Программинг микроконтроллеров / [Из песочницы] Простая автоматизация: программируемые реле Easy

Здравствуйте, уважаемое сообщество!
На Хабре уже много сказано слов о различных устройствах автоматизации, начиная от простых Arduino, заканчивая промышленными многопроцессорными системами. Я же хочу закрасить очередное белое пятно на карте хабро-автоматики статьей о промежуточных устройствах — программируемых реле, на примере микропроцессорных устройств Easy производства корпорации Eaton (Moeller).
Прошло уже достаточно много времени с моего первого знакомства с данным типом устройств, но по-прежнему, эти «электронные малыши» остаются незаменимыми помощниками для реализации широкого спектра инженерных и бытовых задач.Программируемое (интеллектуальное) реле — разновидность программируемых логических контроллеров (ПЛК).
Основное применение программируемые реле нашли в качестве средств автоматизации локальных контуров, отдельных агрегатов машин и механизмов, для бытового применения.
На основе интеллектуальных реле интуитивно и понятно строятся различные системы автоматического управления, например, системы управления насосным оборудованием, сверлильными станками, системы автоматического ввода резерва (АВР). Компактные размеры и простота программирования позволяют разрабатывать на базе программируемых реле элементы системы «умный дом».
Стандартными средствами описания и построения программ для данных устройств являются языки релейной логики (LD) или функциональных блоков (FBD), разработанные специально для инженеров, занятых в области автоматизации промышленности и производства.
Простота языка программирования, легкость перехода от морально устаревших систем автоматизации на базе релейно-контакторных схем к микропроцессорным устройствам, позволили программируемым реле занять надежную позицию на рынке устройств автоматизации.
Теория

Реле, как основной оператор программирования

Исходя из названия описываемого класса устройств, основным оперируемым элементом будет являться реле.Реле — электромеханическое устройство, предназначенное для коммутации электрических цепей при заданных изменениях электрических или неэлектрических входных величинах. Классическое реле имеет катушку управления x, и группу контактов, реализующих выходную функцию y=f(x).
При подаче управляющего напряжения на вход катушки контакты изменяют свое первоначальное состояние на инверсное.
Группа контактов может содержать два основных типа контактов: нормально открытые контакты и нормально закрытые контакты.
Нормально открытый контакт — контакт, находящийся в разомкнутом состоянии при отсутствии напряжения на катушке управления.
Нормально закрытый контакт — контакт, находящийся в замкнутом состоянии при отсутствии напряжения на катушке управления.
Таким образом можно записать два основных типа функций, реализуемых с помощью реле:y(x) = x — для нормально-открытых контактов;y(x) = x̅ — для нормально-закрытых контактов.
Остальные типы функций, реализуемых с помощью реле, основываются на придании контактной группе дополнительных свойств. Функции и типы контактов реле показаны на рисунке ниже.
1 — катушка реле (управляющая цепь), 2 — нормально открытый контакт, 3 — нормально закрытый контакт, 4 — нормально открытый контакт с замедлителем при срабатывании, 5 — нормально открытый контакт с замедлителем при возврате, 6 — нормально открытый контакт импульсный, 7 — нормально открытый контакт без самовозврата, 8 — нормально закрытый контакт без самовозврата, 9 — нормально закрытый контакт с замедлителем при срабатывании, 10 — нормально закрытый контакт с замедлителем при возврате.
Элементы теории дискретных автоматизированных устройств

