9 Krzysztof DYRCZ.pdf

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Nap ħ dów i Pomiarów Elektrycznych

Nr 60

Politechniki Wrocławskiej

Nr 60

Studia i Materiały

Nr 27

2007

Sterowniki swobodnie programowalne, PLC,

sterowniki mikroprocesorowe.

Krzysztof P. DYRCZ *

MIKROPROCESOROWY STEROWNIK

ZE SWOBODN ġ KONFIGURACJ ġ WEJ ĺĘ I WYJ ĺĘ

W artykule przedstawiono koncepcj ħ budowy taniego, uniwersalnego sterownika

mikroprocesorowego ze swobodn Ģ konfiguracj Ģ wej Ļę i wyj Ļę cyfrowych. Zaprojektowany i

wykonany sterownik mo Ň e zosta ę zaliczony do grupy sterowników PLC ze wzgl ħ du na całkowicie

dowoln Ģ konfiguracj ħ wej Ļę i wyj Ļę cyfrowych, a tak Ň e ze wzgl ħ du na sposób programowania.

Programowanie sterownika odbywa si ħ za pomoc Ģ komputera PC w graficznym Ļ rodowisku

programistycznym o cechach zbli Ň onych do klasycznego j ħ zyka drabinkowego (ang. Ladder

Diagram ).

1. WST Ħ P

Sterowniki mikroprocesorowe od wielu lat stanowi Ģ podstawow Ģ grup ħ urz Ģ dze ı

steruj Ģ cych w systemach automatyki przemysłowej. Ze wzgl ħ du na niemal

nieograniczony zakres zastosowa ı , łatwo Ļę zmiany algorytmu steruj Ģ cego oraz

stosunkowo niski koszt tych urz Ģ dze ı (bior Ģ c pod uwag ħ zwłaszcza stosunek

mo Ň liwo Ļ ci do ceny) sterowniki mikroprocesorowe s Ģ wytwarzane przez wielu

producentów. Ponadto, ze wzgl ħ du na docelowe przeznaczenie, sterowniki te

wykonywane s Ģ w wielu ró Ň nych odmianach. Pomimo du Ň ej liczby gotowych

rozwi Ģ za ı ci Ģ gle powstaj Ģ nowe konstrukcje sterowników, dlatego te Ň podj ħ to prób ħ

zbudowania stosunkowo prostego i taniego sterownika mikroprocesorowego, który

mógłby by ę u Ň ywany w warunkach laboratoryjnych. Aby sterownik

mikroprocesorowy spełniał wymagania stawiane sterownikom PLC, musi

współpracowa ę ze specjalistycznym oprogramowaniem pozwalaj Ģ cym na swobodn Ģ

zmian ħ programu steruj Ģ cego. W przypadku sterowników dost ħ pnych na rynku, koszt

takiego oprogramowania jest niejednokrotnie porównywalny z kosztem zakupu

__________

Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Nap ħ dów i Pomiarów Elektrycznych,

ul. Smoluchowskiego 19, 50-372 Wrocław, tel. (071) 3204291, e-mail: Krzysztof.Dyrcz@pwr.wroc.pl

samego sterownika. Wynika to głównie z tego, Ň e musi ono współpracowa ę z cała

rodzin Ģ sterowników okre Ļ lonego producenta, a wi ħ c uwzgl ħ dnia ę wła Ļ ciwo Ļ ci, które

w danym sterowniku mog Ģ nie wyst ħ powa ę . Zalet Ģ budowania własnego sterownika

jest ograniczenie tego kosztu, poniewa Ň oprogramowanie napisane do współpracy

z okre Ļ lonym sterownikiem wykorzystuje wył Ģ cznie mo Ň liwo Ļ ci tego konkretnego

urz Ģ dzenia, przez co jest stosunkowo proste i niewymagaj Ģ ce do działania

komputerów o wysokich parametrach technicznych.

W artykule przedstawiono koncepcj ħ budowy taniego, uniwersalnego sterownika

mikroprocesorowego współpracuj Ģ cego z dedykowanym oprogramowaniem

pozwalaj Ģ cym na zmian ħ programu steruj Ģ cego prac Ģ urz Ģ dzenia. Sterownik został

zbudowany w trakcie realizacji magisterskiej pracy dyplomowej [1].

