«ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И КОНТРОЛЛЕРЫ Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного ...»

И.А. Елизаров, Ю.Ф. Мартемьянов,

А.Г. Схиртладзе, С.В. Фролов

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ

ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ

КОМПЛЕКСЫ И КОНТРОЛЛЕРЫ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов

по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов «Автоматизированные технологии и производства»

Издание второе, переработанное и дополненное

МОСКВА

«ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1»

УДК 681.5.08(075) ББК 973.26-04я Т Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор, заместитель директора Института конструкторско-технологической информатики РАН В.Г. Митрофанов Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технологическая информатика и технология машиностроения» Московской государственной академии приборостроения и информатики Н.М. Султан-Заде Елизаров И.А., Мартемьянов Ю.Ф., Схиртладзе А.Г., Фролов С.В.

Т Технические средства автоматизации. Программно-техни-ческие комплексы и контроллеры: Учебное пособие. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2004. 180 с.

В учебном пособии представлены основные сведения о современных программно-технических комплексах (ПТК) и промышленных микропроцессорных регуляторах и контроллерах, использующихся в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП). Дано описание основных компонентов ПТК: промышленных сетей (fieldbus), контроллеров, программного обеспечения и др. Представлены описание и примеры использования ПТК «КРУГ-2000». Изложены принципы работы и дано техническое описание наиболее распространенных на российском рынке автоматизации микропроцессорных регуляторов и контроллеров.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств», и может быть использовано инженерно-техническими работниками, занимающимися разработкой и внедрением АСУ ТП.

УДК 681.5.08(075) ББК 973.26-04я ISBN 5-94275-104- Елизаров И.А., Мартемьянов 8 Ю.Ф., Схиртладзе А.Г., Фролов С.В., «Издательство МашиностроениеУчебное издание ЕЛИЗАРОВ Игорь Александрович, МАРТЕМЬЯНОВ Юрий Федорович, СХИРТЛАДЗЕ Александр Георгиевич, ФРОЛОВ Сергей Владимирович

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА

АВТОМАТИЗАЦИИ

ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ

КОМПЛЕКСЫ И КОНТРОЛЛЕРЫ

Учебное пособие Издание второе, переработанное и дополненное Редактор Т.М. Г л и н к и н а Компьютерное макетирование И.В. Евсеевой Подписано к печати 20.02. Гарнитура Тimes New Roman. Формат 60 84/16. Бумага офсетная Печать офсетная. Объем: 10,46 усл. печ. л.; 10,3 уч.-изд. л.

Тираж 100 экз. С. 136М «Издательство Машиностроение-1», 107076, Москва, Стромынский пер., Подготовлено к печати и отпечатано в издательско-полиграфическом центре Тамбовского государственного технического университета

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ

ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ

КОМПЛЕКСЫ И КОНТРОЛЛЕРЫ

МОСКВА

«ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1»

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

………………………………………………………….… Глава 1. ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ ……… …………………………………………… 1.2 Краткие сведения о ПТК и многофункциональных контроллерах, распространенных на российском рынке автоматизации ……………………………………………..

1.3 Функциональный состав программнотехнических комплексов …………………………………………………… 1.3.1. Промышленные сети ………………………………..

1.3.2. Программируемые логические контроллеры, 1.3.3. Коммутаторы, концентраторы, интеграторы ……..

1.3.4. Программное обеспечение ПТК …………………...

1.4 Методы повышения надежности ПТК 1.5 Программно-технический комплекс «КРУГПримеры построения автоматизированных. систем управления на базе ПТК «КРУГ-2000»

1.6.1. АСУ ТП «АСТРА-3.2» установки гидроочистки дизельных топлив Астраханского ГПЗ ………………………….

……………………….

Глава 2. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ РЕГУЛИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ. 2ТРМ-1 ………………..

2.2 Измеритель-ПИД-регулятор ТРМ-. …………………….

2.3 ПИД-регулятор с универсальным входом 2.4 Микропроцессорные регуляторы «Протар»

2.4.1. Технологическое программирование микропроцессорных регуляторов «Протар» ………………… Глава 3. МАЛОКАНАЛЬНЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ

КОНТРОЛЛЕРЫ

…………………………………………… 3.1 Контроллер малоканальный многофункциональный регулирующий микропроцессорный «Ремиконт Р-130»

3.2 Модернизированный малоканальный многофункциональный микропроцессорный контроллер Р-130М ……..

3.3 Интеллектуальные контроллеры SMART I/O …………………………………………………...

Глава 4. СРЕДНЕ- И МНОГОКАНАЛЬНЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ …..

4.1 Контроллеры серии КОНТРАСТ 4.2 Технологический моноблочный контроллер 4.3 Многофункциональный контроллер МФК 4.4. Семейство промышленных контроллеров Глава 5. КОНТРОЛЛЕРЫ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ

СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ

……………………………………………..

5.1 Контроллер для распределенных открытых систем КРОСС …………………………………………………… 5.3 Серия РС-совместимых контроллеров I- . …………………………………………..

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

…………………………………………….

Американский математик Н. Винер, основатель науки кибернетики, отмечал, что XVIII столетие – это век часов, XIX столетие – это век паровых машин, настоящее время есть век связи и управления.

«Техника нашего времени характеризуется использованием сложных комплексных систем, в которых переплетаются многочисленные и разнообразные материальные, энергетические и информационные потоки, требующие координации, управления и регулирования с быстротой и точностью, не достижимыми для внимания и памяти человека» [1]. Реализация таких задач управления возможна только с использованием технических средств автоматизации на базе вычислительной техники. Развитие компьютерных систем промышленной автоматизации (автоматизированных систем управления технологическими процессами – АСУ ТП) можно разделить на три крупных этапа. Первый этап создания АСУ ТП связан с использованием ЭВМ первого поколения, например, таких отечественных ЭВМ как «Урал», «УМ-1», «Минск». На втором этапе применялись мэйнфреймы типа IBM, ЕС ЭВМ, мини-компьютеры (DEC, СМ ЭВМ и др.). Системы управления на этих этапах имели централизованную структуру, в большинстве случаев не обеспечивали достаточного быстродействия и работы в режиме реального времени. Компьютеры того времени из-за несовершенства элементной базы и программного обеспечения характеризовались низкой надежностью, что приводило к частым сбоям. Успехи в микроэлектронике, 80-х годов технику построения систем управления, открыли третий этап компьютеризации промышленного производства и создания принципиально новых технических средств автоматизации. Микропроцессоры стали входить в состав отдельных средств автоматики и контроля. Цифровая передача данных между отдельными устройствами сделала вычислительную сеть основой построения систем управления. Системы управления технологическим процессом новой структуры, предусматривающей цифровую связь между отдельными устройствами обработки данных, получили название децентрализованных или распределенных АСУ ТП (РАСУ ТП).

НА РУБЕЖЕ 70-Х И 80-Х ГОДОВ ХХ ВЕКА ВЕДУЩИЕ МИРОВЫЕ ПРОИЗВОДИТЕЛИ

СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ НАЧАЛИ ВЫПУСКАТЬ НАБОРЫ ПРОГРАММНОАППАРАТУРНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ АСУ ТП. ОСНОВНЫМИ ПРИЗНАКАМИ

ТАКИХ НАБОРОВ ЯВЛЯЮТСЯ ИХ СОВМЕСТИМОСТЬ, СПОСОБНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАТЬ В ЕДИНОЙ СИСТЕМЕ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ ИНТЕРФЕЙСОВ, ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ

ПОЛНОТА, ПОЗВОЛЯЮЩАЯ СТРОИТЬ ЦЕЛИКОМ АСУ ТП ИЗ СРЕДСТВ ТОЛЬКО ДАННОГО НАБОРА. ТАКИЕ НАБОРЫ СРЕДСТВ ПОЛУЧИЛИ НАЗВАНИЕ ПРОГРАММНОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ.

ПРИ СОЗДАНИИ СОВРЕМЕННЫХ АСУ ТП НАБЛЮДАЕТСЯ МИРОВАЯ ИНТЕГРАЦИЯ

И УНИФИКАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ. ФИРМЫ-РАЗРАБОТЧИКИ СОСРЕДОТОЧИВАЮТ СВОИ РЕСУРСЫ НА ТОМ, ЧТО ОНИ УМЕЮТ ДЕЛАТЬ ЛУЧШЕ ДРУГИХ, ЗАИМСТВУЯ ЛУЧШИЕ МИРОВЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ОСТАЛЬНЫХ ОБЛАСТЯХ, СТАНОВЯСЬ ТЕМ

САМЫМ СИСТЕМНЫМИ ИНТЕГРАТОРАМИ. ОСНОВНОЕ ТРЕБОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ – ЭТО ОТКРЫТОСТЬ СИСТЕМЫ. СИСТЕМА СЧИТАЕТСЯ ОТКРЫТОЙ, ЕСЛИ ДЛЯ НЕЕ ОПРЕДЕЛЕНЫ И ОПИСАНЫ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ФОРМАТЫ

ДАННЫХ И ПРОЦЕДУРНЫЙ ИНТЕРФЕЙС, ЧТО ПОЗВОЛЯЕТ ПОДКЛЮЧИТЬ К НЕЙ

«ВНЕШНИЕ» НЕЗАВИСИМО РАЗРАБОТАННЫЕ КОМПОНЕНТЫ. АРХИТЕКТУРА IBM PC

ЗАНИМАЕТ ВЕДУЩЕЕ МЕСТО В ОБЛАСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ.

ЗА ПОСЛЕДНИЕ ГОДЫ РЫНОК ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ СУЩЕСТВЕННО ИЗМЕНИЛСЯ. СОЗДАНО МНОГО ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ФИРМ, ВЫПУСКАЮЩИХ

СРЕДСТВА И СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ. ИЗВЕСТНЫЕ РОССИЙСКИЕ ПРИБОРОСТРОИТЕЛЬНЫЕ ЗАВОДЫ ИЗМЕНИЛИ НОМЕНКЛАТУРУ ВЫПУСКАЕМОЙ ПРОДУКЦИИ.

ПОЯВИЛОСЬ МНОГО ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ФИРМ – СИСТЕМНЫХ ИНТЕГРАТОРОВ, РАБОТАЮЩИХ НА РЫНКЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ.

С НАЧАЛА 90-Х ГОДОВ ВЕДУЩИЕ ЗАРУБЕЖНЫЕ ФИРМЫ, ПРОИЗВОДИТЕЛИ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ, НАЧАЛИ ШИРОКОЕ ВНЕДРЕНИЕ СВОЕЙ ПРОДУКЦИИ В СТРАНЫ СНГ ЧЕРЕЗ СВОИ ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА, ФИЛИАЛЫ, СОВМЕСТНЫЕ

ПРЕДПРИЯТИЯ, ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ФИРМЫ – ДИЛЕРЫ.

ИНТЕНСИВНОЕ РАЗВИТИЕ И БЫСТРАЯ ДИНАМИКА РЫНКА СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКИ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕБУЮТ ПОЯВЛЕНИЯ ЛИТЕРАТУРЫ, ОТРАЖАЮЩЕЙ СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ. В НАСТОЯЩЕЕ

ВРЕМЯ СОВРЕМЕННАЯ ИНФОРМАЦИЯ О СРЕДСТВАХ АВТОМАТИЗАЦИИ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ФИРМ ИМЕЕТ РАЗРОЗНЕННЫЙ ХАРАКТЕР И В ОСНОВНОМ

ПРЕДСТАВЛЕНА В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ПЕЧАТИ ЛИБО В ГЛОБАЛЬНОЙ СЕТИ INTERNET

НА САЙТАХ ЗАВОДОВ-ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ ИЛИ НА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОРТАЛАХ, ТАКИХ КАК WWW.ASUTP.RU, WWW.MKA.RU,

WWW.INDUSTRIALAUTO.RU. ЦЕЛЬЮ НАСТОЯЩЕГО УЧЕБНОГО ПОСОБИЯ ЯВЛЯЕТСЯ

СИСТЕМАТИЗИРОВАННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА О ПРОМЫШЛЕННЫХ

КОМПЛЕКСАХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ НА ОСНОВЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ. УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПРЕДНАЗНАЧЕНО ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОСТИ 210200 «АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ», ИЗУЧАЮЩИХ ДИСЦИПЛИНУ «ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ».

Программно-технические комплексы В настоящее время автоматизация большинства технологических процессов осуществляется на базе универсальных микропроцессорных контроллерных средств, которые в России получили название программно-технических комплексов (ПТК) [2].

Программно-технические комплексы представляют собой совокупность микропроцессорных средств автоматизации (микропроцессорных контроллеров, устройств связи с объектом УСО), дисплейных пультов оператора и серверов различного назначения, промышленных сетей, которые позволяют связать перечисленные компоненты, программного обеспечения контроллеров и дисплейных пультов оператора. ПТК предназначены, в первую очередь, для создания распределенных систем управления технологическими процессами различной информационной мощности (от десятков входных/выходных сигналов до сотни тысяч) в самых разных отраслях промышленности.

