ГЛАВА 3. ОБЩИЙ АНАЛИЗ КОНТРОЛЛЕРОВ

Аппаратное обеспечение

VMEbus (или VME) – стандарт на компьютерную шину, первоначально разработанный для семейства микропроцессоров Motorola 68000 и в дальнейшем нашедший применение для множества других приложений. Шина VME была стандартизирована IEC как ANSI/IEEE 1014 – 1987 (отечественный аналог – ГОСТ Р МЭК 821-2000). Физически в VME используется конструктив Евромеханика. Впервые разработанная в 1981 году, шина VME находит широкое применение вплоть до сегодняшнего дня.

В 1979 году компания Motorola разрабатывала свой новый микропроцессор 68000, и один из её инженеров, Jack Kister, поднял вопрос о создании стандартизированной шины для систем, использующих 68000, которую он назвал VERSAbus. C тех пор спецификация стандарта прошла несколько ревизий, и в 1987 году была принята действующая по настоящее время спецификация VMEbus Rev.C1, которая является международным стандартом МЭК 821. В США этот стандарт имеет название ANSI/IEEE 1014-1987.

Характеристики шины:

· разрядность шины – 32/64;

· адрес/данные – раздельные (VME32), мультиплексируемые (VME64);

· тип шины – асинхроная;

· конструктив – Евромеханика 3U, 6U, 9U;

· максимальное количество модулей в крейте – 21 штука;

· пропускная способность в 32–разрядном варианте – 40 Мбайт/с (VME32), 80 Мбайт/с (VME64);

В режиме блочных передач скорость может достигать 320 Мбайт/с (VME64).

Описание шины. Во многом шина VMEbus представляет собой внешние интерфейсы процессора 68000, доработанные для соединения нескольких печатных плат. Логически устройства шины VME делятся на три типа:

· ведущий – инициирует циклы на шине;

· ведомый – осуществляет операции по команде ведущего;

· арбитр – осуществляет контроль за занятостью шины.

Для управления шиной используется набор из девяти линий, известный как arbitration bus. Всю передачу информации по шине контролирует арбитр шины, расположенный на плате, установленной в слот номер 1 шасси, такая плата называется arbiter module. В общем случае для передачи информации по шине каждая плата должна запросить доступ к шине, установив одну из линий bus request in на arbitration bus в активное состояние (лог. 0) для того, чтобы арбитр мог определить её номер слота. Когда арбитр освобождает шину, он сканирует линии bus request in и проверяет, находятся какие–либо из них в активном состоянии. Если это так, то арбитр устанавливает линию bus busy в активное состояния, указывая таким образом всем устройствам на шине, что шина занята и разрешает доступ к шине одному устройству путём установки линии bus grant out в активное состояние.

После этого устройство получает доступ к шине и чтобы записать данные, устройство выставляет адрес и данные на шину, устанавливает в активное состояние линии address strobe и две линии data strobe, для указания того, что данные готовы, а также устанавливает линию write в активное состояние. Для указания разрядности данных, пересылаемых в данном цикле, используется две линии data strobe, с помощью которых кодируется размер данных: 8, 16 или 32 бита (или 64 для VME64). Ведомое устройство, прочитавшее адрес с шины и опознавшее его как свой, читает данные и устанавливает линию data transfer acknowledge по завершении (в случае ошибки устанавливается линия bus error). Чтение данных происходит аналогичным образом, но ведущее устройство устанавливает на шине только адрес и устанавливает линию read в активное состояние. Другое устройство устанавливает на шине данные и data strobe в активное состояние. Подобный способ обмена называется асинхронным, означая то, что на шине не существует сигнала общей синхронизации (который есть на синхронных шинах, таких, как PCI).

Шина VME имеет семь линий запроса на прерывание. При приходе запроса на прерывание по одной из этих линий арбитр шины записывает уровень прерывания на шину адреса, чтобы указать, какое прерывание надо обработать.

При выборе аппаратного обеспечения СРВ основополагающими моментами являются жесткие требования к временным характеристикам и гибкости системы. Большинство проектов реального времени осуществляется в рамках архитектурных решений магистрально-модульных систем (ММС).

