лекции. Лекции (2). 1 программирование и настройка технических средств автоматизации и управления ключевые слова
 Скачать 1.31 Mb.
|
|
1 ПРОГРАММИРОВАНИЕ И НАСТРОЙКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ Ключевые слова: структура управления предприятием, терминология технических средств, организация взаимосвязи, структура ПЛК, классификация ПЛК. Место программируемого контроллера в АСУ предприятия Специалисты по комплексной автоматизации предприятий придерживаются 5-уровневой структуры при построении индустриальных систем (рис.1.1): 1 - системы планирования ресурсов предприятия ERP (Enterprise Resource Planning); 2 - Системы исполнения производства MES (Manufacturing Execution Systems); 3 - станции оперативного технического персонала MMI (Men-Maching Interface);  Рис.1.1 Пирамида комплексной автоматизации предприятия 4 — средства локального управления (Control); 5 — датчики и исполнительные устройства I/O (Input/Output). На уровне ERP осуществляются расчет и анализ финансово-эко-номических показателей, решаются административные и логистические задачи; на уровне MES — задачи управления качеством продукции, планирования и контроля последовательности операций технологического процесса, управления производственными и людскими ресурсами в рамках технологического процесса, технического обслуживания производственного оборудования. Согласно ранее принятой терминологии эти два уровня относятся к задачам АСУП (автоматизированные системы управле-ния предприятием). Технические средства, с помощью которых решаются задачи уровней ERP и MES - персональные компьютеры и рабочие станции. На следующих трех уровнях решаются задачи, которые относятся к классу АСУТП (автоматизированные системы управления технологическими процессами). Уровень I/O представлен датчиками и исполнительными механизмами. Уровень Control занимают устройства под общим названием программируемые контроллеры (ПК). Условно задачи, решаемые контроллерами на этом уровне можно разделить на две группы: локальное управление объектом (например, поддержание температуры на заданном уровне); сбор данных (например, опрос нескольких датчиков температуры и передача сообщения о параметрах в цифровом виде системе верхнего уровня). На практике часто встречается сочетание этих двух типов задач. На протяжении последних 30 лег техническими средствами уровня Control служили программируемые логические контроллеры (ПЛК). Однако в настоящее время на уровне Control развернута жесткая конкуренция между ПЛК с универсальными программируе-мыми контроллерами, оснащенными устройствами сопряжения с объектами (УСО). На уровне MMI осуществляется оперативное управление технологическим процессом, принимаются тактические решения, направленные на поддержание стабильности процесса, решаются задачи двусторонней связи оператор — технологический процесс. По способу организации взаимосвязей между уровнями MES, MMI и Control системы MMI подразделяют на две группы: SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition); DCS (Distributed Control System). Ведущие производители программируемых логических контроллеров (фирмы Siemens, Allen Bradley, Mitsubishi, AEG Modicon) ориентируются на использование своей продукции в системах типа SCADA, структурная схема которой приведена на рис11.2. Системы SCADA обычно имеют серверную структуру. Выделенный узел осуществляет сбор информации от контроллеров, ее обработку и передачу контроллерам управляющих воздействий. Этот же узел может выполнять функции операторской станции или быть ее сервером. Техническими средствами, на основе которых реализуют операторские станции, служат промышленные компьютеры. Однако в ряде случаев экономически целесообразно объединить функции управления и MMI интерфейса на основе единых аппаратных средств, и тогда неминуемо придется выбирать между промышленным компьютером и программируемым логическим контроллером.  Рис1.2 Обобщенная структура системы типа SCADA Таким образом, современные ПЛК могут использоваться в качестве технического средства сразу на двух уровнях «пирамиды», и на каждом из них они испытывают все более серьезную конкуренцию со стороны средств, программно совместимых с персональными компьютерами общего назначения. Прежде, чем обратиться к классификации программируемых контроллеров, взглянем еще раз на пирамиду комплексной автоматизации (см. рис.1.1) и отметим два важных аспекта: l. Движение от основания пирамиды к ее вершине сопровождается значительным усложнением аппаратных средств и программного обеспечения, требующихся для реализации задач каждого уровня; 2. Число единиц технических средств, используемых на верхнем и нижнем уровнях, несоизмеримы. Самыми массовыми изделиями средств автоматизации являются датчики, исполнительные устройства и программируемые контроллеры. 