ПТК серийно начали производить в конце 1970-х годов ряд зарубежных фирм (Honeywell, Foxboro, Yokogawa и др.). В 1980 – 1990-х годах появились ПТК отечественного производства (ПТК «Период», ПТК-ТЛС, ПТК РСУ, МП-8000М, МК-8000) [3].

Широкому распространению ПТК в значительной мере способствовали улучшение элементной базы для создания малогабаритных и быстродействующих микроконтроллеров, повышение надежности уп-равляющих вычислительных сетей, разработка эффективного программного обеспечения для промышленных контроллеров и операторских станций. В настоящее время на российском рынке нашли распространение свыше сотни ПТК отечественного и зарубежного производства. Среди отечественных выгодно выделяются ПТК Квинт, Саргон, КРУГ, Круиз, Дирижер, Техноконт, Деконт.

Закладываемые при разработке ПТК принципы типизации, унификации и агрегатирования [4] позволяют добиться полной совместимости всех элементов комплекса, включая контроллеры, УСО, дисплейные пульты оператора, интерфейсы и протоколы сетевого обмена и др. Такой подход позволяет существенно снизить время на проектирование и монтаж АСУ ТП, проведение пуско-наладочных работ.

Все универсальные микропроцессорные ПТК подразделяются на классы [2, 5], каждый из которых рассчитан на определенный набор выполняемых функций и соответствующий объем получаемой и обрабатываемой информации об объекте управления.

1. Контроллер на базе персонального компьютера (PC)

ЭТО НАПРАВЛЕНИЕ СУЩЕСТВЕННО РАЗВИЛОСЬ В ПОСЛЕДНЕЕ ВРЕМЯ, ЧТО ОБЪЯСНЯЕТСЯ, В ПЕРВУЮ ОЧЕРЕДЬ, СЛЕДУЮЩИМИ ПРИЧИНАМИ:

• ПОВЫШЕНИЕМ НАДЕЖНОСТИ РС;

• НАЛИЧИЕМ МНОЖЕСТВА МОДИФИКАЦИЙ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ В

ОБЫЧНОМ И ПРОМЫШЛЕННОМ ИСПОЛНЕНИИ;

• ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОТКРЫТОЙ АРХИТЕКТУРЫ;

• ЛЕГКОСТИ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ЛЮБЫХ БЛОКОВ ВВОДА/ВЫВОДА (МОДУЛЕЙ УСО),

ВЫПУСКАЕМЫХ ТРЕТЬИМИ ФИРМАМИ;

• ВОЗМОЖНОСТЬЮ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШИРОКОЙ НОМЕНКЛАТУРЫ НАРАБОТАННОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ (ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ, БАЗ ДАННЫХ, ПАКЕТОВ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ).

КОНТРОЛЛЕРЫ НА БАЗЕ PC, КАК ПРАВИЛО, ИСПОЛЬЗУЮТ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ НЕБОЛЬШИМИ ЗАМКНУТЫМИ ОБЪЕКТАМИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ, В СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗАЦИИ В МЕДИЦИНЕ, НАУЧНЫХ ЛАБОРАТОРИЯХ,

СРЕДСТВАХ КОММУНИКАЦИИ. ОБЩЕЕ ЧИСЛО ВХОДОВ/ВЫХОДОВ ТАКОГО КОНТРОЛЛЕРА ОБЫЧНО НЕ ПРЕВОСХОДИТ НЕСКОЛЬКИХ ДЕСЯТКОВ, А НАБОР ФУНКЦИЙ

ПРЕДУСМАТРИВАЕТ СЛОЖНУЮ ОБРАБОТКУ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ С

РАСЧЕТОМ НЕСКОЛЬКИХ УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ. РАЦИОНАЛЬНУЮ ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОНТРОЛЛЕРОВ НА БАЗЕ PC МОЖНО ОЧЕРТИТЬ СЛЕДУЮЩИМИ УСЛОВИЯМИ:

• ВЫПОЛНЯЕТСЯ БОЛЬШОЙ ОБЪЕМ ВЫЧИСЛЕНИЙ ЗА ДОСТАТОЧНО МАЛЫЙ ИНТЕРВАЛ ВРЕМЕНИ ПРИ НЕБОЛЬШОМ КОЛИЧЕСТВЕ ВХОДОВ И ВЫХОДОВ ОБЪЕКТА

УПРАВЛЕНИЯ (НЕОБХОДИМА БОЛЬШАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ);

• СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ РАБОТАЮТ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ, НЕ СЛИШКОМ ОТЛИЧАЮЩЕЙСЯ ОТ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ОФИСНЫХ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ;

• РЕАЛИЗУЕМЫЕ КОНТРОЛЛЕРОМ ФУНКЦИИ ЦЕЛЕСООБРАЗНО (В СИЛУ ИХ НЕСТАНДАРТНОСТИ) ПРОГРАММИРОВАТЬ НЕ НА ОДНОМ ИЗ СПЕЦИАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЯЗЫКОВ, А НА ОБЫЧНОМ ЯЗЫКЕ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ВЫСОКОГО

УРОВНЯ, ТИПА C++, PASCAL И ДР.;

• ПРАКТИЧЕСКИ НЕ ТРЕБУЕТСЯ МОЩНАЯ АППАРАТНАЯ ПОДДЕРЖКА РАБОТЫ В

КРИТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ, КОТОРАЯ ОБЕСПЕЧИВАЕТСЯ ОБЫЧНЫМИ КОНТРОЛЛЕРАМИ. К ФУНКЦИЯМ ТАКОЙ ПОДДЕРЖКИ ОТНОСЯТСЯ: ГЛУБОКАЯ ДИАГНОСТИКА

РАБОТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ, МЕРЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ, В ТОМ ЧИСЛЕ УСТРАНЕНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ БЕЗ ОСТАНОВКИ РАБОТЫ

КОНТРОЛЛЕРА, МОДИФИКАЦИЯ ПРОГРАММНЫХ КОМПОНЕНТОВ ВО ВРЕМЯ РАБОТЫ

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И Т.Д.

НА РЫНКЕ КОНТРОЛЛЕРОВ НА БАЗЕ PC В РОССИИ УСПЕШНО РАБОТАЮТ КАМПАНИИ: OCTAGON, ADVANTECH, ANALOG DEVICES И ДР. МНОГИЕ РОССИЙСКИЕ ФИРМЫ

ЗАКУПАЮТ КОМПЬЮТЕРНЫЕ ПЛАТЫ И МОДУЛИ ВВОДА/ВЫВОДА ЭТИХ ФИРМ И

СТРОЯТ ИЗ НИХ КОНТРОЛЛЕРЫ.

2. ЛОКАЛЬНЫЙ ПРОГРАММИРУЕМЫЙ КОНТРОЛЛЕР (PLC)

В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ НЕСКОЛЬКО ТИПОВ ЛОКАЛЬНЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ.

А) ВСТРАИВАЕМЫЙ В ОБОРУДОВАНИЕ И ЯВЛЯЮЩИЙСЯ ЕГО НЕОТЪЕМЛЕМОЙ

ЧАСТЬЮ. ТАКОЙ КОНТРОЛЛЕР МОЖЕТ УПРАВЛЯТЬ СТАНКОМ С ЧПУ, СОВРЕМЕННЫМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМ АНАЛИТИЧЕСКИМ ПРИБОРОМ, АВТОМАШИНИСТОМ И

ДРУГИМ ОБОРУДОВАНИЕМ. ВЫПУСКАЕТСЯ НА РАМЕ БЕЗ СПЕЦИАЛЬНОГО КОЖУХА,

ПОСКОЛЬКУ МОНТИРУЕТСЯ В ОБЩИЙ КОРПУС ОБОРУДОВАНИЯ.

Б) АВТОНОМНЫЙ, РЕАЛИЗУЮЩИЙ ФУНКЦИИ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ НЕБОЛЬШИМ ДОСТАТОЧНО ИЗОЛИРОВАННЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБЪЕКТОМ, КАК,

НАПРИМЕР, РАЙОННЫЕ КОТЕЛЬНЫЕ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОДСТАНЦИИ. АВТОНОМНЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ ПОМЕЩАЮТСЯ В ЗАЩИТНЫЕ КОРПУСА, РАССЧИТАННЫЕ НА

РАЗНЫЕ УСЛОВИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. ПОЧТИ ВСЕГДА ЭТИ КОНТРОЛЛЕРЫ

ИМЕЮТ ПОРТЫ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ В РЕЖИМЕ «ТОЧКА-ТОЧКА» С ДРУГОЙ АППАРАТУРОЙ И ИНТЕРФЕЙСЫ, КОТОРЫЕ МОГУТ ЧЕРЕЗ СЕТЬ СВЯЗЫВАТЬ ИХ С ДРУГИМИ

СРЕДСТВАМИ АВТОМАТИЗАЦИИ. В КОНТРОЛЛЕР ВСТРАИВАЕТСЯ ИЛИ ПОДКЛЮЧАЕТСЯ К НЕМУ СПЕЦИАЛЬНАЯ ПАНЕЛЬ ИНТЕРФЕЙСА С ОПЕРАТОРОМ, СОСТОЯЩАЯ

ИЗ АЛФАВИТНО-ЦИФРОВОГО ДИСПЛЕЯ И НАБОРА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ КЛАВИШ.

КОНТРОЛЛЕРЫ ДАННОГО КЛАССА, КАК ПРАВИЛО, ИМЕЮТ НЕБОЛЬШУЮ ИЛИ

СРЕДНЮЮ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНУЮ МОЩНОСТЬ. МОЩНОСТЬ ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ

КОМПЛЕКСНУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ, ЗАВИСЯЩУЮ ОТ РАЗРЯДНОСТИ И ЧАСТОТЫ

ПРОЦЕССОРА, А ТАКЖЕ ОБЪЕМА ОПЕРАТИВНОЙ, ПОСТОЯННОЙ ПАМЯТИ.

ЛОКАЛЬНЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ ЧАЩЕ ВСЕГО ИМЕЮТ ДЕСЯТКИ ВХОДОВ/ВЫХОДОВ

ОТ ДАТЧИКОВ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ, НО СУЩЕСТВУЮТ МОДЕЛИ

КОНТРОЛЛЕРОВ, ПОДДЕРЖИВАЮЩИЕ СВЫШЕ СОТНИ ВХОДОВ/ВЫХОДОВ.

КОНТРОЛЛЕРЫ РЕАЛИЗУЮТ ПРОСТЕЙШИЕ ТИПОВЫЕ ФУНКЦИИ ОБРАБОТКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ, БЛОКИРОВОК, РЕГУЛИРОВАНИЯ И ПРОГРАММНОЛОГИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ. МНОГИЕ ИЗ НИХ ИМЕЮТ ОДИН ИЛИ НЕСКОЛЬКО ФИЗИЧЕСКИХ ПОРТОВ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ НА ДРУГИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ.

В ЭТОМ КЛАССЕ СЛЕДУЕТ ВЫДЕЛИТЬ СПЕЦИАЛЬНЫЙ ТИП ЛОКАЛЬНЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ СИСТЕМ ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ. ОНИ

ОТЛИЧАЮТСЯ ОСОБЕННО ВЫСОКОЙ НАДЕЖНОСТЬЮ, ЖИВУЧЕСТЬЮ И БЫСТРОДЕЙСТВИЕМ. В НИХ ПРЕДУСМАТРИВАЮТСЯ РАЗЛИЧНЫЕ ВАРИАНТЫ ПОЛНОЙ ТЕКУЩЕЙ ДИАГНОСТИКИ НЕИСПРАВНОСТЕЙ С ЛОКАЛИЗАЦИЕЙ ИХ ДО ОТДЕЛЬНОЙ

ПЛАТЫ, РЕЗЕРВИРОВАНИЕ КАК ОТДЕЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ, ТАК И ВСЕГО УСТРОЙСТВА В ЦЕЛОМ.

НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕНЫ СЛЕДУЮЩИЕ СПОСОБЫ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ:

• ГОРЯЧИЙ РЕЗЕРВ ОТДЕЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ И/ИЛИ КОНТРОЛЛЕРА В ЦЕЛОМ

(ПРИ НЕПРОХОЖДЕНИИ ТЕСТА В РАБОЧЕМ КОНТРОЛЛЕРЕ УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕХОДИТ

КО ВТОРОМУ КОНТРОЛЛЕРУ);

• 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, ДАВШИЙ

ИНОЙ РЕЗУЛЬТАТ, ОБЪЯВЛЯЕТСЯ НЕИСПРАВНЫМ);

• РАБОТА ПО ПРИНЦИПУ «ПАРА И РЕЗЕРВ». ПАРАЛЛЕЛЬНО РАБОТАЕТ ПАРА КОНТРОЛЛЕРОВ С «ГОЛОСОВАНИЕМ» РЕЗУЛЬТАТОВ, И 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.

3. СЕТЕВОЙ КОМПЛЕКС КОНТРОЛЛЕРОВ (PLC, NETWORK).

