Автоматизация различных технологических процессов. Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам
 Скачать 0.58 Mb.
|
|
Контроллер с последовательной шиной Распределение интеллекта по небольшим автономным контроллерам продиктовано разбиением технологии на функциональные узлы. Если представить архитектуру контроллера, состоящего из автономных интеллектуальных модулей, в которых объем каналов ввода/вывода и производительность встроенного в модуль процессора достаточны для управления средним функциональным узлом, то такая архитектура будет адекватной технологической структуре объекта автоматизации. Ключевой проблемой здесь является организация межмодульного взаимодействия внутри контроллера. Локальная сеть внутри контроллера вместо параллельной шины Сегодня локальные сети решают весь комплекс задач по объединению компьютерного и контроллерного оборудования в единую систему. Почему бы не использовать сетевые технологии для организации межмодульной коммуникации внутри контроллера? Фактически контроллер с внутренней локальной сетью будет представлять собой кластер автономных интеллектуальных модулей, объединенных этой сетью. Важной предпосылкой для использования стандартной сети из семейства современных полевых сетей "Fieldbus" в качестве межмодульной среды передачи является существенное снижение интенсивности межмодульного взаимодействия. Проведенные нами исследования и оценки показывают, что интенсивность обмена информацией между интеллектуальными модулями может снизиться в сотни раз. Это достигается за счет реализации операций ввода/вывода УСО, обработки информации и управляющих программ внутри интеллектуального модуля. Межмодульное взаимодействие в этом случае требуется только для получения информации о значениях параметров, необходимых для функционирования собственных алгоритмов управления и заданий/рапортов извне. С другой стороны, объемы отдельных ФУ могут превосходить возможности отдельного модуля, поэтому сеть внутри контроллера должна быть достаточной для обеспечения более тесных и интенсивных связей, необходимых для решения задач внутри ФУ. На "цеховом" уровне, где представлено несколько контроллеров, стоит задача их объединения в единую систему. Это означает, что сеть интеллектуальных модулей должна быть двухуровневой и включать сеть первого ранга, образующую контроллеры ФУ из интеллектуальных модулей и сеть второго ранга, объединяющую контроллеры (кластеры) в единую систему (рис 1).  Рис. 1. Кластер модулей, объединенных сетью первого ранга, можно назвать контроллером функциональных узлов (далее КФУ). Важной особенностью этой архитектуры является то, что сетевой шлюз в КФУ является абсолютно прозрачным для модулей. Таким образом система выглядит для модулей как одноранговая сеть, т.е. для любого отправителя (модуля) не имеет значения где физически находится получатель сообщения - в том же КФУ, или в другом. Это еще одно неоспоримое достоинство предлагаемой архитектуры. Выбор стандартных локальных сетей для объединения интеллектуальных модулей внутри КФУ и полное исключение традиционных параллельных шин, как средства межмодульной коммуникации, позволяет без дополнительных затрат решить ряд проблем, неразрешимых для контроллеров с традиционной архитектурой. В этом состоит суть предлагаемого решения для организации архитектуры контроллера, адекватной предъявляемым требованиям. Замена параллельной шины внутри контроллера на локальную сеть оптимально и без всяких оговорок решает ряд ключевых задач, определяющих основные системные свойства контроллеров: Во-первых, обеспечение надежной среды передачи данных. В современных локальных сетях обеспечивается достоверность передаваемых по сети данных, которые защищаются циклическими контрольными суммами. Подобная защита данных от искажений отсутствует в большинстве параллельных шин. Во-вторых, некоторые сети обеспечивают возможность инициативного доступа к среде передачи со стороны любого сетевого абонента. Это позволяет реализовать разнообразные схемы обработки информации - по инициативе "ведущего" обработчика, управление по событиям, управление потоком данных. В-третьих, дает возможность осуществить разнообразные методы адресации. Некоторые сети не имеют физических адресов - все сообщения имеют свой идентификатор типа или класса сообщений. Это позволяет строить динамические схемы маршрутизации информационных потоков в системе. Кроме того, имеются специальные служебные и широковещательные сообщения, без которых трудно реализовать ряд необходимых системных функций - например, синхронизацию времени и другие функции, требующие