Под дискретным автоматизированным устройством понимают управляющее устройство, осуществляющее переработку априорной и текущей информации в управляющую, причем носителями всех перечисленных составляющих информации являются дискретные по уровню и во времени сигналы. Это означает, что состояние сигнала каждого входа (выхода) автоматизированного устройства характеризуется двумя уровнями: минимальным, условно обозначаемым «0», и максимальным, обозначаемым «1».
Составление структурной схемы управления по заданным условиям ее работы называют синтезом. Определение условий работы схемы или ее отдельных элементов по имеющейся структуре называют анализом схем управления.
Схемы на релейных и бесконтактных элементах можно составлять двумя способами.Первый способ опытный, широко используемый в практике логического составления релейно-контакторных схем. Исходя из заданных условий работы отдельных частей рабочей машины, составляют принципиальную схему системы автоматики. Аналогично составляют бесконтактные аналоги релейно-контактных схем, в которых заданные условия работы схемы выражаются в виде функций алгебры логики. При этом целесообразно провести минимизацию любой контактной или бесконтактной схемы, построенной таким опытным способом. Минимизация схем проводится на основе законов алгебры логики.Второй способ построения (синтеза) схем основан на более полном использовании теории алгебры логики и принципов формализации реальных условий работы схемы автоматики. В этом случае исходят из заданных условий работы, составляя соответствующие таблицы состояний (карты функций), где отмечают комбинации аргументов и значений функций (выходных сигналов) в виде логических «1» и «0». Основная задача синтеза заключается в определении такой формы выражения искомой логической функции, которую можно реализовать с применением минимального числа возможно более простых элементов. Синтез релейных схем управления сводится к составлению структурной формулы (аналитического выражения), описывающей логические функции, которые должны выполняться данным устройством. Затем анализируют полученную алгебраическую формулу и составляют графическое начертание схемы.
Разбор полного курса теории логики и синтеза схем выходит за рамки данной статьи, все заинтересовавшиеся данной тематикой могут подробно ознакомиться с предметом, используя ссылки на литературу (в конце статьи).
Давайте рассмотрим процесс создания схемы управления на простом примере из жизни.
Синтез релейно-контакторной схемы управления на примере

Постановка задачи

Необходимо разработать систему управления освещением офисного помещения в соответствии со следующими условиями:Дано
Офисное помещение с одной группой основного освещения (люминесцентные лампы) и одной группой дежурного и фонового освещения.
Шторы-жалюзи с электроприводом.НеобходимоПо окончанию рабочего дня (18:15) обеспечить отключение группы основного освещения и обеспечить включение дежурного освещения. Если жалюзи остались закрытыми — обеспечить их открытие.

Перед началом рабочего дня (8:45) обеспечить отключение дежурного освещения.

При недостаточном природном освещении, обеспечить включение основного освещения по сигналу с датчика затемнения, при условии, что жалюзи открыты.

Обеспечить включение фонового освещения при закрытых жалюзи. Если было включено основное освещение — выключить его.

При включении фонового освещения предусмотреть автоматическое опускание жалюзи.

Дополнительные условияДатчик освещенности имеет бинарный выход, настраиваемый на определенный порог освещенности. При недостаточной освещенности — контакт замыкается.

Система привода жалюзи имеет контакты, информирующие о граничных положениях.

Решение

Давайте в первую очередь определим соответствия входных и выходных сигналов проектируемой системы переменным. Условимся обозначать все входные сигналы переменными I с соотв. индексом, а все выходные сигналы – переменными Q с соотв. индексом.Входные переменные:
I1 — сигнал датчика освещенности.
I2 — сигнал верхнего положения жалюзи.
I3 — сигнал нижнего положения жалюзи.
I4 — сигнал включения фонового освещения.Выходные переменные:
Q1 — включение/выключение основной группы освещения.
Q2 — включение/выключение дежурного освещения.
Q3 — включение/выключение фонового освещения.
Q4 — поднятие жалюзи.
Q5 — опускание жалюзи.Переменные времени:
T1 — достижение времени окончания рабочего дня.
T2 — достижение времени начала рабочего дня.
Далее —разобьем нашу задачу на условные части и составим логические функции для каждой из частей.Конец рабочего дняВыключаем основной свет: Q1=not(T1)

Включаем дежурный свет: Q2=T1

Открываем жалюзи, если закрыты: Q4=not(I2)⋅T1

Начало рабочего дняВыключаем дежурный свет: Q2=not(T2)

Контроль уровня освещенностиВключение основного света по датчику освещенности, с проверкой, открыты ли жалюзи: Q1=I1⋅ I2⋅not(T1)⋅T2

Управляем фоновым освещениемВключение фонового освещения при закрытых жалюзи: Q3=I3

Отключим основное освещение при закрытых жалюзи Q1=not(I3)

Управление жалюзи в зависимости от включенного фонового освещенияПри включении фонового освещения опустить жалюзи, если не конец рабочего дня: Q5=I4⋅not(I3) ⋅not(T1)⋅T2