СЕТЕВЫЕ ПТК НАИБОЛЕЕ ШИРОКО ПРИМЕНЯЮТСЯ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ ВО ВСЕХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ. МИНИМАЛЬНЫЙ СОСТАВ ДАННОГО КЛАССА ПТК ПОДРАЗУМЕВАЕТ НАЛИЧИЕ СЛЕДУЮЩИХ КОМПОНЕНТОВ:

• НАБОР КОНТРОЛЛЕРОВ;

• НЕСКОЛЬКО ДИСПЛЕЙНЫХ РАБОЧИХ СТАНЦИЙ ОПЕРАТОРОВ;

• СИСТЕМНУЮ (ПРОМЫШЛЕННУЮ) СЕТЬ, СОЕДИНЯЮЩУЮ КОНТРОЛЛЕРЫ

МЕЖДУ СОБОЮ И КОНТРОЛЛЕРЫ С РАБОЧИМИ СТАНЦИЯМИ.

КОНТРОЛЛЕРЫ КАЖДОГО СЕТЕВОГО КОМПЛЕКСА, КАК ПРАВИЛО, ИМЕЮТ РЯД

МОДИФИКАЦИЙ, ОТЛИЧАЮЩИХСЯ ДРУГ ОТ ДРУГА БЫСТРОДЕЙСТВИЕМ, ОБЪЕМОМ

ПАМЯТИ, ВОЗМОЖНОСТЯМИ ПО РЕЗЕРВИРОВАНИЮ, СПОСОБНОСТЬЮ РАБОТАТЬ В

РАЗНЫХ УСЛОВИЯХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, ЧИСЛОМ КАНАЛОВ ВВОДА/ВЫВОДА. ЭТО

ОБЛЕГЧАЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЕТЕВОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ РАЗНООБРАЗНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ, ПОСКОЛЬКУ ПОЗВОЛЯЕТ НАИБОЛЕЕ ТОЧНО ПОДОБРАТЬ КОНТРОЛЛЕРЫ ПОД ОТДЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИЗИРУЕМОГО ОБЪЕКТА

И РАЗНЫЕ ФУНКЦИИ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ.

В КАЧЕСТВЕ ДИСПЛЕЙНЫХ РАБОЧИХ СТАНЦИЙ (ПУЛЬТОВ ОПЕРАТОРА) ПОЧТИ

ВСЕГДА ИСПОЛЬЗУЮТСЯ ПЕРСОНАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ В ОБЫЧНОМ ИЛИ ПРОМЫШЛЕННОМ ИСПОЛНЕНИИ, БОЛЬШЕЙ ЧАСТЬЮ С ДВУМЯ ТИПАМИ КЛАВИАТУР

(ТРАДИЦИОННОЙ АЛФАВИТНО-ЦИФРОВОЙ И СПЕЦИАЛЬНОЙ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ), И

ОСНАЩЕННЫЕ ОДНИМ ИЛИ НЕСКОЛЬКИМИ МОНИТОРАМИ, ИМЕЮЩИМИ БОЛЬШОЙ

ЭКРАН.

ПРОМЫШЛЕННАЯ СЕТЬ МОЖЕТ ИМЕТЬ РАЗЛИЧНУЮ СТРУКТУРУ: ШИНУ, КОЛЬЦО, ЗВЕЗДУ; ОНА ЧАСТО ПОДРАЗДЕЛЯЕТСЯ НА СЕГМЕНТЫ, СВЯЗАННЫЕ МЕЖДУ СОБОЙ ПОВТОРИТЕЛЯМИ И МАРШРУТИЗАТОРАМИ. К ПЕРЕДАЧЕ СООБЩЕНИЙ ПРЕДЪЯВЛЯЮТСЯ ЖЕСТКИЕ ТРЕБОВАНИЯ: ОНИ ГАРАНТИРОВАННО ДОЛЖНЫ ДОСТАВЛЯТЬСЯ АДРЕСАТУ, А ДЛЯ СООБЩЕНИЙ ВЫСШЕГО ПРИОРИТЕТА, НАПРИМЕР, ПРЕДУПРЕЖДАЮЩИХ ОБ АВАРИЯХ, ТАКЖЕ СЛЕДУЕТ ОБЕСПЕЧИТЬ УКАЗАННЫЙ СРОК

ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ.

В ЭТОМ КЛАССЕ ПТК ВЫДЕЛЯЮТ ТЕЛЕМЕХАНИЧЕСКИЙ ТИП СЕТЕВОГО КОМПЛЕКСА КОНТРОЛЛЕРОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ОБЪЕКТОВ,

РАСПРЕДЕЛЕННЫХ НА БОЛЬШОЙ ОБЛАСТИ ПРОСТРАНСТВА.

ПРОМЫШЛЕННАЯ СЕТЬ С ХАРАКТЕРНОЙ СТРУКТУРОЙ И ОСОБЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ

КАНАЛЫ СВЯЗИ (РАДИОКАНАЛЫ, ВЫДЕЛЕННЫЕ ТЕЛЕФОННЫЕ ЛИНИИ, ОПТОВОЛОКОННЫЕ КАБЕЛИ) ПОЗВОЛЯЮТ ИНТЕГРИРОВАТЬ УЗЛЫ ОБЪЕКТА, ОТСТОЯЩИЕ ДРУГ

ОТ ДРУГА НА МНОГИЕ ДЕСЯТКИ КИЛОМЕТРОВ, В ЕДИНУЮ СИСТЕМУ АВТОМАТИЗАЦИИ.

РАССМАТРИВАЕМЫЙ КЛАСС СЕТЕВЫХ КОМПЛЕКСОВ КОНТРОЛЛЕРОВ ИМЕЕТ

ВЕРХНИЕ ОГРАНИЧЕНИЯ КАК ПО СЛОЖНОСТИ ВЫПОЛНЯЕМЫХ ФУНКЦИЙ (ИЗМЕРЕНИЯ, КОНТРОЛЯ, УЧЕТА, РЕГУЛИРОВАНИЯ И БЛОКИРОВКИ), ТАК И ПО ОБЪЕМУ АВТОМАТИЗИРУЕМОГО ОБЪЕКТА (В ПРЕДЕЛАХ ТЫСЯЧ ИЗМЕРЯЕМЫХ И КОНТРОЛИРУЕМЫХ ВЕЛИЧИН).

ЧАЩЕ ВСЕГО СЕТЕВЫЕ КОМПЛЕКСЫ ПРИМЕНЯЮТСЯ НА УРОВНЕ ЦЕХОВ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ЗАВОДОВ, АГРЕГАТОВ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ, НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ И ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ, А ТАКЖЕ ЦЕХОВ ПРЕДПРИЯТИЙ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ. ТЕЛЕМЕХАНИЧЕСКИЕ СЕТЕВЫЕ КОМПЛЕКСЫ КОНТРОЛЛЕРОВ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗО- И НЕФТЕПРОВОДАМИ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СЕТЯМИ, ТРАНСПОРТНЫМИ СИСТЕМАМИ.

4. РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ МАЛОМАСШТАБНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ (DCS, SMOLLER

SCALE).

ЭТОТ КЛАСС МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ПТК ПРЕВОСХОДИТ БОЛЬШИНСТВО СЕТЕВЫХ КОМПЛЕКСОВ КОНТРОЛЛЕРОВ ПО МОЩНОСТИ И СЛОЖНОСТИ ВЫПОЛНЯЕМЫХ

ФУНКЦИЙ. В ЦЕЛОМ, ЭТОТ КЛАСС ЕЩЕ ИМЕЕТ РЯД ОГРАНИЧЕНИЙ ПО ОБЪЕМУ АВТОМАТИЗИРУЕМОГО ПРОИЗВОДСТВА (ПОРЯДКА ДЕСЯТКА ТЫСЯЧ КОНТРОЛИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ) И НАБОРУ РЕАЛИЗУЕМЫХ ФУНКЦИЙ. ОСНОВНЫЕ ОТЛИЧИЯ ОТ

ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО КЛАССА ЗАКЛЮЧАЮТСЯ В НЕСКОЛЬКО БОЛЬШЕМ РАЗНООБРАЗИИ МОДИФИКАЦИЙ КОНТРОЛЛЕРОВ, БЛОКОВ ВВОДА/ВЫВОДА, БОЛЬШЕЙ МОЩНОСТИ ЦЕНТРАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОРОВ, БОЛЕЕ РАЗВИТОЙ И ГИБКОЙ СЕТЕВОЙ

СТРУКТУРЕ. КАК ПРАВИЛО, ПТК ЭТОГО КЛАСС ИМЕЕТ РАЗВИТУЮ МНОГОУРОВНЕВУЮ СЕТЕВУЮ СТРУКТУРУ. ТАК НИЖНИЙ УРОВЕНЬ МОЖЕТ ВЫПОЛНЯТЬ СВЯЗЬ

КОНТРОЛЛЕРОВ И РАБОЧЕЙ СТАНЦИИ КОМПАКТНО РАСПОЛОЖЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УЗЛА, А ВЕРХНИЙ УРОВЕНЬ ПОДДЕРЖИВАТЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕСКОЛЬКИХ УЗЛОВ ДРУГ С ДРУГОМ И С РАБОЧЕЙ СТАНЦИЕЙ ДИСПЕТЧЕРА ВСЕГО

АВТОМАТИЗИРУЕМОГО УЧАСТКА ПРОИЗВОДСТВА. НА ВЕРХНЕМ УРОВНЕ (УРОВНЕ

РАБОЧИХ СТАНЦИЙ ОПЕРАТОРОВ) ЭТИ КОМПЛЕКСЫ, ПО БОЛЬШЕЙ ЧАСТИ, ИМЕЮТ

ДОСТАТОЧНО РАЗВИТУЮ ИНФОРМАЦИОННУЮ СЕТЬ. В НЕКОТОРЫХ СЛУЧАЯХ

РАСШИРЕНИЕ СЕТЕВОЙ СТРУКТУРЫ ИДЕТ В НАПРАВЛЕНИИ ПРИМЕНЕНИЯ СТАНДАРТНЫХ ЦИФРОВЫХ ПОЛЕВЫХ СЕТЕЙ, СОЕДИНЯЮЩИХ ОТДЕЛЬНЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ С УДАЛЕННЫМИ ОТ НИХ БЛОКАМИ ВВОДА/ВЫВОДА И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ. ПОДОБНАЯ ПРОСТАЯ И ДЕШЕВАЯ СЕТЬ СОЕДИНЯЕТ ПО ОДНОЙ

ВИТОЙ ПАРЕ ПРОВОДОВ КОНТРОЛЛЕР С МНОЖЕСТВОМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ПОЛЕВЫХ ПРИБОРОВ, ЧТО РЕЗКО СОКРАЩАЕТ ДЛИНУ КАБЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ НА ПРЕДПРИЯТИИ И УМЕНЬШАЕТ ВЛИЯНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ПОМЕХ, ПОСКОЛЬКУ ИСКЛЮЧАЕТСЯ ПЕРЕДАЧА НИЗКОВОЛЬТНОЙ АНАЛОГОВОЙ ИНФОРМАЦИИ НА ЗНАЧИТЕЛЬНЫЕ

РАССТОЯНИЯ.

МОЩНОСТЬ КОНТРОЛЛЕРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ЭТОМ КЛАССЕ СРЕДСТВ, ПОЗВОЛЯЕТ В ДОПОЛНЕНИЕ К ТИПОВЫМ ФУНКЦИЯМ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ РЕАЛИЗОВЫВАТЬ БОЛЕЕ СЛОЖНЫЕ И ОБЪЕМНЫЕ АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ (НАПРИМЕР,

САМОНАСТРОЙКУ АЛГОРИТМОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ, АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ).

МАЛОМАСШТАБНЫЕ РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ОТДЕЛЬНЫХ СРЕДНИХ И КРУПНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ПРЕДПРИЯТИЙ НЕПРЕРЫВНЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ, А

ТАКЖЕ ЦЕХОВ И УЧАСТКОВ ДИСКРЕТНЫХ ПРОИЗВОДСТВ И ЦЕХОВ ЗАВОДОВ ЧЕРНОЙ

И ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ.

5. ПОЛНОМАСШТАБНЫЕ РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ (DCS, FULL

SCALE).

ЭТО НАИБОЛЕЕ МОЩНЫЙ ПО ВОЗМОЖНОСТЯМ И ОХВАТУ ПРОИЗВОДСТВА

КЛАСС КОНТРОЛЛЕРНЫХ СРЕДСТВ, ПРАКТИЧЕСКИ НЕ ИМЕЮЩИЙ ГРАНИЦ НИ ПО

ВЫПОЛНЯЕМЫМ НА ПРОИЗВОДСТВЕ ФУНКЦИЯМ, НИ ПО ОБЪЕМУ АВТОМАТИЗИРУЕМОГО ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ОБЪЕКТА. ОДНА ТАКАЯ СИСТЕМА МОЖЕТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЦЕЛОГО КРУПНОМАСШТАБНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ.