Новый аппаратный стандарт CompactPCI. В начале 1995 года по инициативе компании Ziatech была сформирована рабочая группа из представителей компаний Ziatech, DEC, AMP, Prolog, GESPAC, IBM, Texas Microsystems и некоторых других, целью которой стало изучение возможности использования PCI в качестве системной широковещательной шины, действительно пригодной для создания широкого класса надежных промышленных и военных встраиваемых приложений. Основополагающие принципы разработки:

· использование стандартных PCI-полупроводниковых компонентов;

· использование стандартного промышленного евроконструктива 3U (100´ 160 мм)/6U (233´ 160 мм) как наиболее популярного в мире встраиваемого формфактора;

· поддержка не менее 6 слотов расширения;

· обеспечение эффективного конвекционного охлаждения, а в перспективе и кондукционного;

· обеспечение возможности использования ключевых мезонинных технологий гибкого ввода/вывода: IndustryPack и PMC;

· обеспечение максимально простой интеграции со стандартными промышленными шинами типа VMEbus;

· обеспечение возможности " горячей замены" модулей ввода/вывода;

· создание открытого стандарта, поддержанного группой независимых компаний-производителей совместимых компонентов.

Благодаря принципу кооперации и открытости в разработке стандарта VMEbus приняли участие члены Международной ассоциации VITA (VMIC, IBM, DEC, Force, AMP и др.). 1 ноября 1995 года была представлена Спецификация версии 1.0 нового стандарта, получившего название " CompactPCI":

· CompactPCI полностью совместим со спецификацией PCI v2.хх;

Тип шины	мультиплексируемая синхронная
Разрядность	32 или 64 бит
Тип процессора	процессорно-независимая
Число слотов
Расширение	мосты PCI-to-PCI
Макс. пропускная способность	132 (32bit) или 264 (64bit) Мбайт/сек (33 MГц)
Средняя пропускная способность	64 Мбайт/с
Арбитраж	простой одноуровневый
Логика	преимущественно CMOS, 5/3.3V

· CompactPCI использует любые широкодоступные PCI-полупроводниковые компоненты от большого числа независимых производителей. Любое программное обеспечение, работающее на desktop PCI-компьютерах без модернизации, будет функционировать и в CompactPCI-системе, и готовая PCI-плата ввода/вывода для настольной машины может быть прямо переведена в стандарт CompactPCI без изменения схемотехники и программного обеспечения;

· CompactPCI основан на общепринятой технологии создания встраиваемых систем: пассивной объединительной магистрали;

· CompactPCI использует механический формат для промышленных магистрально-модульных систем: Европлаты формата 3U (100х160 мм) и 6U (233х160 мм), аналогичные формату промышленных шин VME, G64/96, STD32 и др;

· CompactPCI обеспечивает возможность организации ввода/вывода через переднюю панель и через дополнительные задние разъемы, поле для которых имеется на стороне системного соединителя сверху. Стандарту присуща возможность функционировать в условиях повышенных требований к вибро- и термостойкости за счет конструкции и компоновки плат, вентилируемых и поддающихся замене;

· CompactPCI процессорно и программно независим. С использованием шины PCI сегодня строятся вычислительные устройства на базе процессоров PowerPC, Alpha, Pentium, Pentium Pro, MPC860, MC68360, MC68040/60, DSP;

· может быть использована любая ОС как общего назначения MS DOS, Windows 3.xx/95/NT, Unix, так и реального времени OS9, VxWorks, pSOS+, LynxOS, QNX. CompactPCI обеспечивает работу по технологии Plug-and-Play;

· CompactPCI представляет собой открытую технологию. Спецификация стандарта является общедоступной, курируется и распространяется независимой ассоциативной организацией производителей и пользователей PICMG.

· CompactPCI, разработанный Siemens для собственных телекоммуникационных приложений, системный разъем CompactPCI выпускается несколькими компаниями и стандартизован как МЭК 1076-4-101. Он высоконадежен, компактен, обеспечивает малые величины емкостей между контактами для работы быстрой шины, обладает повышенным иммунитетом к шумам, допускает большое число вставок/удалений модулей, имеет защиты от ошибочного включения. CompactPCI использует 235-штырьковый пятирядный разъем (47 контактов в ряду с шагом 2 мм). Из них 124 используются для PCI 32-bit, 55 для PCI 64-bit, остальные для дальнейшего расширения и питания. Качество выбранного системного разъема определило создание системы с удвоенным, по сравнению с desktop-вариантом, количеством слотов расширения;

· CompactPCI обеспечивает большие возможности расширения, чем это предусмотрено в базовой PCI-спецификации v2.0, которая предусматривает максимум 4 слота расширения без использования дополнительных мостовых соединений. CompactPCI v1.0 предусматривает возможность установки максимум 8 слотов расширения без специальных мостовых кристаллов PCI-PCI. С использованием мостовых схем PCI-PCI количество слотов расширения может быть увеличено;

· CompactPCI имеет потенциальные возможности для " горячей замены" модулей в работающей системе;

· CompactPCI обеспечивает интеграцию с традиционными системами на базе VME, G96, STD.

Номенклатура CompactPCI. Стандарт CompactPCI включает.

