Пример модернизации электрической схемы грузового подъемника с использованием программируемого контроллера (ПЛК)

Обновлено: 18.05.2024

В последнее время становится все более популярной тема автоматизации различных технологических процессов с использованием программируемых контроллеров (ПЛК). Несмотря на это, в Интернете встречается очень мало практических статей с реальными примерами как эти ПЛК программировать. Тема эта очень интересная, т.к. она находится на стыке электрооборудования, электроники и программирования. Научится писать программы для ПЛК можно даже не имея их в наличии. В этом хорошо помогает режим эмуляции, который имеется во всех современных программных пакетах.

В этой статье я покажу пример перевода электрической схемы, построенной на релейных устройствах (пускатели, реле) в программу, которая будет работать на контроллере. Сразу скажу, что это всего лишь небольшой учебный проект и на что-то большее чем просто объяснить базовые принципы программирования ПЛК на конкретном примере он не претендует.

Релейная схема грузового подъемника

Исходной схемой для этого проекта является относительно простая схема грузового подъемника (грузового лифта) с рычажным управлением на два этажа. Схема показана на рисунке ниже.

Схема электрическая приниципиальная грузвого подъемника с одним двигателем на две остановки

В схеме присутствует всего один двигатель, который поднимает и опускает подъемник между двумя этажами. Это реверсивный трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором на 380 В. К ротору двигателя подключены пусковые сопротивления и контакты трех электромагнитных пускателей, позволяющие запускать двигатель в 3 ступени. Это решение позволяет в процессе запуска двигателя уменьшать его пусковой ток и увеличивать пусковой момент.

Пуск двигателя автоматизирован с помощью трех реле ускорения (1РУ - 3РУ). Это обычные реле времени на 24 вольта постоянного тока. Для их питания имеется понижающий трансформатор и выпрямитель.

На клеммы двигателя подключен трехфазный колодочный электромагнитный тормоз, который при подаче напряжения на двигатель растормаживает его вал, а при исчезновении напряжения вал двигателя мгновенно зажимается и фиксируется в неподвижном положении.

Реверс двигателя выполняется с помощью контактов двух электромагнитных пускателей (на схеме В и Н). Питание на схему подается через рубильник (на схеме - ВУ) и автоматический выключатель (1А).

Включение в работу подъемника возможно только при наличии напряжения. Его контролирует реле напряжения (РН), которое находится в левой части схемы. Там же находятся штепсельные розетки и звонок, который можно включить с любой площадки для вызова проводника.

Двери шахты и кабины открываются и закрываются вручную. Управление лифтом выполняется с помощью рычажного переключателя на три положения - "Вверх", "Вниз" и "Нулевое".

При переводе рукоятки в одно из крайних положений лифт начинает двигаться и при достижении нужного этажа рукоятка механически переводится в положение "Нулевое". При этом разрываются контакты в цепи переключателя, катушка пускателя обесточивается, двигатель отключается от сети, размыкаются контакты в цепи его ротора и лифт останавливается. После этого можно запустить движение лифта в обратную сторону.

Грузовой подъемник относится к устройствам повышенной опасности и в его схеме (как и в схемах любых лифтов) присутствует большое количество различных блокировочных контактов путевых выключателей и контактов различных защитных устройств.

В данной схеме это путевые (конечные) выключатели контролирующие закрытие дверей кабины, шахты на нижнем и верхнем этаже, подъема и спуска кабины выше рабочей верхней и нижней зоны, контакты "слабины подъемных канатов", которые размыкаются при обрыве или ослаблении каната, на котором весит кабина подъемника, контакты ограничителя скорости, ловителя и натяжного устройства привода троса. Всего - 14 дискретных датчиков.

При размыкании любого из перечисленных контактов электродвигатель подъемника должен мгновенно отключаться и затормаживаться, поэтому все датчики, контакт реле напряжения и кнопка "Общий стоп" включены последовательно в цепь катушек управляющих двигателем электромагнитных пускателей.

Создание программы для ПЛК для грузового подъемника

Задача состояла в том, что бы ничего не меняя в устройстве, в принципе работы и органах управления подъемника перевести его схему с устаревшего релейного вида на вариант с использованием программируемого контролера.

Преимущество программной формы управления установками заключается в том, что в дальнейшем при желании программу можно легко доработать, улучшить удобство управления подъемником, поменять логику его работы, улучшить его функциональность. Но эти действия должны сопровождаться изменением в конструкции подъемника и добавлением в схему других дополнительных устройств. В нашем же варианте такой задачи не ставилось.