И так, мы получили логические функции, описывающие поведение элементов нашей системы в зависимости от условий и возмущающих воздействий. Далее необходимо осуществить переход к релейно-контакторной схеме, т.е., описать работу нашей системы на реальных физических устройствах.
Переход от функций алгебры логики к релейно-контакторной схеме очень прост. Для этого достаточно представить все входные и промежуточные переменные в виде контактов реле, а выходные функции – в виде катушек реле.
Отдельное слово нужно сказать о переменных, зависящих от времени. В нашем примере это переменные, описывающие временной промежуток рабочего дня, T1 и T2. Для представления переменных, зависящих от времени, существуют специальные типы реле — реле времени и таймеры.
Железо

Для перехода к практической части нашей задачи нужно разобраться, на каком «железе» выгодней и удобней выполнять поставленное решение. Производители представляют достаточно широкую линейку программируемых реле для оптимального по затратам и функциональности решения определенных типов инженерных задач. Давайте попробуем разобраться в этом многообразии.
Программируемое реле представляет собой, обычно, моноблочную конструкцию, имеющую клемы подключения питания, входов, выходов, жидкокристаллический экран и органы управления.
Вверху устройства расположены:клемы для подключения питания;

клемы цифровых входов устройства;

клемы аналоговых входов (0..10 В).

Внизу устройства расположены:клемы релейных (или транзисторных) выходов устройства.

На фронтальной панели расположены:жидкокристаллический экран — для отображения информационных сообщений, редактирования программы, изменения параметров;

клавиатура — для навигации по меню устройства;

разъем для подключения кабеля программирования.

Питание устройств

По напряжению и типу питания программируемые реле делятся на:устройства с питанием 12, 24 В (DC);

устройства с питанием 24, 110-220 В (AC).

Цифровые входы

Питание и тип питающего напряжения программируемых реле определяют значение логической единицы на цифровых входах устройства. Т.е., для того, что бы подать логическую единицу на вход устройства, необходимо приложить напряжение, соответствующее по своему значению и типу напряжению питания устройства. Таким образом, по входному напряжению существуют:устройства с входами 12, 24 В (DC);

устройства с входами 24, 110-220 В (AC).

В зависимости от типа программируемого реле Easy, один и более цифровых входов могут быть использованы как «быстрые счетчики» — для подсчета импульсов с частотой до 3 кГц.
Аналоговые входы

Для обработки аналоговых сигналов, таких как, сигналы температурных датчиков, датчиков скорости ветра, внешних потенциометров, программируемые реле Easy имеют на борту два и более аналоговых входа 0..10 В (DC).
Нужно заметить, что аналоговые входы предусмотрены только на устройствах с питанием 12 В (DC), 24 В (AC, DC).
Релейные и транзисторные выходы

Для коммутации выходных сигналов в программируемых реле Easy предусмотрены 4 и более выходов. Выходы устройств бывают двух типов:транзисторные выходы, обеспечивающие возможность коммутации небольших нагрузок до 0,5 А;

релейные выходы, обеспечивающие коммутацию нагрузок до 8 А (AC1).

Устройства с транзисторными выходами преимущественно используются там, где необходима коммутация малыми токами, или стоит задача передачи сигналов выходных функций реле в другие части системы автоматики.
К устройствам с релейными выходами возможно прямое подключение источников освещения, маломощных двигателей и других потребителей с активной нагрузкой не превышающей 8 А.
Аналоговые выходы

Программируемые реле серии Easy800 имеют на борту аналоговый выход (0..10 В).
Экран

Встроенный экран предназначен для отображения текстовой (в устройствах серии Easy500, 700, 800) и графической (в устройствах серии MFD-Titan) информации.
Коммуникации и масштабируемость системы
Ethernet – возможность подключения посредством модуля расширения, реализующего функции OPC-сервера. Для всей линейки устройств.Profibus, CANopen, DeviceNet, As-i – возможность подключения посредством модулей расширения. Для устройств серии Easy700, Easy800.Easy-net – возможность соединения программируемых реле в сеть. Для устройств Easy800, MFD-Titan.
Для устройств серии Easy700, Easy800 доступны модули расширения, позволяющие увеличить количество входов и выходов устройств. Модули расширения могут иметь крепление встык, посредством переходника, либо, устанавливаться удаленно (до 100 м). Удаленная установка удобна в том случае, если, например, вы реализуете систему управления двумя помещениями.
К одному программируемому реле Easy может быть подключен только один модуль расширения.
Программируемые реле серии Easy800 имеют на борту интерфейс Easy-net, позволяющий объединить до 8-ми устройств в единую сеть, при этом к каждому из устройств может быть подключен модуль расширения. Таким образом возможна организация системы с количеством входов/выходов до 328.
Линейка программируемых реле Easy