1.2 Терминология технических средств Функциональное определение программируемого контроллера объединяет (как минимум) четыре класса технических средств автоматизации: промышленный компьютер; программируемый (иногда промышленный) контроллер; программируемый логический контроллер; контроллер сбора данных УСО в распределенных системах. Зачастую дополнительную путаницу в терминологию вносит сокращение ПК, которое одновременно обозначает и промышленный компьютер, и программируемый контроллер, а иногда (по неаккуратности использования терминологии) и программируемый логический контроллер. Однако, использование одной аббревиатуры ПК для всех этих средств не случайно, поскольку они имеют одинаковые особенности: средства выполнены на основе микропроцессорной элементной базе и являются микропроцессорными системами; средства уже имеют в своем составе (или могут быть легко дооснащены) устройства(ми) сопряжения с объектом (УСО), которые выполняют функции гальванической развязки источников дискретного, аналогового сигналов, конечного силового оборудования и устройств ввода/вывода контроллера, приведения границ шкалы непрерывного сигнала к стандартному диапазону измерительного канала, предварительной низкочастотной фильтрации; средства имеют конструктивное специальное исполнение - размещение плат на специальных шасси, покрытие плат специальными составами, применение пыле- и влагонепроницаемых корпусов, рассчитанных на избыточное внутреннее давление и т. д. Все эти меры обеспечивают работоспособность с высокой надежностью в условиях повышенного уровня электромагнитных помех, воздействия агрессивной химической среды, вибрациях, удаленного расположения объекта от средства управления. Границы между средствами в значительной степени размыты. Однако описать функциональные отличительные особенности каждого типа средств представляется возможным. 1.2.1 Промышленный компьютер. В настоящее время — это WINDOWS совместимый компьютер в промышленном исполнении. В нем присутствует полный набор средств MMI, но дисплеи, клавиатуры, винчестеры, тоже имеют специальное исполнение. Часто встречается щитовой вариант исполнения. 1.2.2 Универсальный программируемый контроллер - это микропроцессорная система, мощность которой практически не отличается от мощности промышленного компьютера. Однако если для последнего одной из основных была функция MMI, то контроллер ориентирован в основном на работу в качестве локального узла сбора и передачи данных в распределенной сети в реальном масштабе времени или на локальное управление объектом. Промышленные контроллеры часто оснащены аналоговыми и дискретными адаптерами ввода/вывода подобно ПЛК. В последнее время под промышленным контроллером все чаще понимают WINDOWS совместимые платформы типа microPC и PC 104, хотя это и не обязательно. С функциональной точки зрения изделия этих двух классов объединяет важная особенность - открытое программное обеспечение. В эти изделия может быть загружено любое программное обеспечение, работающее под управлением операционной среды WINDOWS или специальных операционных систем (ОС) реального времени, программа управления может быть написана на языках высокого уровня общего применения. Эта особенность является чрезвычайно привлекательной. 1.2.3 Программируемый логический контроллер - это микропроцессорная система специального назначения с проблемно-ориентированным программным обеспечением для реализации алгоритмов логического управления и/или замкнутых систем автоматического управления в сфере промышленной автоматики. ПЛК отличаются от специализированных встраиваемых микропроцессорных контроллеров универсальностью структуры и инвариантностью по отношению к объекту управления в пределах указанного класса задач. 1.2.4 Контроллер сбора данных представляет собой микропроцессорную систему, предназначенную только для сбора информации. Эти контроллеры выполняют функции преобразования сигналов группы первичных датчиков в цифровой код и передачи, полученных данных устройству верхнего уровня, используя какой-либо из протоколов локальных промышленных сетей. Программное обеспечение двух последних типов систем не является открытым. 1.3 Структура ПЛК Первые ПЛК появились в 1967 г. и были предназначены для локальной автоматизации наиболее часто встречающихся в промышленности технологических задач, которые описывались преимущественно логическими уравнениями. ПЛК с успехом заменили блоки релейной автоматики и устройства жесткой логики на интегральных микросхемах малой и средней степени интеграции. Отсюда и название — программируемый логический контроллер, или Programmable Logic Controller (PLC). Аппаратные средства, программное обеспечение и конструктивное исполнение ПЛК должны удовлетворять следующим требованиям: универсальная структура изделия, которая позволяет свести каждую новую разработку к выбору среди существующих аппаратных средств и разработке новой управляющей программы; высокая надежность; удобство обслуживания и эксплуатации; простое программирование и перепрограммирование устройства (возможно не специалистом в области компьютерной техники); стандартизация входов и выходов для непосредственного