синхронной обработки. В-четвертых, отсутствие централизованного арбитра и широкие возможности авто-конфигурирования сетевой топологии существенно повышает надежность и живучесть контроллера. В многопроцессорных параллельных архитектурах, напротив, используется централизованная схема арбитража. В-пятых, более высокоуровневый обмен информацией. Общение между интеллектуальными модулями происходит не на уровне элементарных регистровых обращений (циклов чтения/записи), а на уровне смысловых сообщений. В сетях элементом информации является сообщение, оформленное в виде пакетов. Пакет является нормальной транзакцией, целостность которой автоматически отслеживается на сетевом уровне. Более того, даже разрушение самой сетевой среды во время передачи пакета не является фатальной системной ошибкой - это обычная штатная ситуация, предусмотренная в любой сети, в отличие от параллельной шины, где сбой шинного цикла является серьезной системной ошибкой с фатальными последствиями. Это свойство локальных сетей изящно и совершенно естественно решает такую глобальную проблему для архитектур с параллельной шиной, как "горячая замена" модулей в контроллере. В-шестых, скорости передачи. Параллельные шины пока считаются самыми быстродействующими. Сегодня появилось несколько технологий последовательной передачи данных, которые превосходят по быстродействию любые существующие параллельные шины и обеспечивают передачу данных со скоростью до 400 Мбайт/сек и даже более. Тот факт, что последовательные шины заменят в ближайшем будущем сегодняшние параллельные шины межмодульного взаимодействия в компьютерных системах, был осознан еще в начале 90-х годов. Сегодня видна определенная тенденция развития средств вычислительной техники в этом направлении. В контроллерах для автоматизации типичных технологических процессов такие скорости не требуются - шина с производительностью в 2 Мбайта/сек вполне достаточна для традиционного контроллера с неинтеллектуальными модулями. Эта оценка скорости основана на нашем практическом опыте и опыте использования рядом фирм технических средств с такими показателями производительности шины, например PC-совместимые контроллеры с 8-ми разрядной ISA-bus. Если же все модули в контроллере будут иметь достаточный интеллект для автономного решения прикладных задач управления, сбора и обработки информации, то требуемый поток обмена данными между такими модулями снизится примерно на два порядка. Анализ исходных текстов программ "драйверов" ввода/вывода позволяет оценить количество элементарных операций, выполняемых процессором, для считывания и первичной обработки, например, одного аналогового преобразования. Как правило, для обработки одного измерения, в "драйвере" исполняется около сотни процессорных инструкций. Таким образом для межмодульной коммуникации будет достаточно иметь среду передачи с производительность порядка 20 Кбайт/сек или что тоже самое 200 Кбод с учетом 20% накладных расходов протоколов последовательной передачи данных. Эта оценка говорит о том, что с точки зрения скоростных характеристик в качестве среды передачи внутри контроллера может использоваться практически любая из стандартных детерминированных локальных сетей. К перечисленным достоинствам предлагаемого решения можно добавлять и другие, но уже этого достаточно для того, чтобы прийти к выводу, что контроллер с внутренней локальной сетью имеет ряд существенных преимуществ в сравнении с традиционным контроллером на основе параллельной шины. Результаты разработки и реализации контроллера с последовательной шиной В Институте автоматики и электрометрии СО РАН при участии партнеров, компаний PEP Modular Computers и UniControls, был разработан универсальный контроллер для автоматизации различных объектов, включая крупные и особо ответственные объекты типа ТЭС и аналогичные. Общие требования к разрабатываемому оборудованию были сформулированы одной из ведущих в Сибирском регионе технологических организаций "Сибтехэнерго". Реализация контроллера, опытно-конструкторская документация и серийное производство осуществлены фирмой "Торнадо Модульные Системы". Разработанное оборудование внедрено на ряде объектов тепло-энергетики. Архитектура разрабатываемого контроллера базировалась на идее распределения технологических функций объекта по небольшим автономным или слабосвязанным технологическим узлам. Задачи каждого функционального узла решаются одним или несколькими интеллектуальными модулями, получивших название модулей интеллектуальных функций "Modules of Intellectual Functions" или MIF-модулями, а контроллеры на их основе - MIF-контроллерами. Объем отдельного MIF-модуля соответствует объему небольшого ФУ - т.е. 30-60 каналов. Ключевые задачи и этапы разработки При разработке использовался метод системной интеграции хорошо отлаженных, распространенных и стандартных технологий и готовых стандартных технических средств. Одной из основных задач, явилась минимизация объема разработки, то есть достижения наибольшего результата при минимальных затратах. При разработке контроллера помимо ключевых задач, описанных выше, обращалось внимание на ряд инженерных решений, таких как: конструктивное исполнение; способы подключения "полевых" кабелей; удобство и простота обслуживания контроллера; гибкость компоновки; сочетание с другими техническими средствами в рамках одного контроллера; программная совместимость и поддержка стандартного программного обеспечения - операционных систем реального времени, систем технологического программирования в соответствии с международным стандартом IEC1131-3, поддержка сетевых протоколов; дублирование модулей; "горячая" замена модулей без отключения питания контроллера; авто-конфигурирование модулей при замене; обеспечение отказоустойчивости контроллера. Первым этапом разработки явился анализ существующих технических средств, в том числе специализированных Программно Технических Комплексов (ПТК) для ТЭС. Он показал, что многие фирмы предлагают системы на базе традиционных контроллеров, но существуют и другие ПТК, которые в полной мере учитывают ключевые требования со стороны объекта автоматизации. Примерами таких систем могут служить хорошо известные системы "TELEPERM-ME" фирмы Siemens, "PROCONTROL-P" фирмы ABB и некоторые другие. Знакомство с техническим описанием этих систем подтвердило верность идеи использования внутри контроллера коммуникационной среды, оперирующей более высокоуровневыми понятиями - такими как "сообщения", "события", "телеграммы" и т.п. Практически, коммуникационные шины внутри этих контроллеров являются детерминированными локальными сетями, но они имеют один существенный недостаток - эти шины не являются стандартными и открытыми. На втором этапе анализировались существующие стандартные технологии, используемые в системах автоматизации для выбора конкретных решений по организации ввода/вывода, внутренней локальной сети, внешней коммуникации, интеграции других систем в составе контроллера и другое. Далее была разработана конкретная архитектура и структурная схема контроллера с описанием основных свойств на основе выбранных технических решений. После чего были разработаны необходимые модули. Серийное производство модулей размещено на предприятиях, обеспечивающих высокое качество производства электронных устройств. Технические решения, использованные в MIF-контроллере Внутренняя последовательная шина MIF-контроллера. По причинам, подробно описанным выше, в качестве средств коммуникации между модулями контроллера было решено использовать последовательную шину, а точнее сказать сеть, так как она должна обеспечивать: множественный доступ к среде передачи; контроль ошибок при передаче; стандартный электрический интерфейс к среде передачи; автоматическую конфигурацию логической топологии среды передачи; гарантированное время доставки сообщений; соответствие какому либо из распространенных стандартов. Внутренняя шина MIF-контроллера выбиралась из так называемых "полевых" шин (сетей). При выборе анализировались следующие стандартные сети из числа наиболее распространенных "полевых" сетей: Profibus, CAN-bus и другие. CAN-bus проектировался для обеспечения взаимодействия тесно связанных по управлению контроллеров. CAN-bus идеально подходит для задач управления агрегатного уровня, хотя и имеет ряд ограничений: по скорости передачи (до 1Мбод), что может оказаться недостаточным для цехового уровня; по топологии сети, по протяженности (до 40 м при максимальной скорости передачи), по передаче крупных массивов информации [6]. Profibus сегодня - стандарт номер один в автоматизации цехового уровня: имеет высокие скорости до 12Мбод; разнообразные варианты топологий, допускающей комбинации различных технологий как на медном кабеле, так и на оптоволоконном; большую протяженность сегментов. Для задач управления на уровне агрегата, механизма и т.