Автоматизация технологических процессов книга. Компетенций в новой среде обучения виртуальной среде профессиональной деятельности
 Скачать 24.89 Mb.
|
|
176 Рис. 13.4. Корпус контроллера с модулями ЦПУ со встроенной памятью. Остальные гнёзда корпуса заполняются модулями ввода/вывода и коммуникационными модулями в соответствии с задачами, возложенными на контроллер (проектно-компонуемая часть контроллера. Некоторые гнёзда корпуса могут оставаться незаполненными на случай расширения системы управления. Если же гнёзд одного корпуса не хватает, то имеется возможность подключения второго корпуса к системной шине первого. Используя корпуса на разное количество гнёзд и соединяя их между собой, можно подобрать требуемую конфигурацию контроллера. В последние годы для объединения функциональных модулей в контроллер более популярным стало второе решение. Оно похоже на первое, только вместо корпусов используют базовые платы (рис. 13.5). На внешней стороне базовой платы находятся разъёмы для установки модулей. Все коммуникации между разъё мами находятся внутри платы. Плата может быть закреплена на стенку шкафа автоматики или на специальную профилированную рейку, которая, в свою очередь, крепится на стенку. Как правило, в первое слева и второе гнёзда (слоты) платы устанавливают, соответственно, модуль питания и модуль ЦПУ. Размещение остальных модулей контроллера (модулей ввода/вывода, коммуникационных модулей и т.п.) может регламентироваться производителем. В других случаях допускается произвольная установка этих модулей на базовую плату. Как и корпуса, базовые платы могут содержать различное количество слотов для установки модулей и могут соединяться между собой для получения заданной конфигурации. На рис. 13.5 представлена базовая платана пять модулей. 177 Рис. 13.5. Базовая плата контроллера Таким образом, в функциональный состав контроллера входят - базовая плата - модуль питания - модуль процессора - модуль сопроцессора - модули ввода/вывода; - коммуникационные модули. Общий вид контроллеров разных производителей приведен на рис. 13.6. В левом верхнем углу - контроллер, выполненный в виде мо ноблока (контроллер семейства микро). Под ним - три контроллера одного семейства, но разной конфигурации (базовые платы на четыре, десять и шестнадцать модулей. А внизу справа представлен контроллер, собранный на профилированной рейке (на рисунке рейки невидно. В своем составе он имеет (слева направо) модуль питания, модуль процессора и восемь модулей ввода/вывода. В мире, в том числе ив России, имеются десятки, и даже сотни фирм и компаний-производителей контроллеров. Количество типов производимых ими контроллеров измеряется уже, по меньшей мере, многими сотнями. Далее перечислены названия компаний, контроллеры которых нашли широкое применение в России, в частности, в автоматизации нефтегазовой отрасли. Из зарубежных компаний, прежде всего, надо назвать Allen-Bradley США, Bristol Babcock (США, Control Microsystems (Канада, GE Fanuc (США, Motorola (США, Schneider Electric (Франция, Siemens (Германия. Эти крупные компании уже несколько 178 Ряс. Внешний вид промышленных контроллеров десятилетий находятся на мировом рынке средств и систем автоматизации. Контроллеры, производимые этими компаниями, работают в России на нефтяных и газовых промыслах (кусты скважин и установки подготовки нефти и газа, а также на объектах транспорта нефти и газа (линейные участки, газораспределительные станции, насосные и компрессорные агрегаты. Применяются они ив других отраслях промышленности. Говоря об отечественных производителях, следует отметить, что производство контроллеров в России - довольно молодое направление. Большинство фирм появилось вначале х годов прошлого века. Контроллеры, производимые этими фирмами, предназначались, в основном, для удаленных объектов - станций управления скважинами, эксплуатируемыми ШГН и ЭЦН, кустами нефтяных и газовых скважин, объектами трубопроводного транспорта нефти и газа. За последние годы существенный вклад в автоматизацию нефтегазовой отрасли внесли такие предприятия как СКБ Пром- автоматика (г. Зеленоград, НПО «Интротест» (г. Екатеринбург, НПО МИР (г. Омск, НПФ «ИНТЕК» (г. Уфа, Альбатрос (г. Москва, ЭлеСи (г. Томск, «Газприборавтоматика» г. Москва, г. Калининград, ИРЗ (г. Ижевск, Эмикон (г. Москва) и многие другие. 13.3. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССОРА Ранее было отмечено, что современный рынок контроллеров и программно-технических комплексов весьма широки разнообразен. В этом разделе предполагается говорить о разнообразии контроллеров. А какими параметрами один контроллер отличается от другого Уже известны и некоторые ответы на поставленный вопрос. Глядя на рис. 13.6, можно сказать, что контроллеры отличаются друг от друга размерами, количеством модулей, дизайном. Но это то, что сразу бросается в глаза. А где же параметры процессора, системной шины, памяти, модулей ввода/вывода, коммуникационных модулей Ответы на эти и многие другие вопросы можно найти в этом и следующих разделах настоящей главы. К характеристикам процессора относятся - тип, рабочая частота процессора и разрядность системной шины - поддержка математики с плавающей запятой - поддержка функции ПИД-регулирования; - наличие и объём различных видов памяти ОЗУ, ПЗУ, флэш. 180 К наиболее часто встречающимся типам процессоров, используемым при изготовлении ПЛК, относятся процессоры фирм In tel, AMD, Motorola. Рабочая частота процессора, также как и разрядность системной шины, определяют быстродействие контроллера. На ранних этапах производители использовали 8- и разрядные шины. В современных контроллерах используются и разрядные системные шины и микропроцессоры с рабочими частотами от десятков до сотен мегагерц (МГц. ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) или RAM (random access memory - память с произвольным доступом) представляет собой тип памяти, которая позволяет чтение и запись в любую ячейку без предварительного поиска. В контроллерах этот тип памяти используется для хранения программ и значений технологических параметров (данных. ОЗУ теряет информацию при отключении питания, однако существуют энергонезависимые модули ОЗУ, содержащие встроенный источник автономного питания. По принципу действия ОЗУ делятся на статические (SRAM) и динамические (DRAM). Динамическая память составляет основной массив ОЗУ. ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) или ROM (Read Only Memory - память только для чтения) устроена в виде адресуемого массива ячеек (матрицы, каждая ячейка которого может кодировать единицу информации. Данные на ROM записываются при ее изготовлении. В контроллерах память типа ПЗУ используется для хранения программ пользователя. Данный тип памяти не получил широкого распространения в связи стем, что современное программное обеспечение часто требует обновления, в то время как производственный цикл изготовления памяти достаточно длителен. К преимуществам этого типа памяти следует отнести низкую стоимость и высокую скорость доступа к ячейке памяти. Но имеется существенный недостаток, из-за которого этот тип памяти не получил распространения - невозможность записывать и модифицировать данные после изготовления. EPROM (СППЗУ), EEPROM (ЭСППЗУ) и Flash (флэш) относятся к классу энергонезависимой перезаписываемой памяти. Различные источники по-разному расшифровывают аббревиатуру EPROM - как Erasable Programmable ROM (стираемые программируемые ПЗУ) или как Electrically Programmable ROM электрически программируемые ПЗУ. Вперед записью необходимо произвести стирание всей микросхемы посредством облучения чипа ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами в течение нескольких минут. Запись на EPROM осуществляется на программаторах. 181 Большим достоинством такой памяти является возможность перезаписывать содержимое микросхемы. К недостаткам можно отнести небольшое число циклов перезаписи и высокую вероятность «недотереть» (что в конечном итоге приведет к сбоям. EEPROM - электрически стираемая память (ЭСППЗУ) была разработана в 1979 г. в компании Intel. Главной отличительной особенностью EEPROM (в том числе и Flash) от ранее рассмотренных типов энергонезависимой памяти является возможность перепрограммирования при подключении к стандартной системной шине микропроцессорного устройства. В EEPROM появилась возможность производить стирание отдельной ячейки при помощи электрического тока. Для EEPROM стирание каждой ячейки выполняется автоматически при записи в нее новой информации, те. можно изменить данные в любой ячейке, не затрагивая остальные. Преимущества EEPROM по сравнению с EPROM: увеличенный ресурс работы недостаток - высокая стоимость. В контроллерах этот тип памяти используется как для хранения программ, таки для хранения данных. Flash (флэш) относятся к классу энергонезависимой перезаписываемой памяти. Flash обладает достаточно высокой скоростью доступа, энергонезависима и имеет невысокую стоимость. Благодаря этим свойствам Flash нашла широкое применение в контроллерах. 13.4. ХАРАКТЕРИСТИКА КАНАЛОВ ВВОДА/ВЫВОДА Важно не только количество каналов ввода/вывода, поддерживаемое конкретным контроллером (памятью контроллера, но и разнообразие модулей ввода/вывода по количеству и уровням коммутируемых сигналов (ток/напряжение), способы подключения внешних цепей к модулям ввода/вывода, количество каналов локального, расширенного и удаленного ввода/вывода. Большинство фирм-производителей поставляют на рынок средств и систем автоматизации семейства контроллеров, каждое из которых рассчитано на определённый набор выполняемых функций и объём обрабатываемой информации. Среди них имеются семейства самых малых контроллеров (микро) небольшой вычислительной мощности, способных поддерживать максимум несколько десятков вводов/выводов, в основном, дискретных. Область применения таких контроллеров - сбор данных и системы противоаварийной защиты. Семейства малых контроллеров способны поддерживать уже 182 Одной из важнейших характеристик контроллеров является их способность поддерживать локальный, расширенный иуда лнный ввод/вывод. Под локальным следует понимать такой ввод/вывод, когда модули ввода/вывода размещаются непосредственно на том же шасси (плате, на котором размещен и модуль центрального процессора. Так как количество слотов в шасси ограничено (максимум 16-18 для некоторых контроллеров, то и количество локальных вводов/выводов может быть также ограничено. Преимущество локальных вводов/выводов заключается в том, что они имеют высокую скорость обновления данных. При всех прочих равных условиях, скорость обработки этих вводов/выводов очень высока. Эта характеристика особенно важна, когда речь идет о регулировании технологических параметров. Для поддержки большего числа переменных фирмы- производители аппаратных средств снабдили свои системы возможностью расширения локального ввода/вывода. Шасси расширения с размещенными в них модулями ввода/вывода соединяются с шасси центрального процессора и между собой специализированным коротким кабелем и могут быть отнесены максимум на несколько метров от центрального процессора. Некоторые комплексы контроллеров способны поддерживать одно/два шасси расширения, другие - десять и более шасси сочень большим количеством модулей ввода/вывода. Такая конфигурация, называемая централизованной, подразумевает, что центральный контроллер и стойки расширения размещены водном помещении или одном шкафу управления. В качестве примера централизованного расширения можно привести контроллеры Simatic S7-400 (рис. 13.7). В состав этих контроллеров входят интерфейсные модули (IM - Interface Module), предназначенные для организации связи между базовой стойкой и стойками расширения централизованной системы. Рис. Организация расширенного ввода/вывода контроллеров S 7 - 4 0 0 184 Рис. Удаленный ввод/вывод Quantum с резервированием канала связи Интерфейсный модуль IM 460-0 используется в качестве передатчика в системе централизованного расширения с удалением стоек расширения до 3 метров. Модуль устанавливается в центральном контроллере (до 6 модулей. Один IM 460-0 поддерживает до 4 стоек и работает в комплекте с приёмником IM 461-0, устанавливаемым в стойках расширения. В модуль IM 461-0 встроено два интерфейса для подключения с помощью кабеля к предыдущему устройству и последующему. В последнем модуле IM 461-0 устанавливается терминатор (концевой резистор. Процессорный модуль в стойки расширения не устанавливается. Удалённый ввод/вывод применяется в тех случаях, когда объекты управления находятся на достаточно большом расстоянии от центрального процессора. Такой подход позволяет уменьшить стоимость линий связи за счет того, что модули вво да/вывода размещаются вблизи полевых устройств. Фирмы-производители аппаратных средств автоматизации решают проблему удалённого ввода/вывода по-разному. Поддержка удалённых вводов/выводов может осуществляться посредством модулей, называемых удаленный ведущий иуда ленный ведомый. Ведущий модуль располагается в локальном каркасе контроллера и соединяется кабелем с «удалённым ведомым, который находится в удалённом каркасе. Один ведущий модуль может поддерживать 32, 64, 125 ведомых. В свою очередь, некоторые процессоры могут поддерживать несколько ведущих модулей. Таким образом, системы управления, построенные по технологии удалённого ввода/вывода, способны обрабатывать многие тысячи параметров. 185 Например, процессор контроллера Quantum обеспечивает управление локальными удалённым (RIO-Remote Ю) вводом выводом. Для конфигурирования удаленного ввода/вывода в системе Quantum предусмотрены соответствующие модули рис. 13.8): - модуль головного канала RIO; - модуль подканала RIO. Модуль головного канала RIO устанавливается в туже монтажную панель, что и модуль центрального процессора, управляющий системой ввода/вывода. Он используется для двунаправленной передачи данных между центральным процессором и модулями подканалов RIO, установленных на удаленных панелях. Для подключения в сеть модуля головного RIO и одного или более модулей подканалов RIO (до 31) используется коаксиальный кабель. Скорость передачи данных посети Мбит/с, протяженность сети - дом. В системе имеются модули удаленного ввода/вывода с одинарными сдвоенным каналом - модули головного канала одинарный 140 CRP 931 00, сдвоенный 140 CRP 932 00; - модули подканала RIO: одинарный 140 CRA 931 00, сдвоенный 140 CRA 932 00. Вариант схемы с двойным кабелем разработан для систем, требующих особой надежности. Диагностика кабеля и проверка его целостности проводятся автоматически на головном модуле и каждом из узлов. В случае обрыва кабеля система Quantum оповещает пользователя с помощью сигнального светодиода и внутренней программы проверки работоспособности, результаты работы которой доступны оператору. 13.5. КОММУНИКАЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ КОНТРОЛЛЕРОВ Распределенная обработка информации в сложных системах управления, информационный обмен между компонентами системы и другие задачи обычно решаются с использованием ин формационно-вычислительных сетей. Прежде чем перейти к рассмотрению типовых сетевых архи тектур современных систем управления необходимо ввести несколько понятий. • 186 Рис. Топология сетей к другому по кольцу. В топологии звезда каждый узел осуществляет прямую связь с другими через активный коммутатор (лёгкость наращивания узлов сети, высокая надёжность центрального узла. Топология перевернутое дерево имеет разветвленную структуру, в которой объединяются несколько коммутаторов. Один из коммутаторов - центральный - составляет основу перевернутого дерева. Сверху (иерархия) к нему подключаются рабочие станции уровня ОПС. Остальные коммутаторы подключаются к центральному коммутатору снизу (ветви перевернутого дерева) и являются сегментами сети управления. Каждый сегмент может объединять в сеть несколько узлов (контроллеров. СПОСОБЫ ДОСТУПА По способу доступа узла к передающей среде ЛВС разделяются на сети - с командным доступом ТОПОЛОГИЯ СЕТЕЙ В локальных вычислительных сетях систем управления наиболее широко применяются четыре вида топологии шина, кольцо, звезда, перевернутое дерево и их сочетание (рис. 13.9). В шинной топологии узлы сети подключаются к одному каналу передачи данных. В кольцевой топологии каждый узел связан с двумя соседними, и информация передается от одного узла 187 - со случайным доступом - с доступом на основе эстафетной передачи. В командных ЛВС контроллер сети поочередно опрашивает все узлы сети и управляет пересылками информации между узлами. В качестве примера таких сетей (ведущий/ведомый, мас тер/подчиненный) можно назвать следующие сети MODBUS, PROFIBUS-DP, Interbus, ASI и др. В ЛВС со случайным доступом все узлы сети непрерывно следят за сетевым трафиком (передачей данных. Когда трафик не обнаруживается, любой узел сети может начать передачу равноправная сеть. Если два или более узлов начинают передачу одновременно, то возникает конфликтная ситуация (коллизия. Она обнаруживается всеми узлами сети, а начавшие одновременно передачу узлы штрафуются случайным по длительности тайм-аутом. Ярким примером таких сетей является Ethernet. В ЛВС с эстафетной передачей (шина или кольцо с маркерным доступом) подразумевается использование специального пакета данных (маркера, который предоставляет возможность его держателю передавать информацию. Любой узел сети, желающий передавать информацию, должен дождаться получения маркера. Получив его, он передает данные и затем пересылает маркер следующему узлу. Пример таких сетей - PROFIBUS-DP. КАНАЛ Термин канал (среда) передачи данных служит для описания физического пути между узлами сети. Обычно в качестве среды передачи данных используются - кабель извитых пар проводов - коаксиальный кабель - волоконно-оптический кабель - выделенные и коммутируемые телефонные линии - радиоканал - спутниковая связь. СЕТЕВОЙ ПРОТОКОЛ Для обеспечения безошибочности и максимального удобства передачи информации сетевые операции регулируются набором правили соглашений, называемых сетевым протоколом. Сетевой протокол определяет типы разъёмов, кабелей, сигналы, форматы данных и способы проверки ошибок. 188 Рис. 13.10. Сетевая архитектура системы управления Сетевая архитектура современных систем управления строится, как правило, по смешанной топологии. Способы доступа, среда передачи данных и протоколы определяются требованиями, предъявляемыми к системе, и, следовательно, программно- техническими средствами, используемыми в конкретной системе управления. На рис. 13.10 приведена схема одного из вариантов сетевой архитектуры системы управления На схеме достаточно четко просматриваются три уровня сети - уровень обмена информацией между полевыми устройствами (измерительными преобразователями, исполнительными устройствами) и модулями ввода/вывода; - уровень обмена данными между локальными контроллерами, удалённым вводом/выводом и концентратором данных |