_T1_M відсутні Можна реалізувати єдиним типом «cmVLVA»; Команди програмного керування: задане значення на клапан; Команди оператора: перевести в ручний/автоматичний, ручне завдання на ВМ; Стани тривог: відсутні; Режими: ручний/автоматичний;
CMVngr_T2 Клапан нагрівання Т2 VNagrev_T2_M відсутні  
CMMix_T1 Мішалка Т1 KM1_M SC1_SP GSM1_M Можна реалізувати єдиним типом cmMIX; Команди програмного керування: включити/відключити, задане значення на ПЧ; Команди оператора: перевести в ручний/автоматичний, ручне завдання на ПЧ, ручне вмикання/розмикання; Стани: вмикається, вимикається, увімкнений, вимкнений, невизначений; Стани тривог: не включився, не відключився; Режими: ручний/автоматичний;
CMMix_T2 Мішалка Т2 KM2_M SC1_SP GSM2_M  

image-20240102112036676

Рис.5.1. Виділення Модулів Керування (CM)

Для взаємодії ЛМІ з CM стандарт ISA-88 рекомендує аналогічний до етапів механізм використання слова статусу та команди. Для цього в лабораторній роботі треба створити тип CM_INOUT, змінні на основі якого будуть повідомляти оператора про стан CM, та дадуть можливість відправляти команди до CM. Таким чином такий тип повинен включати принаймні два поля: STA (статус) та CMD (команда). Кожний біт статусу буде відповідати за певний стан, а команда буде задаватися певним числовим кодом.

У табл. 5.2 показаний варіант побітового представлення статусу та значення команд які використовуватимуться в даній лабораторній роботі для дискретних клапанів. Слід зазначити, що кодування STA та CMD, як і їх обов’язкова наявність, не означена в стандарті ISA-88.

Таблиця.5.2. Опис структури CM_INOUT з бітовими станами для клапану

Атрибут Тип Біт Опис
STA INT 0 ALMOPN =1 Не відкрився (скидаються при зміні команди або стану датчика)
    1 ALMCLS =1 Не закрився (скидаються при зміні команди або стану датчика)
    2 ALMSNSR =1 Помилка датчика (одночасне спрацювання обидвох датчиків положення)
    3 ALMSHFT =1 Порушення стану (при закритому чи відкритому стані клапану зміна стану датчику без зміни команди на клапан)
    5 OPNS =1 Відкривається
    6 CLSS =1 Закривається
    7 OPND =1 Відкритий
    8 CLSD =1 Закритий
    9 MAN =1 ручний режим
    10 GSSOPN стан датчика відкриття
    11 GSSCLS стан датчика закриття
    12 OUT стан виходу на клапан
CMD INT   Команди: 16#0001 - CMD_OPN (відкрити); 16#0002 - CMD_CLS (закрити); 16#0301 – перевести в ручний режим; 16#0302 – перевести в автоматичний режим

Завдання до виконання лабораторної роботи

  1. Створити в Unity Pro внутрішні змінні для датчиків положення та прив’язати їх до реальних входів.
  2. Створити в UnityPro похідні функціональні блоки (DFB) для реалізації логіки керування CM.
  3. Створити в SCADA zenon інтерфейсні змінні для взаємодії з створеними CM та реалізація людино-машинного інтерфейсу для контролю та керування ними.
  4. Модифікувати етапи з прив’язкою їх до CM.

Порядок проведення роботи

1. Реалізація змінних CM (CM_INOUT) в ПЛК для обміну зі SCADA

У цьому пункті необхідно створити типи для змінних CM для дискретних клапанів, що будуть взаємодіяти зі SCADA. Крім цього необхідно добавити змінні, які будуть містити інформацію про значення датчиків кінцевого положення для клапанів.

Спочатку необхідно в UNITY PRO створити тип CM_INOUT та змінні для CM виконавчих механізмів.

image-20240107144916865

image-20240107152352102

image-20240107152032500

Рис.5.2. Створення типу та змінних CM_INOUT

image-20240107150111877

image-20240107150358918

Код для секції INPUTS

VNabor_D1_CLS_M := %I0.1.8;
VSliv_D1_CLS_M := %I0.1.10;
VNabor_D2_CLS_M := %I0.1.9;
VSliv_D2_CLS_M := %I0.1.11;
VNabor_T1_OPN_M := %I0.1.0;
VNabor_T1_CLS_M := %I0.1.4;
VSliv_T1_OPN_M := %I0.1.2;
VSliv_T1_CLS_M := %I0.1.6;
VNabor_T2_OPN_M := %I0.1.1;
VNabor_T2_CLS_M := %I0.1.5;
VSliv_T2_OPN_M := %I0.1.3;
VSliv_T2_CLS_M := %I0.1.7;
VDoz_T1_OPN_M := %I0.3.0;
VDoz_T2_OPN_M := %I0.3.1;
GSM1_M := %I0.3.2;
GSM2_M := %I0.3.3;