2. MIKROPROCESOROWY STEROWNIK

2.1. KONCEPCJA BUDOWY STEROWNIKA

Zało Ň eniem konstrukcji sterownika było zaprojektowanie i wykonanie urz Ģ dzenia,

które b ħ dzie charakteryzowało si ħ cechami zbli Ň onymi do cech sterowników PLC.

Zało Ň ono, Ň e mikroprocesorowy sterownik b ħ dzie wyposa Ň ony w nast ħ puj Ģ ce moduły

u Ň ytkowe:

– 4 wej Ļ cia cyfrowe,

– 4 wyj Ļ cia cyfrowe,

– 3 wyj Ļ cia PWM,

– 2 wej Ļ cia licznikowe,

– interfejs RS232,

– interfejs 1–Wire,

– interfejs ISP,

– zegar czasu rzeczywistego.

Ponadto, sterownik b ħ dzie współpracował z dedykowanym oprogramowaniem

narz ħ dziowym umo Ň liwiaj Ģ cym dowoln Ģ konfiguracj ħ wej Ļę i wyj Ļę cyfrowych,

wykorzystanie zaimplementowanych interfejsów, a tak Ň e pozwalaj Ģ cym na napisanie

prostego programu steruj Ģ cego prac Ģ sterownika.

Zało Ň ono, Ň e sterownik zostanie wykonany w obudowie kompaktowej z

wewn ħ trznym zasilaczem, bez mo Ň liwo Ļ ci rozbudowy o dodatkowe moduły zewn ħ trzne,

za wyj Ģ tkiem czujników podł Ģ czanych przez interfejs 1-Wire.

Aby umo Ň liwi ę współprac ħ urz Ģ dzenia z innymi sterownikami PLC zało Ň ono, Ň e

napi ħ cia steruj Ģ ce wej Ļ ciami i wyj Ļ ciami sterownika b ħ d Ģ wynosiły +24V dla poziomu

logicznego wysokiego (jedynka logiczna) oraz 0V dla poziomu logicznego niskiego

(zero logiczne).

2.2. CZ ĦĺĘ SPRZ Ħ TOWA STEROWNIKA ORAZ OPROGRAMOWANIE SYSTEMOWE

Sterownik mikroprocesorowy został zbudowany przy zastosowaniu popularnego

mikrokontrolera AVR ATMEGA 8535 firmy ATMEL [2]. Jest to 8–bitowy

mikrokontroler typu RISC, którego architektura wewn ħ trzna jest wystarczaj Ģ ca do

skonstruowania sterownika spełniaj Ģ cego zało Ň enia wymienione w punkcie 2.1.

Ponadto, rozmiar dost ħ pnej wewn ħ trznej pami ħ ci danych (512b RAM i 512b

EEPROM) umo Ň liwia zapami ħ tanie wystarczaj Ģ co du Ň ej liczby zmiennych oraz

prostego programu steruj Ģ cego prac Ģ urz Ģ dzenia.

Zgodnie z zało Ň eniami, sterownik wyposa Ň ono w 4 wej Ļ cia oraz 4 wyj Ļ cia cyfrowe

o napi ħ ciu steruj Ģ cym 24V. W celu dopasowania poziomu napi ħę wej Ļ ciowych i

wyj Ļ ciowych sterownika do poziomu napi ħę systemowych 5V mikrokontrolera

zastosowano popularny układ ULN2803, który zapewnia tak Ň e obci ĢŇ alno Ļę pr Ģ dow Ģ

wyj Ļę sterownika na poziome 0.5A. Zarówno wej Ļ cia, jak i wyj Ļ cia sterownika s Ģ

dowolnie konfigurowalne. W przypadku wej Ļę oznacza to, Ň e ka Ň demu z nich mo Ň e

by ę przypisana dowolna zmienna wej Ļ ciowa w programie steruj Ģ cym, ponadto

wej Ļ cia 1 i 2 mog Ģ pełni ę funkcj ħ wej Ļę licznikowych. W przypadku wyj Ļę , oprócz