под-ключения датчиков и исполнительных устройств; меньшие габариты и энергопотребление, чем у аналогичных блоков релейной автоматики и жесткой логики; конкурентоспособность по стоимости со схемами на основе релейной техники, жесткой полупроводниковой логики, возможность обмена информацией с системой управления верхнего уровня. Тридцатилетний опыт технического развития и эксплуатации привел к выделению ПЛК в отдельный класс микропроцессорных систем. ПЛК представляют собой завершенную форму микропроцессорных средств, которые характеризуются оригинальной архитектурой и специальным программным обеспечением. Реализованные решения в области аппаратных и программных средств преследуют цель обеспечения максимально возможного уровня надежности при работе в промышленных условиях эксплуатации. Весь комплекс этих решений можно подразделить на следующие функциональные группы: специальная архитектура центрального процессора ПЛК; использование различных способов резервирования; использование программных методов защиты информации; специальная схемотехника УСО; организация специальных быстродействующих магистралей связи с удаленными УСО; специальное конструктивное исполнение. Структура ПЛК, подключенного к объекту управления, показана на рис11.3. Центральный процессор (CPU) включает собственно микропроцессор, память программ и память данных, формирователи магистрали сопряжения с локальными модулями ввода/вывода, адаптеры связи с удаленными модулями УСО, адаптеры связи с периферийным сервисным оборудованием (пульт оператора, дисплеи, печатающее устройство). Локальными модулями УСО называют модули, конструктивно расположенные в одном крейте с платами ЦП и памяти ПЛК.  Рис1.3 Программируемый логический контроллер в системе управления Центральный процессор (ЦП) ПЛК имеет следующие особенности: память программ и память данных ПЛК разделены не только логически, но и физически. Специализация центральной памяти ЦП является отличительной особенностью ПЛК, причем область памяти выходных переменных обязательно выполнена энергонезависимой с целью поддержания состояния объекта при отключении питания; в ЦП ПЛК встраиваются аппаратные устройства контроля адресного пространства, которые могут быть различными, в зависимости от структуры блоков памяти ПЛК; при построении ЦП используются методы структурного резервирования составных элементов (например, ЦП может включать два обрабатывающих блока, которые объединены между собой блоками принятия решений; при этом сигналы выходных воздействий формируются только в случае, когда они одинаковы для обоих блоков; отказавшая структура выявляется с помощью встроенных тестовых программ); несколько сторожевых таймеров, входящих в состав ЦП ПЛК, контролируют строго определенное время выполнения одного цикла управляющей программы и отдельных ее частей; ЦП средних и мощных ПЛК часто выполнены многопроцессорными, причем распределение задач между отдельными процессорами обусловлено типовыми алгоритмами функционирования ПЛК, а способы передачи информации между процессорами подчиняются жесткому требованию реализации программы управления объектом за строго определенный временной интервал. Интерфейс между датчиками, исполнительными устройствами, и ЦП ПЛК обеспечивается специальными электронными модулями ввода/вывода (адаптеры). В связи с тем, что ПЛК ориентированы на работу в промышленных условиях, особое внимание уделяется схемотехнике и конструкции помехоустойчивых дискретных входов/выходов (рис11.4).  Рис1.4 Структурные схемы дискретных входа (а) и выхода (б) ПЛК Кроме собственно приема информации, адаптеры дискретных входов выполняют предварительную обработку сигнала, выделение полезного сигнала из зашумленного, реализуют развязку сигналов с различными уровнями мощности. Уровни постоянного и переменного напряжений входного дискретного сигнала стандартизированы: =24 В, -130 В, -240 В. Адаптеры дискретных выходов должны, кроме гальванической развязки, обеспечивать определенную мощность сигнала, необходимую для управления исполнительным устройством. Стандартные параметры выходов следующие: постоянное напряжение 24 В, переменное напряжение 130 В и 240 В при силе тока до 10 А. Выходным устройством могут быть биполярные или полевые транзисторы, реле, триод, тиристор. Гальваническая развязка обеспечивается разделительным трансформатором па переменном токе или оптронами на постоянном токе. ПЛК непрерывно развивались в сторону усложнения. Постепенно, не изменяя названия, они стали выполнять функции регулирования. В составе ПЛК появились адаптеры ввода аналоговых сигналов, содержащие АЦП, и адаптеры вывода аналоговых сигналов на основе ЦАП. Система команд ПЛК пополнилась командами обработки двоичных кодов, ПЛК стали выполнять операции сравнения и алгебраические вычисления. Чем же отличается выполнение этих действий в ПЛК и в универсальном микропроцессорном контроллере или промышленном компьютере? 