Программируемые реле Easy представлены устройствами серий Easy500, Easy700, Easy800 и MFD-Titan.
Программируемые реле серии Easy500

Начальная серия программируемых реле, предназначенная для решения простых задач автоматизации, таких как: управление освещением небольшого помещения, систем обогрева, контроля присутствия, управления пуском двигателей, управления компрессором или насосом.
Основные характеристики программируемых реле серии Easy500Напряжение питания и напряжение цифровых входов: 24 В и 100 – 240 В AC, 12 В и 24 В DC.

8 цифровых входов.

2 аналоговых входа: 0 — 10 V (0 – 1023 bit), в версиях с питанием 12 В, 24 В DC и 24 В AC.

4 релейных выхода: 8 A, или 4 транзисторных выхода: 24 В DC/0.5 A.

128 «строк программы» с 3-мя контактами и 1-й катушкой.

Реле серии Easy500 не имеют возможности подключения модулей расширения.

Программируемые реле серии Easy700

Устройства, сочетающие в себе все преимущества устройств Easy500-й серии, с возможностью подключения дополнительных блоков расширения: аналоговых и цифровых входов/выходов, коммуникационных модулей и тп.
Данная серия программируемых реле Easy оптимальна для решения достаточно сложных задач автоматизации, с возможностью управления большим количеством сигналов (линий). Также, устройства идеальны для применения в проектах, предполагающих дальнейшее расширение возможностей системы управления с минимальными затратами.
Основные характеристики программируемых реле серии Easy700Напряжение питания и напряжение цифровых входов: 24 В и 100 – 240 В AC, 12 В и 24 В DC.

12 цифровых входов.

4 аналоговых входа: 0 — 10 V (0 – 1023 bit), в версиях с питанием 12 В, 24 В DC и 24 В AC.

6 релейных выхода: 8 A, или 8 транзисторных выходов: 24 В DC/0.5 A.

128 «строк программы» с 3-мя контактами и 1-й катушкой.

Возможность подключения блоков расширения.

Программируемые реле серии Easy800

Продвинутая, и наиболее функциональная серия устройств Easy, позволяющая реализовать гибкое решение практически любой задачи бытовой и промышленной автоматизации. Устройства серии Easy800 могут быть расширены дополнительными модулями расширения функционала и коммуникаций.
Наряду со стандартными функциями, представленными в easy500/700, такими как многофункциональные реле, импульсные реле, счетчики, аналоговые компараторы, таймеры, часы реального времени и энергонезависимая память, easy800 дополнительно содержит ПИД-регуляторы, арифметические блоки, блоки масштабирования значений и многие другие функции. Также возможность объединения в сеть до 8 устройств, делает easy800 самым мощным программируемым реле на электротехническом рынке.
При решении комплексных задач, программируемые реле Easy800 могут быть объединены в одну общую сеть устройств EasyNet.
Основные характеристики программируемых реле серии Easy800:Напряжение питания и напряжение цифровых входов: 24 В и 100 – 240 В AC, 12 В и 24 В DC.

12 цифровых входов.

4 аналоговых входа: 0 — 10 V (0 – 1023 bit), в версиях с питанием 12 В, 24 В DC и 24 В AC.

6 релейных выхода: 8 A, или 8 транзисторных выходов: 24 В DC/0.5 A.

256 «строк программы» с 4-мя контактами и 1-й катушкой.

Интегрированный интерфейс EasyNet для соединения устройств в сеть (до 8-ми устройств).

Возможность подключения блоков расширения.