ОПИСЫВАЕМАЯ ГРУППА ПТК ВКЛЮЧАЕТ ВСЕ ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕЧИСЛЕННЫХ

КОНТРОЛЛЕРНЫХ СРЕДСТВ И ДОПОЛНИТЕЛЬНО ИМЕЕТ РЯД СВОЙСТВ, ВЛИЯЮЩИХ

НА ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ:

• НАЛИЧИЕ РАЗВИТОЙ МНОГОУРОВНЕВОЙ СЕТЕВОЙ СТРУКТУРЫ, ПРЕДУСМАТРИВАЮЩЕЙ ВЫДЕЛЕНИЕ ТРЕХ УРОВНЕЙ: ИНФОРМАЦИОННОГО, СИСТЕМНОГО И

ПОЛЕВОГО, ПРИЧЕМ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ОТДЕЛЬНЫХ УРОВНЕЙ МОГУТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ РАЗНЫЕ ВАРИАНТЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ;

• ВЫХОД НА КОРПОРАТИВНУЮ СЕТЬ ПРЕДПРИЯТИЯ, СИСТЕМУ УПРАВЛЕНИЯ

БИЗНЕС-ПРОЦЕССАМИ, ГЛОБАЛЬНУЮ СЕТЬ ИНТЕРНЕТ, А ТАКЖЕ НА УРОВЕНЬ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ;

• ШИРОКИЙ МОДЕЛЬНЫЙ РЯД ПРИМЕНЯЕМЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ, РАЗЛИЧАЮЩИХСЯ ПО ЧИСЛУ ВХОДОВ/ВЫХОДОВ, БЫСТРОДЕЙСТВИЮ, ОБЪЕМУ ПАМЯТИ РАЗНОГО ТИПА, ВОЗМОЖНОСТЯМ ПО РЕЗЕРВИРОВАНИЮ, НАЛИЧИЮ ВСТРОЕННЫХ И

УДАЛЕННЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ БЛОКОВ ВВОДА/ВЫВОДА НА ВСЕ ВИДЫ АНАЛОГОВЫХ И ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ;

• ШИРОКИЙ ДИАПАЗОН РАБОЧИХ СТАНЦИЙ;

• НАЛИЧИЕ МОЩНОГО СОВРЕМЕННОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ, В СОСТАВ КОТОРОГО ВХОДЯТ:

А) ИНТЕРФЕЙСЫ ОПЕРАТОРОВ С СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ, ПРЕДУСМАТРИВАЮЩИЕ РАЗЛИЧНЫЕ ВАРИАНТЫ ПОСТРОЕНИЯ НА РАЗНЫХ УРОВНЯХ УПРАВЛЕНИЯ;

Б) НАБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЯЗЫКОВ С ОБЪЕМНЫМИ БИБЛИОТЕКАМИ ТИПОВЫХ ПРОГРАММНЫХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ КОНТРОЛЯ, ЛОГИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ;

В) УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ПРИКЛАДНЫЕ ПАКЕТЫ ПРОГРАММ, РЕАЛИЗУЮЩИЕ ТИПОВЫЕ ФУНКЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ОТДЕЛЬНЫМИ АГРЕГАТАМИ, ДИСПЕТЧЕРСКОЕ

УПРАВЛЕНИЕ УЧАСТКАМИ ПРОИЗВОДСТВА, ТЕХНИЧЕСКИЙ УЧЕТ И ПЛАНИРОВАНИЕ

ПРОИЗВОДСТВА В ЦЕЛОМ;

Г) СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И КОНСТРУКТОРСКОГО ДОКУМЕНТООБОРОТА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ.

1.2. Краткие сведения о ПТК и многофункциональных контроллерах, распространенных на российском В табл. 1.1 представлена краткая информация о некоторых программно-технических комплексах и многофункциональных контроллерах, позволяющих организовать связь с верхним уровнем автоматизации.

1.3. Функциональный состав программно-технических комплексов

В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ НА РЫНКЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРИСУТСТВУЕТ НЕСКОЛЬКО СОТЕН САМЫХ РАЗНООБРАЗНЫХ ПТК КАК ОТЕЧЕСТВЕННЫХ,

ТАК И ЗАРУБЕЖНЫХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ. ВСЕ ОНИ ОТЛИЧАЮТСЯ СВОЕЙ СТРУКТУРОЙ, ИНФОРМАЦИОННОЙ МОЩНОСТЬЮ, ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ (ДИАПАЗОН ТЕМПЕРАТУР, ВЛАЖНОСТИ, ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВО

ВЗРЫВО- И ПОЖАРООПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ), СТОИМОСТЬЮ И ДР.

Несмотря на многообразие существующих ПТК, можно выделить несколько функциональных элементов, присущих большинству из них:

промышленные сети;

программируемые логические контроллеры или контроллеры на базе PC, интеллектуальные устройства связи с объектом;

рабочие станции и серверы различного назначения;

прикладное программное обеспечение.

Структура ПТК в первую очередь определяется средствами и характеристиками взаимосвязи отдельных компонентов комплекса (контроллеров, пультов оператора, удаленных блоков ввода-вывода), т.е. сетевыми возможностями [6]. Гибкость и разнообразие структур ПТК зависят от:

• числа имеющихся сетевых уровней;

• возможных типов связи (топологий) на каждом уровне сети: шина, звезда, кольцо;

• параметров сети каждого уровня: типов кабеля, допустимых расстояний, максимального количества узлов (компонентов комплекса), подключаемых к каждой сети, скорости передачи информации, методе доступа компонентов к сети (случайный по времени доставки сообщений или гарантирующий время их доставки).

Указанные свойства ПТК характеризуют возможность распределения аппаратуры в производственных цехах; объем производства, который может быть охвачен системой автоматизации, реализованного на данном ПТК; возможность переноса блоков ввода-вывода непосредственно к датчикам и исполнительным механизмам.

Одна из самых простых и популярных структур ПТК представлена на рис. 1.1. Все функциональные возможности системы четко разделены на два уровня. Первый уровень составляют контроллеры, второй – пульт оператора, который может быть представлен рабочей станцией или промышленным компьютером.

Уровень контроллеров в такой системе выполняет сбор сигналов от датчиков, установленных на объекте управления; предварительную обработку сигналов (фильтрацию и масштабирование); реализацию алгоритмов управления и формирование управляющих сигналов на исполнительные механизмы объекта управления; передача и прием информации из промышленной сети.

Пульт оператора формирует сетевые запросы к контроллерам нижнего уровня, получает от них оперативную информацию о ходе технологического процесса, отображает на экране монитора ход технологического процесса в удобном для оператора виде, осуществляет долговременное хранение динамической информации (ведение архива) о ходе процесса, производит коррекцию необходимых параметров алгоритмов управления и уставок регуляторов в контроллерах нижнего уровня.

Увеличение информационной мощности (количества входных/выходных переменных) объекта управления, расширение круга задач, решаемых на верхнем уровне управления, повышение надежностных показателей приводят к появлению более сложных структур программно-технических комплексов (рис. 1.2).

Операционные системы (ОС) семейства Windows фирмы Microsoft практически полностью завоевали рынок офисных компьютеров и активно осваивают уровень промышленной автоматизации. Большинство серверов и рабочих станций функционируют под управлением ОС Windows NT/2000/XP. Некоторые технологии Microsoft уже сейчас стали промышленным стандартом.

Использование архитектуры «Клиент-сервер» позволяет повысить эффективность и скорость работы всей системы, повысить надежность и живучесть системы за счет резервирования серверов, рабочих станций, территориальным распределением решаемых задач.

Серверы, как правило, выполняются на базе промышленных компьютеров и являются резервируемыми. Наименование серверов в различных ПТК различается: сервер базы данных реального времени, сервер оперативной и архивной базы данных, сервер ввода-вывода и др. Основные функции:

• сбор, обработка оперативных данных от устройств связи с объектом и контроллеров;

• передача команд управления контроллерам с верхнего уровня управления;

• хранение и отображение информации о заданных переменных;

• предоставление требуемой информации клиентским рабочим станциям;

• архивация трендов, печатных документов и протоколов событий.

Современные ПТК, как правило, включают станции инжиниринга, выполненные на базе персональных компьютеров в офисном исполнении. С их помощью осуществляется инженерное обслуживание контроллеров: программирование, наладка, настройка. В некоторых ПТК станции инжиниринга позволяют производить также инженерное обслуживание рабочих станций.

Еще одна сторона современных ПТК связана с активным проникновением Internet-технологий на уровень промышленной автоматизации. Сегодня все ведущие производители инструментального программного обеспечения для систем управления технологическими процессами, как зарубежные, так и отечественные, встраивают поддержку данных технологий в свои продукты.

Наиболее широким применением Internet-технологий в АСУ ТП является публикация на Webсерверах информации о ходе ТП и всевозможных сводных отчетов. Web-серверы имеют возможность взаимодействовать с сервером БД, который хранит необходимую информацию о процессе. Это позволяет клиенту через браузер (Internet-обозреватель) делать необходимые запросы к базе данных. Такой подход к тому же минимизирует затраты, так как не требует на стороне клиента установки какого бы то ни было дополнительного программного обеспечения, кроме обычных программ-браузеров (Internet Explorer, Netscape Navigator и др.).

В течение многих лет системы обмена данными строились по традиционной централизованной схеме, в которой имелось одно мощное вычислительное устройство и огромное количество кабелей, посредством которых осуществлялось подключение датчиков и исполнительных механизмов [7]. Такая структура диктовалась высокой ценой электронно-вычислительной техники и относительно низким уровнем автоматизации производства. На сегодняшний день у этого подхода практически не осталось приверженцев. Такие недостатки централизованных АСУ ТП, как большие затраты на кабельную сеть и вспомогательное оборудование, сложный монтаж, низкая надежность и сложная реконфигурация, сделали их во многих случаях абсолютно неприемлемыми как экономически, так и технологически.

В условиях бурно растущего производства микропроцессорных устройств альтернативным решением стали цифровые промышленные сети (Fieldbus), состоящие из многих узлов, обмен между которыми производится цифровым способом. На сегодняшний день на рынке представлено около сотни различных типов промышленных сетей, протоколов и интерфейсов, применяемых в системах автоматизации, среди которых Modbus, PROFIBUS, Interbus, Bitbus, CAN, LON, Foundation Fieldbus, Ethernet и др.

Использование промышленной сети позволяет расположить узлы, в качестве которых выступают контроллеры и интеллектуальные устройства ввода-вывода, максимально приближенно к оконечным устройствам (датчикам и исполнительным механизмам), благодаря чему длина аналоговых линий сокращается до минимума. Каждый узел промышленной сети выполняет несколько функций [7]:

• прием команд и данных от других узлов промышленной сети;

• считывание данных с подключенных датчиков;

• преобразование полученных данных в цифровую форму;

• отработка запрограммированного технологического алгоритма;

• выдача управляющих воздействий на подключенные исполнительные механизмы по команде другого узла или согласно технологическому алгоритму;

• передача накопленной информации на другие узлы сети.

АСУ ТП на базе промышленных сетей по сравнению с традиционными централизованными системами имеют несколько особенностей:

1. Существенная экономия кабельной продукции. Вместо километров дорогих кабелей требуется несколько сот метров дешевой витой пары. Также сокращаются расходы на вспомогательное оборудование (кабельные каналы, клеммы, шкафы).

2. Повышение надежности системы управления. По надежности цифровой метод передачи данных намного превосходит аналоговый. Передача в цифровом виде малочувствительна к помехам и гарантирует доставку информации благодаря специальным механизмам, встроенным в протоколы промышленных сетей (контрольные суммы, повтор передачи искаженных пакетов данных). Повышение надежности функционирования и живучести АСУ ТП на базе промышленных сетей также связано с распределением функций контроля и управления по различным узлам сети. Выход из строя одного узла не влияет либо влияет незначительно на отработку технологических алгоритмов в остальных узлах. Для критически важных технологических участков, возможно дублирование линий связи или наличие альтернативных путей передачи информации. Это позволяет сохранить работоспособность системы в случае повреждения кабельной сети.

3. Гибкость и модифицируемость. Добавление или удаление отдельных точек ввода-вывода и даже целых узлов требует минимального количества монтажных работ и может производиться без остановки системы автоматизации. Переконфигурация системы осуществляется на уровне программного обеспечения и также занимает минимальное время.

4. Использование принципов открытых систем, открытых технологий, что позволяет успешно интегрировать в единую систему изделия от различных производителей.

В 1978 году Международной организацией по стандартизации (ISO) в противовес закрытым сетевым системам и с целью разрешения проблемы взаимодействия открытых систем с различными видами вычислительного оборудования и различающимися стандартами протоколов была предложена «Описательная модель взаимосвязи открытых систем» (OSI-модель, ISO/OSI Model) [8, 9]. Модель ISO/OSI распределяет сетевые функции по семи уровням (табл. 1.2).

На физическом уровне определяются физические характеристики канала связи и параметры сигналов, например, вид кодировки, частота передачи, длина и тип линии, тип штекерного разъема и т.д.

