Если обратиться к программному обеспечению, то можно отметить что в кросс-средстве Редитор для контроллера Ремиконт Р-130 имеется подобный алгоритм. Это алгоритм ЗАП (рисунок 1) [1].

Рисунок 1 – Функциональная схема алгоритма «Запаздывание ЗАП».

При этом стандартом программирования промышленных контроллеров МЭК 61131-3 также предусматривается реализация алгоритма цифровой задержки (рисунок 2) [2]. В таблице 1 представлен перечень входов и выходов функционального блока «DELAY» из стандарта МЭК 61131-3.

Рисунок 2 – Функциональный блок цифровой задержки в стандарте МЭК 61131-3.

Таблица 1 – Входы и выходы алгоритма «DELAY» стандарта МЭК 61131-3.

Если обратиться к современным средам автоматизации, таким как Codesys [3], Step 7 [4, 5], PC Worx [6], TwinCat [7], то данный алгоритм отсутствует в стандартных библиотеках перечисленных средств программирования.

В данной статье предлагается рассмотреть возможность применения алгоритма цифровой задержки из пользовательской библиотеки упомянутой в статьях [8, 9, 10]. В качестве среды разработки для него было выбрана программная среда Codesys, поскольку среди перечисленных имеет широкий круг программируемых ПЛК. На рисунке 3 представлен внешний вид функционального блока «DELAY» на графических языках FBD / CFC. В таблице 2 представлены значения входных и выходных переменных функционального блока «DELAY».

Рисунок 3 – Внешний вид функционального блока «DELAY»для пользовательской библиотеки.

Таблица 2 – Входы и выходы алгоритма «DELAY».

На рисунке 4 представлена реализация алгоритма цифровой задержки на языке ST. 

Рисунок 4. Реализация алгоритма «DELAY» на языке ST.

При этом если на вход N, отвечающий за количество циклов задержки подано нулевое значение, или на вход RESET, отвечающий за сброс работы алгоритма подана значение TRUE, алгоритм не работает, о чем сигнализирует выход Q, принимающий значение FALSE, и на выход OUT подаётся вход IN. В противном случае Q принимает значение TRUE, а входная переменная буферизируется во временной переменной BUF. Далее организован цикл с накоплением переменной i. При этом выходной переменной OUT присваивается значение буфера BUF, что организует задержку.

Проверка работоспособности алгоритма «цифровой задержки DELAY» была проведена в среде Codesys в режиме эмуляции, а также при использовании контроллера ОВЕН ПЛК-150.У-М. Для этого была использована программа, представленная на рисунке 5, в результате работы программы была получена диаграмма, изображенная на рисунке 6.

Рисунок 5. Программа для проверки алгоритма «DELAY».

Рисунок 6. Демонстрация работы алгоритма «DELAY».

На рисунке 6 изображена трассировка переменных с помощью, встроенной в среду Codesys возможности. Входной сигнал IN представляет собой синусоиду, подаваемый с генератора, Выходной сигнал OUT имеет задержку от входного сигнала на N циклов. В данном случае задержка N равна 60 циклам, в контроллере Овен ПЛК-150.У-М было установлено значение цикла в 2мс, это значит, что задержка функции происходила на 30 мс. Это значение можно выставить в диапазоне от 1 до 4095 циклов. Это значение – размер буфера памяти BUF и оно может быть отрегулировано в соответствии с нуждами пользователя.

Разработанный алгоритм имеет широкие возможности в области применения в различных программах. Помимо этого, данный алгоритм может быть использован в процессе обучения и исследования возможностей современных программных комплексов.

Разработанный алгоритм реализует численный метод дифференцирования и является идеальным дифференцирующим звеном     и имеет следующее уравнение и передаточную функцию [11–13]:

, .

Внешний вид функционального блока алгоритма дифференцирования представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Функциональный блок алгоритма дифференцирования пользовательской библиотеки.

В таблице 1 представлены входы и выхода алгоритма с описанием типов переменных и значений.

Таблица 1 – Входы и выходы алгоритма «DIFFER».

На рисунке 2 и 3 представлена реализация алгоритма «DIFFER» на языке ST.

Рисунок 2 – Заголовок функционального блока и присвоение переменных.