Процессорные модули. Имеющиеся на рынке host-процессоры CompactPCI форматов 3U и 6U построены на базе PowerPC, Pentium и Pentium Pro. Они интегрируют CPU, DRAM, FLASH, SVGA, последовательные и параллельные порты, контроллеры дисков, клавиатуры и т. д., одним словом, являются одноплатными компьютерами.

Контроллер CompactPCI полностью совместим со спецификацией PREP/CHRP для PowerPC и позволяет использовать широкий спектр программного обеспечения на этой платформе, начиная от широкого класса ОС РВ и заканчивая NT и AIX. Контроллеры на базе Pentium, Pentium Pro обеспечивают работу всего спектра программного обеспечения, функционирующего на платформе IBM PC/AT.

Процессоры полностью повторяют PCI-архитектуру настольных компьютеров, но в жестком промышленном формате. Типовыми отличительными признаками с точки зрения архитектуры могут являться повышенные объемы Eprom& Flash, отсутствие дисковых контроллеров и графического интерфейса, поскольку во встраиваемых приложениях они нужны не всегда.

Ввод/вывод. Коммерческий успех стандарта определяется его возможностью обеспечения функций ввода/вывода для максимально широкого круга конечных приложений.

В 1996 году компания Green Spring Computers – лидер в области разработки и производства гибких мезонинных технологий ввода/вывода IndustryPack – выпустила свою знаменитую плату-носитель PCI-40 в формате 6U CompactPCI, названную сPCI-200, и в формате 3U под названием cPCI-100. Эта работа была выполнена по заявке и в кооперации с двумя крупнейшими фирмами, Force и ProLog, поддерживающими CompactPCI. К ним вскоре присоединилась и Zialtech. Выпуск носителей cPCI-200/100 означает, что OEM-компаниям и системным интеграторам открыт доступ к огромной номенклатуре объектного ввода/вывода от большого числа базовых поставщиков. А это практически любой ввод/вывод: аналоговый, цифровой, графический, телекоммуникационный NxRS232/422/485, промышленные (Profibus, LonWorks, CANbus), локальные (FastEthernet, Arcnet), глобальные (ISDN E1/T1, SS7, X25) сети, авиационные интерфейсы типа MIL1553B/ARINC/H009, управление двигателями/приводами, реле, таймеры, аудиоDSP, синтезаторы речи и т. д.

В то же время компания Creative Electronic System (CES, Швейцария) выпустила первый универсальный модуль-носитель двух PMC-мезонинов (стандартные низкопрофильные промышленные мезонины на основе шины PCI). Для ОЕМ- и системных интеграторов открылся доступ к широкой, чрезвычайно гибко компонуемой номенклатуре PMC/IEEE1386/ - мезонинных модулей для наплатных, высокопроизводительных расширений: сети FastEthernet, AnyLAN, ATM, FDDI, RMN, быстрый аналоговый и цифровой ввод/вывод, DSP+аналоговый ввод/вывод, графические процессоры, авиационные сети, SCI-интерфейс, телекоммуникационные NxRS232/422/485 интерфейсы, ISDN E1/T1 и т. д. Кроме функций ввода/вывода такие носители имеют порт для сопряжения с VME64-оборудованием.

Благодаря продуманной концепции стандарта, современные мезонинные технологии гибкого ввода/вывода были адаптированы очень быстро. С помощью мезонинных технологий IP и PMC можно перекрыть очень большой спектр конечных приложений.

Кроме этого Force, вторая в мире по объему продаж после Motorola компания-производитель COTS/ROTS VME-модульных компонентов, главный участник международных консорциумов PICMG и VITA, выпустила базовую платформу Pentura VMES-8700 для телекоммуникационных и иных высокопроизводительных приложений. Она представляет собой гибридную VME64+CompactPCI встраиваемую платформу, которая, соединяя в себе лучшие промышленные технологии, обеспечивает работу максимально широкого спектра аппаратного (VME, CompactPCI, PMC, IP) и программного обеспечения.

Такая ситуация создалась в силу объективных причин, среди которых лучшие характеристики VMEbus для встраиваемых приложений реального времени, меньшие габариты и более низкие цены на готовые системы. Для встраиваемых приложений важна эффективная работа VME-процессоров с большим числом источников прерываний от модулей объектного ввода/вывода с регистровой архитектурой на фоне масштабируемого мощного трафика самой шины. M-II по своему характеру - шина передачи сообщений, и осуществлять массивные однократные пересылки, свойственные большинству приложений реального времени, в M-II оказалось просто дороже. M-II продолжают использовать в телекоммуникациях, где его свойства проявляются лучшим образом.