В данном случае предложен вариант модернизации электрооборудования грузового подъемника путем изменения его схемы управления с таким подходом, что бы, например, для управляющего таким механизмом человека абсолютно ничего не изменилось.

Поэтому мы сохраним главный орган управления подъемником - рычажной переключатель и оставим в работе асинхронный двигатель с фазным ротором с его трехступенчатым пуском, хотя так и хочется его заменить на асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, включающимся через устройство плавного пуска. Но пока так делать не будем, так как это решение очень существенно упростит и так не слишком сложную электрическую схему подъемника.

Итак, разделим нашу схему на четыре зоны (смотрите схему подъемника на рисунке).

В зоне 1 ничего трогать не будем, т.к. она отвечает за звуковой вызов лифтера и контроль наличия напряжения в схеме. Зона 2 с двигателем, электромагнитным тормозом и силовыми контактами пускателей тоже не изменится. Все аппараты из зоны 4 можно удалить, т.к. порядком включения контактов в цепи ротора двигателя при его запуске будут управлять программные таймеры. Остается зона 3. Основная модернизация коснется именно этой зоны.

В качестве контроллера возьмем ПЛК фирмы ОВЕН. Программу для него будем составлять на языке CFC . На мой взгляд, это самый удобный язык для начинающих. Он очень похож на язык функциональных блоков FBD , но со своими небольшими особенностями. Очень многие любят еще один замечательный язык - язык релейных диаграмм LD . Я ничего не имею против, но на CFC составлять программу для ПЛК мне удобнее, поэтому я использовал именно этот язык, но тут все на любителя. Для составления программы используем пакет CoDeSys 2.3.

Программа представляет собой набор функциональных блоков ( AND , OR , NOT , триггеров и таймеров). Программа работы грузового подъемника на языке CFC :

Первоначально нам понадобятся блоки AND (элемент И). На выходе элемента находится логическая единица (в программе - " TRUE ") только тогда, когда на всех входах тоже находятся логические единицы. Если состояние даже одного входа отличается от единицы, то выход сбрасывается в ноль (в программе - " FALSE ") .

Этот элемент нам поможет организовать все блокировочные контакты и контакты безопасности (дискретные входы), а их у нас как вы помните 14 (в программе они обозначены под названием SQ1 - SQ14) . На вход блока AND подключим также контакт реле напряжения и кнопу "Общий стоп" ( SB1). Для удобства восприятия я завел все контакты на 3 элемента AND , а затем использовал еще один для их объединения в одну цепь.

Рычажной переключатель подключен к двум входам контроллера (в программе - "SA_verh" и "SA_niz"). Переключатель в каждом из своих двух крайних положений подает логическую единицу на один их двух RS триггеров ( "RS_verh" или "RS_niz"). Триггер - аналог катушки пускателя с блокировочным контактом в релейной схеме управления.

Для того чтобы его включить нужного подать логическую единицу на контакт " SET ", для того чтобы отключить - на " RESET " . Выход триггера " Q1 " передает сигнал на один из выходов контроллера - " KM1 " или " KM2 " к которым подключены катушки электромагнитных пускателей. Пускатели переключают контакты и управляют двигателем.

Трехступенчатый пуск в программе организован с использованием 2-х таймеров "ТОN". При подаче логической единицы на вход таймера " IN " он отсчитывает время заданное на входе " PT " и переключает с выдержкой времени выход " Q " с логического нуля в единицу. После срабатывания первгого таймера (Т1) по сигналу с его выхода (Q) запускается отсчет времени на втором таймере (Т2) и через время заданное на входе PT второй таймер тоже подает на свой выход (Q) логическую единицу.

К выходам контроллера (в программе - KM3 , KM4 и KM5) подключено 3 катушки электромагнитных пускателя. Первый из них включается сразу при включении КМ1 или К M2 и подключает к ротору двигателю максимальное сопротивление, KM4 и KM5 включаются по таймеру и поочереди закорачивают часть пускового сопротивления. После запуска двигателя все три пускателя остаются во включенном положении.

Элемент OR (логическое ИЛИ) нужен для того, что бы одновременно с запуском одного из двух основных пускателей, в работу включалась часть схемы, отвечающая за трехступенчатый пуск двигателя. При наличии логической единицы на одном из входов элемента " OR ", на его выход передается логическая единица, т.е. для его срабатывания достаточно сигнала на любом из его входов.

Между таймерами и выходами контроллера включены элементы AND с одним из инверсных входов (кружок на входе). У данного элемента логическая единица на выходе появляется только тогда, когда на обычный вход подан сигнал логической единицы, ка на инверсный - логического нуля.