Наиболее широко распространенный fieldbus стандарт 1 уровня – это интерфейс RS-485.

Канальный уровень определяет правила совместного использования физического уровня узлами сети. Сетевой уровень отвечает за адресацию и доставку пакета по оптимальному маршруту. Транспортный уровень разбирается с содержимым пакетов, производит деление и сборку пакетов.

7 Прикладной уровень (Application Layer) 6 Уровень представления (Presentation Layer) 5 Сеансовый уровень (Session Layer) 4 Транспортный уровень (Transport Layer) 3 Сетевой уровень (Network Layer) 2 Канальный уровень (Data Link Layer) 1 Физический уровень (Physical Layer) Сеансовый уровень координирует взаимодействие между узлами сети.

Уровень представления занимается при необходимости преобразованием форматов данных.

Прикладной уровень обеспечивает непосредственную поддержку прикладных процессов и программ конечного пользователя и управление взаимодействием этих программ с различными объектами сети передачи данных.

Все, что находится выше 7-го уровня модели, это задачи, решаемые в прикладных программах.

На практике большинство промышленных сетей (fieldbus) ограничивается только тремя уровнями, а именно физическим, канальным и прикладным. Наиболее «продвинутые» сети решают основную часть задач аппаратно, оставляя программную прослойку только на седьмом уровне. Дешевые сети (например, ModBus) зачастую используют на физическом уровне RS-232 или RS-485, а все остальные задачи, начиная с канального уровня, решают программным путем. Как исключение существуют протоколы промышленных сетей, реализующие все семь уровней OSI-модели, например LonWorks.

Большое разнообразие открытых промышленных сетей, интерфейсов и протоколов связано с многообразием требований автоматизируемых технологических процессов. Эти требования не могут быть удовлетворены универсальным и экономически оптимальным решением. Сейчас уже очевидно, что ни одна из существующих сетей не станет единственной, похоронив все остальные.

Когда обсуждается вопрос о выборе типа промышленной сети, необходимо уточнять, для какого именно уровня автоматизации этот выбор осуществляется [7]. В зависимости от места сети в иерархии промышленного предприятия требования к ее функциональным характеристикам будут различны.

Иерархия АСУ промышленным предприятием обычно представляется в виде трехэтажной пирамиды:

1. Уровень управления предприятием (верхний уровень).

2. Уровень управления технологическим процессом.

3. Уровень управления устройствами.

На уровне управления предприятием располагаются обычные IBM-PC-совместимые компьютеры и файловые серверы, объединенные локальной сетью. Задача вычислительных систем на этом уровне – обеспечение визуального контроля основных параметров производства, построение отчетов, архивирование данных. Объемы передаваемых между узлами данных измеряются мегабайтами, а временные показатели обмена информацией не являются критичными.

На уровне управления технологическим процессом осуществляется текущий контроль и управление либо в ручном режиме с операторских пультов, либо в автоматическом режиме по заложенному алгоритму. На этом уровне выполняется согласование параметров отдельных участков производства, отработка аварийных и предаварийных ситуаций, параметризация контроллеров нижнего уровня, загрузка технологических программ, дистанционное управление исполнительными механизмами. Информационный кадр на этом уровне содержит, как правило, несколько десятков байтов, а допустимые временные задержки могут составлять от 100 до 1000 миллисекунд в зависимости от режима работы.

На уровне управления устройствами располагаются контроллеры, осуществляющие непосредственный сбор данных от датчиков и управление исполнительными устройствами. Размер данных, которыми контроллер обменивается с оконечными устройствами, обычно составляет несколько байтов при скорости опроса устройств не более 10 мс.

В последнее время рассмотренная структура систем управления существенно усложняется, при этом стираются четкие грани между различными уровнями. Это связано с проникновением Internet/Intranet-технологий в промышленную сферу, значительными успехами промышленного Ethernet, использованием некоторых промышленных сетей Fieldbus во взрывоопасных зонах на предприятиях химической, нефтегазовой и других отраслей промышленности с опасными условиями производства. Кроме того, появление интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов и интерфейсов для связи с ними фактически означает появление четвертого, самого нижнего уровня АСУ ТП – уровня сети оконечных устройств.

AS-интерфейс (Actuators/Sensors interface – интерфейс исполнительных устройств и датчиков) является открытой промышленной сетью нижнего уровня систем автоматизации, которая предназначена для организации связи с исполнительными устройствами и датчиками [10]. AS-интерфейс позволяет подключать датчики и исполнительные механизмы к системе управления на основе построения сети с использованием одного двухжильного кабеля, с помощью которого обеспечивается как питание всех сетевых устройств, так и опрос датчиков и выдача команд на исполнительные механизмы.

Топология Шина, дерево, звезда, кольцо Число ведомых До устройств Число подклю- До 4 датчиков и 3 исполнительных чаемых датчиков механизмов на одно ведомое устройи исполнительныхство механизмов До 248 датчиков и 186 исполнительных механизмов на одно ведущее Максимальная Без повторителей/расширителей до протяженность 100 м линии связи С повторителями/расширителями до Электропитание Через шину AS-интерфейса: 2,8 А Время цикла об- При 31 ведомом устройстве – не преновления данных вышает 5 мс При наличии в системе специальных модулей AS-интерфейс позволяет подключать обычные широко распространенные датчики и исполнительные механизмы. Кроме того в настоящее время существенно расширяется номенклатура датчиков и исполнительных механизмов со встроенной в их электронную часть интегральной микросхемой ведомого устройства AS-интерфейса.

Гибкость управления системой достигается за счет применения различных ведущих устройств.

Функции ведущих устройств могут выполнять программируемые логические контроллеры, промышленные компьютеры или модули связи с сетями более высокого уровня – ModBus, Interbus, CANopen, DeviceNet, Profibus и др. (рис. 1.3).

Некоторые технические данные системы на базе AS-интерфейса представлены в табл. 1. Унифицированный сигнал 4 – 20 мА для передачи аналоговых сигналов известен несколько десятков лет и широко используется при создании АСУ ТП в различных отраслях промышленности. Достоинством данного стандарта является простота его реализации, использование его во множестве приборов, возможность помехоустойчивой передачи налогового сигнала на относительно большие расстояния. Однако при создании нового поколения интеллектуальных приборов и датчиков потребовалось наряду с аналоговой информацией передавать и цифровые данные, соответствующие их новым расширенным возможностям [11].

С этой целью американской компанией Rosemount был разработан протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer). HART-протокол основан на методе передачи данных с помощью частотной модуляции, при этом цифровой сигнал накладывается на аналоговый токовый сигнал.

Технические параметры, определяемые стандартом на HART-протокол Топология «Точка-точка» (стандартная) или Максимальное ко- Одно ведомое и два ведущих устличество устройств ройства (стандартный режим) Максимальная про- 3 км (стандартный режим) тяженность линии 100 м (многоточечный режим) связи Тип линии Экранированная витая пара Интерфейс 4 – 20 мА, токовая петля (аналоговый) Время цикла обнов- Около 500 мс ления данных Частотно-модулированный сигнал является двухполярным и при использовании соответствующей фильтрации не искажает основной аналоговый сигнал 4 – 20 мА. Некоторые технические параметры, определяемые стандартом на HART-протокол, приведены в табл. 1.4.

HART-протокол может использоваться в двух режимах работы:

1. Стандартный вариант – соединение «точка-точка» (рис. 1.4), т.е. непосредственное соединение прибора низовой автоматики (датчика, исполнительного механизма, преобразователя) и не более двух Вспомогательный источник питания Прибор с HART-интерфейсом Рис. 1.4. Структурная схема подключения HART-устройств (стандартный вариант) логический контроллер (ПЛК). В качестве вторичного применяется портативный HART-терминал или персональный компьютер с HART-модемом. При этом аналоговый сигнал является однонаправленным (например, от датчика к ПЛК или от ПЛК к исполнительному механизму), а цифровые сигналы могут передаваться и приниматься как от ведущего, так и от ведомого устройства.

2. Многоточечный режим (рис. 1.5) – 15 ведомых устройств могут соединяться параллельно двухпроводной линией с теми же двумя ведущими устройствами. При этом осуществляется только цифровая связь. Сигнал постоянного тока 4 мА обеспечивает вспомогательное питание ведомых приборов по сигнальным линиям.

Протокол CAN (Controller Area Network) был предложен компанией Bosch для создания сети контроллеров в автомобилях [12, 13]. В настоящее время CAN-сети активно применяются в самых разных областях – от стиральных машин до космических аппаратов. Протокол CAN определяет только первые два уровня модели ISO/OSI – физический и канальный. На основе этого протокола реализовано огромное количество полнофункциональных сетей, таких как CANOpen, DeviceNet, SDS и др. Количество узлов промышленных сетей, работающих на основе CAN, исчисляется десятками миллионов. Практически у каждого крупного производителя микроконтроллеров есть изделие с CAN-интерфейсом. Широкому распространению CAN способствуют его многочисленные достоинства, среди которых:

• Невысокая стоимость как самой сети, так и ее разработки.

• Высокая степень надежности и живучести сети, благодаря развитым механизмам обнаружения ошибок, повтору ошибочных сообщений, самоизоляции неисправных узлов, нечувствительности к электромагнитным помехам.

Ошибка!

Рис. 1.5. Структурная схема подключения HART-устройств • Простота конфигурирования и масштабирования сети, отсутствие теоретических ограничений на количество узлов.

• Поддержка разнотипных физических сред передачи данных, от витой пары до оптоволокна и радиоканала.

• Эффективная реализация режима реального времени.

PROFIBUS

Задачи в области промышленной связи часто требуют разных решений. В одном случае необходим обмен сложными, длинными сообщениями со средней скоростью. В другом – требуется быстрый обмен короткими сообщениями с использованием упрощенного протокола обмена, например, с датчиками или В третьем случае необходима работа во взрыво- и пожароопасных условиях производства. PROFIBUS имеет эффективное решение для любого из этих случаев.

PROFIBUS – семейство промышленных сетей, обеспечивающее комплексное решение коммуникационных проблем предприятия [7, 8, 14]. Под этим общим названием понимается совокупность трех различных, но совместимых протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA.

Протокол PROFIBUS-FMS появился первым и был предназначен для работы на так называемом цеховом уровне. Основное его назначение – передача больших объемов данных.

Протокол PROFIBUS-DP применяется для высокоскоростного обмена данными между программируемым логическим контроллером и распределенными устройствами связи с объектом. Физическая среда передачи – экранированная витая пара стандарта RS-485. Скорость обмена прямо зависит от длины сети и варьируется от 100 кбит/с на расстоянии 1200 м до 12 Мбит/с на дистанции до 100 м. Взаимодействие узлов в сети определяется моделью «Master-Slave» (ведущий-ведомый). Master последовательно опрашивает подключенные узлы и выдает управляющие команды в соответствии с заложенной в него технологической программой. Протокол обмена данными гарантирует определенное время цикла опроса в зависимости от скорости обмена и числа узлов сети, что позволяет применять PROFIBUS в системах реального времени.

PROFIBUS-PA – это сетевой интерфейс, физическая среда передачи данных которого соответствует стандарту IEC 61158-2, может применяться для построения сети, соединяющей исполнительные устройства, датчики и контроллеры, расположенные непосредственно во взрывоопасной зоне.

На уровне управления производством сети Ethernet уже давно завоевали себе прочное лидирующее место. Решения на базе Ethernet практически вытеснили все остальные из офисных распределенных приложений, и сегодня Ethernet является основным средством обмена в локальных сетях. В последнее время Ethernet стал активно проникать и в комплексы управления производственными процессами.

Появился целый ряд аппаратных средств (коммутаторов и концентраторов), выполненных в соответствии с требованиями промышленных условий эксплуатации.

Использование Ethernet, как физической среды передачи данных, приводит к использованию хорошо адресуемых логических протоколов. Уже сейчас большинство устройств поддерживают протокол TCP/IP. Это позволяет легко интегрировать локальные системы управления технологическими процессами в сети любого масштаба, включая глобальную сеть Internet.

1.3.2. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ КОНТРОЛЛЕРЫ,

КОНТРОЛЛЕРЫ НА БАЗЕ РС

В архитектуре АСУ ТП контроллеры занимают место между уровнем датчиков и исполнительных механизмов и системами верхнего уровня управления процессом. Основная функция контроллеров в системе – сбор, обработка и передача на верхний уровень первичной информации, а также выработка управляющих воздействий, согласно с запрограммированными алгоритмами управления и передача этих воздействий на исполнительные механизмы.

Большинство современных контроллеров изготавливается по секционно-блочному принципу. Каждый логический модуль физически представляет собой отдельный блок, который устанавливается либо в монтажную корзину, либо на единую монтажную шину. Коммутация между модулями осуществляется через единый монтажный кросс.

Такой конструктив позволяет широко варьировать количество используемых модулей и оптимально подстраивать физическую архитектуру контроллера к решаемой задаче. Кроме того, такое построение удобно в обслуживании, модернизации и ремонте. При необходимости заменяются лишь отдельные модули без изменения архитектуры всей системы.

Основными функциональными элементами контроллеров являются:

• корпус;

• источник питания;

• процессорный модуль;

• модули ввода-вывода (модули УСО);

• модули связи и интерфейсов;

• специализированные модули.

Источник питания должен обеспечивать непрерывность и надежность работы всех узлов контроллера. Особое внимание уделяется наличию резервного источника питания (как правило, аккумуляторная батарея), который позволяет сохранять информацию при отключении внешнего электропитания.

Модуль процессора в зависимости от используемой элементной базы может быть 8-, 16- и 32разрядным. Объем оперативной памяти существенно различается в различных моделях контроллеров:

от десятков килобайт до десятков мегабайт. По логическому построению модуль процессора контроллера аналогичен системному блоку персонального компьютера, где вместо дисковых накопителей в контроллерах используются перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ) и flash-па-мять. В некоторых моделях контроллеров flash-память отсутствует, в других – может достигать десятков, а иногда и сотен мегабайт.

В модуле процессора встроены также часы реального времени (RTC).

Модули ввода-вывода предназначены для преобразования входных аналоговых и дискретных сигналов в цифровую форму и выдачи управляющего воздействия в виде аналогового или дискретного сигнала. Модули аналогового ввода рассчитаны на ввод унифицированных сигналов тока (0 … 5 мА, 0(4) ± 10 В). Имеются специализированные модули аналогового ввода, рассчитанные на непосредственное подключение различных датчиков (например, термопар, термосопротивлений). Модули аналогового вывода преобразуют цифровой сигнал в унифицированный сигнал тока или напряжения. Модули дискретного ввода-вывода чаще всего работают с низкоуровневыми дискретными сигналами (24 В постоянного тока). Некоторые модели контроллеров располагают модулями дискретного ввода высокоуровневых сигналов постоянного или переменного тока (до 250 В) и модулями дискретного вывода, организованных с использованием тиристоров, симисторов (до 250 В, 300 … 500 мА) и сильноточными реле (250 В, 2 А).

Модули связи и интерфейсов обеспечивают связь контроллеров с верхним уровнем, а также между собой. В практике построения АСУ ТП используются различные интерфейсы и протоколы передачи данных посредством сети: последовательные интерфейсы: RS-232, 422, 485, ИРПС; сетевые протоколы:

Ethernet, Profibus, CAN, Modbus и др.

Все современные программируемые логические контроллеры (ПЛК) обладают развитыми программными средствами. Несмотря на существование международного стандарта на языки программирования программируемых логических контроллеров IEC 61131-3 многие производители снабжают свои контроллеры технологическими языками собственного производства. Технологические языки программирования позволяют проводить опрос входов и инициализацию выходов, обрабатывать арифметические и логические инструкции, управлять таймерами-счетчиками, осуществлять связь с другими ПЛК и компьютером.

Ввод программы в память контроллера осуществляется с помощью специальных программаторов или через интерфейс компьютера. Почти каждый производитель вместе с контроллерами поставляет пакет программ для создания и отладки контроллерного ПО на компьютере. Поставляются также различные симуляторы и специализированные редакторы, в том числе графические. После отладки программ контроллеры могут сохранять их в энергонезависимых ПЗУ, из которых программа перегружается в ОЗУ после включения питания или инициализации контроллера.

Многие современные контроллеры комплектуются программируемыми терминалами для отображения выполняемого процесса, что позволяет организовать удобное место оператора, не используя персональные компьютеры.

До последнего времени роль контроллеров в АСУ ТП в основном выполняли программируемые логические контроллеры - ПЛК (PLC – Programmable Logic Controller) зарубежного и отечественного производства [15]. Наиболее популярны в нашей стране ПЛК таких зарубежных производителей, как Allen-Braidly, Siemens, ABB, Modicon, и такие отечественные модели, как «Ломиконт», «Ремиконт», «Микродат», «Эмикон». В связи с бурным ростом производства миниатюрных PC-совместимых компьютеров последние все чаще стали использовать в качестве контроллеров, причем эта тенденция напрямую связана с концепцией OMAC (Open Modular Architecture Controls) – открытой модульной архитектуры контроллеров.

Такие РС-совместимые контроллеры получили название SofPLC. Это название свидетельствует о том, что большинство функций обычных PLC, которые решались на аппаратном уровне, в этих контроллерах могут решаться с помощью программного обеспечения.

Первое и главное преимущество PC-контроллеров связано с их открытостью, т.е. с возможностью применять в АСУ ТП самое современное оборудование, только-только появившееся на мировом рынке, причем оборудование для PC-контроллеров сейчас выпускают уже не десятки, а сотни производителей, что делает выбор достаточно широким. Это очень важно, если учесть, что модернизация АСУ ТП идет поэтапно и занимает длительное время, иногда несколько лет. Пользователь АСУ ТП уже не находится во власти одного производителя (как в случае с PLC), который навязывает ему свою волю и заставляет применять только его технические решения, а сам может сделать выбор, применяя те подходы, которые в данный момент его больше всего устраивают. Он может теперь применять в своих системах продукцию разных фирм, следя только, чтобы она соответствовала определенным международным или региональным стандартам. Второе важное преимущество PC-контроллеров заключается в том, что в силу их «родственности» с компьютерами верхнего уровня не требуются дополнительные затраты на подготовку профессионалов, обеспечивающих их эксплуатацию. Эту работу могут с успехом выполнять (и это подтверждается на практике) специалисты, обеспечивающие эксплуатацию компьютеров верхнего уровня. Это позволяет сократить сроки внедрения систем управления и упрощает процедуры их эксплуатации, что в конечном счете приводит к общему снижению затрат на создание или модернизацию АСУ ТП.

Контроллер на базе персонального компьютера – PC-совместимый контроллер, кроме выполнения функций, характерных для PLC, обладает большими возможностями [16]. Так, например, на него можно возложить функции работы с сетями, интерфейса человек-машина, поддержку различных баз данных и более дружественного интерфейса пользователя. Таким образом, РС-контроллер можно считать РСсовместимой программируемой PLC-системой, которая выполняет строго определенную задачу, но с возможностью гибкого ее перепрограммирования.

РС-совместимые контроллеры условно можно разделить на локальные и распределенные (модули ввода-вывода располагаются вне корпуса контроллера).

Локальные РС-совместимые контроллеры состоят из процессорной платы со встроенными функциями работы с диском, клавиатурой и монитором, блока питания под различные входные напряжения и плат сбора данных, обеспечивающих ввод-вывод аналоговых и цифровых сигналов. По сути, это обычный компьютер в компактном исполнении, обеспечивающий все функции персонального компьютера с добавлением специфических возможностей, которые характерны для промышленного контроллера. Среди них:

• наличие сторожевого таймера для перезапуска системы при сбое, с программируемым интервалом перезапуска;

• возможность работы с флэш-памятью (в настоящее время наблюдается тенденция к снижению стоимости Flash-дисков);

• расширенные функции работы с шиной ISA для увеличения нагрузочной способности шины, что позволяет устанавливать в контроллере до 20 плат расширения (их количество будет ограничено адресным пространством компьютера);

• высокая интеграция элементов и соответственно малый размер плат (например, плата Wafer фирмы ICP размером с 3,5-дюймовый флоппи-диск имеет все необходимые функции для работы с диском, монитором и сетью);

• наличие дополнительной памяти размером в 1 кбит для хранения критических данных, что позволяет исключить несанкционированную замену программного обеспечения или самой процессорной платы;

• дополнительная шина РС/104 для различных плат расширения с низким энергопотреблением;

• возможность работы только от одного напряжения, некоторые платы могут работать только от напряжения +5 В. В основном это платы с процессором Intel 386 и 486.

В соответствии с требованиями задачи можно выбирать и тип шины, на которой будет построен контроллер. Это шины ISA (16-разрядная, 8 МГц), PC/104 (8- и 16-разрядная), PCI (32-разрядная) или CompactPCI. В последнее время интенсивно расширяется область использования PC-контроллеров, построенных на основе шины VME. Каждый их этих вариантов обеспечен соответствующим набором плат сбора данных.

Шина ISA широко распространена в задачах автоматизации, поскольку надежна в применении и проста в использовании. Имеется широкий выбор плат сбора данных. Система, построенная на этой шине, в большинстве случаев удовлетворяет требованиям к задачам, решаемым в промышленности, поскольку такие задачи не требуют больших скоростей обработки данных. В контроллерах этой серии применяются процессоры от Intel 386 до Intel Pentium.

Шина EISA, PCI. При решении задач, связанных с обработкой высокочастотных сигналов, как в лабораторных, так и в промышленных условиях правильнее остановить свой выбор на платах сбора данных в стандарте PCI. Современные пассивные шины с установленными активными мостами PCI-PCI позволяют устанавливать до 17 PCI-плат расширения в компьютер. В совокупности с процессорными платами на базе Pentium, Pentium II/III такой контроллер сможет вводить и обрабатывать сигналы частотой более 100 кГц, например, производить анализ спектра высокочастотных сигналов в реальном времени. Такая платформа наиболее подходит для создания промышленных серверов различного уровня и научных компьютерных стендов. Благодаря удачному техническому решению, в настоящее время получила распространение гибридная шина ISA и PCI – PCISA. Она позволяет использовать в половинном размере материнские платы с высокопроизводительными процессорами. Таким образом, можно без проблем модернизировать уже существующие системы с шиной ISA, получая возможность использовать в том же конструктиве новейшие процессорные и периферийные платы с шинами ISA и PCI.

Шина PC/104 является аналогом 16-битной шины ISA. Платы в этом стандарте имеют малое потребление и, соответственно, низкую нагрузочную способность по шине, поэтому их количество в контроллере ограничено 4 – 5 платами. Надежный штыревой разъем, позволяющий соединять платы в этажерку и крепить их по углам, делает конструкцию контроллера жесткой и надежной. Такой контроллер не требует дополнительного охлаждения. Хотя в этом стандарте существуют и платы с более высокопроизводительными процессорами, наибольшее распространение получили платы на процессоре 386 и 486. Шину РС/104 используют при необходимости установки контроллера в малый объем, не позволяющий применять активную вентиляцию плат, например, когда необходимо встроить компьютерную систему внутрь различной аппаратуры.

Если необходимы высокие скорости обработки данных в тяжелых производственных условиях, лучше применять контроллеры на шине CompactPCI (это аналог шины PCI). Такой контроллер можно установить в промышленную 19-дюймовую стойку, причем конструкция корпуса позволяет иметь доступ к управляющим платам как с передней, так и с задней панели компьютера, что значительно облегчает обслуживание и ускоряет замену плат. Сама шина в отличие от ножевой PCI-шины, выполнена в более надежном штыревом исполнении. Более жесткое крепление плат в корпусе, хорошая вентиляция, а также исполнение корпуса в настольном, настенном или стоечном вариантах позволяют использовать их в задачах измерения и тестирования, промышленной автоматики, телекоммуникации и компьютерной телефонии.

В последнее время часто используется распределенная архитектура контроллерного уровня АСУ ТП. В больших, пространственно разнесенных установках возрастают затраты на кабельные соединения и чувствительность к помехам. Поэтому контроллеры, обладающие небольшим количеством входоввыходов, располагают в непосредственной близости от конкретных датчиков и исполнительных механизмов, при этом каждый контроллер управляет своим участком процесса. Контроллеры связываются между собой и координирующим мастер-контроллером или компьютером промышленной сетью. При реализации распределенных АСУ ТП широко используются также интеллектуальные модули вводавывода (модули УСО), которые устанавливаются в непосредственной близости к датчикам и исполнительным механизмам. Связь удаленных модулей УСО с управляющим контроллером также осуществляется посредством промышленной сети.

Гибкость логической и физической архитектуры управляющих контроллеров позволяет организовать гибкую схему управления процессом. Управляющие контроллеры могут нести основную нагрузку по управлению процессом, выдавая на верхний уровень только «справочную» информацию, а могут быть лишь передаточным звеном между компьютером и конкретными элементами управления технологическим процессом. Современные управляющие контроллеры способны взять на себя управление каким угодно по величине процессом, с любой необходимой скоростью и точностью.

1.3.3. КОММУТАТОРЫ, КОНЦЕНТРАТОРЫ, ИНТЕГРАТОРЫ В современных экономических условиях вследствие финансовых трудностей большинство предприятий не может провести комплексную автоматизацию всего производства или его модернизацию.

Приходится выбирать наиболее слабое место в производстве и модернизировать именно его, при этом обеспечивая совместимость с существующими работающими подсистемами АСУ.