Тепер секція Inputs матиме наступний вигляд

image-20240107152632515

2. Реалізація змінних CM (CM_CFG) в ПЛК для збереження стану та конфігураційних налаштувань

Окрім змінної, що забезпечує взаємодію з HMI, необхідно передбачити можливість конфігурування CM, збереження його внутрішнього стану а також керування з програмної логіки (в противагу ручному керуванню). Можливим варіантом є використання для цього даних екземпляру функціонального блоку. У цій лабораторній роботі стан CM, його конфігурування та керування реалізовується теж через змінну, а не через екземпляр. Опис такого структурного типу для дискретних клапанів показаний в табл.5.4.

Таблиця 5.4. Опис структури CM_VLVDCFG

Атрибут Тип Опис
STA INT статусне слово (аналогічне CM_INOUT)
CMD INT слово команди (аналогічне CM_INOUT)
PRM INT біти параметрування: біт 0 – 1= наявність датчика відкриття біт 1 – 1= наявність датчика закриття
STEP1 INT крок: 0 – ініціалізація; 1 – невизначений стан (резерв для майбутнього застосування); 2 – закритий; 3 – відкритий; 4 – відкривається; 5 – закривається
TSTEP1 INT час кроку (в секундах)
TOPN_SP INT заданий максимальний час відкриття (в секундах), використовується для організації тривог

У цьому пункті необхідно створити тип CM_VLVDCFG та відповідні змінні для CM виконавчих механізмів.

image-20240102111936089

Рис.5.3. Створення типу та змінних CM_INOUT

Файл для імпорту cmvlvdcfgrlab5.xsy знаходиться за посиланням.

image-20240102112101971

Рис.5.4

3. Реалізація в ПЛК функціональних блоків для CM (смVLVD ) для клапанів

У цьому пункті необхідно створити тип функціонального блоку для реалізації CM клапанів.

image-20240107160729917

image-20240107160838258

image-20240102112125579

Рис.5.6. Створення DFB типу та змінних cmVLVD

image-20240107162831591

Рис.5.7. Створення DFB типу та змінних cmVLVD

image-20240102112135804

Рис.5.7(1). Створення DFB типу та змінних cmVLVD (продовження)

Тепер необхідно реалізувати в UNITY PRO обробку CM для виконавчих механізмів.

image-20240102112151474

Рис.5.8. Секція VLV

(*використання одного екземпляру для усіх викликів дає ряд переваг:
- економя пам'яті
- використання глобальних змінних для всіх екзмеплярів
- відсутність необхідності дублювання інтерфейсних змінних в блоці і в змінних*)

CMVLVD.MEA1S:=%S6; (*бітовий меандр заводимо як глобальну змінну*)

(*конфігурвуання клапанів*)
CMVnab_D1.PRM.0:=false ;(*немає датчкива відкриття*)
CMVnab_D1.PRM.1:=true;(*є датчик закриття*)
CMVnab_D2.PRM.0:=false;CMVnab_D2.PRM.1:=true;
CMVSlv_D1.PRM.0:=false;CMVSlv_D1.PRM.1:=true;
CMVSlv_D2.PRM.0:=false;CMVSlv_D2.PRM.1:=true;
CMVnab_T1.PRM.0:=true;CMVnab_T1.PRM.1:=true;
CMVnab_T2.PRM.0:=true;CMVnab_T2.PRM.1:=true;
CMVslv_T1.PRM.0:=true;CMVslv_T1.PRM.1:=true;
CMVslv_T2.PRM.0:=true;CMVslv_T2.PRM.1:=true;
CMVslv_T2.PRM.0:=true;CMVslv_T2.PRM.1:=true;
CMVdoz.PRM.0:=true;CMVdoz.PRM.1:=true; 

(*для клапанів з одним датчиком кінцевого положення на інший подаєм інверс-ну копію існуючого*)
CMVLVD (not VNabor_D1_CLS_M , VNabor_D1_CLS_M, VNabor_D1_M, CMVnab_D1_HMI, CMVnab_D1);
CMVLVD (not VNabor_D2_CLS_M , VNabor_D2_CLS_M, VNabor_D2_M, CMVnab_D2_HMI, CMVnab_D2);
CMVLVD (not VSliv_D1_CLS_M , VSliv_D1_CLS_M, VSliv_D1_M, CMVSlv_D1_HMI, CMVSlv_D1);
CMVLVD (not VSliv_D2_CLS_M , VSliv_D2_CLS_M, VSliv_D2_M, CMVSlv_D2_HMI, CMVSlv_D2);
CMVLVD (VNabor_T1_OPN_M , VNabor_T1_CLS_M, VNabor_T1_M, CMVnab_T1_HMI, CMVnab_T1);
CMVLVD (VNabor_T2_OPN_M , VNabor_T2_CLS_M, VNabor_T2_M, CMVnab_T2_HMI, CMVnab_T2);
CMVLVD (VSliv_T1_OPN_M , VSliv_T1_CLS_M, VSliv_T1_M, CMVslv_T1_HMI, CMVslv_T1);
CMVLVD (VSliv_T2_OPN_M , VSliv_T2_CLS_M, VSliv_T2_M, CMVslv_T2_HMI, CMVslv_T2);

CMVLVD (VDoz_T1_OPN_M, VDoz_T2_OPN_M, VDoz_T1toT2_M, CMVdoz_HMI, CMVdoz);

4. Добавлення змінних СМ в SCADA zenon

У цьому пункті необхідно створити типи та змінні в SCADA zenon для реалізації інтерфейсних змінних CM_INOUT, наведених в табл. 5.1.

image-20240102112205894

Рис.5.9. Створення типів та змінних в SCADA zenon для обміну з CM

image-20240102112216550

Рис.5.10.

Для імпорту змінних:

image-20240107174815099

image-20240107174953439

5. Створення символу та екрану клапану в SCADA

Стан клапану повинен відображатися на мнемосхемі комбінацією кольорів та/або тексту. У лабораторній роботі пропонується використовувати для цього заздалегідь створений символ. Для керування клапаном також створений екран, який повинен викликатися при натисканні на зображення символу. Тобто символ та сторінка вже створені, необхідно їх імпортувати та використати в своєму проекті.

У цьому пунктів в SCADA необхідно імпортувати символ VLVD та екран для керування клапаном.

image-20240107180157088

У локальній бібліотеці символів з’явиться новий символ

image-20240107180436228

image-20240107180936207

У вас повинен з’явитися фрейм AckWin та екран Керування клапаном

image-20240107181212587

6. Розміщення символів на екрані SCADA

У цьому пункті необхідно видалити старі символи зображень клапанів на Екрані Batch та розмістити на їх місці нові символи для відображення станів клапанів.

image-20240107181826357

image-20240107182254368

image-20240102112234410

Рис.5.11. Приклад заміни прив’язки для символу

image-20240107183727986

Клапан target
Вивантаження дозатору 1 CMVslv_D1
Набору дозатору 2 CMVnab_D2
Вивантаження дозатору 2 CMVslv_D2
Набору Т1 CMVnab_T1
Вивантаження Т1 CMVslv_T1
Набору Т2 CMVnab_T2
Вивантаження Т2 CMVslv_T2
Між Т1 та Т2 CMVdoz

7. Створення функції виклику екрану клапану в SCADA

У цьому пункті необхідно реалізувати виклики екрану керування клапаном.

Екран керування клапаном налаштований тільки на один СМ - CMVslv_D2. Для керування іншими кранами в zenon буде використаний механізм заміни прив’язок при виклику функції Screen switch. Для цього у функції вказується параметр, замість якого буде передаватися текстове значення замінника в назві змінної.

Спочатку необхідно створити в zenon функції виклику та закриття сторінки клапану.

image-20240102112245726

Рис.5.12. Налаштування правила заміни для функції виклику екрану керування клапаном

image-20240102112257089

Рис.5.13. Налаштування функції Close Screen

Тепер необхідно розмістити над клапанами прозорі кнопки для виклику вікон керування клапанами.

image-20240107190301328

image-20240107190553761

Рис.5.14.

image-20240107190800458

Клапан Parameter for substitution
Вивантаження дозатору 1 CMVslv_D1
Набору дозатору 2 CMVnab_D2
Вивантаження дозатору 2 CMVslv_D2
Набору Т1 CMVnab_T1
Вивантаження Т1 CMVslv_T1
Набору Т2 CMVnab_T2
Вивантаження Т2 CMVslv_T2
Між Т1 та Т2 CMVdoz

8. Перевірка роботи CM для клапанів

image-20240107191721471

9. Модернізація етапів з використанням СМ

Тепер необхідно модернізувати реалізацію етапів так, щоб замість звичайних змінних там використовувалися CM. Такий підхід дасть можливість гнучко керувати процесом. На даному кроці побудови системи це дає можливість використовувати ручний режими керування виконавчими механізмами. У майбутньому це також дасть можливість реалізовувати додаткову поведінку етапу в нештатних ситуаціях.

У цьому пункті необхідно модифікувати DFB phFILL для етапу набору та phDRAIN для етапу зливу так, щоб в якості VLV використовувався тип CM_VLVDCFG та відповідно необхідно змінити виклик етапів та перевірити працездатність програми.

image-20240102112321351

Рис.5.15. Зміна інтерфейсу, реалізації та використання CM_VLVDCFG

10. Створення СМ в ПЛК для клапанів нагрівання

Окрім дискретних клапанів необхідно реалізувати CM для аналогових клапанів. На відміну від дискретних клапанів інтерфейсні змінні окрім STA та CMD потребують ще аналогове значення виходу на клапан, яке буде використовуватися як для відображення, так і для ручної зміни (табл.5.7).

Для керування всередині етапів в даній лабораторній роботі можна, як і раніше, використовувати звичайне значення аналогового виходу, яке буде за необхідності в ручному режимі замінюватися значенням з HMI.

Таблиця 5.7. Опис структури CM_INOUTA з бітовими станами для аналогового клапану

Атрибут Тип Біт Опис
STA INT 9 MAN =1 ручний режим
CMD INT   Команди: 16#0301 – перевести в ручний режим 16#0302 – перевести в автоматичний режим
VAL REAL   стан виконавчого механізму, ручне значення вводу; в автоматичному режимі значення повторює вихід, в автоматичному – навпаки, значення задає вихід на ВМ

У цьому пункті необхідно створити в UNITY PRO тип CM для аналогового клапану та реалізувати його для клапанів нагрівання (рис.5.16).

image-20240102112337116

Рис.5.16. Створення в UNITY PRO CM для аналогового клапану

Код секції:

MAN := HMI.STA.9;(*ручний режим*)

(*команди з HMI*)
case HMI.CMD of
  16#0301:(*перевести в ручний*)
	MAN:=true; 
  16#0302:(*перевести в автомат*)
	MAN:=false;
end_case;
HMI.CMD:=0;

if man then (*в автоматичному режимі*)
	OUT:=HMI.VAL;
else (*в ручному режимі*)
	HMI.VAL:=OUT;
end_if;

HMI.STA.9:=MAN;

CMVLVA (VNagrev_T1_M, CMVngr_T1);
CMVLVA (VNagrev_T2_M, CMVngr_T2);

11. Створення СМ в SCADA для клапанів нагрівання

У цьому пункті необхідно створіть в zenon тип CM для аналогового клапану та реалізувати його для клапанів нагрівання (рис.5.17) та перевірити роботу програми.

image-20240102112347185

Рис.5.17. Створення в zenon CM для аналогового клапану та графічного інтерфейсу для нього

image-20240111150541307

image-20240107215434856

12. Завдання для самостійного опрацювання: створення СМ для приводів мішалок

У цьому пункті необхідно самостійно реалізувати CM для приводу мішалок. Для спрощення завдання будемо вважати що керування частотою приводу мішалки залишається без змін, хоча в реальності необхідно реалізовувати це як один CM, який має функції як дискретного так і аналогового керування. Тому за реалізацією спрощений CM для мішалок схожий на CM для дискретного клапану. Нижче наведемо деякі уточнення щодо роботи.

Увімкнення двигунів мішалок керуються дискретними змінними:

Стан приводу мішалки контролюється дискретними входами:

Таким чином коли на вихід керування увімкненням мішалки подається 1, стан приводу практично миттєво (<1 сек) повинен повторити цю 1, так само і команду вимкнення 0. Тому для обміну зі SCADA можна використовувати тип в ПЛК CM_INOUT, однак при цьому біти стану будуть дещо відмінними

Атрибут Тип Біт Опис
STA INT 0 ALMSTRT =1 Не запустився (скидаються при зміні команди або стану датчика)
    1 ALMSTP =1 Не зупинився (скидаються при зміні команди або стану датчика)
    5 STRT =1 Вмикається
    6 STP =1 Вимикається
    7 RUN =1 Відкритий
    8 STP =1 Закритий
    9 MAN =1 ручний режим
    10 GSRUN стан пускача
    12 OUT стан виходу на двигун
CMD INT   Команди: 16#0001 - CMD_STRT (запустити); 16#0002 - CMD_STP (зупинити); 16#0301 – перевести в ручний режим; 16#0302 – перевести в автоматичний режим

Так само в якості конфігураційної змінної можна використати CM_VLVDCFG, однак TOPN_SP буде не час відкриття а час спрацювання приводу.

Контрольні питання

  1. Що таке виконавчий механізм, з точки зору фізичної моделі ISA-88?
  2. Які модулі керування виділені в даній лабораторній роботі?
  3. Які команди, режими і стани були виділені в даній лабораторній роботі?
  4. Розкажіть про реалізацію в ПЛК вказаного викладачем CM.
  5. Покажіть на прикладі, як реалізований обмін між CM в SCADA та ПЛК.