Такой же элемент, только уже с двумя инверсными входами находится рядом с входами "SA_verh" и "SA_niz", принимающими сигналы от рычажного переключателя. Это нужно для того, что бы обеспечить отключение всех пускателей на выходах при возврате переключателя в нулевое положение, когда обе цепи "Вверх" и "Вниз" разомкнуты.

При наличии двух логических нулей на входе такого элемента AND дает логическую единицу на выходе элемента. Этот сигнал приходит по программе на вход триггеров " RESET ", триггеры сбрасываются в ноль и пускатели на выходах отключаются. Элементы AND с одним инверсным входом между таймерами и выходами KM3 и KM4 отключают эти выходы и, соответственно, отключают пускатели отвечающие за шунтирование сопротивлений в цепи ротора при остановке двигателя.

Для установки инверсного входа или выхода необходимо подвести мышку к фукциональному блоку, выбрать нужный вход или выход, нажать правую кнопку мышки и выбрать "Инверсия". Аналогичным образом можно любой инверсный вход или выход преобразовать в обычный.

Элементы AND под номерами 5 и 10 не дают включиться пускателям, отвечающим за движение двигателя "Вверх" и "Вниз" одновременно (защита от короткого замыкания в цепях силовых контактов пускателей при одновременном их включении). Хотя в данной схеме с рычажным переключателем это и так не возможно. Но так как блокировочные контакты такого типа присутствовали в исходной релейной схеме, то решено было их сохранить и в программе для ПЛК.

Ну и наконец, осталось обеспечить мгновенное отключение электродвигателя при размыкании любого из контактов на входе. Наличие триггеров в схеме не позволяло изначально это сделать. Для того чтобы схема работала корректно при любой аварийной ситуации (срабатывание контактов безопасности, контактов путевых выключателей, контакта реле напряжения или кнопки "Общий стоп") в схему была добавлена две цепочки из элементов NOT и OR (4 и 7).

Элемент NOT преварщает логическую единицу на входе в логический ноль на выходе и наоборот - ноль на входе в единицу на выходе. Сможете объяснить как работают в программе цепочки из NOT и OR? Напишите в комментариях.

Эмуляция работы программы на языке CFC в CoDeSys

После создания программы ее можно проверить в CoDeSys в режиме эмуляции. Для этого нужно во вкладке "Онлайн" выбрать "Режим эмуляции", нажать кнопку "Подключение", затем выставить на всех входах логическую единицу - " TRUE ", записать эти значения в программу нажав " Ctrl " + F7 и нажать F5 для старта.

Режим эмуляции в CoDeSys :

Имитируя переключения входов (" TRUE " и " FALSE ") можно смотреть за изменением цепей в синий цвет (путь прохождения сигналов) и изменением состоянием выходов. После каждого изменения состояния входа не забывайте записывать эти значения в программу нажимая " Ctrl " + F7 . Для отключения режима эмуляции нажмите "Стоп", затем "Отключение" на вкладке "Онлайн" и снимите галочку "Режим эмуляции".

Заключение

Еще раз хочу отметить, что этот проект был связан исключительно с учебными целями и даже на реальном программируемом контроллере пока не тестировался. Если у вас возникли вопросы и что-то из изложенного осталось не понятно, спрашивайте в комментариях, я попробую на них ответить. И еще для меня очень важно получить ответ на вопрос - продолжать ли делать статьи на такую тему? В общем, готов выслушать любые конструктивные замечания и предложения.

Курс по программированию контроллеров:

Structured Text

Для прокладки в помещении скрытых коммуникаций, в частности электропроводки, нередко требуется проделать канавку в стене, или, выражаясь ближе к теме, - выбрать штробу. Этот процесс удобно осуществлять с помощью специально предназначенного для этой цели инструмента - штробореза.

Штроборез похож на болгарку и одновременно - на ручную циркулярную пилу, однако резка здесь производится двумя алмазными дисками с возможностью регулировать как глубину реза, так и его ширину. В результате получается ровная штроба, канавка с идеально ровными боковыми стенками, чего навряд ли можно добиться, используя болгарку, к тому же время работы, по сравнению с болгаркой, сокращается вдвое, ибо у штробореза одновременно работают два режущих диска. Как же выбрать штроборез, если возникла необходимость в выполнении соответствующих работ? Дело в том, что различные работы требуют .

Изобретение лазера можно по праву считать одним из самых значимых открытий 20 столетия. Еще в самом начале разработки данной технологии ей уже пророчили совершенно разностороннюю применимость, с самого начала была видна перспектива решения самых разных задач, несмотря на то, что некоторые задачи даже не виднелись на горизонте в то время.

Медицина и космонавтика, термоядерный синтез и новейшие системы вооружений, - вот лишь некоторые из направлений, в которых сегодня с успехом применяется лазер. Давайте посмотрим, где же нашел применение лазер, и убедимся в величии этого замечательного изобретения, обязанного своим появлением целому ряду ученых. Монохроматическое излучение лазера можно получить в принципе с любой длиной волны, причем как в форме непрерывной волны определенной частоты, так и в форме коротких импульсов, длительностью вплоть до долей фемтосекунд. Будучи сфокусирован на исследуемом образце .

Новые материалы, сверхпроводники, на первый взгляд кажется выгодным применять чуть ли не везде, где используются магнитные поля и электрические токи. Но так ли это?

Чтобы сориентироваться во множестве технических работ со сверхпроводниками, следует иметь в виду, что сверхпроводников, как таковых, нет вовсе. Это обычные всём известные металлы, в особых условиях проявляющие непривычные свойства.

Алюминий, например, при комнатных температурах хорошо проводит электрический ток, поэтому считается одним из лучших проводников. Магнитное поле в нем чуть-чуть усиливается: такие материалы называют парамагнетиками. Алюминий отлично пропускает тепло, значит, его можно считать теплопроводником. При охлаждении до чрезвычайно низких температур свойства некоторых металлов существенно меняются .

В последнее время становится все более популярной тема автоматизации различных технологических процессов с использованием программируемых контроллеров (ПЛК). Несмотря на это, в Интернете встречается очень мало практических статей с реальными примерами как эти ПЛК программировать. Тема эта очень интересная. Научится писать программы для ПЛК можно даже их не имея в наличии. В этом хорошо помогает режим эмуляции, который имеется во всех современных программных пакетах.

Казалось бы, совсем недавно, открыв любой квартирный щиток, можно было обнаружить там лишь счетчик с парой пробок, но современные щитки уже довольно далеко ушли от своих советских предшественников. Те же компактные автоматы, в значительно большем, чем пара, количестве, и другое электромонтажное оборудование, теперь монтируются в щитках исключительно на DIN-рейку.

Многие модульные элементы, такие как пускатели, реле, контроллеры, выключатели, таймеры, УЗО и прочее, можно сегодня собирать в блоки, монтируя их на DIN-рейку — гениальное изобретение Немецкого Института Стандартизации. Это простой с виду перфорированный или сплошной профиль, изготовленный из стали или алюминия, отличающийся током клеммы заземления, прочностью и весом. DIN-рейки выпускаются разной длины, их можно по мере надобности разделять на более короткие куски, для этого на длинную рейку может быть нанесена разметка в виде насечки. Различаются DIN-рейки и формой профиля .

Интегральные микросхемы - драйверы полумостов, такие как, например, IR2153 или IR2110, предполагают включение в общую схему так называемого бутстрепного (отделенного) конденсатора для независимого питания цепи управления верхним ключом. Пока нижний ключ открыт и проводит ток, бутстрепный конденсатор оказывается подключен через этот открытый нижний ключ к минусовой шине питания, и в это время он может получать заряд через бутстрепный диод прямо от источника питания драйвера.

Когда нижний ключ закрывается, бутстрепный диод перестает подавать заряд в бутстрепный конденсатор, так как конденсатор в тот же момент оказывается отключен от минусовой шины, и теперь может функционировать как плавающий источник питания для схемы управления затвором верхнего ключа полумоста. Такое решение вполне оправдано, ведь зачастую требуемая для управления ключом мощность относительно невелика, и расходуемая энергия может просто периодически пополняться .

Фундаментальная наука в последние годы нечасто балует инженеров открытиями, пригодными для промышленного внедрения. Но последние два десятилетия стали приятным исключением. Две Нобелевские премии и третье открытие, не оцененное пока Нобелевским комитетом, создали перспективы для работы инженерам и технологам на многие десятилетия. И все они связаны с одним элементом - углеродом.

Чем же так важны эти открытия и что нового может дать нам столь привычный химический элемент? Все, что мы знаем об углероде, делает его наиболее интересным и важным элементом периодической таблицы Менделеева. Начнем с того, что сама жизнь возникла на углеродной основе. Способность атомов углерода соединяться в сложные структуры, позволила природе создать белковые организмы и вдохнуть разум в человека. Вся органическая химия с ее обилием новых, искусственных материалов .

В ходе разработки контроллера импульсного преобразователя, например для построения схемы с удержанием резонанса, может потребоваться обеспечить задержку фронтов и спадов импульсной последовательности при подаче прямоугольного сигнала из одного блока схемы — в другой.

