Учебное пособие для студентов специальности 220301 Автоматизация технологических процессов и производств
 Скачать 1.84 Mb.
|
5. Назвать и показать случаи фильтрации и сглаживания. 6. Для чего применяют интерполяцию и экстраполяцию? 7. Назвать и показать методы определения функций распределения. 8. Методы определения математического ожидания. 9. Методы определения функций корреляции. 10.Методы определения спектральной плотности. 11.Назначение алгоритмов контроля достоверности исходной информации и методы их определения. 12.Назначение и методы определения задач характеризации. 10 Архитектура АСУТП 10.1 Задачи проектирования 10.2 Архитектура АСУТП 109 Ключевые слова: архитектура: централизованная, распределенная, клиент-сервер, Citect, масштабируемая, многоуровневая, с отдельными серверами. 10.1 Задачи проектирования: Основная задача, которую должны решать инженеры АСУ на предприятиях, состоит не только в том, чтобы добиваться максимальной производительности при минимальной стоимости системы, но и заложить основы расширения системы в будущем для удовлетворения возрастающих требований предприятия. Поскольку производственный процесс и технологии постоянно изменяются, система мониторинга и управления должна адекватно отслеживать эти изменения, т. е. легко модифицироваться при изменении задачи и расти по мере развития предприятия. Это возможно лишь в том случае, когда архитектура АСУТП является масштабируемой. 10.2 Архитектура АСУТП В прошлом инженеры должны были выбирать между двумя взаимоисключающими архитектурами - централизованной или распределенной. К сожалению, ни одна из них не может удовлетворять потребностям современного предприятия. В начале 80-х г.г. централизованная архитектура приобрела популярность, поскольку один большой компьютер мог осуществлять все управление производственным процессом и хранить данные в единой БД (рис.10.1). Все операторы в такой системе имели одинаковый доступ к данным, поскольку они хранились в одном месте, и только один компьютер нуждался в обновлении при изменении требований производственного процесса. к датчикам и исполнительным механизмам Рис 10.1 Централизованная архитектура Однако эта архитектура имеет ряд серьезных недостатков: • начальные инвестиции слишком высоки для небольших приложений; 110 • фиксированная емкость системы не допускает последовательного увеличения системы при расширении предприятия или изменении конфигурации; • резервирование может быть достигнуто только дублированием всей системы в целом; • требования к технической квалификации обслуживающего персонала очень высоки и часто требуют дорогостоящего обучения. При полностью распределенной архитектуре, популярной в конце 80-х г.г., задачи управления и сбора данных выполняются на нескольких небольших компьютерах (как правило, ПК). Каждый компьютер решает собственную задачу и работает со своей базой данных (БД), как показано на рис.10.2. Распределенная система является весьма гибкой при малой величине начальных инвестиций. Требования к квалификации операторов невысоки, и специализированное обучение требуется в ограниченном объеме. К датчикам и исполнительным механизмам Рис.10.2 Распределенная архитектура Резервирование может применяться выборочно к задачам, критически важным для предприятия. Такая система решает проблемы, присущие централизованным архитектурам управления. Однако распределенные системы также имеют свои недостатки: • обработка данных происходит на каждом компьютере, что приводит к крайне неэффективному использованию вычислительных мощностей; • отсутствует оптимизация запросов к данным производства - если два оператора запрашивают одни и те же сведения, запрос повторяется дважды. Преимущества централизованной архитектуры являются недостатками распределенной системы и наоборот. Удалено: 111 Осознание того факта, что необходим принципиально иной подход к построению АСУТП, привело в начале 90-х г.г. к появлению новых разработок. Автором наиболее известного решения является фирма CiTechnologies, предложившая в 1992 г. программный пакет Citect для Windows. Citect для Windows предлагает инновационный подход в реализации системной архитектуры, использующий лучшие свойства централизованной и распределенной обработки данных. Архитектура Citect является революционной не только по отношению к АСУТП, но распространяется и на другие приложения, работающие с распределенными ресурсами, объединенными в сети. Архитектура клиент-сервер Основная проблема таких систем заключается в способе распределения БД. Когда ПК объединены в локальную сеть (ЛВС), БД может быть централизована, а данные поступают к индивидуальным узлам. Если необходимо извлечь определенную информацию из БД непосредственное обращение к БД и поиск в ней осуществляются только компьютером, ответственным за управление этой базой. Такой компьютер, обладающий необходимым интерфейсом по обработке запросов, функционирует как сервер информации. Когда узел отображения (или иной клиент) посылает запрос к БД, он не должен осуществлять поиск в базе самостоятельно, а лишь запрашивать эти данные у сервера. Это и составляет основу архитектуры клиент-сервер. Оптимизация клиент-серверной обработки данных в Citect Для того чтобы понимать, как Citect использует архитектуру клиент-сервер, необходимо иметь четкое представление об основных задачах Citect: ввод/вывод; отображение; тревоги; графики; отчеты. Графики Тревоги Дисплей Отчеты Данные процесса Рис.10.3 Системная архитектура Citect Ввод/Вывод 112 Каждая из этих задач управляет собственной БД независимо от других. Такое разделение БД поддерживается даже тогда, когда все задачи исполняются на одном и том же компьютере (рис.10.3). Ввод/вывод является интерфейсом между системой управления- контроля и производственным процессом. Он оптимизирует и управляет процессом обмена данными на предприятии между физическими устройствами. Тревоги отвечают за генерацию сигналов тревог путем анализа состояния дискретных переменных и сравнения значений аналоговых переменных с заданным порогом. Графики управляют всеми данными, которые необходимо отображать с течением времени. Собранные и обработанные они посылаются задаче отображения по запросу последней. Отчеты. Задача по обработке отчетов собирает необходимые данные, в том числе из тревог и графиков, и генерирует отчеты по заданному критерию. Отчеты могут вырабатываться периодически, при наступлении некоторого события или инициироваться оператором. Отображение информации является связующим звеном с оператором, основной составляющей ЧМИ. Этот процесс управляет всеми данными, предназначенными для отслеживания оператором и выполнения действий, инициированных оператором. В рамках отображения осуществляется доступ ко всем тревогам, графикам и отчетам. Каждый из описанных выше процессов функционирует независимо от других. Ввод/вывод, тревоги, графики и отчеты имеют общую черту - поскольку они нуждаются в доступе к одним и тем же данным производственного процесса; такие задачи лучше решаются в рамках централизованной архитектуры. Задача отображения больше подходит распределенной архитектуре, поскольку, как правило, в системе присутствует более одного оператора. Клиент-серверная архитектура - с распределенными задачами как клиентами и общими задачами как серверами - оптимизирует распределение информации между БД. Citect для Windows может поддерживать высокую производительность даже при распределении задач по многим компьютерам. Масштабируемая архитектура Поскольку архитектура клиент-сервер позволяет распределять подзадачи, конструкторы системы не связаны обычными аппаратными ограничениями. Результатом является масштабируемая архитектура, которая, может быть адаптирована к приложениям любого размера - решения, устраняющего множество 113 ограничений обычных систем и обеспечивающего результаты, до сих пор невозможные в АСУ. Лучшим способом выявления большого потенциала масштабируемой архитектуры для любого приложения может быть ее применение в серии небольших примеров из практики. В небольших приложениях один компьютер управляет всеми тревогами, графиками, отчетами и задачами ввода/вывода. Система может быть полностью независимой или интегрированной в существующую структуру (рис.9.4). Дисплей Тревоги Отчеты Ввод/Вывод Графики Рис.10.4 Масштабируемая архитектура По мере расширения приложения (например, добавляются два узла) дополнительный компьютер может быть использован для каждого узла - и на каждом устанавливается ПО Citect для Windows (рис.10.5). Рис.10.5 ПО Citect установлено на каждом узле отображение отображение отображение отображение LA N отчеты, графики, тревоги и др. Рис.10.6 Схема с добавлением локальной сети Контроллер 114 Однако такую схему можно улучшить добавлением ЛВС и выделенного сервера ввода/вывода. Такая централизация устраняет ненужные вычисления. Задачи отображения распределены по компьютерам, так что каждый оператор может получать необходимые данные (рис.10.6). Поскольку задачи отображения обрабатываются локально и лишь запросы к данным поступают на центральный сервер, такая система значительно улучшает производительность и гибкость. Менеджер Группа качества Mainframe Оператор 1 Оператор 2 Оператор 3 Сервер Citect (тревоги, отчеты и др.) Рис. 10.7 Многоуровневая система по паролю Другим достоинством такой системы является необходимость наличия только одного принтера, доступного из любого компьютера в сети. Дополнительные операторы могут быть легко подключены к системе. Менеджерам и группе качества может быть предоставлен доступ к данным производственного процесса (рис.10.7). Многоуровневая система по паролю ограничивает доступ к данным и защищает оборудование предприятия от несанкционированных обращений. Например, каждому оператору может быть предоставлен доступ лишь к определенным объектам на предприятии; группа качества может иметь доступ, ограниченный только чтением данных на всем предприятии, в то время как начальник смены обладает неограниченным доступом. Связь с большим компьютером может поддерживать загрузку регламентов и управление выпуском продукции, а, в свою очередь, отчеты и журналы тревог могут поступать обратно в отделы планирования и управления. 115 То, что начиналось как небольшое приложение, превратилось в среднюю по размерам систему, не потребовав изменения ни оборудования, ни ПО. Инвестиции были сохранены на каждой стадии развития. Для приложения большого размера, как правило, требуется отдельный сервер для задач отчетов, тревог и графиков. Как дополнение может быть использован файловый сервер для хранения конфигурации БД и общего ПО (рис.10.8). Менеджер Группа качества Сервер файлов Mainframe Оператор 1 Оператор 2 Оператор 3 Ввод/Вывод LAN Сервер Сервер Сервер тревог графиков отчетов Рис 10.8 Система с отдельными серверами Не все АСУ (как показано на рис.10.8) настолько велики, но Citect может эффективно использоваться в системе любого размера, функционально расширяясь по мере роста предприятия. Возможность простого добавления новой аппаратуры и дальнейшего распределения обработки в Citect для Windows является поворотной точкой в истории развития АСУТП. Вопросы для самопроверки: 1. В чем заключается задача проектирования АСУТП? 2.Недостатки централизованной архитектуры. 3. Достоинства и недостатки распределенной архитектуры. 4. В чем смысл системной архитектуры Citect? 5.Как происходит обработка данных в Citect? 6.Что такое масштабируемая архитектура? 11.ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ КОНТРОЛЛЕРЫ 11.1 Место программируемого контроллера в АСУ предприятия 11.2 Терминология технических средств 116 11.3 Структура ПЛК 11.4 Операционная система ПЛК 11.5 Классификация ПЛК Ключевые слова: структура управления предприятием, терминология технических средств, организация взаимосвязи, структура ПЛК, классификация ПЛК. 11.1 Место программируемого контроллера в АСУ предприятия Специалисты по комплексной автоматизации предприятий придерживаются 5-уровневой структуры при построении индустриальных систем (рис.11.1): 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.11.1 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. 117 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 кон- троллеров (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. 118 Однако в ряде случаев экономически целесообразно объе- динить функции управления и MMI интерфейса на основе единых аппаратных средств, и тогда неминуемо придется выбирать между промышленным компьютером и программируемым логическим контроллером. Рис11.2 Обобщенная структура системы типа SCADA Таким образом, современные ПЛК могут использоваться в ка- честве 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 ав- томатизации (см. рис.11.1) 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. Программируемые контроллеры Операторские станции Подсистема ведения архива Сервер SCADA Локальное управление, сбор и первичная обработка информации. (Уровень Control) Человеко-машинный Интерфейс (Уровень MMI) Система MES 119 11.2 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. 11.2.1 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. 120 11.2.2 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. 11.2.3 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. 11.2.4 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. 11.3 Структура ПЛК Первые ПЛК появились в 1967 г. и были предназначены для локальной автоматизации наиболее часто встречающихся в промышленности технологических задач, которые описывались пре- имущественно логическими уравнениями. ПЛК с успехом заменили 121 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. 122 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. Рис11.3 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 ре- зервирования составных элементов (например, ЦП может Исполнительные устройства Объект управления Датчики Центральный процессор Адаптеры Адаптеры входов выходов Периферийные адаптеры Текстовый блок Устройство Программирования Линейный диалоговый блок ПК или контроллер верхнего уровня Панель оператора и визуализации 123 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 многопро- цессорными, 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). Рис11.4 Структурные схемы дискретных входа (а) и выхода (б) ПЛК Кроме собственно приема информации, адаптеры дискретных входов выполняют предварительную обработку сигнала, выделение 124 полезного сигнала из зашумленного, реализуют развязку сигналов с различными уровнями мощности. Уровни постоянного и перемен- ного 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? 11.4 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 (рис11.5). 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. 125 Входы Выходы Рис11.5 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 1 1 PII Цикл программы Пользователя Тест Чтение PII Выполнение программы 0 1 POI 0 Таймеры, счетчики Память состояния Прерывания 126 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 ориентиро- ванные алгоритмы программной защиты от сбоев аппаратуры. Ис- пользуются 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, по- чему 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 127 ПЛК указывается время выполнения операций определенного типа (табл. 11.1). Табл.11.1.БЫСТРОДЕЙСТВИЕ НЕКОТОРЫХ ПЛК Тип ПЛК Оценка быстродействия, мс Примечание SIMATIC S7-200 Время выполнения 1К бинарных команд-0,8 Modicon TSX Micro Время выполнения 1К бинарных команд-0,15 Время опроса 1К дискретных входов – 0,7 ПЛК малого формата SIMATIC S7-300 Время выполнения 1К бинарных команд-0,3 Время выполнения 1К смешанных команд-0,8 DL-305 Direct Logic Время выполнения 1К бинарных команд-0,87 Время опроса 1К дискретных входов-4……..5 ПЛК среднего формата SIMATIC S7-400 Время выполнения 1К бинарных команд-0,08 Время выполнения 1К операций сложения- 0,08 Время выполнения 1К операций сложения в формате с плавающей запятой – 0,48 Мощный ПЛК 11.5 Классификация ПЛК ПЛК принято подразделять на три группы. Ранее эти группы называли гаммами. Сейчас в русскоязычной литературе используют термин «формат», а в англоязычной эти три группы характеризуют как «Micro PLC», «Mini PLC» и «Power PLC». В табл11.2 даны количественные и качественные критерии для ПЛК разного формата, принятые 20 лет назад и существуюшие в настоящее время. Табл11.2. Функции ПЛК разного формата Критерии определения гаммы ПЛК в 1979г. Критерии определения формата ПЛК в 1998 г. ПЛК Число дискретных входов/выходов Выполняемые функции ПЛК Число дискретных входов/выходов Выполняемые функции нижней гаммы 20 ‹ N ‹ 100 Обработка цифровых данных не производится малого формата Micro PLC 5…10 ‹N ‹ 100 Типовые: логические, временные, счетные, арифметические в формате с фиксированной запятой. Расширенные: арифметические в формате с плавающей запятой, ПИД- регулирование средней гаммы 100 ‹ N ‹ 500 Производится упрощенная цифровая обработка среднего формата Mini PLC 100 ‹ N ‹ 500 Логические, временные, счетные, совершенная цифровая обработка, ПИД- регулирование, регулирование по законам нечеткой логики (Fuzzy logic). Сетевые возможности верхней гаммы 100 ‹ N ‹ 4096 Производится совершенная цифровая обработка мощные Power PLC 100 ‹ N ‹ 128K Логические, временные, счетные, совершенная цифровая обработка, ПИД- регулирование, регулирование по законам нечеткой логики (Fuzzy logic). Работа с таблицами, средства MMI интерфейса, расширенные сетевые возможности 128 Данные табл11.2 свидетельствуют о том, что порог рентабельности ПЛК сместился. В 1979 г. ПЛК нижней гаммы считались рентабель- ными, если они заменяли устройство автоматики с общим числом входов/выходов, равным 20 , в настоящее время можно встретить ПЛК с пятью-десятью входами-выходами (например, контроллеры LOGO и TeleSAFE). Произошло это не потому, что микропроцессорная элементная база стала относительно дешевой. Повысился уровень требований к простым устройствам автоматизации, которые должны обладать более развитым интерфейсом визуализации, а также обеспечивать возможность работы в общей информационно-управляющей сети предприятия. Две последние функции затруднительно реализовать какими-либо другими средствами, кроме микропроцессорных. Одновременно повысилась функциональная сложность всех ПЛК. Раньше ПЛК нижней гаммы выполняли только логические, счетные и временные функции, сейчас примерно половина ПЛК малого формата реализует алгоритмы регулирования. ПЛК верхней гаммы существенно расширили функциональную гибкость. Так, число дискретных входов/выходов, обслуживаемых SIMATIC S7-400, может доходить до 128К, число аналоговых входов — до 8 К. Мощные ПЛК реализуют задачи логического управления, регулирования, в том числе по законам нечеткой логики, выполняют функции работы с таблицами для создания баз данных, оснащены программной поддержкой средств визуализации систем SCADA. Как уже отмечалось, реализация станции оператора с использованием выделенного промышленного компьютера не всегда оправданна, поэтому в ПЛК среднего формата и особенно мощных ПЛК особое внимание уделяется возможности подключения и программной поддержке пультов оператора и устройств визуализации технологического процесса. Практически все фирмы- изготовители ПЛК имеют в номенклатуре продукции ряд текстовых и графических панелей операторов, а также программное продукты для их параметрирования. Диапазон возможностей панелей оператора кратко рассмотрим на примере продукции фирмы Siemens. Текстовые панели OP3/OP7/OPI7 предназначены для простых применений, так, ОРЗ рекомендуются в качестве переносного пульта. Дисплей панелей жидкокристаллический с подсветкой, число строк - от 2 до 4, число символов в строке — от 20 до 40. Максимальное число клавиш панели - 46 для OPI7. Гра- фические панели ОР27/ОР35/ DP37 имеют разрешающую способность до 640x480 точек, число клавиш - до 68. Панели имеют 129 встроенный процессор, что разгружает ПЛК от операций формирования изображения в реальном времени. Построение систем комплексной автоматизации предприятий требует включения практически каждого ПЛК в информационную сеть предприятия, способную работать в сложных промышленных условиях, поэтому одним из основных требований к современному ПЛК любого формата является аппаратная и программная совместимость с одним или несколькими стандартами сетей промышленного назначения. В недалеком прошлом многие фирмы изготовители ПЛК и средств автоматизации разрабатывали собственные протоколы обмена (DH- 485 для Allen Bradley , K- sequence для PLC-Direct, Telway для Telemecanique). Это в значительной степени обусловлено иерархической топологией сети для крупных производственных установок, которые требуют использования нескольких децентрализованных систем управления, выполненных, как правило, на ПЛК одной фирмы и подключенных к мощному ПЛК верхнего уровня той же фирмы (рис.11.6). Такой подход был выгоден фирмам производителям, так как вынуждал применять только его оборудование. Однако очевидное усиление интеграции на уровне SCADA требует получения информации в централизованное пользование практически от каждого ПЛК. Рис.11.6 иерархическая сеть на основе ПЛК В связи с этим конкурентоспособными останутся те ПЛК, которые обеспечивают сопряжение с открытыми промышленными сетями, такими как MODBUS, PROFIHUS, ETHERNET. Именно DN - 485 МодульAIC+ Модуль AIC+ Модуль AIC+ Контроллер SLC-5 Контроллер MICROLOGIC Контроллер SLC-5 Контроллер MICROLOGIC DATA HIGHWAY PLUS Контроллер PLC - 5 130 адаптацией к различным промышленным сетям обусловлено чрезвычайное разнообразие WG современных мощных ПЛК. 11.5.1 Мощный ПЛК Рассматривая современное состояние вычислительной техники, легко поддаться искушению, переложить функции интерпретатора на программные средства разработки прикладного программного обеспечения, оригинальные пакеты которых, работающие в среде Windows, имеет каждая фирма. Такое решение предполагает замену специализированного модуля ЦП универсальным программируемым контроллером с открытым программным обеспечением. Это направление сейчас активно развивается, и получило название «Soft PLC». Однако производители ПЛК не спешат полностью отказываться от специализированных ЦП. Весьма показательно, что разработчики самого мощного на сегодня ПЛК S1MAT1C S7-400 с целью повышения быстродействия пошли на выполнение ЦП мультипроцессорным, но не стали отходить от рассмотренного выше принципа построения ОС ПЛК. Достигнутое таким образом быстродействие (см. табл11.I)сравнимо с быстродействием программ управления промышленных контроллеров, написанных на языке СИ. Рассмотренная упрощенная ОС ПЛК является однозадачной. Если ПЛК заменяет несколько независимых релейных схем, программные модули, реализующие каждую из схем, расположены в памяти последовательно. В связи с этим время реакции ПЛК на из- менение входных сигналов определяется суммарным временем выполнения всех программных модулей. Если среди обслуживаемых устройств окажется такое, которое требует более быстрой реакции, то рассматриваемая однозадачная ОС этого сделать не позволит. Очевидно, мультипроцессорный путь повышения быстродействия применим только для мощных ПЛК (но для них он, конечно, не единственный). Другой способ повышения быстродействия ПЛК — переход к многозадачным ОС. Ранее многозадачные ОС были характерны только для мощных ПЛК. в настоящее время такая ОС — не редкость даже для ПЛК малого формата. Так, двухзадачную ОС имеет ПЛК среднего формата Telemecanique TSX 47-10/20. Программа управления, записываемая в этот ПЛК, должна быть разделена на две задачи. Инициализация выполнения «быстрой» задачи выполняется периодически с регулируемым разработчиком интервалом между обращениям (от 5 до 10 мс). Программа «медленной» задачи запускается на выполнение по сигналу сторожевого таймера каждые 150 мс. Отдельные части этой 131 программы выполняются с разделением по времени после оконча- ния очередного цикла обработки «быстрой» задачи. В ПЛК малого формата Modicon TSXMicro реализована многозадачная ОС. Для создания многозадачных ОС используют механизм, прерывания по сигналам внешних устройств, которыми управляет ПЛК. Такой механизм используют все ПЛК фирмы Siemens (см. рис11.5). Придание ПЛК регулирующих функций неминуемо потребовало введения в состав языков программирования ПЛК команд работы с двоичными словами. ПЛК стали выполнять сложные вычисления, причем арифметики в формате с фиксированной запятой оказалось недостаточно — сейчас многие ПЛК имеют в системе команд библиотеки для работы с числами в формате с плавающей запятой. В первую очередь арифметические команды используются для реализации алгоритмов ПИД- регуляторов, причем не просто регуляторов, а с алгоритмами самонастройки и оптимизации переходных процессов. Несмотря на такое существенное усложнение базового про- граммного обеспечения, разработчики ПЛК не спешат уходить от проверенных временем принципов построения ПЛК. Так, ал- горитм функционирования всех ПЛК фирмы Siemens (законодателя в области ПЛК), вплоть до мощного S7-400, выполнен по схеме, показанной на рис11.5, а не в виде системы со свободно загружаемым программным обеспечением. Весьма показателен пример с Telemecanique TSX 47-10/20. Для включения алгоритма ПИД-регулирование в его программу необходимо не только записать соответствующие команды, но и подключать специальный блок памяти в разъем на передней панели корпуса ПЛК. Пользователю при обращении к функции ПИД-регулирования следует задать только коэффициенты и постоянные времени программному коду регулятора. 11.5.2 ПЛК малого формата (MicroPLC) ПЛК малого формата были и остаются наиболее многочисленной группой в семействе логических контроллеров. Этот факт в полной мере подтверждается числом строк табл.11 3, в которой приведены характеристики ПЛК малого формата, имеющиеся на российском рынке. Табл11.3. ПЛК малого формата (Micro PLC) Параметры Модель ПЛК, Фирма, габариты Выполняемые функции Параметры ЦП Ввод Вывод Simatic S7-200 Siemens 132 (197 * 80 * 62 ) Логические, временные, счетные, арифметические с фиксированной и плавающей запятой CPU214 Память программ – 2К ОЗУ данных – 2К Быстродействие – 0,8 мкс (218 * 80 * 62) Логические, временные, счетные, арифметические с фиксированной и плавающей запятой, ПИД-регулятора CPU216 Память программ – 8К ОЗУ данных – 2,5К Быстродействие–0,8 мкс =24В 130В Транзистор 24В/0,5А Реле +24В/2А Modicon-TSX Micro Логические, временные, счетные, арифметические со словами одинарной и двойной длины, в формате с плавающей запятой, работа с таблицами, ПИД- регулятора Быстродействие– 0,3 мкс Память программ – 4,7К Память программ – 7,8К Память программ – 40К =24В 115В 240В Транзистор 24В/2А Реле 240В/2А DL 205 PLK Direct By Koyo Inc. Логические, временные, счетные, арифметические. Часы реального времени. Встроенный журнал самодиагностики 4 ПИД-регулятора с самонастройкой DL250 Память программ 7К ОЗУ – 7К =24В 132В Транзистор 24В, Триак 264В/0,5А Реле Вывод 264В/1А Три фактора определяют их столь прочное положение. Во- первых, в настоящее время наблюдается стремление к автоматизации тех объектов, которые ранее ей не подлежали- управление запорной арматурой различных трубопроводов и т.д. Во-вторых, «освоение» малыми ПЛК функций регулирования позволяет им в значительной мере заменить ПЛК среднего формата. В-третьих, средние и мощные ПЛК частично вытесняются промышленными компьютерами и контроллерами. Анализ данных табл.11.3, позволяет выявить некоторые тенденции развития малых ПЛК. • Произошло изменение элементной базы памяти программ. Энергонезависимое ОЗУ с блоком резервного питания на аккумуляторах заменили программируемые пользователем ПЗУ с электрическим стиранием (типа EEPROM или FLASH). Микросхемы этой элементной базы имеют большую информационную плотность при меньшем энергопотреблении. Это позволило существенно увеличить память программ малых ПЛК (до 64К) при уменьшении габаритов плат ЦП. Автономный резервный источник питания теперь может использоваться для поддержания работоспособности устройства в целом (контроллеры TeleSAFE). 133 • Общее совершенствование микроэлектронной базы привело к миниатюризации малых ПЛК. Максимальный линейный размер всех моделей лежит в пределах 20 см. • Изменился подход к конструктивному исполнению ПЛК мало- го формата. Почти полностью исчезли малые ПЛК модульного исполнения. Базовая модель ПЛК малого формата теперь имеет неизменяемую пользователем конфигурацию с фиксированным числом дискретных входов/выходов (их стали называть интегрированными). Базовая модель выполняется в нескольких модификациях, различающихся типом встроенного источника питания (+ 24В или 130/240 В), типом ЦП и электрическими параметрами дискретных входов/выходов. Это объясняется открывшейся в связи с мик- роминиатюризацией электронных компонентов возможностью повысить надежность ПЛК путем уменьшения числа плат в его конструктивном исполнении. Нередки одноплатные варианты. Несмотря на неизменяемую конфигурацию по числу входов/выходов базовой модели, практически все малые ПЛК имеют возможность подключения модулей расширения с адаптерами аналоговых и дополнительных дискретных входов/выходов. Подключение именно модулей расширения преследует две цели. Во-первых, обеспечить помехозащищенный ввод сигналов с удаленных датчиков, что достигается путем передачи данных от модуля расширения к базовой модели по специальной цифровой магистрали. Длина такой магистрали может достигать нескольких сотен метров, поэтому схемотехническое исполне- ние цифровой части адаптеров расширения значительно отли- чается от аналогичных по функциям интегрированных адаптеров. Иногда такие адаптеры называют модулями удаленного ввода. И только, во-вторых, модули расширения служат для увеличения числа входов/выходов. Как правило, малые ПЛК имеют два способа программирования: с помощью карманного программатора или через интерфейс последовательного обмена с использованием средств разработки, реализованных на персональном компьютере. Для простейших ПЛК (четко прослеживается стремление к реализации режима программирования «на линии», при котором не требуется никаких дополнительных устройств (см. LOGO и TeleSAFE). Практически все ПЛК малого формата поддерживают один или несколько протоколов обмена локальных промышленных сетей. 134 Сетевые возможности становятся одной из главных характеристик изделий данного класса. Рассмотрим отдельные образцы малых ПЛК. Simatic S7-2OO и Modicon TSX Micro — самые быстродействующие и мощные среди малых ПЛК. Близок к ним, по функциональным возможностям DL205 PLC Direct. Фирма PLC Direct by KOYO — сравнительно новая на российском рынке средств автоматизации, но предоставляет полный ряд ПЛК с очень хорошими техническими характеристиками. Удивительно органичен новый маленький LOGO фирмы Siemens. В электротехнике его даже называют не ПЛК, а универсальным логическим модулем. Половину площади передней панели корпуса LOGO занимает графический ЖКИ дисплей, на котором с помощью шести клавиш можно «собрать» схему коммутации из 30 функциональных модулей. LOGO запомнит программу во FLASH памяти и будет реализовывать заданный алгоритм коммутации. При необходимости контроллер может быть перепрограммирован на месте установки. Устройство имеет защиту от несанкционированного доступа. Особое внимание следует уделить ряду ПЛК TeleSAFE. Он представляет собой новую линию ПЛК — контроллеры для удаленных станций сбора данных и управления. Базовая модель ПЛК имеет всего от трех до пяти дискретных входов/выходов, но обязательно оснащена адаптерами аналоговых входов. Контроллеры имеют встроенные часы/календарь для составления архивов данных. Основная черта этих ПЛК — выдающаяся коммуникационная гибкость. TeleSAFE могут работать с коммутируемыми или выделенными телефонными линиями или радиолиниями. Программная поддержка TeleSAFE позволяет работать практически через любую сеть. ПЛК TeleSAFE всепогодные, они единственные среди предлагаемого списка могут эксплуатироваться при минусо- вой температуре. Вопросы для самопроверки: 1. Содержание пирамиды комплексной автоматизации предприятия. 2. Способы организации взаимосвязей между уровнями в пирамиде комплексной автоматизации. 3. Структура системы типа SKADA. 4. Дать функциональное определение промышленному компьютеру, программируемому контроллеру, программируемому логическому контроллеру и контролеру сбора данных. 5. Структура ПЛК и требования предъявляемые к нему. 135 6. Особенности центрального процессора ПЛК. 7. Операционная система ПЛК. 8. Классификация ПЛК. 9. Мощные ПЛК и MicroPLC. 12 Выбор промышленных контроллеров 12.1 Критерии выбора промышленных контроллеров 12.2 Адекватность функционально-технологической структуре объекта 12.3 Производительность контроллеров для АСУТП 12.4 Специальные модули контроллеров для АСУТП Ключевые слова: критерии выбора, адекватность, производительность, оптимальное соотношение, специальные модули. 