Свободно программируемые устройства в автоматизированных системах управления

Ставрополь
«АГРУС»
2016

СВОБОДНО 
ПРОГРАММИРУЕМЫЕ 
УСТРОЙСТВА 
в автоматизированных 
системах управления

Учебное пособие

И. Г. Минаев,  В. В. Самойленко,
Д. Г. Ушкур,  И. В. Федоренко

УДК 681.5
ББК 32.965
 
М57

ISBN 978-5-9596-1222-1

© Минаев И. Г., Самойленко В. В., Ушкур Д. Г., 
     Федоренко И. В., 2016
© ФГБОУ ВО Ставропольский государственный
 
аграрный университет, 2016

Рецензенты:
кафедра информационных систем и технологий ФГАОУ ВПО 
«Северо-Кавказский федеральный университет»
заведующая кафедрой доктор физико-математических наук, профессор
В. И. Дроздова;
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой электрических машин и электропривода КубГАУ
С. В. Оськин

Все права авторов защищены.
Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то 
ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

 
Минаев, И. Г.
 
 
Свободно программируемые устройства в автоматизированных системах управления : учебное пособие / 
И. Г. Минаев, В. В. Самойленко, Д. Г. Ушкур, И. В. Федоренко ; 
Ставропольский государственный аграрный университет. – 
Ставрополь : АГРУС, 2016. – 168 с.

 
 
ISBN 978-5-9596-1222-1

 
 
Изложены общие сведения по применению программируемых логических контроллеров (ПЛК) и программируемых реле (ПР) в системах управления технологическими процессами, описываемых с позиций событийноуправляемой логики. Все примеры рассмотрены для ПЛК в комплексе 
CODESYS на языках LD и FBD и для ПР в среде программирования OWEN 
Logic с применением языка FBD.
 
 
Для студентов вузов и аспирантов, изучающих современные технологии проектирования автоматизированных систем управления.

 
 
УДК 681.5
 
 
ББК 32.965

М57

ОГЛАВЛЕНИЕ

   
ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ, ИЛИ 
   
С ЧЕГО ВСЕ НАЧИНАЛОСЬ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  6

 1. ПРИМЕНЕНИЕ АЛГЕБРЫ БУЛЯ
  ДЛЯ ОПИСАНИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
  И СИСТЕМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  8 
1.1. Логическое умножение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  9
 1.2. Логическое сложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  10
1.3. Логическое отрицание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  10
1.4. Инверсия конъюнкции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  11
1.5 
Инверсия дизъюнкции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  11
1.6. Аксиомы и законы булевой алгебры . . . . . . . . . . . . . . . . . .  12
1.7. Применение законов и аксиом при анализе
   
и синтезе СЛУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  13
1.8. Пример проектирования комбинационной СЛУ . . . . . . . .  15
1.9. Синтез последовательностной СЛУ
   
на контактных элементах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  19

2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  22

3. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМПЛЕКСЕ CODESYS . . . . . . .  26
3.1. Выбор комплекса и языка  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  26
3.2. Редакторы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  27
3.3. Инсталляция среды CODESYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  27
3.4. Компоненты организации программ (POU) . . . . . . . . . . . .  28
3.5. Запуск CODESYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  29
3.6. Разделитель экрана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  33
3.7. Окно сообщений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  33
3.8. Статусная строка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  34
3.9. Контекстное меню  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  35

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СЛУ НА ЯЗЫКЕ LD . . . . . . . . . . . . . . .  37
4.1. Контакты, катушки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  37
4.2. Построение СЛУ в LD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  38
4.3. Подключение ПЛК. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  44
4.4. Дополнительные приемы при построении
  
LD-диаграмм  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  46
4.5. Катушки реле.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  47
4.6. Исследование СЛУ в режиме эмуляции  . . . . . . . . . . . . . .  50
4.7. Триггеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  54
4.8. Таймеры  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  57
4.9. Счетчики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  67

5. ПРИМЕРЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛУ  . . . . . . . . . . . . . . . . .  73
5.1. Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  73
5.2. Нормальный режим работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  76
5.3. Вопросы безопасности  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  81
5.4. Перенос программы в ПЛК  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  81
5.5. Визуализация  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  85
5.6. Многотактный  генератор импульсов  . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.7. Дополнительные комментарии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

6. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ЯЗЫКЕ FBD. . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.1. СЛУ на интегральных микросхемах  . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.2. Главное окно и панель инструментов  . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.3. Первые шаги программирования  ПЛК в FBD . . . . . . . . . 106
6.4. Дополнительные приемы программирования. . . . . . . . . . 109
6.5. Завершающий этап  построения СЛУ . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.6. Интеграция LD- и FBD-редакторов   . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

7. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ РЕЛЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.1. Общие сведения о контроллерах ПР110  . . . . . . . . . . . . . . 129
7.2. Среда программирования  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.3. Работа с программой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.4. Дополнительные комментарии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.5. Пример создания управляющей программы. . . . . . . . . . . 161

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  163

  
Сокращения и термины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  164

  
Библиографический список  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  166

ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ,
 
ИЛИ С ЧЕГО ВСЕ НАЧИНАЛОСЬ

А все начиналось с релейно-контактных систем логического 
управления (СЛУ) технологическими процессами и оборудованием как в производственной сфере, так и в быту.
Такие СЛУ, выполненные на релейно-контактных элементах или 
на потеснивших их микросхемах, имели фиксированную логику работы, и в случае необходимости изменения алгоритма управления 
требовалась существенная переделка всей монтажной схемы.
Бурное развитие электроники, особенно в сфере микропроцессорной техники, привело к созданию широкого парка свободно 
программируемых средств контроля и управления, среди которых 
особую роль исполняют ПЛК и ПР, которые кардинально изменили 
сам подход к созданию конечных автоматов, вытеснив полностью 
контактные СЛУ. Это не означает, что электромагнитные элементы 
изжили себя. Всему своё место. И обычные реле широко применяются в тех же ПЛК и ПР в качестве выходных элементов, выполняя по существу функцию усилителя или устройства для гальванической развязки микропроцессорной части ПЛК или ПР от исполнительных механизмов.
Если промышленно развитые страны Cтарого и Нового Света 
давно и вовсю используют ПЛК и ПР и вышли на стабильный уровень их применения, то в России лишь в последние годы наблюдается резко возросший спрос на эту технику. В то же время почти полное отсутствие литературы по этим вопросам создает значительные трудности в обучении и переподготовке киповского 
персонала.
В подобной ситуации в начале 70-х годов прошлого столетия 
оказались американские инженеры, обслуживающие релейные автоматы сборочных конвейеров и столкнувшиеся с нарастающим 
потоком микропроцессорной техники. На помощь им пришёл язык 
LD (Ladder Diagram), т. е. язык релейно-контактных схем, который не требовал каких-либо специальных знаний в области программирования, особенно с применением языков высокого уровня. 
Освоив же этот простой графический язык, уже легче оказалось 
перейти и к другим приемам программирования микропроцессорных средств контроля и управления.

Данная книга адресована не только инженерам, начинаю щим 
осваивать программируемые контроллеры, но и «новичкам», 
желаю щим войти в мир ПЛК и ПР. Авторы отчетливо понимают 
при этом, что «нельзя объять необъятное» и, чтобы не отпугнуть 
читателя неоправданно большим объемом книги, излагают материал предельно лаконично. Возможно некоторые «новички» забыли или даже не знали теории релейно-контактных схем (РКС). 
Поэтому в первой главе мы позволим себе сделать такое напоминание, полагая, что читатель не увидит в этом намека на его некомпетентность. Просто многие из них могут пропустить эту главу и начинать сразу со следующей. Но эта глава как бы ставит читателя в 
положение американского инженера прошлого века, пожелавшего 
освоить новейшую технику.
Поэтому мы также остановим свой выбор на языке LD, полагая при этом, что дальнейшее расширение арсенала методов проектирования СЛУ на базе ПЛК будет менее трудоемким. Завершая 
ознакомление с ПЛК, дадим в конце книги краткие сведения еще 
об одном языке – FBD (Functional Block Diagram). Знакомство с 
FBD облегчит читателю освоение еще одного класса релейных 
контроллеров – ПР, описание которых приведено в главе 7.
По этим же соображениям из большого разнообразия известных комплексов программирования МЭК 61131-3 будем использовать только CODESYS как наиболее популярный у пользователей ПЛК.
Безусловно, у читателя «под рукой» должен быть персональный компьютер, т. к. подавляющую часть примеров, приведенных в книге, можно выполнить, не имея даже самого ПЛК или ПР. 
Режим эмуляции для ПЛК и симуляции для ПР позволяют производить отладку проекта без аппаратных средств.