п. он является несколько громоздким и избыточным. Он прекрасно подходит в качестве сети более высокого "цехового" уровня для объединения контроллеров. В качестве внутренней шины контроллера была выбрана шина CAN-bus. С нашей точки зрения для внутренних коммуникаций контроллера она подходит наилучшим образом [5]. Сеть CAN-bus является одним из наиболее зрелых стандартов. Он реализован в виде специализированных СБИС более чем 20 ведущими компаниями, поддерживает разнообразные среды передачи, контролирует целостность и отсутствие ошибок при передаче/приеме сообщения без получения специального ответа от "получателя". Жесткая детерминированность протокола, динамическое распределение приоритетов, многомастерность, поддержка совместной обработки управляемой событиями, смысловая адресация сообщений и событий вместо традиционной физической адресации получателя/отправителя сетевых пакетов, все это делает его подходящим средством межмодульной коммуникации в контроллере [5]. Итак, взаимодействие MIF-модулей внутри MIF-контроллера осуществляется по дублированной шине CAN-bus. Конструктивно сеть CAN-bus выполнена в MIF-контроллере на объединительной печатной плате, в которую устанавливаются MIF-модули. Дублирование шины повышает надежность MIF-контроллера до уровня, который никогда не достижим в традиционных контроллерах - MIF-контроллер не может отказать ни при каком любом единичном отказе среды передачи контроллера. Решения по организации ввода/вывода Контроллеры в ПТК для автоматизации технологических процессов должны решать вполне определенный набор задач по вводу, т.е. преобразованию физических сигналов в цифровой код, и выводу, т.е. обратному преобразованию из цифрового кода в физический сигнал. В этот набор входят задачи ввода сигналов от термопар, термометров сопротивлений, потенциальных и токовых аналоговых сигналов и дискретных сигналов в диапазоне от 24В до 220В, а так же задачи вывода потенциальных и токовых аналоговых команд и дискретных команд в том же диапазоне. Кроме того, в ряде случаев могут возникать более нестандартные задачи ввода/вывода. Для решения этих разнообразных задач требуется набор соответствующих модулей для ввода/вывода. При разработке MIF-контроллера, как одна из основных, ставилась задача минимизации расходов на разработку, минимизации стоимости контроллера, унификации принятых технических решений и проектной компонуемости не только контроллера, но и входящих в него модулей. Для удовлетворения всех перечисленных требований была выбрана "мезонинная" технология организации ввода/вывода, которая основана на выделении целевых функций ввода/вывода в отдельные субмодули (мезонины), устанавливаемые на модуль-носитель. Нами была выбрана "мезонинная" технология ModPack, разработанная в 80-х годах компанией PEP Modular Computers. Эта технология получила широкое распространение в мире и является сегодня открытым международным стандартом. Сегодня в мире выпускается различными независимыми производителями около ста типов субмодулей в стандарте ModPack. Это означает, что на рынке средств автоматизации можно найти функциональный субмодуль для решения практически любой задачи. Отличительной особенностью субмодулей ModPack от других мезонинных технологий является крайне простой системный интерфейс. В отличие от многих других мезонинных модулей, он разрабатывался специально для задач сопряжения с объектом автоматизации. В нем детально продуманы вопросы электросовместимости и электробезопасности. Использование "мезонинной" технологии сузило нашу задачу до разработки одного единственного модуля-носителя для субмодулей ModPack, удовлетворяющего всем общесистемным требованиям, упомянутым в этой статье. Сопряжение с "полевым" уровнем Основная часть функций сопряжения ПТК с "полевым" уровнем (датчики, преобразователи, исполнительные механизмы и пр.) решена в субмодулях ModPack. В них реализуются функции аналого-цифрового преобразования, фильтрации, цифро-аналогового преобразования и т.п. Остальная часть задач сопряжения, таких как подключение "полевых" кабельных связей сечением до 2,5 мм2, согласование с конкретными измерительными схемами (2, 3, 4-х проводные, переход из термокомпенсационного кабеля в медный, и т.д.), дополнительные преобразования (24В в 220В и наоборот) и т.п., решается в Блоках Полевых Интерфейсов (БПИ). БПИ могут устанавливаться в шкафу как отдельно, так и вместе с крейтом контроллера. БПИ монтируются на стандартную DIN-рейку. В верхней части БПИ размещаются клеммы для подключения "полевых" кабелей, а в нижней - разъем для подключения плоского 24 жильного кабеля к MIF-модулям с установленными на них субмодулями ModPack.  Рис. 2. Типовой пример компоновки шкафа КФУ Большим достоинством применения БПИ является отсутствие дополнительных шкафов промклеммников для подключения "полевых" кабелей, простота монтажа оборудования внутри шкафа, высокая модульность и легкость модификаций. |