На этом этапе приходится решать следующие задачи [17, 18]:

• согласование физических интерфейсов и протоколов различных промышленных сетей (Profibus, CANbus, Modbus, LonWork и др.) и локальных сетей с их базовыми протоколами (TCP/IP, IPX/SPX, NetBios и т.д);

• поддержка работы модемов и радиомодемов для обеспечения взаимодействия с удаленными контроллерами и подсистемами;

• синхронизация взаимодействия различных подсистем, обеспечение единого времени и адресации параметров системы (при необходимости формирования базы данных системы);

• обеспечение взаимодействия со SCADA-системами, СУБД и человеко-машинными интерфейсами верхнего уровня.

Эти задачи решаются с использованием различного рода коммутаторов, концентраторов и интеграторов [18]. Их аппаратное и программное оснащение в зависимости от выполняемых функций может варьироваться в широком диапазоне от недорогого контроллера, выполняющего роль шлюза для нескольких промышленных сетей, до крупного сервера с широким набором функций, объединяющего большое количество неоднородных подсистем.

Коммуникационный сервер (сервер-шлюз, коммутатор). Основные функции серверов этого типа – поддержка различных промышленных и локальных сетей и обеспечение транспорта данных из одной сети в другую (рис. 1.6). Как правило, они используются в тех случаях, когда имеются подсистемы с различными промышленными сетями, где нет необходимости вести дополнительную обработку данных, а достаточно только организовать взаимодействие подсистем с помощью прозрачной передачи данных из одной подсистемы в другую.

Концентратор (сервер данных) включает в себя функции коммуникационного сервера, выполняя при этом такие дополнительные функции, как сбор и первичная обработка данных от группы контроллеров нижнего уровня, а также обеспечивает информационный канал к системам верхнего уровня (архивирование и визуализация данных) (рис. 1.7).

Интеграционный сервер обеспечивает интеграцию различных подсистем в единую АСУ ТП. Это полнофункциональные серверы, наиболее мощные среди всех типов серверов по аппаратному и программному оснащению. Они включают в себя функции коммуникационного сервера и концентратора.

Кроме того выполняют широкий набор специальных функций по обработке данных, реализуют комплексные алгоритмы управления, обеспечивают синхронизацию работы подсистем и поддержку единого времени в системе и пр. (рис. 1.8).

Программное обеспечение ПТК разделяется на системное и прикладное.

Системное программное обеспечение составляют операционные системы реального времени (ОС РВ) контроллеров и рабочих станций (пультов оператора). В отличие от обычных (офисных) операционных систем операционные системы реального времени обеспечивают гарантированное время доступа к компьютерным ресурсам и реакции системы на незапланированные внешние события и способны поддерживать быстротекущие технологические процессы (порядка милли- и микросекунд). Наиболее широко распространенные ОС РВ – OS9/OS9000, QNX, VxWorks, LinxOS, VRTX, pDOS, pSOS+, RTOSВ последнее время расширяется область применения в качестве систем реального времени операционных систем Windows NT с промышленной надстройкой, Windows CE.

Прикладное программное обеспечение (ППО) подразделяется на [6]:

• ППО контроллеров: непроцедурные технологические языки, позволяющие легко реализовывать логические операции; конфигуратор и библиотека программных модулей (модули математических функций, первичной обработки информации, регулирования). Особенностями ППО контроллеров являются: простота использования технологических языков; наличие в библиотеке модулей современных совершенных алгоритмов (алгоритмы самонастройки регуляторов, адаптивного управления, нечеткого регулятора и др.). Некоторые контроллеры могут исполнять программы, написанные на языках высокого уровня (C, Pascal, VB).

• ППО пультов операторов.

• Включаемые в ПТК по желанию заказчика пакеты прикладных программ как общего назначения (статистическая обработка информации, экспертная система поддержки принятия управленческих решений и т.п.), так и объектного (рациональное, а иногда оптимальное управление типовыми процессами).

Разработка прикладного программного обеспечения пультов оператора может осуществляться двумя путями: с использованием традиционных языков программирования (С++, Pascal и др.) или с использованием существующих готовых инструментальных проблемно-ориентированных средств.

Процесс создания ППО с нуля с использованием традиционных языков программирования для сложных распределенных систем управления является недопустимо длительным, требующим огромных затрат труда высококвалифицированных программистов. Такой подход с непосредственным программированием относительно привлекателен лишь для простых систем или небольших фрагментов большой системы, для которых нет стандартных решений (например, отсутствует подходящий драйвер).

В настоящее время большое распространение при создании программно-технических комплексов получили пакеты программ визуализации измерительной информации на дисплейных пультах операторов, называемых конфигураторами пультов оператора, или SСАDА-программами. SCADA – это аббревиатура термина Supervisory Control And Data Acquisition – диспетчерское управление и сбор данных. В последнее время эти системы имеют более точное название: MMI/SСАDА, где MMI (Man Machine Interface) определяет наличие человеко-машинного интерфейса. Эти пакеты позволяют создавать полное высококачественное программное обеспечение пультов оператора, реализуемых на различных разновидностях персональных компьютеров и рабочих станций компьютерных сетей [19 – 22]. До середины 80-х годов фирмы, выпускающие микропроцессорные системы управления, разрабатывали свои собственные, закрытые SСАDА-программы, предназначенные только для среды данной системы. Cо второй половины 80-х годов ряд зарубежных фирм, а с 90-х годов и многие отечественные фирмы стали разрабатывать универсальные и открытые SСАDА-программы, имеющие совокупность интерфейсов, протоколов, драйверов, которые можно использовать для широкого класса разнообразных микропроцессорных систем.

На российском рынке получили распространение несколько десятков SСАDА-программ, среди которых InTouch (Wonderware, США), Factory Link (United States DATA Co., США), Genesis (Iconics, США), iFIX (Intellution, США), Trace Mode (AdAstra, Россия), КРУГ-2000 (НПФ «КРУГ», Россия), MasterScada (inSAT, Россия), Image (Технолинк, Россия).

Основные функции SСАDА-программ в части разработки дисплейного пульта (инструментальный комплекс SСАDА) и в части работы пульта в реальном масштабе времени (исполнительный комплекс SСАDА) следующие [19, 23]:

• сбор текущей информации от контроллеров или других приборов и устройств, связанных непосредственно или через сеть с пультом оператора (в том числе на основе стандартных протоколов DDE, OPC);

• первичная (вычислительная и логическая) обработка измерительной информации;

• архивирование и хранение текущей информации и ее дальнейшая необходимая обработка;

• представление текущей и исторической информации на дисплее (реализация динамизированных мнемосхем, гистограмм, анимационных изображений, таблиц, графиков, трендов);

• выделение аварийных и предаварийных ситуаций с автоматической генерацией сигналов тревоги;

• ввод и передача команд и сообщений оператора в контроллеры и другие устройства системы;

• регистрация всех действий оператора (ручной запуск процесса, аварийный останов, изменение и т.д.);

• регистрация всех ошибок и событий внутри системы управления (аппаратные тревоги, ошибки работы сети и т.д.);

• защита от несанкционированного доступа и предоставление различных прав пользователям во время работы с системой;

• печать отчетов и протоколов произвольной формы в заданные моменты времени, представление и запись аварийных ситуаций в моменты их возникновения;

• решение прикладных программ пользователя и их взаимосвязь с текущей измеряемой информацией и управленческими решениями;

• информационные связи с серверами и другими рабочими станциями через разные сетевые структуры.

Использование SCADA-систем позволяет существенно повысить эффективность производственного процесса за счет:

• более точного соблюдения технологических нормативов и регламента, и как следствие, уменьшения процента брака и стабилизации качества продукции;

• минимизации рутинных действий диспетчера или оператора, концентрации его внимания на выработке точных и эффективных решений по управлению процессом;

• устранения или минимизации ошибок, допускаемых операторами за счет дополнительного программного контроля правильности формирования команд дистанционного управления;

• автоматического выявления аварийных и предаварийных ситуаций, гарантированного оповещения о них;

• снижения простоев оборудования, вызванных неравномерной загрузкой производственных мощностей;

• своевременной генерацией отчетов и предоставления полной необходимой информации руководящему персоналу;

• анализа факторов, влияющих на качество готовой продукции.

На современных производственных предприятиях, наряду с увеличением степени автоматизации технологических процессов, увеличивается количество электронных систем обработки данных верхнего уровня иерархии [24].

В системах управления технологическими процессами сегодня широко применяются многочисленные программные решения (например, SCADA) самых разных производителей, причем работа этих и т.д.). Возможность такого взаимодействия обеспечивается производителями этих программных решений путем самостоятельной разработки ими драйверов, которые интегрируются в вышеназванные программные пакеты. Такой подход, как правило, ведет к следующим проблемам:

• Увеличение затрат: должны разрабатываться отдельные драйверы для каждого поддерживаемого устройства.

• Ограниченная функциональность драйверов: разработчиком драйверов поддерживаются не все функции соответствующего устройства.

• Ограниченные возможности расширения и изменения состава компонент системы автоматизации:

вследствие модернизации аппаратной платформы драйвер либо вообще не может больше использоваться, либо может работает нестабильно.

• Конфликты доступа: различные программы не могут одновременно осуществлять доступ к одним и тем же компонентам системы автоматизации, т.к. обращение к данным осуществляется через собственные драйверы, работа одного из которых в каждый момент времени блокирует возможность работы всех остальных.

Решить эти проблемы могут производители аппаратных компонентов, разработав собственные драйверы, снабдив их специальными стандартизованными интерфейсами, чтобы программы различных производителей программного обеспечения могли их без проблем использовать.

Большое количество программ в области промышленной обработки данных реализуются в настоящее время на базе персональных компьютеров под управлением операционных системам семейства Windows (Windows 95/98/NT/2000/XP) фирмы Microsoft. Для решения коммуникационных проблем фирмой Microsoft была предложена технология ОРС, ставшая в настоящее время промышленным стандартом.

OPC (OLE for Process Control) – это стандарт взаимодействия между программными компонентами системы сбора данных и управления (SCADA), основанный на объектной модели COM/DCOM [25].

Технология ОРС предназначена для обеспечения:

• универсального механизма обмена данными между датчиками, исполнительными механизмами, контроллерами, устройствами связи с объектом и системами представления технологической информации;

• оперативного диспетчерского управления;

• архивации данных системами управления базами данных.

Через интерфейсы ОРС одни приложения могут читать или записывать данные в другие приложения, обмениваться событиями, оповещать друг друга о нештатных ситуациях (тревогах), осуществлять доступ к данным, зарегистрированных в архивах («исторические» данные). Эти приложения могут располагаться как на одном компьютере, так и быть распределенными по сети. При этом независимо от фирмы-поставщика стандарт ОРС, признанный и поддержанный всеми ведущими фирмамипроизводителями SCADA-систем и оборудования, обеспечит их совместное функционирование. Особый класс ОРС-приложений представляют собой ОРС-серверы конкретных аппаратных устройств – они поставляются многими производителями аппаратных средств. ОРС-сервер создает своего рода абстракцию аппаратуры, позволяя любому ОРС-клиенту записывать и считывать данные с устройства. Устройство, для которого есть ОРС-сервер, может использоваться вместе с любой современной SCADAсистемой.

Теперь разработчиков программного обеспечения отпадает необходимость написания новых драйверов, если вследствие модернизации некоторой аппаратной компоненты изменяется набор функций доступа к ее данным. Заказчики получают большую свободу выбора при конфигурировании и подборе аппаратных средств решения их задач автоматизации.

Основные характеристики надежности для ПТК не могут достаточно точно определяться такой характеристикой, как «число часов наработки на отказ». Ввиду высокой надежности современных вычислительных элементов и плат, сквозного контроля блоков и конструктивов в процессе их изготовления отказы в работе компонентов ПТК весьма редки, и набрать статистический материал для расчета числа часов наработки на отказ производители обычно не могут. Поэтому характеристики надежности обычно оценивают косвенными показателями и возможностями ПТК [6]:

• глубиной и полнотой диагностических тестов определения неисправностей в отдельных компонентах ПТК;

• возможностями, вариантами и полнотой резервирования отдельных компонентов ПТК: сетей, контроллеров, блоков ввода-вывода, пультов оператора, серверов;

• наличием встроенных в систему блоков бесперебойного питания (UPS) и временем их работы при прекращении питания от сети, а также возможностью и длительностью перерыва питания (при отсутствии UPS) без нарушения функций управления.

Использование резервирования и его полнота напрямую связаны со стоимостью системы. Поэтому в разрабатываемой системе автоматизации важно правильно оценить необходимость и желательный вид резервирования разных частей ПТК.

Локальная АСУ ТП (рис. 1.9) и распределенная система (рис. 1.10) имеют общую особенность: обе системы автоматизации полностью выйдут из строя, если всего в одном компоненте системы (компьютере, соединенном с контроллерами или сети контроллеров) возникнет неисправность.