Практика

Выбор устройства

И так, мы рассмотрели практически всю линейку устройств, знаем их основные характеристики. Осталось подобрать необходимое программируемое реле для решения нашей задачи.
Так как наша задача достаточно тривиальна, не требующая дополнительных коммуникационных и других возможностей устройств, воспользуемся простым алгоритмом для выбора подходящего программируемого реле Easy.
Определим количество цифровых входов. Мы имеем 4 входные переменные I1..I4, поэтому достаточно наличие в устройстве 4-х входов.

Определим напряжение питания и тип цифровых входов. Так как мы планируем применять программируемое реле для бытовых нужд, с питанием внутридомовой сети 220 В, 50 Гц, то наиболее подходящее устройство будет с аналогичными требованиями к питанию и значениям напряжения цифровых входов – 220 В, 50 Гц.

Определим типы и количество выходных контактов. Для управления 5-ю выходными переменными нам необходимо выбрать устройство с соответствующим количеством выходов. Так выходы программируемого реле должны обеспечивать коммутацию внутриофисных источников света и других силовых устройств, то нам необходимо наличие релейных выходов.

Воспользовавшись каталогом программируемых реле, выбираем тип устройства, наиболее подходящий для наших целей: EASY719-AC-RC10.
Выбранное реле имеет на борту:12 цифровых входов (220 В, 50 Гц);

6 релейных выходов (коммутация нагрузки до 8 А);

часы реального времени;

питание устройства – 110-220 В, 50 Гц.

Среда разработки

Для разработки систем автоматизации на основе программируемых реле Easy производитель устройств предлагает достаточно удобную и практичную в использовании среду разработки Easy-Soft.
Программное обеспечение позволяет легко «нарисовать» вашу релейно-контакторную схему используя удобную графическую среду разработки.
При необходимости, возможно выбрать один из нескольких типов отображения релейно-контакторных схем:контакты и катушки отображаются в соответствии со стандартами МЭК;

контакты и катушки отображаются в соответствии со стандартами ГОСТ;

контакты и катушки отображаются согласно стандарту ANSI.

Easy-Soft имеет в эмулятор, позволяющий произвести отладку программы без подключения физического устройства.
Документация к программному обеспечению доступна на нескольких языках, включая русский.
Скачать демонстрационную версию Easy-Soft вы можете по ссылке.
Программирование

Процесс написания программы для программируемого реле Easy сводится к «отрисовке» релейно-контакторной схемы соединения в соответствии с полученными логическими функциями и определения необходимых параметров, таких как, постоянные времени, значения таймеров и т.п.
Запустим Easy-Soft и создадим новый проект.
Выберем необходимый тип устройства из списка слева и перетащим его в окно проекта. При этом появится меню выбора версии устройства. Из выпадающего списка следует выбрать версию 10-хххххххх – это соответствует устройствам с поддержкой кириллицы.
Далее следует перейти в раздел редактирования схемы соединений выбрав соответствующий пункт в меню слева внизу.
Настройте удобный для вас вариант отображения схемы соединения с помощью соответствующего меню. Для меня удобнее первый вариант отображения, так он дает возможность просмотра программы в привычном виде – сверху вниз. Для электриков-инженеров, возможно, второй вариант будет удобнее, поскольку он максимально близко соответствует стандартным релейно-контакторным схемам.
Перейдем от синтезированных нами логических функций системы управления освещением в разделе «теория» к релейно-контакторной схеме. Для этого достаточно представить все входные и промежуточные переменные в виде контактов реле, а выходные функции – в виде катушек реле.
Так как одна строка программы может содержать только 3 контакта и одну катушку, при необходимости, следует вводить промежуточные переменные для разбивки длинных логических функций. Промежуточные переменные называются маркерами в идеологии релейно-контакторных схем.
Для определения конца и начала рабочего дня удобно использовать недельный таймер (H), имеющий гибкие настройки по дням недели. Так же, применение недельного таймера позволяет использовать только одну переменную для определения границ рабочего дня.
Для «отрисовки» релейно-контакторной схемы просто перетащите необходимые элементы из меню слева на рабочую область проекта. Соединение элементов выполняется с помощью инструмента карандаш.
После добавления элементов на схему требуется определить их доступные параметры. Давайте посмотрим, как это сделать на примере недельного таймера.
Недельный таймер предназначен для инициации каких-либо действий на протяжении недели, в зависимости от установленных временных границ. Таймер имеет 4 независимых канала A, B, C, D. Каждый из каналов может быть сконфигурирован на определенные временные промежутки. Например, в нашем случае, конфигурация недельного таймера обеспечивает его срабатывание с понедельника по воскресенье, с 18-45 до 8-45.
Вы будете правы, если заметите, что в нашем примере используется офисное помещение, рабочие дни которого, обычно, с понедельника по пятницу.Итоговая релейно-контакторная схема нашего примера
Отладка

После построения релейно-контакторной схемы удобно воспользоваться режимом отладки программы. Для этого достаточно перейти в меню Имитация.
Для имитации доступны все входные и выходные сигналы устройства, а так же, все переменные программируемого реле.
Для удобства отладки — есть возможность настройки типа входных сигналов. Например, имитируя положения жалюзи, удобно настроить соответствующий входной сигнал, как кнопку с самоблокировкой. Что позволит единожды нажав на нее, зафиксировать ее положение.
При использовании режима отладки текущим временем имитируемого устройства является системное время вашего компьютера.
Прошивка

При наличии реального физического устройства, после отладки работы релейно-контакторной схемы — необходимо прошить ее в программируемое реле. Для этого воспользуйтесь пунктом меню Коммуникация. Думаю, нет необходимости комментировать отдельные пункты меню, так как они интуитивно-понятны.
Подключение и сборка системы управления

При реализации реальных задач, следующим этапом было бы физическое подключение программируемого реле к исполнительным органам и механизмам, в нашем случае, подключение к внутриофисной сети.
Справедливо сказать, что как и при любой разработке с нуля, системы, построенные на программируемых реле, желательно предварительно отладить в виде макетной сборки. Это достаточно просто, учитывая особенности устройсва и удобство подключения управляющих, и испольнительных органов.
При проектировании реальных систем управления, следует руководствоваться общими правилами подключения программируемых реле. Подробную информацию о подключениях вы сможете найти в документации к устройствам (в конце статьи).
Основным требованием при подключении нагрузки (ламп накаливания, двигателей и т.п.) — не превышать допустимых токов на группе контактов выхода устройства:8 А активной нагрузки (AC1) для устройств с релейными выходами;

0,5 А — для устройств с транзисторными выходами.

В случае превышения допустимых нагрузок, например, при управлении электрическим теплым полом, следует использовать промежуточные контакторы. В этом случае, нагрузка будет ограничена только мощьностью промежуточного контактора.
Заключение

Надеюсь, что многие, кто не знал про описываемый класс устройств, теперь имеют информацию и начальные знания, что бы приступить к реализации своих идей, возможно возникших, при прочтении данной статьи.
Хочется верить, что мой труд не прошел даром и изложенная информация пригодится людям для практической реализации своих инженерных идей в промышленности и дома. С программируемыми реле Easy это действительно просто и увлекательно!
Если Хабросообщество сочтет информацию интересной, на будущее планирую подготовить ряд статей по практическому применению описываемых устройств в автоматизации и промышленности. Расскажу про некоторые недокументированные возможности программируемых реле Easy, например, про то, как сделать графический интерфейс с возможностью мониторинга всех внутренних переменных. Да, вы абсолютно правы, на реле Easy можно построить систему диспетчеризации с графическим интерфейсом.
Полезная информация

[1] Wikipedia – алгебра логики.
[2] Wikipedia – карты Карно – методы минимизации булевых функций.
[3] Wikipedia – реле.
[4] Документация на программируемые реле серии Easy500, Easy700.
[5] Документация на программируемые реле серии Easy800.
[6] Центр обучения по реле Easy – множество примеров по применению программируемых реле Easy (на русском языке).
[7] Программное обеспечение для реле Easy (в т.ч., на русском языке).
[8] Сайт производителя.
[9] Каталог программируемых реле Easy.
Некоторые ссылки на документацию приведены не с сайта производителя, а с сайта моей компании, так как после слияния корпораций Eaton и Moeller ведется реконструкторизация внутренних ресурсов, и ссылки на документацию бывают недоступными.