Программируемые логические контроллеры Atmel

    Введение ……………………………………………………………….………….…3

1. Задание на курсовой проект…………………………………………………….…4
2. Программируемый логический контроллер (ПЛК)………………………..……5
3. Архитектура микроконтроллера Atmel AT90S2333……………………….……9
1. Интерфейс UART…………………….………………………………………..9
2. Интерфейс SPI….…………….………………………………..……...............11
4. Внешние функциональные узлы ПЛК.……………..……………………..…….14
1. Графический дисплей WG12864A…………………………………..............14
2. Внешний интерфейс RS-485…………………………..…………………..….19
3. Расширитель портов MAX7301……………………………….……..………21
4. Входы/выходы устройства…………………………………………..……….23
1. Аналоговый вход……………………………….………………..……...23
2. Дискретный вход………………………….…………………….………23
3. Силовой дискретный выход…………………………………………...24
4. Аналоговый выход…………………………………………….……….24
5. Тактовый генератор……....…………………………..………………...……..26
6. Источник питания…………………………….……………………….……...26

Заключение…………………………………………………………………..........27

    Литература……………………………………………………………………..…..28

 

    

Введение

       В эру информационных технологий, которую  мы живем, немаловажную роль играют системы автоматизации технологических процессов на производстве, транспорте, в инженерных и измерительных системах. Программируемый логический контроллер (ПЛК) - электронная составляющая промышленного контроллера, применяемого для автоматизации технологических процессов. По этой причине специалисты, которые разбираются в устройстве ПЛК, очень востребованы. Специалисту необходимо не только разбираться в устройстве микроконтроллера, но и уметь выбирать наиболее оптимальные функциональные узлы контроллера, в соответствии с решаемой задачей.

         Объектом курсового проектирования является ПЛК широкого назначения. Проектируемый ПЛК должен реализовать возможность работы с заданными в задании входами/выходами, а так же поддерживать заданные в задании интерфейсы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 Задание на КП

       Разработка  программируемого логического контроллера проводится в следующих аспектах:

       1. Выбор микроконтроллера, в зависимости от решаемой нами задачи. Микроконтроллер задан в задании: ATMEL AT90S2333.

       2. Выбор внешних функциональных узлов ПЛК, таких как:

       а) индикаторы;

       б) внешние интерфейсы;

       в) тактовые генераторы;

       г) АЦП, ЦАП;

     Некоторые функциональные блоки были определены согласно заданию, а некоторые были выбраны в соответствии с решаемой задачей

       3. Формирование модели ПЛК с указанием типов используемых функциональных узлов, их количества, разрядности.

       4. Синтез структуры ПЛК в базисе указанного в задании набора функциональных блоков, описание структурной схемы ПЛК.

       В пояснительной записке приводятся обоснования выбора функциональных блоков, описание их работы и принципы функционирования.

2 Программируемый логический контроллер

     Программируемый логический контроллер, ПЛК — микропроцессорное устройство, предназначенное для управления технологическими процессами в промышленности и другими сложными технологическими объектами (например, системы управления микроклиматом). Принцип работы ПЛК заключается в сборе сигналов от датчиков и их обработке по прикладной программе пользователя с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства.

       Физически стандартный ПЛК - электронное устройство с набором выходных и входных интерфейсов для подключения исполнительных механизмов и датчиков. Основой для создания программы логического управления того или иного процесса (алгоритма) является универсальное микрокомпьютерное ядро. Благодаря ему при совершенно одинаковых аппаратных частях ПЛК могут выполнять абсолютно разные функции. Ведь все алгоритмы реализуются программно, для изменения работы никаких переделок в аппаратной части не потребуется. Для максимальной совместимости при комплектации аппаратной части ПЛК входы и выходы ориентируют на сопряжение с унифицированными приборами.

       Сферы использования ПЛК в полной мере отражают отрасли применения систем автоматизации.

       Типичные  сферы применения ПЛК:

• Управление станками
• Управление процессом
• Управление движением
• Управление периодическими процессами
• Диагностические приложения
• Обеспечение безопасности производства

       Методы  коммуникации с другими системами  управления являются главным показателем  гибкости современного ПЛК. Большинство ПЛК используют сетевые протоколы, однако некоторые используются как автономные приборы. Большинство подключенных к сети контроллеров обменивается информацией с персональными компьютерами или другими ПЛК.

       Рассмотрим  основы построения, функционирования и работы ПЛК на основе ПЛК фирмы ОВЕН (линейка ОВЕН ПЛК100/ПЛК150/ПЛК154) и ПЛК фирмы Siemens, выпускаемые под торговой маркой SIMATIC (семейство SIMATIC S7-200).

       Очевидно, что для реализации сложного алгоритма  необходима высокая производительность микропроцессорных устройств, входящих в состав любого контроллера. В ПЛК  используются высокотехнологичные  микропроцессоры, приближающиеся по мощности к компонентам персональных компьютеров. За десятые доли секунды, которые  длится один цикл работы процессора, ПЛК  осуществляет приём сигналов, выработку  и передачу управляющих воздействий.

ОВЕН  ПЛК100 использует высокопроизводительный процессор RISC архитектуры ARM9, с частотой 180МГц компании Atmel.

       Также ПЛК располагает большим объёмом  памяти для хранения программ и архивных данных, формируемых в процессе работы. Размер памяти у ПЛК разных классов  изменяется от десятков килобайт до десятков мегабайт. Количество счётчиков, регуляторов, компараторов, блоков расчёта и индикации, которые вы можете создавать в  своей программе, напрямую зависит  от объёма памяти ПЛК. Кроме того, во многих системах стоит задача записи (ведения архива) параметров внутри ПЛК. Контроллер производит управление процессом и сохраняет необходимые  данные для дальнейшей обработки  и анализа.

         Вводы/выводы  устройства не только должны быть описаны в программе, но и существовать физически в виде клемм. Часть этих клемм может располагаться в головном модуле (CPU). Но большинство входных и выходных сигналов поступает на различные модули расширения, от которых передаётся по промышленным интерфейсам связи или внутренним информационным шинам ПЛК в головной модуль.

         Любой ПЛК обладает определённым  количеством интерфейсов и поддерживает  протоколы сетевого обмена. Количество  интерфейсов и протоколов при  необходимости может быть увеличено  с помощью коммуникационных модулей.  На базе контроллера ОВЕН можно  построить распределённую систему  управления с помощью предусмотренных  в головном модуле последовательных  интерфейсов RS-232 и RS-485, а также  Ethernet. ОВЕН ПЛК поддерживает наиболее распространённые протоколы ModBus (ASCII/RTU/TCP), TCP/IP, UDP, DCON, Gateway, а также протокол ОВЕН. Последний позволяет подключать к ПЛК приборы ОВЕН, имеющие интерфейс RS-485, например, измеритель-регулятор ОВЕН ТРМ138. Контроллеры семейства SIMATIC S7-200 обеспечивают поддержку обмена данными через сети PPI, MPI, Industrial Ethernet, а также через Internet/ Intranet и системы модемной связи, способны обслуживать системы распределенного ввода-вывода на основе AS-Interface, работать в составе систем распределенного ввода-вывода на основе PROFIBUS DP. Таким образом, инженер, решивший использовать ПЛК в своей системе автоматизации, получает мощное, гибко настраиваемое и универсальное устройство.

       Многие  производители ПЛК предлагают свою среду программирования. Международной  Электротехнической Комиссией (МЭК) разработан и широко используется стандарт МЭК-61131-3 на средства программирования ПЛК. Это  означает, что научившись программировать  контроллер одного производителя, вы сможете  быстро разобраться и с другими  ПЛК. В компании ОВЕН было принято  решение использовать одну из наиболее распространённых в мире сред программирования CoDeSys. Она разработана немецкой компанией 3S-software и применяется несколькими десятками производителей ПЛК, что, несомненно, характеризует её высокое качество и удобство в использовании. Для программирования контроллеров SIMATIC S7-200 используется пакет STEP 7 Micro/Win, в котором реализована поддержка языков LAD (релейноконтактные схемы), STL (список инструкций) и FBD (функциональных блоковых диаграмм). Пакет позволяет выполнять все операции по программированию контроллеров SIMATIC S7-200, конфигурированию и параметрированию устройств операторского интерфейса, коммуникационных и функциональных модулей, обеспечивает поддержку протокола USS. Связь компьютера с программируемым центральным процессором осуществляется через PC/PPI-кабель.

       

       Рисунок 2.1 - Схема подключения питания, дискретных входов и выходов

       ПЛК100-24

3 Архитектура микроконтроллера

3.1 Интерфейс UART

     UART можно разделить на приемник (Receiver) и передатчик (Transmitter). В состав UART входят: тактовый генератор связи (бодрейт-генератор), управляющие регистры, статусные регистры, буферы и сдвиговые регистры приемника и передатчика. Бодрейт-генератор задает тактовую частоту приемопередатчика для данной скорости связи. Управляющие регистры задают режим работы последовательного порта и его прерываний. В статусном регистре устанавливаются флаги по различным событиям. В буфер приемника попадает принятый символ, в буфер передатчика помещают передаваемый. Сдвиговый регистр передатчика - это обойма, из которой в последовательный порт выстреливаются биты передаваемого символа (кадра). Сдвиговый регистр приемника по биту накапливает принимаемые из порта биты. По различным событиям устанавливаются флаги и генерируются прерывания (завершение приема/отправки кадра, освобождение буфера, различные ошибки).

     UART - полнодуплексный интерфейс, то  есть приемник и передатчик  могут работать одновременно, независимо  друг от друга. За каждым  из них закреплен порт - одна  ножка контроллера. Порт приемника  обозначают RX, передатчика - TX. Последовательной  установкой уровней на этих  портах относительно общего провода  ("земли") и передается информация. По умолчанию передатчик устанавливает  на линии единичный уровень.  Передача начинается посылкой  бита с нулевым уровнем (старт-бита), затем идут биты данных младшим  битом вперед (низкий уровень  - "0", высокий уровень - "1"), завершается посылка передачей  одного или двух битов с  единичным уровнем (стоп-битов).

     Перед началом связи между двумя  устройствами необходимо настроить  их приемопередатчики на одинаковую скорость связи и формат кадра. 

     

     Рисунок 3.1 - Электрический сигнал кадра посылки

     Скорость  связи или бодрейт (baudrate) измеряется в бодах - число передаваемых бит в секунду (включая старт и стоп-биты). Задается эта скорость в бодрейт-генераторе делением системной частоты на задаваемый коэффициент. Типичный диапазон скоростей: 2400 … 115200 бод.

     Формат  кадра определяет число стоп-битов (1 или 2), число бит данных (8 или 9), а также назначение девятого бита данных. Все это зависит от типа контроллера.

     Приемник  и передатчик тактируются, как правило, с 16-кратной частотой относительно бодрейта. Это нужно для сэмплирования сигнала. Приемник, поймав падающий фронт старт-бита, отсчитывает несколько тактов и следующие три такта считывает (семплирует) порт RX. Это как раз середина старт-бита. Если большинство значений семплов - "0", старт-бит считается состоявшимся, иначе приемник принимает его за шум и ждет следующего падающего фронта. После удачного определения старт-бита, приемник точно также семплирует серединки битов данных и по большинству семплов считает бит "0" или "1", записывая их в сдвиговый регистр. Стоп-биты тоже семплируются, и если уровень стоп-бита не "1" - UART определяет ошибку кадра и устанавливает соответствующий флаг в управляющем регистре.

     

     Рисунок 3.2 – Семплирование сигнала

     Поскольку бодрейт устанавливается делением системной частоты, при переносе программы на устройство с другим кварцевым резонатором, необходимо изменить соответствующие настройки UART.

     В состав AT90S2333/4433 входит универсальный асинхронный приемопередатчик (UART), его основные особенности:

     - генерация произвольных значений  скорости

     - высокая скорость при низких  тактовых частотах

     - 8 или 9 бит данных

     - фильтрация шума

     - Определение переполнения

     - Детектирование ошибки кадра

     - Определение неверного стартового  бита

     - Три раздельных прерывания - завершение передачи, очистка регистра передачи и завершение приема.