dowolnego przypisania do nich zmiennych wyj Ļ ciowych istnieje mo Ň liwo Ļę

skonfigurowania wyj Ļ cia 2, 3 i 4 jako wyj Ļę sygnałów PWM. Sygnały wej Ļę i wyj Ļę

cyfrowych sterownika wyprowadzone s Ģ z obudowy urz Ģ dzenia w dwojaki sposób: na

panelu czołowym za pomoc Ģ gniazd RCA, oraz na panelu tylnym za pomoc Ģ zł Ģ cza

systemowego typu DB15. Dzi ħ ki temu uzyskano mo Ň liwo Ļę bardzo elastycznego

poł Ģ czenia sterownika z urz Ģ dzeniami zewn ħ trznymi.

Sterownik wyposa Ň ony jest w trzy interfejsy komunikacyjne:

– interfejs RS 232 słu ŇĢ cy do komunikacji sterownika z komputerem PC.

Transmisja danych jest realizowana jako transmisja asynchroniczna z

wykorzystaniem dwóch linii: TxD i RxD. Przesyłane słowo ma format 10–

bitowy: bit startu (0), 8 bitów danych i bit stopu (1).

– interfejs ISP słu ŇĢ cy do programowania mikrokontrolera sterownika. Jest to

interfejs serwisowy, nieu Ň ywany podczas normalnej pracy sterownika. Za

pomoc Ģ tego interfejsu mo Ň liwa jest zmiana oprogramowania systemowego

sterownika. Interfejs jest zgodny ze standardem interfejsu ISP stosowanym

przez firm ħ ATMEL,

–

interfejs 1–Wire słu ŇĢ cy do obsługi dodatkowych czujników równie Ň

wyposa Ň onych w ten typ interfejsu, np. popularnego czujnika temperatury

DS18B20.

W celu zwi ħ kszenia niezawodno Ļ ci sterownika, wyposa Ň ono go w awaryjne

zasilanie bateryjne, które zasila układy elektroniczne sterownika w przypadku zaniku

napi ħ cia

Rol ħ

przeł Ģ cznika

zasilania

sieciowego.

zasilania

spełnia

wysoko

specjalizowany układ ICL7673.

Schemat ideowy głównego modułu sterownika przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Schemat ideowy głównego modułu sterownika

Fig. 1. Schematic diagram of the main module of controller

Na rysunku 2 pokazano widok panelu przedniego oraz tylnego sterownika.

Rys. 2. Widok panelu przedniego a) oraz tylnego b) sterownika

Fig. 2. Front a) and back b) panel of the controller

Oprogramowanie systemowe sterownika zostało napisane w j ħ zyku BASCOM

AVR [3]. Zapewnia ono prac ħ sterownika w dwóch trybach: Stop oraz Start. W trybie

Stop mo Ň liwa jest zmiana programu steruj Ģ cego prac Ģ urz Ģ dzenia, natomiast w trybie

Start sterownik wykonuje wpisany do pami ħ ci program. Przej Ļ cie sterownika do

wybranego trybu pracy odbywa si ħ przez wci Ļ ni ħ cie jednego z przycisków

steruj Ģ cych znajduj Ģ cych si ħ na panelu czołowym urz Ģ dzenia. Tak jak w typowych

sterownikach PLC program steruj Ģ cy wykonywany jest cyklicznie, przy czym

domy Ļ lnym trybem pracy sterownika po wł Ģ czeniu zasilania jest tryb Stop.

2.3. PROGRAM U ņ YTKOWNIKA

Programowanie pracy sterownika odbywa si ħ za pomoc Ģ specjalistycznego

oprogramowania narz ħ dziowego MSP3. Jest to program wyposa Ň ony w graficzny

interfejs u Ň ytkownika, który wygl Ģ dem i cechami funkcjonalnymi przypomina typowe

narz ħ dzia do programowania sterowników PLC, przy czym Ļ rodowisko MSP3

umo Ň liwia pisanie programu steruj Ģ cego w sposób zbli Ň ony do j ħ zyka drabinkowego.

Nie jest mo Ň liwe pisanie programów w pozostałych j ħ zykach programowania

sterowników PLC (np. FBD lub IL). Wygl Ģ d głównego okna programu MSP3

pokazano na rys. 3.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: