В начало

Лекция. Аппаратные средства SCADA-систем

 

1.     Основные технические характеристики контроллеров

     и программно-технических комплексов

Современный рынок контроллеров и программно-технических комплексов весьма разнообразен. Выбор наиболее приемлемого варианта автоматизации представляет собой многокритериальную задачу, решением которой является компромисс между стоимостью, техническим уровнем, надежностью, комфортностью, затратами на сервисное обслуживание, полнотой программного обеспечения и многим другим.

Предприятия выбирают средства и системы автоматизации исходя из двух вариантов поставленной цели:

- решение чисто тактических задач автоматизации (замена морально и технически устаревших средств, обеспечение нормального функционирования процесса, реализация простейших функций – контроля, блокировки, регулирования);

- преследование стратегических целей автоматизации (повышение экономической эффективности, обеспечение интеграции данной системы автоматизации с другими системами на предприятии, обмен информацией с бизнес-процессами, т.е. с АСУП, упрощение обслуживания и возможных будущих модернизаций).

К особенностям приобретения средств и систем автоматизации большинством заказчиков можно отнести:

1.   Отсутствие требований к современности приобретаемых средств и систем и свойствам, определяющим перспективность их эксплуатации.

2.   Недостаточное знание рынка предлагаемых средств автоматизации и отсутствие их независимого объективного анализа.

3.   Неоправданно узкое число производителей, рассматриваемых в качестве потенциальных поставщиков средств и систем автоматизации. А фактически в России имеется огромный выбор средств и систем широкого круга производителей.

4.   Незаинтересованность заказчика в сложных, но гораздо более эффективных алгоритмах управления. Обычно это объясняется достаточно низким уровнем обслуживающего персонала. Достаточно ПИД-регулятора и блокировок – это то, что нужно сейчас. А когда повысится квалификация персонала, тогда будем думать.

Трудно “влезть в шкуру” заказчика и понять, почему он так себя ведет на очень широком рынке средств и систем автоматизации. Но одну из особенностей его поведения можно обсуждать – незнание рынка средств и систем. Прошло уже 8-10 лет с тех пор, как на российский рынок вышли мировые производители контроллеров. Кажется, это достаточное время для того, чтобы разобраться в проблеме.

Настоящая лекция не преследует цель дать глубокий и объективный анализ средств автоматизации (контроллеров). Это дело специалистов- эксплуатационников. Тем не менее, попытаемся сделать первую попытку систематизации знаний о контроллерах.

Формирование современного мирового, в том числе и российского, рынка средств и систем управления в последнее десятилетие было обусловлено следующими факторами:

- появлением недорогих и высокопроизводительных промышленных

  компьютеров на базе микропроцессоров фирмы Intel;

- появлением недорогих модулей ввода/вывода, конструктивно

  совмещенных с клеммными колодками;

- появлением в номенклатуре PLC модулей ПИД-регулирования;

- появлением коммуникационных модулей, позволяющих создавать сети

  PLC и легко подключать их к компьютеру;

- использованием витой пары для подключения измерительных

  преобразователей и модулей ввода/вывода.

- появлением недорогих и совершенных сетей, подобных Ethernet,

  Arcnet;

-  появлением недорогих промышленных сетей FIP, CAN, Profibus

  и других;

-  появлением универсального программного обеспечения SCADA

  для  персональных компьютеров, выполняющего функции

  человеко-машинного интерфейса;

- появлением комбинированного ПО для визуализации и

  программирования PLC;

- появлением надежной, широко распространенной операционной

  системы Windows NT;

- появлением типовых решений при производстве аппаратных средств, в

  частности, магистрально - модульной архитектуры плат контроллеров

  по стандартам ISA, PCI, VME.

 

Классифицировать контроллеры можно по различным признакам. Вот одна из классификаций (по назначению):

-         общепромышленные контроллеры;

-         встраиваемые контроллеры;

-         противоаварийные контроллеры (резервированные,

     высоконадежные);

-   телемеханические контроллеры, передающие сигналы на большие

     расстояния (десятки и сотни км).

Обзор различных семейств контроллеров многих производителей показал, что в первом приближении в качестве характеристик контроллеров  можно выделить пять обобщенных показателей:

-         характеристика процессора;

-         характеристика каналов ввода/вывода, поддерживаемых

     контроллерами;

-         коммуникационные возможности;

-         эксплуатационные характеристики;

-         программное обеспечение.

Рассмотрим эти показатели.

1.1. Характеристика процессора.  Здесь имеется ввиду:

-         наличие и объем различных видов памяти: ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, EPROM, EEPROM, Flash;

-         тип и разрядность основной процессорной платы;

-         рабочая частота;

-         поддержка математики с плавающей запятой, позволяющая выполнять

     эффективную обработку данных;

-         наличие функции ПИД-регулирования.

Память.

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).

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 записывались при ее изготовлении путём нанесения на матрице алюминиевых соединительных дорожек литографическим способом. Наличие или отсутствие в соответствующем месте такой дорожки кодировало "0" или "1".

В контроллерах память типа ПЗУ используется для хранения программ пользователя. Данный тип памяти не получил широкого распространения в связи с тем, что современное программное обеспечение зачастую имеет много недоработок и часто требует обновления, в то время как производственный цикл изготовления памяти достаточно длителен (4-8 недель).

EPROM (СППЗУ), EEPROM (ЭСППЗУ) и Flash (флэш) относятся к классу энергонезависимой перезаписываемой памяти (английский эквивалент - nonvolatile read-write memory или NVRWM).

В EPROM перед записью необходимо произвести стирание (для получения возможности перезаписывать содержимое памяти). Стирание ячеек EPROM выполняется сразу для всей микросхемы посредством облучения чипа ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами в течение нескольких минут.

В EPROM стирание приводит все биты стираемой области в одно состояние (обычно во все единицы, реже - во все нули). Запись на EPROM  осуществляется на программаторах.

Большим достоинством такой памяти является возможность перезаписывать содержимое микросхемы.

Недостатки:

-         небольшое количество циклов перезаписи;

-         высокая вероятность "недотереть", что в конечном итоге приведет к

сбоям, или передержать микросхему под ультрафиолетовым светом, что

     может уменьшить срок службы микросхемы и даже привести к её

     полной негодности.

Главной отличительной особенностью EEPROM (в т. ч. 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, т.е. можно изменить данные в любой ячейке, не затрагивая остальные. Процедура стирания обычно существенно длительнее процедуры записи.

Преимущества EEPROM по сравнению с EPROM: увеличенный ресурс работы, проще в обращении; недостаток - высокая стоимость. В контроллерах этот тип памяти используется как для хранения программ, так и для хранения данных.

Flash (полное название - Flash Erase EEPROM) впервые была разработана компанией Toshiba в 1984 году, и уже на следующий год было начато производство 256 Кбит микросхем flash-памяти в промышленных масштабах. В 1988 году компания Intel разработала собственный вариант флэш-памяти.

Технологически флэш-память родственна как EPROM, так и EEPROM. Основное отличие флэш-памяти от EEPROM заключается в том, что стирание содержимого ячеек выполняется либо для всей микросхемы, либо для определённого блока (кластера, кадра или страницы).

Следует заметить, что существуют микросхемы, позволяющие работать с блоками разных размеров (для оптимизации быстродействия). Стирать можно как блок, так и содержимое всей микросхемы сразу. Таким образом, в общем случае, для того, чтобы изменить один байт, сначала в буфер считывается весь блок, где содержится подлежащий изменению байт, стирается содержимое блока, изменяется значение байта в буфере, после чего производится запись измененного в буфере блока. Такая схема существенно снижает скорость записи небольших объёмов данных в произвольные области памяти, однако, значительно увеличивает быстродействие при последовательной записи данных большими порциями.

Преимущества флэш-памяти по сравнению с EEPROM:

-         более высокая скорость записи при последовательном доступе за счёт

     того, что стирание информации во флэш производится блоками;

-         себестоимость производства флэш-памяти ниже за счёт более простой организации.

Недостаток - медленная запись в произвольные участки памяти.

 

Ниже приведены три таблицы с характеристиками процессоров различных контроллеров. Очевидно, области их применения совершенно различны.

 

 

 

 

 

 

 

Характеристика процессора DL05 (Direct Logic)

Процессор	DL05
Общий объем памяти (слов)	6К
Объем памяти программ  (слов)	2048
Объем памяти переменных (слов)	4096 (128 - э/н*)
ПИД-регулирование	нет
Время выполнения логической операции	2.0 мкс
Время сканирования (программы в 1К)	2.7-3.2 мс

э/н^* - энергонезависимая

 

Характеристика процессоров Simatic S7-400 (Siemens)

CPU	412-1 / 2	414-2 / 3 /4H	416-2 / 3	417-4 / 4H
1	48+48/  72+72 Кб	128/384/+384 Кб	0.8+0.8/1.6+1.6 Мб	2+2 / 2+2 Мб
2.1 2.2 2.3	256 / 256 Кб 64 / 64 Мб 64 / 64 Мб	256 / 256 Кб 64 / 64 Мб 64 / 64 Мб	256 / 256 Кб 64 / 64 Мб 64 / 64 Мб	256 / 256 Кб  64 / 64 Мб 64 / 64 Мб
3	0.2 мкс	0. 1 мкс	0.08 мкс	0.1 мкс
4	0.6 мкс	0.6 мкс	0.48 мкс	0.6 мкс
5	32768	65536	131072/131072	131072 / 131072
6	2048 / 2048	4096 / 4096	8192 / 8192	8192 / 8192

1. Объем встроенного ОЗУ (для программ + для данных).

2.1. Объем загружаемой встроенной памяти.

2.2. Карта Flash EEPROM.

2.3. Карта ОЗУ.

3. Время выполнения логической операции (мкс).

4. Время выполнения операции с плавающей запятой (мкс).

5. Адресное пространство дискретных в/в.

6. Адресное пространство аналоговых в/в.

 

Процессорные модули Power PC (Motorola) формата VME 6U

Процессорные модули	MVME2300	MVME2400	MVME2100
Микро- процессор	MPC603/604	MPC750	MPC8240
Частота, МГц	200/300	233/500	200/250
SDRAM, Мб	16/32/64/128	32/64/128/256	32/64
Flash, Мб	5	9	5/9

 

 

             Сравнительная характеристика процессоров

 

1.2. Характеристика каналов ввода/вывода контроллеров

Параметры контроллера с точки зрения поддерживаемых им каналов ввода/вывода часто могут быть определяющими при выборе. Важно не только количество каналов ввода/вывода, поддерживаемое контроллером, 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, удаленного и распределенного ввода/вывода.

Рассмотрим поподробнее эти характеристики.

Þ      Количество поддерживаемых контроллером (процессором) каналов

    ввода/вывода (аналоговых, дискретных, скоростных).

Большинство фирм-производителей поставляют на рынок средств и систем автоматизации семейства контроллеров, каждое из которых рассчитано на определенный набор выполняемых функций и объем 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. В качестве примеров можно привести контроллеры семейства MicroLogix (Allen-Bradley), Direct Logic DL05 (Koyo), Nano (Schneider Electric).

Семейства малых контроллеров уже способны поддерживать сотни вводов/выводов, выполнять более сложные функции. Эти контроллеры имеют достаточно развитый аналоговый ввод/вывод, выполняют операции с плавающей точкой и функции ПИД-регулирования. К этой группе контроллеров можно отнести SLC 500 (Allen-Bradley), Direct Logic DL205 (Koyo), Smart – (PEP Modular Computer), Simatic S7-200 (Siemens).

Контроллеры средней мощности, обладая достаточной памятью и быстродействием, могут обрабатывать уже тысячи переменных дискретного, аналогового и скоростного типа. Применяются для автоматизации небольших объектов процессов добычи, подготовки и транспорта нефти и газа. Это контроллеры Fanuc 90-30 (GE Fanuc), PLC-5 (Allen-Bradley), Premium (Schneider Electric), Direct Logic DL405 (Koyo) и другие.

Наконец, некоторые крупные фирмы производят класс контроллеров очень высокой вычислительной мощности, обладающих памятью, измеряемой мегабайтами и десятками мегабайт. Их способность обрабатывать десятки тысяч переменных и предопределила их область применения - в качестве концентраторов информации, получаемой от локальных контроллеров. Вычислительные возможности этого класса контроллеров позволяют реализовывать сложные алгоритмы (адаптивное, оптимальное управление), применяемые при автоматизации непрерывных технологических процессов (переработка нефти и газа, нефтехимия). Наиболее яркими представителями этой группы контроллеров являются ControlLogix (Allen-Bradley), Simatic S7–400 (Siemens), Fanuc 90-70 (GE Fanuc), VME (PEP Modular Computers).

 

Сравнительная характеристика контроллеров по вводу/выводу

 

Þ      Разнообразие коммутируемых сигналов.

Как зарубежные, так и отечественные производители контроллеров комплектуют свои изделия широкой гаммой модулей дискретного и аналогового ввода/вывода. По количеству подключаемых сигналов различают модули  на 4, 8, 16, 32 и 64 канала. Такое разнообразие модулей облегчает подбор требуемой конфигурации контроллера, позволяя минимизировать стоимость технических средств.

Коммутируемые модулями дискретного ввода/вывода сигналы могут иметь различный уровень напряжения переменного и постоянного тока. Это и 12, 24, 48 В постоянного тока, 120 и 240 В переменного тока с различными нагрузками по току.

Уровни коммутируемых сигналов модулями аналогового ввода/вывода могут быть самыми разнообразными. Это 0-5В, 0-10В, ±5В, ±10В по напряжению и  0-20мА, 4-20мА по току. Есть и специальные модули для ввода в контроллеры сигналов от термопар и термометров сопротивления различных градуировок. Приведенные здесь данные по уровням сигналов, безусловно, не исчерпывают всего разнообразия, представленного на рынке.

Ниже в качестве примера приведена номенклатура модулей ввода/вывода контроллеров семейства DL-405 фирмы Koyo.

 

VDC/VAC - напряжение постоянного/переменного тока.

Модули ввода/вывода контроллера DL-405 (Koyo)

Þ          Различаются модули ввода/вывода и по способу подключения внешних цепей. К одним модулям внешние цепи подключаются с помощью клемм с винтовыми зажимами. Возможно также подключение внешних цепей через съемные терминальные блоки или фронтальные соединители, что позволяет производить замену модулей без демонтажа внешних цепей. Некоторые производители ПТК предлагают системы ввода/вывода, в которых внешние низковольтные цепи подключаются посредством пружинных зажимов.

На лицевой панели модулей ввода/вывода могут быть расположены светодиоды индикации состояния внешних цепей.

Þ      Одной из важнейших характеристик контроллеров является их способность поддерживать локальный, расширенный, удаленный и распределенный ввод/вывод.

Под локальным следует понимать такой ввод/вывод, когда модули ввода/вывода размещаются непосредственно на том же шасси, 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. Эти шасси расширения с размещенными в них модулями ввода/вывода соединяются между собой специализированным коротким кабелем и могут быть отнесены максимум на несколько десятков метров от центрального процессора. Некоторые комплексы контроллеров способны поддерживать одно/два шасси расширения, другие - десятки шасси с очень большим  количеством модулей ввода/вывода.

Например, многие контроллеры компании Schneider Electric (семейство Premium) имеют большие возможности по расширенному вводу/выводу. Они допускают использование до 8 расширительных панелей на 12 слотов каждая (до 96 слотов), из которых 87 слотов – для модулей ввода/вывода, или до 16 расширительных панелей на 4, 6, 8 слотов (до 128 слотов). В такой конфигурации под модули ввода/вывода используется 111 слотов.

Рис. 1. Организация расширенного ввода/вывода в контроллерах Premium.

В семействе Premium (рис. 1) расширительные панели могут быть размещены на расстоянии не более 100м от базовой панели. При использовании модуля Bus X remote  (TSX REY 200 "Master", устанавливаемый в базовой панели) это расстояние может достигать 250м (модуль поддерживает два канала расширения - имеет два порта). В этом случае в первую расширительную панель каждого канала должен быть установлен  модуль TSX REY 200 "Slave".

Сравнительная характеристика контроллеров по возможностям расширения ввода/вывода:

Simatic S7 - 400 - до 21 стойки расширения

Premium - до 16 стоек (до 128 слотов)

 

DL - 405 - до 3 стоек расширения

 

SLC 500 - 1+2 (3 стойки - 30 модулей)

 

Quantum - 1 стойка на 16 слотов (локальный ввод/вывод),

                    без расширения (14 х 32 = 448 DI/DO)

 

 

 

Удаленный ввод/вывод применяется для систем, в которых имеется большое количество датчиков и других полевых устройств, находящихся на достаточно большом расстоянии (1000 и более метров) от центрального процессора. Это относится и к объектам нефтегазовой отрасли, часто находящихся на больших расстояниях от пунктов управления. Такой подход позволяет уменьшить стоимость линий связи за счет того, что модули ввода/вывода размещаются вблизи полевых устройств.

Каналы удаленного ввода/вывода обновляются асинхронно по отношению к сканированию процессора. Поэтому из числа задач, использующих удаленный ввод/вывод, решены могут быть только те, которые не требуют обновления ввода/вывода на каждом шаге.

Фирмы-производители аппаратных средств автоматизации решают проблему удаленного ввода/вывода по-разному.

Часто поддержка удаленных вводов/выводов осуществляется посредством модулей, называемых "удаленный ведущий" и "удаленный ведомый". Ведущий модуль располагается в локальном каркасе контроллера и соединяется кабелем с “удаленным ведомым”, который находится в удаленном каркасе (контроллеры DL205, DL405 фирмы Koyo, контроллер Quantum компании Schneider Electric).

Один ведущий модуль может поддерживать 32, 64, 125 ведомых. В свою очередь, различные процессоры, могут поддерживать несколько ведущих модулей. Таким образом, системы управления, построенные по технологии удаленного ввода/вывода, способны обрабатывать многие тысячи параметров.

Для конфигурирования удаленного ввода/вывода контроллера Quantum предусмотрены соответствующие модули:

-         модуль головного канала RIO;

-         модуль подканала RIO.

Модуль головного канала RIO устанавливаются в ту же 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 по сети RIO - 1.5 Мбит/с, протяженность сети - до 5250 м (рис. 2).

Рис. 2. Организация удаленного ввода/вывода в контроллерах Quantum.

В системе имеются модули удаленного ввода/вывода (RIO) с одинарным и 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.

Соединение удаленных каркасов (с модулями “D4-RS-ведомый”) с локальным каркасом процессора D4-450 фирмы Koyo осуществляется через порт процессора или посредством модуля “D4-RM-ведущий”.

Рис. 3. Организация удаленного ввода/вывода в контроллерах DL405

Каждый модуль D2-RM поддерживает один канал удаленных вводов/выводов (до 7 каркасов). Все контроллеры DL405 поддерживают два модуля D2-RM (процессор D4-450 плюс к этому имеет порт, поддерживающий удаленный ввод/вывод). Расстояние удаленных каркасов от контроллера достигает 1000м (экранированный кабель “витая пара”) при скорости обмена 38,4 Кбод.

Таким образом, организация удаленного ввода/вывода обеспечивается либо встроенным в процессор портом, играющим роль "мастера", либо специальными модулями, поддерживающими каркасы удаленного ввода/вывода. 

Распределенный ввод/вывод является разновидностью удаленного, с той лишь разницей, что количество параметров, которое требуется "достать",  мало (от нескольких параметров до десятков). Поэтому решение с применением каркасов удаленного ввода/вывода, рассчитанных на достаточно большое количество параметров, может оказаться дорогим. В связи с этим некоторые фирмы предлагают специализированные решения (система Field Control фирмы GE Fanuc, система ввода/вывода FLEX I/O фирмы Allen-Bradley). Одно из решений распределенного ввода/вывода - применение интеллектуальных устройств, объединенных полевой шиной.

Field Control (GE Fanuc) имеет модульную конструкцию и состоит из блока интерфейса шины (Bus Interface Unit – BIU), блока полевых контактных устройств (шасси ввода/вывода) и полевых модулей ввода/вывода. В состав BIU входит интерфейс для соединения с такими полевыми хост-шинами, как шина Genius и FIP. Универсальные блоки полевых контактных устройств, которые могут устанавливаться на DIN-рейке или на панели, имеются в различных конфигурациях (по применению). Один блок интерфейса шины может поддерживать до 8 модулей ввода/вывода, обеспечивая в сумме 128 точек.

1.3.         Коммуникационные возможности контроллеров

К параметрам контроллеров, характеризующим их способность взаимодействовать с другими устройствами системы управления, относятся: 

-         количество и разнообразие портов в процессорных модулях;

-         широта набора интерфейсных модулей и интерфейсных процессоров;

-         поддерживаемые протоколы;

-         скорость обмена данными и протяженность каналов связи.

·        Сетевая архитектура системы управления

Как показано на рис. 4, система управления технологическим процессом представляет собой многоуровневую структуру.

Устройства верхнего уровня (компьютеры, концентраторы) на своем уровне обмениваются большими объемами информации. Эта информация защищена механизмами подтверждений и повторов на уровне протоколов взаимодействия. Пересылаемый массив данных может быть доступен не только центральному устройству, но и другим узлам сети этого уровня. Это означает, что сеть является равноправной (одноранговой), т. е. определяется моделью взаимодействия peer-to-peer (равный с равным). Время доставки информации не является доминирующим требованием к этой сети (речь идет о жестком реальном времени).

Сети, обеспечивающие информационный обмен на этом уровне, называют информационными сетями. Наиболее ярким представителем сетей этого уровня является Ethernet с  протоколом TCP/IP.

Рис. 4. Сетевая архитектура системы правления.

Сети, обеспечивающие информационные обмен между контроллерами, датчиками и исполнительными устройствами, часто объединяются под общим названием "промышленные сети" (Fieldbus дословно переводится как "полевая сеть").

Их можно разделить на два уровня:

- управляющие промышленные сети, решающие задачи сбора и обработки данных на уровне промышленных контроллеров, управления технологическим процессом;

- полевые сети или шины, задачи которых сводятся к опросу датчиков и управлению работой разнообразных исполнительных устройств.

На сегодняшний день спектр протоколов для обоих этих классов промышленных сетей (управляющие и полевые) довольно широк. CAN, FIP, Profibus, ControlNet, DH+, Modbus, Modbus plus, Genius, DirectNet, DeviceNet, Interbus, SDS, ASI, HART, FF и еще несколько десятков протоколов присутствуют сегодня на рынке промышленных сетей. Каждая из сетей имеет свои особенности и области применения.

1.3.1. Полевые шины

В последние годы проявилась тенденция применения в системах управления технологий сквозного сетевого доступа: от мощных супервизорных компьютеров и многофункциональных контроллеров до интеллектуальных полевых устройств (датчики, исполнительные устройства и т. п.). При этом такая связь должна удовлетворять всем современным требованиям по функциональности, надежности и открытости. Рассмотренные ниже полевые шины предназначены для непосредственного взаимодействия с устройствами полевого уровня.

Полевые шины (шины уровня датчиков и исполнительных устройств) должны удовлетворять двум требованиям. Во-первых, необходимо передавать данные в соответствии с жестким временным регламентом. Во-вторых, объем данных должен быть минимальным, чтобы обеспечить работоспособность сети в критические по нагрузкам моменты. Сеть уровня датчиков обеспечивает непосредственный интерфейс между реальным технологическим процессом и промышленными контроллерами.

Передаваемую в такой сети информацию можно разделить на два основных типа: данные о процессе и параметрические данные. Оба типа данных принципиально различны и предъявляют к коммуникационной системе разные требования.

Данные о процессе (изменение состояния кранов, переключателей, управляющих сигналов и т. п.) не являются сложными и, как правило, определяются несколькими информационными битами. Объем такой информации имеет четкую тенденцию к сокращению. Совсем недавно эти данные для одного простого устройства занимали 8-16 бит. Но уже сейчас развитие технологии привело к тому, что с простейших датчиков (дискретного типа) приходит всего 1-2 бита информации.

Данные о процессе имеют явно выраженный циклический характер. Более того, для реализации задач автоматического управления необходимо, чтобы опрос каналов и выдача команд на управление проводились через регламентируемые интервалы времени. Это так называемое требование детерминированности коммуникационной системы. Благодаря небольшому объему передаваемых данных системы промышленной связи способны действительно удовлетворять временным требованиям со стороны реальных процессов.

Параметрические данные необходимы как для отображения текущего состояния сетевых устройств (интеллектуальных), так и их перепрограммирования. В противоположность данным о процессе параметрическая информация не имеет циклического характера. Доступ к ней реализуется по запросу, в ациклическом режиме. Передача параметрических данных требует и реализует методы специальной защиты, а также механизмов подтверждений. Комплексный параметрический блок для интеллектуальных устройств занимает от нескольких десятков байт до нескольких сотен килобайт. В сравнении с быстро меняющимися данными временные требования для передачи параметров можно считать некритичными. В зависимости от типа устройств и протяженности сети требования по времени простираются от нескольких сотен миллисекунд до нескольких минут.

Протоколы полевых шин

¨  SDS (Smart Distributed System) - система ввода/вывода с распределенной логикой, предложенная компанией Honeywell для построения сетей, объединяющих периферийные устройства различных производителей (рис.5).

Эта сеть позволяет работать с такими устройствами ввода/вывода, как концевые выключатели, фотоэлектрические и бесконтактные датчики, позиционеры, и осуществлять обмен информацией на высоких скоростях.

Преимущества сети:

-         одна и та же сеть для контроллеров и источников информации;

-         питание осуществляется по проводам сетевого кабеля;

-         диагностика на уровне физических устройств;

-         время прохождения данных по сети может достигать 0.1 мс.

Характеристика сети.

 

   

 

Рис.5.

Периферийные устройства подключаются к мастер-модулю SDS обычным 4-х проводным кабелем (рис. 5). Таким образом, модуль SDS заменяет стандартные модули ввода/вывода, обеспечивая подключение 64 дискретных входов или выходов (распределенный ввод/вывод). В каркас процессора DL405 (Koyo) можно устанавливать до 8 ведущих модулей SDS (до 512 адресатов на процессор).

¨       Первые продукты, работающие по технологии ASI, вышли на рынок 1993 году. Сегодня эта технология поддерживается рядом известных фирм: Allen-Bradley, Siemens, Schneider Electric и др.

Основная задача этой сети – связать в единую информационную структуру устройства нижнего уровня автоматизируемого процесса (фотоэлектрические датчики, исполнительные устройства, реле, контакторы, емкостные переключатели, приводы, стартеры и т.п.) с системой контроллеров. Это подтверждается и названием сети  - ASI (Actuator Sensor Interface).

ASI-интерфейс позволяет через свои коммуникационные линии не только передавать данные, но и подводить питание (24 VDC) к датчикам и исполнительным устройствам. Здесь используется принцип последовательной передачи на базовой частоте. Информационный сигнал модулируется на питающую частоту.

К одному контроллеру можно подключить до 31 устройства. Протяженность сегмента ASI-шины может достигать 100м. За счет репитеров длину сети и число узлов можно увеличивать. Топологией ASI-сети может быть шина, звезда, кольцо или дерево с циклом опроса 31 узла 5 мс.

Основной кабель представляет собой плоский (не экранированный и не витая пара) двужильный кабель, использующийся одновременно для основного питания (24 VDC) датчиков и исполнительных механизмов и для последовательной передачи двоичной информации сбора данных с устройств, подключенных к шине.

Некоторые контроллеры поддерживают модули мастера шины ASI, которые управляют передачей данных между различными компонентами шины ASI и действует как точка подключения шины к управляющему (host) контроллеру.

Контроллер в такой сети играет роль мастера, а периферийные устройства - подчиненных.

Максимальный объем данных с одного ASI-узла – 4 бита.

На рис. 6 контроллеры Micro (Schneider Electric) взаимодействуют с полевыми устройствами по шине ASI. Функции ведущего обеспечиваются интерфейсным модулем SAZ 10.

Рис. 6.

¨     HART- протокол

Очень перспективным технически и выгодным экономически является взаимодействие интеллектуальных приборов с контроллерами через цифровую полевую шину. Это исключает искажение низковольтных аналоговых сигналов в цепях связи контроллеров с датчиками, существенно уменьшает расходы на кабельную продукцию, позволяя к одной шине подключать несколько приборов. Такую возможность предоставляет HART-протокол.

Протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer), разработанный фирмой Rosemount Inc. в середине 80-х годов, реализует известный стандарт BELL 202 FSK, основанный на технологии 4 – 20 мА.

Стандарт BELL 202 FSK - это кодировка сигнала методом частотного сдвига для обмена данными на скорости 1200 Бод. Сигнал накладывается на аналоговый измерительный сигнал 4—20 мА.

Схема взаимоотношений между узлами сети основана на принципе Master/Slave. В HART-сети может присутствовать до 2 Master-узлов (обычно один). Второй Master, как правило, освобожден от поддержания циклов передачи и используется для организации связи с какой-либо системой контроля/отображения данных. Стандартная топология – «звезда», но возможна и шинная организация. Для передачи данных по сети используются два режима:

- асинхронный: по схеме «Master-запрос/ Slave-ответ» (один цикл   укладывается в 500 мс);

- синхронный: пассивные узлы непрерывно предают свои данные мастер-узлу (время обновления данных в мастер-узле - 250 - 300 мс).

Основные параметры HART-протокола:

- длина полевой шины - 1.5 км;

- скорость передачи данных - 1.2 Кб/с;

- число приборов на одной шине - до 16.

HART-протокол позволяет:

-         проводить удаленную настройку датчиков на требуемый диапазон измерения через полевую шину;

-         не подводить к датчикам отдельные линии электропитания и не иметь в них блоков питания (электропитание реализуется от блоков питания контроллеров через полевую шину);

-         увеличить информационный поток между контроллером и приборами,

 при наличии самодиагностики в приборах передавать сообщения о

 неисправностях по полевой шине, а далее - оператору.

¨  Fieldbus Foundation.

 Fieldbus Foundation - некоммерческая организация (создана в 1994 году), которая объединяет более 120 ведущих мировых поставщиков и конечных пользователей систем управления технологическими процессами и автоматизации производства.

В 1996 году была разработана полевая шина, которая использует модификацию стандарта IEC1158-2 для физического уровня и концепцию PROFIBUS для прикладного уровня. Протокол Foundation Fieldbus (FF) представляет собой открытую, внедренную в промышленности технологию, которая дает пользователям возможность применять лучшие в настоящий момент полевые устройства различных поставщиков и не привязывает их к какому-то определенному производителю.

Fieldbus представляет собой локальную сеть (ЛВС), обладающую возможностью распределять управление по всей сети. Управление процессом включает в себя различные функции: конфигурирование, калибровку, мониторинг, диагностику, а также регистрацию событий, происходящих в различных узлах производственной системы.

В соответствии с многоуровневой моделью открытых систем (OSI) протокол полевой шины использует уровни 1, 2 и 7 (уровень физических устройств, уровень канала связи и спецификация формата сообщений).

Foundation Fieldbus имеет 2 физических уровня:

-         физический уровень H1 FF (медленный), обеспечивающий рабочую

     скорость 31,25 Кбит/с;

-         физический уровень H2 FF (быстрый), обеспечивающий рабочую

     скорость до 1 Мбит/с.

Наиболее распространенная топология полевой шины FF -  шинная (рис.7) и древовидная.

Рис. 7.

Основные преимущества:

·        Снижение капитальных и проектных расходов:

-       уменьшение количества оборудования;

-       уменьшение количества кабелей;

-       ускорение пуско-наладки (автоматизированное 

    конфигурирование датчиков с помощью ПО);

-       упрощение чертежей и уменьшение времени на их разработку;

-       ускорение разработки конфигурации;

-       упрощение монтажа.

·        Повышение стабильности процесса.

·        Увеличение времени непрерывной работы процесса.

·        Снижение расходов на обслуживание и эксплуатацию.

1.3.2. Управляющие сети

Класс задач, решаемых этими сетями, сводится к автоматизации конкретных технологических процессов. Отсюда вытекают и соответствующие требования:

-         скорость передачи, удовлетворяющая задачам реального времени;

-         объем передаваемых данных;

-         протяженность сети;

-         допустимое количество узлов;

-         помехозащищенность и т. п.

Протоколы управляющих сетей

Сегодняшняя ситуация на рынке промышленных управляющих сетей - это ControlNet, PROFIBUS, Modbus, Modbus Plus, DH+, DirectNet, FIPIO, Remote I/O и многие другие сети. Это сети уровня контроллеров и традиционного ввода/вывода (модульного). Каждая из них имеет свои особенности и области применения.

¨       Протокол MODBUS можно назвать наиболее распространенным в мире. Для работы со своими устройствами его используют десятки фирм. Протокол привлекает простотой логики и независимостью от типа интерфейса (RS-232C, RS-422, RS-485 или же токовая петля 20 мА).

Протокол работает по принципу Master/Slave (ведущий-ведомый). Конфигурация на основе этого протокола предполагает наличие одного Master-узла и до 247 Slave-узлов. Только Master инициирует циклы обмена данными. Существует два типа запросов:

-         запрос/ответ (адресуется только один из Slave-узлов);

-        
широковещательная передача (Master через выставление адреса 0 обращается ко всем остальным узлам сети одновременно).

Рис. 8.

На рис. 8 приведен пример взаимодействия контроллеров SCADAPack/Slaves через интерфейс RS-485, используя стандартный протокол обмена Modbus. Для связи контроллеров SCADAPack с рабочей станцией через сеть Ethernet использован модуль/шлюз Ethernet 5905.

¨       Протокол PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) разработан в Германии. Стандарт протокола описывает уровни 1, 2 и 7 OSI-модели. В PROFIBUS используется гибридный метод доступа Master/Slave и децентрализованная процедура передачи маркера. Сеть может состоять из 125 узлов (4 сегмента по 32 узла), из которых 32 могут быть Master-узлами. Адрес 0 зарезервирован для режима широкого вещания. В среде Master-узлов по возрастающим номерам узлов передается маркер, который предоставляет право ведения циклов чтения/записи на шине. Все циклы строго регламентированы по времени, организована продуманная система тайм-аутов. Протокол хорошо разрешает разнообразные коллизии на шине. Настройка всех основных временных параметров идет по сценарию пользователя. Рабочая скорость передачи может быть выбрана в диапазоне 9,6-12 000 Кбит/с.

При построении многоуровневых систем автоматизации часто возникают задачи организации информационного обмена между уровнями. В одном случае необходим обмен комплексными сообщениями на средних скоростях. В другом - быстрый обмен короткими сообщениями с использованием упрощенного протокола обмена (уровень датчиков). В третьем требуется работа в опасных участках производства (нефтегазовые технологии, химическое производство). Для всех этих случаев PROFIBUS имеет решение. Под общим названием понимается совокупность трех отдельных протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA.

Протокол PROFIBUS-FMS появился первым и был предназначен для работы на так называемом цеховом уровне. Здесь требуется высокая степень функциональности, и этот критерий важнее критерия скорости. Основное его назначение - передача больших объемов данных.

В задачах управления, требующих реального времени, на первое место выдвигается такой параметр, как продолжительность цикла шины. Реализация протокола PROFIBUS-DP дает увеличение производительности шины (например, для передачи 512 бит данных, распределенных по 32 станциям, требуется всего 6 мс).

Протокол PROFIBUS-PA - это расширение DP-протокола в части технологии передачи, основанной не на RS-485, а на реализации стандарта IEC1158-2 для организации передачи во взрывоопасных средах. Он может использоваться в качестве замены старой аналоговой технологии 4-20мА. Для коммутации устройств нужна всего одна витая пара, которая может одновременно использоваться и для информационного обмена, и для подвода питания к устройствам полевого уровня.

Протокол PROFIBUS-DP поддерживается устройствами разных производителей. Для контроллеров компании Siemens этот протокол является основным (рис. 9). Некоторые контроллеры семейств S7-300 и S7-400 имеют встроенный порт PROFIBUS-DP, другие взаимодействуют с сетью посредством коммуникационных процессоров.

Рис. 9.

1.3.3. Информационная сеть Ethernet

Ethernet - это локальная сеть для быстрого равноправного (одноранговая сеть) обмена информацией между компьютерами и другими устройствами (контроллерами нижнего уровня, большими контроллерами – концентраторами). В качестве физических средств связи используются толстый коаксиальный кабель 10Base5, тонкий коаксиальный кабель 10Base2, витая пара 10Base-T, оптоволокно 10(100)Base-F. Скорость обмена по сети - 10 Mбод (100Мбод).

Протяженность сети на витой паре - до 100 м, на специализированном оптоволокне - до 2800 м. Количество узлов сети (рабочих станций, серверов и т. п.) определяется многими факторами и может достигать нескольких десятков.

Эта локальная сеть используется в том случае, когда в системе имеют место большие потоки информации, а также при необходимости создания многих пользовательских узлов (рабочих, инжиниринговых станций, серверов и т. д.) в сети.

Большинство контроллеров средней и большой мощности имеют возможность взаимодействия с Ethernet через встроенные порты процессоров или посредством интерфейсных модулей.

Даже микроконтроллеры MicroLogix 1200, MicroLogix 1500 фирмы Allen-Bradley могут быть подключены к сети Ethernet через интерфейс 1761-NET-ENI. Этот интерфейс поддерживает мониторинг программ и их загрузку, сбор данных и равноправный обмен информацией.

А процессоры контроллеров средней мощности PLC 5/20E, PLC 5/40E и PLC 5/60E снабжены встроенным портом Ethernet. Кроме того, в системе имеется модуль интерфейса Ethernet (1785-ENET) для контроллеров PLC 5.

Платформа контроллеров ControlLogix той же компании располагает интерфейсными модулями 1756-ENET/ENBT - 1 порт, 10 Мбит/сек (ENET), 10/100 Мбит/сек (ENBT).

Контроллеры семейства Quantum (Schneider Electric) поддерживают сеть Ethernet TCP/IP посредством интерфейсных модулей:

-         140 NOE 211 00 - 2 порта (передатчик и приемник) с протоколом 10BASE-T, витая пара, скорость передачи данных 10 Мбит/сек);

-         140 NOE 251 00 - 2 порта (передатчик и приемник) с протоколом 10BASE-FL, оптоволокно, скорость передачи данных 10 Мбит/сек).

Контроллеры семейств S7-300 и S7-400 (компания Siemens) поддерживают сеть Ethernet через коммуникационные процессоры CP 343-1 TCP и CP 443-1 TCP.

Контроллеры семейства 90-70 компании GE Fanuc имеют разъем для подключения приемопередатчика локальной сети Ethernet, обеспечивающего высококачественную связь между контроллерами.

Коммуникационный процессор MCP-T (Motorola Communication Processor) предназначен для взаимодействия с локальной сетью Ethernet по протоколу TCP/IP. Может служить мостом между сетью Modbus и сетью Ethernet при больших объемах передаваемой в сети информации.

1.4.         Эксплуатационные  характеристики

¨       Надежность системы управления оценивается следующими косвенными показателями:

·     Возможность резервирования сетей, контроллеров, модулей ввода/вывода и т. д.

К наиболее распространенным способам резервирования относятся:

q         горячий резерв отдельных компонентов и/или контроллера в целом (при непрохождении теста в рабочем контроллере управление переходит ко второму контроллеру);

q         троирование основных компонентов и/или контроллера в целом с голосованием по результатам обработки сигналов всеми контроллерами, составляющими группу (за выходной сигнал принимается тот, который выдали большинство контроллеров группы, а контроллер, рассчитавший иной результат, объявляется неисправным);

q         работа по принципу "пара и резерв". Параллельно работает пара контроллеров с голосованием результатов, а аналогичная пара находится в горячем резерве. При выявлении разности результатов работы первой пары управление переходит ко второй паре. Первая пара тестируется и, либо определяется наличие случайного сбоя и управление возвращается к первой паре, либо диагностируется неисправность и управление остается у второй пары.

·     Наличие встроенных аккумуляторов и батарей, обеспечивающих работу способ организации управления при прекращении питания от сети.

·     Глубина и полнота диагностических тестов.

¨            Условия эксплуатации:

-         диапазоны температур и влажности окружающей среды;

-         наибольшие вибрации и ударные нагрузки;

-         допускаемые электрические и магнитные помехи и т. п.

Известно, что наиболее крупные российские месторождения нефти и газа находятся в Западной Сибири и на Крайнем Севере. При выборе программно-технических средств автоматизации объектов добычи таких месторождений на первый план могут быть выдвинуты требования их работоспособности в жестких условиях эксплуатации (например, в широком диапазоне температур). Можно, конечно, разместить аппаратуру в специальных обогреваемых помещениях, но это повлечет за собой значительное увеличение линий связи и удорожание системы автоматизации. С другой стороны, следует иметь ввиду, что аппаратура, способная работать при очень низких минусовых температурах (до - 40⁰ С), имеет более высокую стоимость.

Контроллеры, способные функционировать без подогрева в условиях минусовых температур и предназначенные для автоматизации объектов, находящихся на больших расстояниях друг от друга и от пунктов управления, получили название RTU (Remote Terminal Unit - удаленное терминальное устройство). Эти устройства в качестве каналов связи используют телефонные линии или радиоканал. Оба эти канала требуют наличия модемов со стороны приемника и передатчика, потому такие системы называют телемеханическими. В нефтегазовой отрасли RTU нашли применение при автоматизации таких объектов, как кусты добывающих нефтяных и газовых скважин, водонагнетательные скважины, кустовые насосные станции, газораспределительные станции, линейные участки магистральных нефтегазопроводов и т. п. Пример применения RTU на линейном участке нефтепровода приведен на рис. 10.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 10. Система управления нефтепроводом подключения и узлом учета

              на базе контроллеров MOSCAD.

¨            Способы монтажа

Способы монтажа контроллеров и модулей ввода/вывода достаточно типизированы. Это и корзины с гнездами для различных модулей, и базовые платы с разъемами под модули. Количество модулей, размещаемых в каркасе (корзине) или на базовой плате, может быть различным (от 3 до 18). Сконфигурированные в корзинах и на базовых платах контроллеры могут монтироваться на щитах, в шкафах, профильных рейках. Имеются ПТК, построенные по модульному принципу, в которых монтаж любых модулей (процессорных, ввода/вывода, коммуникационных и т. п.) производится непосредственно на профильной рейке.

2.  Тенденции развития контроллеров

- беспроводная связь (сотовая связь, радиосвязь);

- развитие новых видов нано-микроконтроллеров от одного до десятков вводов/выводов (специализированных и программируемых) благодаря возрастанию мощности микропроцессоров;

- расширение вариантов ввода/вывода для контроллеров одного типа;

- развитие общих и специализированных (для отдельных классов технологических процессов) библиотек программного обеспечения, которые “зашиваются в память контроллеров”;

- сближение контроллеров и ПК по функциям (сейчас сближение происходит по архитектуре, по применяемым процессорам и программному обеспечению).

Происходят существенные изменения в промышленных и полевых сетях. Продолжается распространение сети Ethernet на все уровни управления. Главный недостаток – случайный доступ – минимизируется применением коммутаторов, что позволяет снизить нагрузку на сеть и избегать ее “затыкания” при большом количестве сообщений. Происходит изменение протоколов сети таким образом, что становится реальным жесткий цикл гарантированных по времени сообщений, а также цикл со случайным доступом. На полевом уровне шина FF также соединяется с Ethernet.

В контроллерах начинают использовать алгоритмы самонастройки регуляторов. Самонастройка может выполняться по команде оператора или автоматически – регуляторы с прогнозируемой моделью (адаптивные).