ЕСЛИ КАКИЕ-ЛИБО КОМПОНЕНТЫ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССА (ИЛИ ВЕСЬ

ПРОЦЕСС) ЯВЛЯЮТСЯ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫМИ ИЛИ СТОИМОСТЬ ОСТАНОВКИ ПРОИЗВОДСТВА ОЧЕНЬ ВЫСОКА, ВОЗНИКАЕТ НЕОБХОДИМОСТЬ ПОСТРОЕНИЯ РЕЗЕРВИРУЕМЫХ СИСТЕМ. В СИСТЕМАХ С РЕЗЕРВИРОВАНИЕМ ВЫХОД ИЗ СТРОЯ ОДНОГО

КОМПОНЕНТА НЕ ВЛЕЧЕТ ЗА СОБОЙ ОСТАНОВКУ ВСЕЙ СИСТЕМЫ [26]. РЕАЛИЗАЦИЮ

РЕЗЕРВИРОВАНИЯ БОЛЬШИНСТВА КОМПОНЕНТОВ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖИВАЕТ, НАПРИМЕР, ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ

ПРОЦЕССАМИ (SCADA-СИСТЕМА).

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПО НЕСКОЛЬКИМ

КОМПЬЮТЕРАМ, ОБЪЕДИНЕННЫМ В ЛОКАЛЬНУЮ СЕТЬ, И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АРХИТЕКТУРЫ «КЛИЕНТ-СЕРВЕР» ПОЗВОЛЯЮТ ПОВЫСИТЬ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И СКОРОСТЬ РАБОТЫ ВСЕЙ СИСТЕМЫ, УПРОСТИТЬ СОЗДАНИЕ РЕЗЕРВИРУЕМЫХ СИСТЕМ.

В ПРОСТОЙ СИСТЕМЕ КОМПЬЮТЕР, СОЕДИНЕННЫЙ С ПРОМЫШЛЕННЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ, СТАНОВИТСЯ СЕРВЕРОМ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫМ ДЛЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С

КОНТРОЛЛЕРАМИ, В ТО ВРЕМЯ КАК КОМПЬЮТЕРЫ ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ – КЛИЕНТАМИ (РИС. 1.11).

РИС. 1.11. КЛИЕНТСЕРВЕРНАЯ АРХИТЕКТУРА ПРОСТОЙ

С ДУБЛИРОВАННЫМ

КОГДА КОМПЬЮТЕРУ-КЛИЕНТУ ТРЕБУЮТСЯ ДАННЫЕ ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ, ОН

ЗАПРАШИВАЕТ ИХ У СЕРВЕРА И ЗАТЕМ ОБРАБАТЫВАЕТ ЛОКАЛЬНО.

ДУБЛИРОВАНИЕ СЕРВЕРА ВВОДА-ВЫВОДА. ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ

В СИСТЕМУ МОЖЕТ БЫТЬ ДОБАВЛЕН ВТОРОЙ (РЕЗЕРВНЫЙ) СЕРВЕР, ТАКЖЕ ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ПРОМЫШЛЕННЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ (РИС.

1.12).

ЕСЛИ ОСНОВНОЙ СЕРВЕР ВЫХОДИТ ИЗ СТРОЯ, ЗАПРОСЫ КЛИЕНТОВ НАПРАВЛЯЮТСЯ К РЕЗЕРВНОМУ СЕРВЕРУ. РЕЗЕРВНЫЙ СЕРВЕР НЕ ДОЛЖЕН ПРИ ЭТОМ ПОЛНОСТЬЮ ДУБЛИРОВАТЬ РАБОТУ ОСНОВНОГО, ПОСКОЛЬКУ В ЭТОМ СЛУЧАЕ ОБА СЕРВЕРА ВЗАИМОДЕЙСТВУЮТ С КОНТРОЛЛЕРАМИ, УДВАИВАЯ НАГРУЗКУ НА ПРОМЫШЛЕННУЮ СЕТЬ, СОКРАЩАЯ, ТАКИМ ОБРАЗОМ, ОБЩУЮ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ.

ОБЫЧНО В КЛИЕНТ-СЕРВЕРНОЙ АРХИТЕКТУРЕ С КОНТРОЛЛЕРАМИ ВЗАИМОДЕЙСТВУЕТ ТОЛЬКО ОСНОВНОЙ СЕРВЕР. ОДНОВРЕМЕННО ОН ОБМЕНИВАЕТСЯ ДАННЫМИ

С РЕЗЕРВНЫМ СЕРВЕРОМ, ПОСТОЯННО ОБНОВЛЯЯ ЕГО СТАТУС. ЕСЛИ ОБМЕН ДАННЫМИ С ОСНОВНЫМ СЕРВЕРОМ ПРЕКРАЩАЕТСЯ, РЕЗЕРВНЫЙ СЕРВЕР ПОЛАГАЕТ,

ЧТО ОСНОВНОЙ ВЫШЕЛ ИЗ СТРОЯ И БЕРЕТ ЕГО ФУНКЦИИ

НА СЕБЯ.

Резервирование на уровне задач. Многие современные SCADA-программы позволяют организовать резервирование системы на уровне задач, например, ввода-вывода с поддержкой баз данных реального времени (БД РВ), обслуживания тревог (алармов), архивирования данных, организации отчетов, обработки графической информации и др.

КАЖДАЯ ИЗ ЭТИХ ЗАДАЧ ПОДДЕРЖИВАЕТ СВОЮ БАЗУ ДАННЫХ НЕЗАВИСИМО ОТ

ДРУГИХ ЗАДАЧ, ТАК ЧТО МОЖНО ДУБЛИРОВАТЬ КАЖДУЮ ЗАДАЧУ В ОТДЕЛЬНОСТИ

(РИС. 1.13).

РИС. 1.13. РЕЗЕРВИРОВАНИЕ ЗАДАЧ ОТОБРАЖЕНИЯ ГРАФИКОВ И ВЫВОДА ОТЧЕТОВ

ЕСЛИ ОСНОВНОЙ СЕРВЕР НЕКОТОРОЙ ЗАДАЧИ, НАПРИМЕР, СЕРВЕР ТРЕВОГ, ВЫХОДИТ ИЗ СТРОЯ, ВСЕ КЛИЕНТЫ ПОЛУЧАЮТ ДАННЫЕ С СООТВЕТСТВУЮЩЕГО РЕЗЕРВНОГО СЕРВЕРА.

Резервирование сети. Резервирование серверов и рабочих станций существенно повышает надежность системы. Однако, если выходит из строя сеть, нарушается и управление на всех клиентских компьютерах. Использование дополнительной резервной (рис. 1.14) сети обеспечивает стабильность работы системы в случае выхода из строя основной сети.

Резервирование связи с контроллером. В большинстве контроллеров можно организовать дополнительную связь между сервером ввода-вывода и устройством (рис. 1.15).

Наличие дополнительного канала связи гарантирует сохранение обмена данными при выходе из строя основного канала. Если обмен данными нарушается (например, произошел обрыв кабеля), SCADA-система производит переключение на резервный канал. Обратный переход на основной канал обычно происходит после восстановления физического соединения.

Резервирование контроллеров обычно осуществляется двумя путями:

• Аппаратное резервирование: при этом резервироваться могут как отдельные узлы контроллера, так и весь контроллер в целом; основные и резервные узлы контроллера, как правило, расположены в одном корпусе и связь между ними осуществляется по внутриконтроллерной шине.

• Резервирование с использованием сети контроллеров: при этом способе резервируются контроллеры в целом, и их взаимодействие осуществляется посредством сетевой связи.

ПРИ УПРАВЛЕНИИ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫМИ ПРОИЗВОДСТВАМИ, ГДЕ ТРЕБУЕТСЯ ПОВЫШЕННАЯ НАДЕЖНОСТЬ УПРАВЛЯЮЩИХ КОНТРОЛЛЕРОВ, ПРИМЕНЯЮТСЯ РАЗЛИЧНЫЕ СПОСОБЫ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ:

1 ГОРЯЧЕЕ РЕЗЕРВИРОВАНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ И/ИЛИ КОНТРОЛЛЕРА

В ЦЕЛОМ (ПРИ НЕПРОХОЖДЕНИИ ТЕСТА В РАБОЧЕМ КОНТРОЛЛЕРЕ УПРАВЛЕНИЕ

ПЕРЕХОДИТ КО ВТОРОМУ КОНТРОЛЛЕРУ).

2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СХЕМЫ ТРОИРОВАНИЯ С «ГОЛОСОВАНИЕМ» РЕЗУЛЬТАТОВ

ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ВСЕМИ КОНТРОЛЛЕРАМИ ГРУППЫ. ПРИ ЭТОМ ЗА ВЫХОДНОЙ СИГНАЛ ПРИНИМАЕТСЯ ТОТ, КОТОРЫЙ ВЫДАЛИ БОЛЬШИНСТВО КОНТРОЛЛЕРОВ ГРУППЫ, А КОНТРОЛЛЕР, ДАВШИЙ ИНОЙ РЕЗУЛЬТАТ, ОБЪЯВЛЯЕТСЯ НЕИСПРАВНЫМ.

3 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СХЕМЫ, ПОСТРОЕННОЙ НА ПРИНЦИПЕ «ПАРА И РЕЗЕРВ».

ЗДЕСЬ ПАРАЛЛЕЛЬНО РАБОТАЕТ ПАРА КОНТРОЛЛЕРОВ С «ГОЛОСОВАНИЕМ» РЕЗУЛЬТАТОВ, И АНАЛОГИЧНАЯ ПАРА НАХОДИТСЯ В ГОРЯЧЕМ РЕЗЕРВЕ. ПРИ ОБНАРУЖЕНИИ ОТЛИЧИЙ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ ПЕРВОЙ ПАРЫ КОНТРОЛЛЕРОВ УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕХОДИТ КО ВТОРОЙ ПАРЕ. ПОСЛЕ ПРОВЕДЕНИЯ ТЕСТИРОВАНИЯ ПЕРВОЙ

ПАРЫ, В СЛУЧАЕ КРАТКОВРЕМЕННОГО СЛУЧАЙНОГО СБОЯ УПРАВЛЕНИЕ ВОЗВРАЩАЕТСЯ К ПЕРВОЙ ПАРЕ. В ПРОТИВНОМ СЛУЧАЕ, ЕСЛИ ДИАГНОСТИРУЕТСЯ НЕИСПРАВНОСТЬ, УПРАВЛЕНИЕ ОСТАЕТСЯ У ВТОРОЙ ПАРЫ КОНТРОЛЛЕРОВ.

1.5. Программно-технический комплекс «КРУГ-2000»

ПТК «КРУГ-2000» (www.krug-2000.ru) предназначен для создания:

• автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП);

• систем противоаварийных защит (ПАЗ);

• автоматизированных измерительных систем;

• тренажеров для обучения технологов-операторов;

• автоматизированных систем оперативно-диспетчерского управления (АСОДУ).

На базе программно-технического комплекса могут быть созданы автоматизированные системы для непрерывных и периодических технологических процессов, сосредоточенных и распределенных объектов управления.

Комплекс охватывает следующие уровни управления:

• управление агрегатом;

• управление технологической установкой, группой агрегатов;

• управление группой технологических установок, цехом, производством;

• оперативно-диспетчерское управление производством.

Информационная мощность ПТК «КРУГ-2000» – до 60 000 входных/выходных переменных и более.

ПТК «КРУГ-2000» имеет соответствующий сертификат Госстандарта РФ, разрешения Госгортехнадзора РФ на применение ПТК для взрывоопасных производств, разрешение РАО «ЕЭС» на применение ПТК для энергетики.

Основные особенности ПТК «КРУГ-2000» состоят в следующем:

• ПТК сертифицирован Госстандартом РФ как средство измерения.

• Имеются апробированные технические решения для автоматизации пожаро- и взрывоопасных производств.

• Обеспечена высокая надежность благодаря применению элементной базы ведущих зарубежных фирм, глубокого тестирования и жесткого технологического прогона (при использовании контроллеров TREI-5B).

• Полное удовлетворение стандартам России, МЭК (IEC) и других действующих нормативных документов.

• Открытость системы при наращивании и внесении изменений.

• Ориентация на особо опасные отрасли промышленности.

• Поддержка 100 %-ного «горячего» резервирования станций оператора, контроллеров, вычислительных сетей, входных и выходных цепей.

• Поддержка международных стандартов сетевых протоколов.

• Наличие специализированных сертифицированных версий: ПТК «КРУГ-2000/Т» (коммерческий учет тепла и теплоресурсов), «КРУГ-2000/Г» (коммерческий учет газов) и др.

• Ремонтопригодность и эффективное сопровождение на объектах России.

• Мощные инструментальные средства и САПР.

Состав подсистем ПТК. АСУ ТП на базе ПТК «КРУГ-2000» строится как многоуровневая интегрированная человеко-машинная система, работающая в темпе технологического процесса (реальном масштабе времени), и включает в себя комплекс программно-технических средств и оперативный технологический и обслуживающий персонал.

В функциональной структуре ПТК с точки зрения пользователей выделяются следующие функциональные подсистемы:

• сбора и первичной обработки информации;

• автоматического регулирования;

• противоаварийных защит ПАЗ (блокировок и защит);

• дистанционного и логического управления;

• представления информации оперативному персоналу;

• архивирования, осуществляющая хранение данных за длительный период времени;