Иногда для решения данной задачи подходит простейшая цепь, состоящая из двух логических инверторов и RC-цепочки. Для данной цели удобно воспользоваться микросхемой, представляющей собой набор инверторов с достаточно определенными порогами срабатывания. Пример такой микросхемы — 74НС04, в ней находится 6 логических элементов «НЕ», и получается, что на одной такой микросхеме можно теоретически построить 3 цепи задержки по схеме, приведенной ниже. Практически, когда спад прямоугольного импульса приходит на вход первого инвертора, то на RC-цепь с его выхода приходит передний фронт, и начинается зарядка конденсатора .

В отзывах на предыдущую статью по этой теме — Пример модернизации электрической схемы грузового подъемника с использованием программируемого контроллера (ПЛК) было пожелание сделать материал с более подробным пошаговым разбором процесса написания программы на языке CFC в CoDeSys . Так как схему из предыдущей статьи заново разбирать не очень интересно, то давайте возьмем на этот раз для примера что-нибудь другое, например, когда-то очень популярную схему насосной станции с откачивающими насосами.

Устройство и принцип работы насосной станции

Итак, имеется насосная станция дренажного типа с двумя насосами. Вода набегает в резервуар самотеком, а задача насосов откачивать ее из этого резервуара, что бы не допустить его перенаполнения. Один из насосов по схеме является основным, второй — резервным. Схемой предусмотрена возможность назначения основного и резервного насоса с помощью переключателя.

Первоначально в работу включается насос, который назначен основным, а в случае если он не справляется с откачиванием жидкости, то ему на помощь автоматически включается резервный насос. Если же оба насоса не могут откачать жидкость, то срабатывает световая и звуковая сигнализация.

Принцип действия схемы управления

Уровень жидкости контролируется датчиками уровня с 4 контактами. При подъеме жидкости в емкости контакты по очереди замыкаются, подают питание на катушку промежуточных электромагнитных реле , контакты которых включены в цепи катушек электромагнитных пускателей , управляющих электродвигателями насосов.

Схема электрическая принципиальная насосной станции с двумя откачивающими насосами:

Существует еще один вариант этой схемы с обозначениями выполненными по современным ГОСТам (1 и 5 — задвижки, 2 — клапан, 3 — нагнетающие трубопроводы, 4 — насосы, 6 — резервуар, 7 — всасывающие трубопроводы, 8 — электрод):

Пример прохождения тока по цепям по первой схеме (при первом основном насосе, а втором резервном, переключатель ПО стоит в положении 1):

1) При достижении водой уровня Э1 — ничего не происходит,

2) При достижении водой уровня Э2 — срабатывает катушка реле РУ1, замыкает свои контакты, в т.ч. включается контакт в цепи пускателя ПМ1, включается в работу двигатель Д1.

3) При достижении водой уровня Э3 — срабатывает катушка реле РУ2, при этом реле РУ1 тоже включено и двигатель Д1 работает. Реле РУ2 замыкает свои контакты, в т.ч. включается контакт в цепи пускателя ПМ2, включается в работу двигатель Д2.

4) При достижении водой уровня Э4 — срабатывает реле РА. Контакты этого реле включены в отдельную схему на независимый источник питания, например, аккумуляторную батарею (на первой схеме не показана). Там же подключен контакт реле напряжения РКН. При отсутствии напряжения или аварийном уровне жидкости срабатывает сигнальная лампа и звонок (они на первой схеме тоже не показаны).

Схема насосной станции может работать в автоматическом и ручном режимах. Выбор режима работы для каждого насоса осуществляется индивидуально с помощью переключателей ПУ1 и ПУ2. А ручном режиме включение и выключение электромагнитных пускателей и двигателей насосов выполняется с помощью кнопок КнП и КнС.

Модернизация схемы

Проведем модернизацию релейной схемы управления насосной станции. Управлением процессом откачивания жидкости после модернизации будет выполнять программируемый логический контроллер (ПЛК) . В качестве ПЛК в данном случае можно использовать контроллер любого типа. В нашем случае отлично подойдет даже какое-либо недорогое программируемое реле .

Так как задача этой статьи чисто образовательная — дать первоначальные навыки составления программ для ПЛК , то использовать будем для этого очень удобный программный пакет CodeSyS 2.3 и контроллер фирмы ОВЕН . Модель контроллера требует CodeSyS при создании проекта в программе. Программу будем составлять на языке CFC .

Этот проект был связан исключительно с учебными целями. Наша задача заменить схему управления с релейной на программную, ничего не меняя в устройстве, технологии и органах управления насосной станции.

Для начала определим все необходимые входные и выходные сигналы, которые нам понадобятся в программе.

Читайте также: