ОПИСАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ ИДЕИ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА НА БАЗЕ ПЭВМ И ПЛК WAGO

DESCRIPTION AND JUSTIFICATION OF THE IDEA OF THE LABORATORY STAND BASED ON PC AND PLC WAGO

Daniil Korolev

Student, Department of Automation and Industrial Electronics, Russian State University named after A.N. Kosygin,

Russia, Moscow

Dmitriy Masanov

scientific adviser, cand. tech. sciences, Associate Professor, Department of Automation and Industrial Electronics, Russian State University named after A.N. Kosygin,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В работе представлено описание идеи, конструкции и функционала лабораторного стенда на базе программируемого логического контроллера (ПЛК) Wago с использованием ПЭВМ. Лабораторный стенд планируется внедрить в учебный процесс, что позволит улучшить качество теоретических знаний и воплотить их на практике.

ABSTRACT

The annotation contains the description of the idea, construction and features of the laboratory bench on the basis of a    programmable logic controller (PLC) Wago with PC use. It is planned to intrude in the studying process, which may allow to improve the quality of theoretical learning and embody them in practical terms.

Ключевые слова: ПЛК, АСУТП, Лабораторный стенд, WAGO, Мехатроника, Matlab, Toolboxes, CoDeSys.

Keywords: PLC, automatic control system of technological process, laboratory bench, WAGO, mechatronics, Matlab, Toolboxes, CoDeSys.

В первом приближении, при разработке лабораторного стенда на базе ПЛК WAGO и ПЭВМ объединить различные лабораторные работы по предметам:

• программируемые логические котроллеры;
• моделирование технологических процессов;
• HMI, SCADA. Разработка интерфейса оператора;
• интегрированные системы и некоторые другие.

Основная идея – создание переносного стенда, легко подключаемого по типовым интерфейсам к ПЭВМ и датчикам, с элементами ручного управления и интеграцией в части программного обеспечения с пакетом прикладных программ Matlab и Simulink. Структурная схема показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема лабораторного стенда

При разработке данного стенда будут использованы следующие компоненты:

• алюминиевые профили, уголки, болты и все необходимое для сборки корпуса;
• материалы для корпуса (металлические направляющие и панель из tpu пластика для формирования корпуса лабораторного стенда, DIN-рейка);
• ПЛК с необходимыми дискретными и аналоговыми модулями ввода/вывода, дополнительное оборудование для взаимодействия с лабораторным стендом (тумблеры, световые индикаторы, клеммники, автоматы защиты и т.д.),
• панель оператора Weintek;
• компьютер с предустановленным ПО Matlab, Codesys и EasyBuilder Pro.

В качестве ПЛК был выбран контроллер компании Wago. Во-первых, поскольку он есть в наличии, во-вторых, контроллеры программируются из среды CoDeSys, достаточно легковесной для установки на не самые мощные ПЭВМ, порог вхождения достаточно низкий, а также есть встроенный интерфейс Ethernet и есть возможность установки модулей с интерфейсами RS-485 и RS-232. Также интересным является возможность использования различных протоколов для связи с верхним уровнем: MODBUS TCP/RTU/ASCI, BACnet, LON, KNX и прочих. Контроллеры Wago хорошо зарекомендовали себя на рынке и используются во многих промышленных системах, поэтому лабораторный стенд будет актуальным на сегодняшний день для получения практических навыков.

Программируемый логический контроллер предназначен для автоматизации технологических процессов. При помощи заданной программы, написанной в среде CoDeSys, эта среда хороша тем, что имеет 6 языков программирования (IL, ST, LD, FBD, SFC, CFC). Также несомненным плюсом является то, что данное ПО предоставляется бесплатно.

ПЛК способно контролировать состояние устройств ввода и принимать решения в реальном времени на основе программы, которую задал пользователь, для управления выходными устройствами.

Преимуществом ПЛК компании Wago является то, что они модульные. То есть, конструкция представляет собой общую корзину с модулем центрального процессора и сменными модулями ввода-вывода. За выбор состава модулей, в зависимости от поставленных задач, отвечает проектировщик АСУ ТП.

В линейку ПЛК, используемую в данном проекте, включены следующие модули:

1. Контроллер с разъемом Ethernet (750-841), рисунок 2. Это позволяет создать локальный образ процесса и обнаруживать остальные подключенные модули в составе контроллера Wago.

Рисунок 2. Контроллер Ethernet (750-841)

2. К контроллеру планируется подключить 2 модуля ввода/вывода аналогового или дискретного типа. (750-415/750-530 и 750-550/750-472), общий вид представлен на рисунке 3. При помощи модулей ввода к блоку управления можно подключить: кнопки, световые барьеры, различные датчики с разными сигналами. Через модули вывода подключаются органы управления: электродвигатели и клапана разного исполнения. Возможно подключение дополнительных исполнительных механизмов.

Рисунок 3. Модули ввода/вывода (750-415/750-555)

3. Два интерфейсных модуля (750-650), изображенные на рисунке 4, служащие для передачи данных по интерфейсам RS-485 и RS-232.

Рисунок 4. Интерфейсный модуль (750-650)

4. Оконечный модуль (750-600). После того как узел полевой шины собран, к полученному узлу присоединяется концевой модуль. Он делает завершенной внутреннюю линию передачи данных и обеспечивает правильность потока данных.

Для обеспечения возможности удобного взаимодействия человека с системой автоматизации служит панель оператора, представляющая собой устройство ввода-вывода информации, и тем самым являющаяся главным средством человеко-машинного взаимодействия. В лабораторном стенде будет использоваться операторская панель Weintek. Она хорошо работает в связке с ПЛК Wago. Визуализацию (HMI) для данной панели разрабатывают в программе EasyBuilder Pro, поставляется бесплатно.

Рисунок 5 - Панель оператора Weintek

На ПЭВМ используя программный пакет Matlab и Simulink создается математическая модель того или иного технологического процесса. Моделирование в Simulink позволяет реализовать принцип визуального программирования, то есть пользователь на экране из библиотеки стандартных блоков создает нужную математическую модель и осуществляет расчеты. Помимо стандартных блоков можно использовать дополнительные функции Matlab. При моделировании пользователь может выбрать метод решение дифференциальных уравнений, редактировать или изменить модель времени (с фиксированным или переменным шагом). Моделирование позволяет следить за процессами, происходящими в системе.

Результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц. Таким образом это позволяет увидеть, как себя будет вести изучаемая система, изменять параметры и производить различные расчеты, чтобы управлять исполнительными механизмами при помощи контроллера Wago и панели оператора Weintek.

Взаимодействие ПЛК и модели должно осуществляться через OPC сервер. В CoDeSys имеется быстрая возможность вывода в OPC сервер CoDeSys переменных, отвечающих за управление с ПЛК. В Matlab используя OPC Toolboxes легко вывести показания объекта используя ранее разработанные математические модели объекта. На физическом уровне взаимодействие происходит через порт Ethernet. При помощи органов взаимодействия осуществляется управление данным технологическим процессом и производятся необходимые измерения и вычисления.

Разработанный лабораторный стенд позволит производить верификацию кода написанного в CoDeSys с математической моделью технологического процесса. В результате мы получаем готовую лабораторную установку, при помощи которой, студенты получают возможность получить практические знания в области АСУТП. Также используя PLC Coder в Matlab можно производить генерацию кода для ПЛК, под среду программирования контроллеров CoDeSys.

Помимо вышесказанного, можно обратиться к возможности разработки GUI в Matlab, и создать интерфейс оператора в Matlab. Также разработать интерфейс системы управления можно в разделе визуализации в CoDeSys. Работы с уже разработанными интерфейсами удобно показывать на занятиях по смежным, например технологическим профильным специализациям.

Эта разработка позволит будущим специалистам обрести опыт в работе с оборудованием, которое будет являться неотъемлемой частью их профессиональной деятельности.

Список литературы:

1. Азат Абузаров, Сергей Томчишин. Применение контроллеров WAGO в автоматизации инженерной инфраструктуры ЦОД // Control Engineering Russia. 2016. URL: https://controlengrussia.com/kontrollery/wago_data_center/ (дата обращения 29.01.2022).
2. Гайнутдинов Кирилл. Простое и понятное программирование в Codesys. – Проект «Кодесис.рф», 2012. Часть3 - 13 стр.
3. Терёхин В.В. Моделирование в системе MATLAB: Учебное пособие /Кемеровский государственный университет. – Новокузнецк: Кузбассвузиздат, 2004. -376с.
4. Официальный сайт продукции Wago / URL: https://www.wago.com/ru/ (дата обращения 27.01.2022).