1. ПРИМЕНЕНИЕ АЛГЕБРЫ БУЛЯ
 
ДЛЯ ОПИСАНИЯ 
 
ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И СИСТЕМ

 
 
Системы логического управления (СЛУ) бывают комбинационными и последовательностными. Последние называются также событийно-управляемыми автоматами.
В комбинационных СЛУ (их же называют однотактными) выходные сигналы формируются только при определённых комбинациях входных логических сигналов, принимающих значения 
0 или 1. В последовательностных СЛУ (их же называют многотактными) выходные сигналы зависят не только от комбинации 
входных, но и последовательности их поступления во времени, 
что обеспечивается наличием элементов памяти. 
Словесное изложение работы даже простых СЛУ выглядит громоздко и затрудняет проведение анализа. Математическим аппаратом для описания СЛУ служит двузначная (бинарная) алгебра 
Буля, все переменные в которой могут принимать только два значения: 0 или 1.
Основным понятием, используемым при анализе и синтезе систем логического управления, является логическая функция.
Принципы построения логической функции по алгоритму работы системы автоматики иллюстрируются ниже на примере.
Логическая функция выражает зависимость выходных переменных от входных и также принимает, в зависимости от значения последних и связывающих их логических действий, два состояния: 0 или 1. Можно встретить и такую запись этих состояний: 
Ложь или Истина; FALSE или TRUE.
Так как каждая переменная может иметь только два значения, 
то возможное количество различных комбинаций (наборов) N для 
n переменных будет равно

N = 2n.

Все действия над переменными в бинарной алгебре выполняются с помощью следующих основных операций, которые наглядно иллюстрируются соответствующими РКС.

С целью упрощения последующих алгебраических действий примем следующие допущения: катушки электромагнитных реле, которые следовало бы по действующему стандарту 
обозначать К1, К2 и т. д. и соответственно их контакты К1.1, 
К1.2, К2.1, К2.2, будем по мере необходимости именовать заглавными буквами А, В, С и т. д., а их замыкающие и размыкающие контакты прописными буквами a, b, c и a, b, c соответственно.

1.1. Логическое умножение

Логическое умножение (конъюнкция, функция «И») Л
a b
 
 
равнозначно последовательному соединению контактов. Все возможные комбинации входных сигналов и соответствующие им 
значения функции сведены в таблицу состояний. Очевидно, что 
только в одном случае результатом логического умножения станет 
единица, т. е. лампа Л «сработает», если замкнуть контакты и а, и 
b. Из этой словесной формулы союз «И» перешел в обозначение 
функции (как синоним логическому умножению) и в название бесконтактного элемента.

b   0    0   0  

  0   1   0 

  1   0   0 

  1   1   1 

Применяются и другие обозначения операции логического 
умножения: 

&
 .
 



a b
a
b
a
b
a b

1.2. Логическое сложение

Результат логического сложения (дизъюнкции, операции «ИЛИ»)
К = а + b, легко установить из анализа схемы с параллельным 
соединением контактов. 

b 
 0    0 
  0  

  0 
  1 
  1 

  1 
  0 
  1 

  1 
  1 
  1 

Очевидно, что катушка реле К получит питание, если замкнуть 
контакты или а, или b, или оба вместе. Вместо знака «+» иногда 
употребляют «»: а + b = а  b. 

1.3. Логическое отрицание

Логическое отрицание (инверсия, операция «НЕ») Л = a, 
означающее, что значение логической функции Л противоположно или неравносильно значению переменной а. В нашем примере лампа горит (Л = 1), если контакт a не замкнут (а = 0), и лампа 
гаснет (Л = 0), если контакт не разомкнут (а = 1).