Рисунок 3 – Реализация алгоритма числового дифференцирования.

Строки 0001-0011 отвечают за выбор времени дифференцирования. Если вход CYCLE имеет значение «AUTO», то переменная gettime получает значения из системы через функцию «TIME_PLC_DW», разработанную для алгоритма интегрирования, если же значение «USER», то переменная получает значение со входа TM. В строках 0013-0023 происходит дифференцирование при условии запуска и не сброса. Выход OUT получает значения дифференцированной функции, а вход Q сигнализирует о действии алгоритма. В противном случае, если вход SR имеет значение FALSE либо, вход RS имеет значение TRUE, дифференцирование не выполняется, и входной сигнал проходит через блок без изменений. Выход Q получает значение FALSE.

Для проверки работы алгоритма «DIFFER» была использована программа на рисунке 4. Генератор «GEN» настроен на выдачу сигнала треугольной формы. Тестирование было проведено в сравнении с алгоритмом дифференцирования из стандартной библиотеки. Проверка состояла из двухэтапного тестирования. На первом этапе была использована встроенная возможность среды Codesys – «режим эмуляции», на втором этапе использовались контроллеры фирмы ОВЕН, в частности ПЛК110-220.32.Р-М, ПЛК150-220.У-М и ПЛК154-220.У-М.

Рисунок 4 – Программа для проверки алгоритма «DIFFER».

В результате были получены диаграммы для двух случае работы. Для случая, когда входная переменной CYCLE имеет значение «USER».

Рисунок 5 – Диаграмма работы алгоритма «DIFFER». Первый случай.

Диаграмма состоит из трёх графиков: первый – выходной сигнал OUT генератора «GEN», данный сигнал поступает на входы алгоритмов дифференцирования. Второй график – выходной сигнал алгоритма «DERIVATIVE» из стандартной библиотеки, третий график – выходной сигнал алгоритма «DIFFER» пользовательской библиотеки. Из диаграммы видно, что у пользовательского алгоритма дифференцирования амплитуда быстрее возрастает по сравнению со стандартным алгоритмом. Из этого можно сделать вывод, что он быстрее отрабатывает вычисления по сравнению со стандартным.

Второй случай. Переменная CYCLE имеет значение «AUTO». Диаграмма данного случая представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Диаграмма работы алгоритма «DIFFER». Второй случай.

Из диаграммы видно, что в алгоритме «DIFFER» возникают неконтролируемые возмущения. Это говорит о том, что данный алгоритм не может быть использован в таком виде. Это звено не может быть технически реализовано из-за того, что порядок правой части его уравнения больше порядке левой части [11], другими словами невозможно получить дельта-функцию и ее производную поскольку они имеют бесконечные значения [12].

Амплитудно-фазовая частотная характеристика звена имеет вид [13]:

, , .

    В реальных системах такой вид характеристики звена возможен лишь в ограниченной полосе частот, так как неограниченное увеличение амплитуды с ростом частоты требует бесконечной энергии [13].

Исходя из этого целесообразно использования реального звена дифференцирования, передаточная и переходная функции которого имеет вид [11]:

, .

Фактически это последовательное соединение идеального дифференцирующего и апериодического звеньев [12].

Реализация реального дифференцирующего звена представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Реализация звена реального дифференцирования на языке ST.

    Реализация данного алгоритма отличается от вышеописанного лишь тем, что используется формула для реализации реального дифференцирующего звена, данная формула работает, когда вход CYCLE имеет значение «AUTO», при этом, если этот вход имеет значение «USER», используется формула идеального дифференцирующего звена, это обусловлено проблемами при использовании режима «Эмуляции» среды Codesys (рисунок 8).

Рисунок 8 – Диаграмма работы алгоритма «REALDIFFER» в режиме «эмуляции».

В конечном виде результат работы алгоритма звена реального дифференцирования представлен на рисунке 9.

Рисунок 9 – Диаграмма работы алгоритма «REALDIFFER».

Как уже отмечалось из диаграммы видно, что у пользовательского алгоритма дифференцирования амплитуда быстрее возрастает по сравнению со стандартным алгоритмом. Из этого можно сделать вывод, что он быстрее отрабатывает вычисления по сравнению со стандартным.