12.1 Критерии выбора промышленных контроллеров ПЛК получили широкое применение во всех областях промышленного производства. Большая и часто меняющаяся номенклатура ПЛК на рынке производителей средств автоматизации вводит разработчиков АСУТП в затруднительную ситуацию по их выбору, исходя из экономической целесообразности определенного типа контроллера и его конкретного производителя. Если первоначально ПЛК сильно отличались по качеству изготовления компонентов (технология), функциональности (набор базовых и специальных функций), производительности, структуре локальной шины управления и данных для связи с УСО, системным программным средствам, инструментальным пакетам для разработки прикладного ПО и средствам диагностики, то в настоящее время есть тенденция к сближению всего спектра характеристик ПЛК. На рынке ПЛК любая представительная фирма (отечественная или зарубежная) может компетентно заявить о применении своих контроллеров в широкой области промышленной автоматизации. По каким же критериям выбираются ПЛК для конкретной централизованной или распределенной АСУТП?. Предлагаются разные варианты базовых критериев при оценке выбора ПЛК: • технические характеристики; • эксплуатационные характеристики; • потребительские свойства. 136 В разных вариациях ПЛК оцениваются по быстродействию, производительности, объему памяти программ, количеству каналов ввода/вывода и функциональным свойствам. Оценка ПЛК по техническим и эксплуатационным характеристикам и по потребительским свойствам является естественной, но ее нельзя назвать всеобъемлющей. Например, не учитываются коммуникационные возможности, место в иерархии систем АСУТП и другие характеристики. Предлагаются следующие требования, которым могут удовлетворять ПЛК: • адекватность функционально-технологической структуре объекта; • оптимальное соотношение цена-производительность; • широкая номенклатура специализированных модулей (сетевые модули, модули взвешивания, управления движением и др.); • возможность построения систем резервирования и противоаварийной защиты. 12.2 Адекватность функционально-технологической структуре объекта Централизованные и распределенные АСУТП представляют собой иерархическую структуру, состоящую из ряда уровней. Для централизованной АСУТП это такие уровни, как: • диспетчерский; • цеховой; • технологический. Для распределенной АСУТП это уровни: • диспетчерский; • цеховой; • локальный; • технологический. На рис.12.1 и 12.2 представлены типовые структурные системы централизованных и распределенных АСУТП. 137 Рис.12.1 Структурная схема централизованной АСУТП Рис.12.2 Структурная схема распределенной АСУТП принтер АРМ Диспетчера Индустриальная шина Диспетчерский уровень ПЛК основной ПЛК резервный Цеховой уровень Локальная шина Модули УСО Технологический уровень 138 ПЛК используются на цеховом и локальном уровнях. Применение контроллеров на цеховом уровне централизованной АСУТП должно удовлетворять следующим основным требованиям: • локальная или полевая (промышленная) шина обмена между контроллером и распределенным (удаленным) УСО (например, Modbus Plus, PROFIBUS) со скоростью обмена не менее 1 Мбит/с; • индустриальная шина обмена между контроллером и АРМ диспетчера; • количество переменных на один ПЛК превышает 280/112 дискретных/аналоговых; • ОС реального времени; • синхронизация времени; • обработка прерываний; • контуры регулирования; • архивирование данных; • система резервирования (не обязательно); • программирование в режиме реального времени (on-line). Оптимальными, с этой точки зрения, являются контроллеры с шиной VME или с локальной шиной для обмена данными со встроенными УСО, например, контроллеры типа VME9300-42, IUC9000 (Kontron), SIMATIC S5-115F, SIMATIC S7-400 (Siemens), Premium, Quantum (Schneider Electric) 90-30,90-70 GE (Fanuc), серии 6000 (Octagon Systems). Применение контроллеров на цеховом уровне распределенных АСУТП аналогично их применению на цеховом уровне централизованных АСУТП, за исключением следующих особенностей: • обязательна система резервирования; • количество переменных на систему достигает 1000; • для обмена данными между цеховым контроллером и локальными контроллерами используется полевая шина. Этим требованиям соответствуют контроллеры типаVME9300- 42 (Kontron), SIMATIC S5-115F, SIMATIC S4-400H (Siemens), Premium, Quantum (Schneider Electric). Применение контроллеров на локальном уровне распределенных АСУТП должно удовлетворять следующим основным требованиям: • локальная полевая шина обмена между контроллером и распределенным (удаленным) УСО (например, Modbus Plus, PROFIBUS) со скоростью обмена не менее 1 Мбит/с; 139 • полевая шина обмена между локальным и цеховым контроллерами; • количество переменных на один ПЛК достигает 280/112 дискретных/аналоговых; • ОС реального времени; • поддержка синхронизации времени; • контуры регулирования; • программирование в режиме реального времени (on-line). Этим требованиям соответствуют контроллеры типа IUC9000, SMART I/O (Kontron), SIMATIC S7-300H (Siemens), Premium, Compact (Schneider Electric), 90-30 (GE Fanuc). В отдельную группу выделяются контроллеры для следующих применений: • контроллеры противоаварийной защиты (ПАЗ); • контроллеры сбора удаленных каналов телемеханики (RTU). Контроллеры ПАЗ применяются в системах противоаварийной защиты. Особенности системы ПАЗ состоят в следующем: • высокая готовность системы; • контроллер ПАЗ может быть выделен из системы в отдельный блок, если система ПАЗ входит в состав АСУТП; • резервирование источников питания системы; • малое время реакции системы на событие (прерывание); • ввод аналоговых сигналов без мультиплексирования производится высокоскоростными модулями УСО с изоляцией между каналами не менее 1500 В. Данным характеристикам в полной мере удовлетворяют контроллеры SIMATIC S5-115F (Siemens), Premium, Quantum (Schneider Electric), 90-30, 90-70 (GE Fanuc). Контроллеры входят в состав оборудования автоматизированных систем контроля и управления (АСКУ) удаленными объектами, где средства коммуникации и доступа к объекту затруднены. Свойства контроллеров, входящих в состав АСКУ удаленных объектов, следующие: • коммуникационная поддержка последовательных и модемных каналов; • стандартный протокол обмена; • расширенный диапазон температуры от – 40 до +60 ˚C; • встроенная диагностика; • программирование в режиме реального времени (on-line); • защита от провалов питания с помощью батареи или бесперебойного ИП. 140 Для этих целей фирмами Schneider Electric и Bristol Babcock разработаны специальные контроллеры Compact и серии Network DSC3000. 12.3 Производительность контроллеров для АСУТП Производительность ПЛК оценивается по следующим характеристикам: • время считывания (выбора) канала телеизмерения; • время обработки команд (двоичных, логических, булевых); • время оборота маркера на внешней шине; • цикл приложения задачи мастера (опрашивающего устройства); • пропускная способность локальной или промышленной шины; • цикл приложения задачи исполнителя (опрашиваемого устройства). Одним из существенных параметров ПЛК является время считывания (Т ск ) канала модуля телеизмерения. Это время представляется в технических характеристиках на модуль УСО неявно в виде времени преобразования аналогового модуля (около 50 мкс для типового модуля) и в явном виде приводится в пределах 0,2….4,0 мс, Суммарное время преобразования и время на обработку результата (время драйвера модуля УСО) определяет Т ск Время обработки команд (Т ок ) дается в технических характеристиках на модуль ЦП в расчете на обработку 1К операций. Это время относится к обработке операндов в приложении, косвенно можно оценить по объему приложения в памяти программ. Как правило, время обработки команд значительно превышает суммарное время считывания каналов и в итоге определяет время цикла задачи в инструментальном пакете ПЛК Время оборота маркера (Т ом ) определяется циклами считывания модулей УСО на локальной шине или циклами прикладной задачи на локальных контроллерах, а также пропускной способностью шины. Т ом определяется по формуле: Т ом = (N – 1) + n · (T з + T о + T хх ) · Tбит/с, где N – количество узлов; n – количество переменных; T з - время запроса; T о – время ответа; T хх – время холостого хода; Tбит/с – время передачи 1 бита в секунду. 141 На рис.12.3 и 12.4 даны временные соотношения цикла приложения, Т ск и Т ом , (где Т ск – время считывания канала; Т ом – время оборота маркера; Т см - время считывания модуля; Т су – время считывания узла) для опроса на промышленных шинах Modbus Plus и Profibus. Рис. 12.3 Опрос на промышленной шине типа Modbus Plus Время оборота маркера на локальной и промышленной шине равно циклу приложения узла задатчика (мастера) на шине и может быть меньше пропускной способности шины. Цикл приложения узла исполнителя на промышленной шине не должен превышать Т ом , иначе приложение не успеет подготовить данные для опроса. Цикл приложения мастера на промышленной шине может быть меньше цикла приложения исполнителя, но при этом не в каждом цикле приложения мастера данные модифицируются. Рис.12.4 Опрос на промышленной шине типа Profibus 142 Табл.12.1 Линейки контроллеров от основных производителей Фирма Линейка верхнего уровня Линейка среднего уровня Линейка нижнего уровня Kontron VME9300 IUC9000 Smart I/o Siemens SIMATIC S7-400 SIMATIC S7-300 ET200 Schneider Electric Quantum Premium Micro/Nano GE Fanuc 90 - 70 90 - 30 VersaMax В табл.12.1 представлены линейки контроллеров от основных производителей. Линейка контроллеров представляет собой группу контроллеров с одинаковым конструктивом, равными функциональными возможностями, но с разной производительностью в зависимости от ЦП. Линейки контроллеров у разных производителей лежат в одном слое с равными типовыми решениями конструктива, набора функций, плотности каналов УСО и др. Линейки подразделяются по уровням (табл.12.1): • линейка верхнего уровня (мощные цеховые контроллеры, как правило, типа VME); • линейка среднего уровня (контроллеры локального уровня АСУТП, средней производительности); • линейка нижнего уровня (контроллеры – интеллектуальные УСО для связи с распределенными объектами). В одной линейке ПЛК отличаются по производительности центральных процессоров и их коммуникационным возможностям. Стоимость ПЛК в одноуровневых линейках разных производителей контроллеров близка к равному номиналу. В ряду одной линейки стоимость ПЛК может колебаться в пределах стоимости ЦП. 12.4 Специализированные модули контроллеров для АСУТП Наряду с традиционными модулями дискретных, аналоговых и последовательных каналов на рынке промышленных контроллеров имеется ниша для набора специализированных модулей, которые расширяют номенклатуру спектра применения промышленных контроллеров. Состав специализированных модулей следующий: • модули коммуникационные; • модули – счетчики; • модули частотные; • модули взвешивания; • модули управления движением; 143 • модули защиты; • модули скоростного аналогового ввода для систем измерения в реальном времени. Вопросы для самопроверки: 1. Назвать основные критерии выбора ПЛК. 2. Структуры АСУТП и их уровни. 3. Уровни АСУТП и требования предъявляемые к ПЛК. 4. Свойства контроллеров для АСКУ. 5. Характеристика ПЛК по производительности. |