0 
1 

1 
0 

1.4. Инверсия конъюнкции

Функция «И-НЕ» Л = a b.

b 
  0    0 
  1  

  0 
  1 
  1 

  1 
  0 
  1 

  1 
  1 
  0 

1.5. Инверсия дизъюнкции

Функция «ИЛИ-НЕ» З
a
b

 .
 

b 
  0    0 
  1  

  0 
  1 
  0 

  1 
  0 
  0 

  1 
  1 
  0 

Указанные логические операции справедливы и для большего 
числа переменных. Возрастет при этом лишь количество возможных комбинаций, т. е. число строк в таблице состояний.
Знак «=», который в обычной алгебре является знаком равенства, в данном применении выражает равносильность связываемых логических операций, так как сами функции лишены количественной меры и могут принимать лишь два качественных состояния: 0 или 1.

1.6. Аксиомы и законы булевой алгебры

1.6.1. При записи и чтении сложных логических функций предполагается, что знак инверсии связывает сильнее, чем другие знаки, а знак умножения связывает сильнее знака логического сложения. Этот принцип позволяет сокращать количество различных 
скобок. Например, логическую функцию

(( (
)
(
) )
)
Х
a b
c
d
с
a
b




 


следует записать в более простой форме

(
)
)
Х
a b
c
d
с
a
b




 
 .

Как и в обычной алгебре здесь действуют следующие законы:
переместительный (коммутативный):
а) относительно логического умножения: a b = b a;
б) относительно логического сложения: a + b = b + a;
сочетательный (ассоциативный):
а) относительно логического умножения: (a b)c = (a c)b;
б) относительно логического сложения: (a + b) + c = a + (b + c);
распределительный (дистрибутивный):
а) относительно логического умножения: (a + b)c = a c + b c;
б) относительно логического сложения: a b + c = (a + c)(b + c).
Следует обратить внимание на отсутствие формальной аналогии между распределительным законом относительно логического 
сложения для бинарной алгебры и таким же законом для обычной 
алгебры. Действительно, умножим (a + c) на (b + c):

(a + c)(b + c) = ab + bc + ac + cc.

Так как сс = с, то

ab + bc + ac + c = ab + c(b + a + 1).

Так как b + a + 1 = 1, то

ab + c · 1 = ab + c,

что и требовалось доказать.
Но есть и специфические аксиомы, законы и теоремы, которые 
легко доказать.

1.6.2. Аксиомы 
; 1 + 1 = 1; 0 + 0 = 0; 1 ; 1 ; 1 + 0 = 1;  0
1
 ; 1
0
 .

1.6.3. Законы булевой алгебры
Законы нулевого множества: 0 а = 0; 0 а b...k = 0; 0 + а = а.
Законы универсального множества: 1 а = а; 1 + а = 1; 1 + а + b + ... + k = 1.
Законы повторения: а а а....а = а; а + а + а +...+ а = а.
Законы дополнительности: a  a  = 0; a  a  = 1.
Законы инверсии:  

a b
a
b; 



a
b
a b.
Законы поглощения: а (а + b) = а; а + а b = а; 




a a
b
a b; 


 

a
a b
a
b.
Закон двойного отрицания: 
; 0
0; 1 1.
a
a



 
Законы склеивания:   

a b
a b
a ; (
) (
)
a
b
a
b
a



 .

1.7. Применение законов и аксиом
 
при анализе и синтезе СЛУ

Следует напомнить, что контакты, обозначенные одинаковыми буквами, принадлежат одному реле, то есть они в идеализированном виде срабатывают одновременно. Поэтому не вызывает сомнения запись, например, закона дополнительности:

0


a a
,  a + a  = 1.
Действительно, последовательно соединенные замыкающий 
(а) и размыкающий ( a ) контакты одного и того же реле (А) всегда 
будут создавать разрыв цепи (0).
Параллельная цепь этих же контактов равносильна постоянной 
перемычке (шунту) с проводимостью 1.
Очень полезными для анализа и синтеза СЛУ являются законы 
инверсии:

ab= a+b;;    a+b= a b

.

Эти законы легко доказать методом перебора всех возможных комбинаций переменных a и b. Если окажется, что для каждой комбинации переменных логические функции совпадут, то они равносильны. 
Например, рассмотрим первый закон инверсии, для чего составим таблицу 1.1 состояний, в которой число различных комбинаций входных сигналов равно четырем (первый и второй столбцы), 
а в остальных столбцах таблицы приведены результаты элементарных логических операций.