1.4 Операционная система ПЛК Память программ ПЛК состоит из двух сегментов. Первый сегмент — неизменяемая часть, которая содержит ОС ПЛК. По существу, это — интерпретатор инструкций программы пользователя, которые размещаются во втором сегменте памяти — сегменте программы управления. Второй сегмент - это изменяемая часть программы. Она заносится на этапе адаптации серийного изделия для управления конкретным объектом. ПЛК отличается циклическим характером работы. Каждый цикл выполнения программы управления включает четыре этапа (рис1.5). На первом этапе происходит тестирование аппаратуры ЦП. Если тест дает удовлетворительные результаты, производится запуск цикла. На втором этапе осуществляется опрос всех входных переменных и запоминание их состояния в специальной области оперативной памяти данных, называемой PII (Process Input Image - образ состояния входных переменных). На третьем этане ЦП производит вычисление логических выражений, составляющих программу пользователя, используя в качестве аргументов состояние входных образов и внутренние переменные.  Рис1.5 Диаграмма работы ПЛК SIMATIC S7-200/300/400 Последние используются для обозначения режимов работы системы, а также отражают состояние программно-моделируемых таймеров и счетчиков. Результатом выполнения программы являются значения выходных переменных и новые значения внутренних переменных. ЦП записывает выходные переменные в другую специальную область памяти данных, называемую POI (Process Output Image — образ состояния выходных переменных). Одновременно ЦП управляет счетчиками, таймерами и обозначает новые режимы работы системы установкой или сбросом битов состояний в памяти. На четвертом этапе слово выходных воздействий выдается (все разряды одновременно) из POI в порты вывода и поступает на входы адаптеров выходных сигналов. Далее цикл работы ПЛК воспроизводится снова. Такая организация работы ПЛК (по существу это - простейшая операционная система) имеет следующие преимущества. 1.Время реакции программы управления на изменение входных сигналов строго определено. В классификации ОС вычислительных средств такую систему называют ОС реального времени с жестким режимом работы. Именно такие требования предъявляются к вычислительным средствам для автоматизации технологических процессов, независимо от аппаратной платформы, на основе которой они реализованы. 2 Невозможность внесения изменений в интерпретатор инструкций гарантирует исключение ошибок программирования аппаратных средств на нижнем уровне. В этом случае необходимость изучения структуры и особенностей выполнения аппаратных средств полностью отпадает. Не случайно при описании ПЛК никогда не конкретизируется, на какой элементной базе (тип микропроцессора) выполнен ПЛК, так как это несущественно. 3. Интерпретатор инструкций содержит аппаратно ориентированные алгоритмы программной защиты от сбоев аппаратуры. Используются методы избыточного кодирования, многократного опроса с мажоритарной логикой определения значения входной или выходной переменной, выборки аналоговых сигналов с чтением прямого и дополнительного кодов, записи в выходные устройства с эффектом «эхо» и т.д. Эти методы, оставаясь практически незаметными для пользователя, значительно повышают надежность системы. 4. Одновременная фиксация всех входных дискретных переменных на аппаратном уровне с последующим анализом копии их состояния в ОЗУ и одновременная выдача выходных значений на адаптеры выходов исключает эффект «неустойчивости» программы управления по причине изменения входных сигналов в процессе выполнения программы. Рассмотренная модель функционирования ПЛК поясняет, почему быстродействие ПЛК принято оценивать эквивалентным временем «опроса» 1024 (IK) дискретных входов. Обычно указывается время выполнения одного цикла программы средней сложности для IK дискретных входов, включая этапы чтения PII и загрузки данных из POI в буферы. В некоторых случаях может быть указано эквивалентное время опроса одного входа. Следует отчетливо представлять, что последнее зависит от быстродействия ЦП, но оно всегда превышает время выполнения одной битовой инструкции микроконтроллером ЦП, так как реализация полного цикла даже для одного дискретного входа требует выполнения строго определенной последовательности. В грамотно составленном проспекте ПЛК обычно указано две величины, характеризующие быстродействие: время выполнения битовой инструкции ЦП и время опроса 1К дискретных входов. Первая характеризует быстродействие ЦП, вторая — быстродействие ПЛК как законченного устройства, включая особенности операционной системы. Следует отметить, что рассмотренный исторически сложившийся способ оценки быстродействия в настоящее время используется преимущественно для малых ПЛК. Для средних и мощных ПЛК программы управления, которых включают большое число вычислительных операций, оценки, основанные на модели логического управления, перестали быть актуальными. Для этих ПЛК указывается время выполнения операций определенного типа (табл. 1.1). Табл.1.1.БЫСТРОДЕЙСТВИЕ НЕКОТОРЫХ ПЛК
 |