Стандарт FUTUREbus+ обеспечивает скоростные характеристики до 3, 2 Гбайт/с, чрезвычайно эффективные механизмы обработки прерываний и организации многопроцессорной работы, использующий самую современную электронную низковольтовую технологию шинных драйверов, и т. д. Но коммерчески стандарт не получил широкого распространения, несмотря на поддержку ABB Automation, Force, HP, Philips, AT& T, ITT, Intel, Data General, Motorola, Sun, DEC. Главный виновник – все та же VMEbus.

Скорость. В 1996 году на международной конференции по встраиваемым приложениям реального времени в Санта-Кларе была продемонстрирована система VME64, которая на 21-слотной магистрали показала скорость 320 Мбайт/с, при блочной " 2-е" (синхронная передача по двум фронтам) передаче 64-битных слов с использованием стандартных TTL(F)-драйверов. Такт работы шины составлял 30 МГц. Дополнительная стоимость пассивных компонентов для магистрали, позволяющих осуществлять такие передачи, не превышает 20 дол. Система полностью совместима с VMEbus-оборудованием предыдущего поколения. В 3U-формате это аналогично скорости в 160 Мбайт/с. Комитет VSO/ANSI считает, что это не предельная тактовая частота работы – современные разработки VMEbus не уступают и даже превосходят скорости работы CompactPCI.

Многопроцессорность. VME и CompactPCI используют схему централизованного арбитража для обеспечения работы многопроцессорных конфигураций. Благодаря гибкости логики арбитража и большего число линий запросов шины от задатчиков VMEbus в многопроцессорных приложениях – CompactPCI для VMEbus слабый конкурент.

Количество слотов расширения. VME – 21 слот без применения мостовых соединений. CompactPCI – 8 слотов. При схожих скоростях работы с регистровым объектным вводом/выводом.

Стоимость. Стоимости аналогичных по производительности и функциональности SBC в VME и CompactPCI одноплатных компьютеров очень близки, особенно варианты ROTS/MOTS. Высокопроизводительные SBC в этих стандартах имеют одну и ту же внутреннюю PCI-схемотехнику. Они различаются по стоимости микросхемы моста PCI-VME – т. е. на 100-200 дол. Платы-носители мезонинного ввода/вывода – основной элемент организации ввода/вывода широкого назначения – для VME 6U стоят 510 дол., а для CompactPCI 6U - 1095. Евромеханические элементы систем, построенные на базе обоих стандартов, имеют в среднем аналогичные цены.

Plug-and-Play. Новейшие процессоры VME64 поддерживают Plug-and-Play автоконфигурирование.

Hot Swapping. Компоненты поддержки режима горячей замены модулей для VME разработаны и коммерчески доступны на базе подстандарта LiveInsertions-переходников. Такой возможности в CompactPCI пока нет. Свои лучшие свойства, по отношению к VMEbus, CompactPCI проявляет в высокопроизводительных однопроцессорных конфигурациях с " небольшим" или " средним" количеством каналов ввода/вывода, которые поддерживают блочные протоколы обмена. Это встраиваемые сетевые/коммуникационные приложения, мультимедиа/HMI и т. п. Понятия " небольшое" и " среднее" количество каналов ввода/вывода определяется количеством доступных слотов расширения. Cегодня число двоичных каналов ввода/вывода на европлате формата 6U достигает 250.

Деньги. Специалисты экспертной группы корпорации VDC/США считают, что рыночными лидерами в шинных архитектурах для встраиваемых приложений средней и высокой производительности будут PCI, CompactPCI и VME64 на фоне падения сбыта ISA и M-II.

Окружение. При сопоставлении VME и CompactPCI как разрешающих технологий следует учитывать, что сегодня никто не рассматривает достоинства или недостатки той или иной технологии в отрыве от сопутствующих ей " родственных" стандартов. Развитость инфраструктуры VME вместе с ее расширениями типа VSB, VXI, RAСEway, Autobahn, VICbus и т. д. делает VME очень конкурентоспособной в военной сфере, телекоммуникациях и промышленности.

3.2. Программирование PLC

Концепции открытого программируемого логического контроллера (PLC). К классическим системам относят конфигурации на шине VMEbus с блоком центрального процессора (ЦП) на базе микропроцессоров семейства МС63ххх и оснащенные ОС РВ OS-9. Такие конфигурации снабжены интерфейсами SCSI, последовательными портами для подключения терминалов и других устройств, генератором системного времени, часами реального времени (RTC), встроенным графическим контроллером, сетевым контроллером и устройствами цифрового и/или аналогового ввода/вывода.

В качестве инструментальных систем разработки используется система разработки (Dev Pak) OS-9, кросс-системы для рабочих станций Unix (Unibridge), для IBM PC (PCbridge), a также интегрированная кросс-среда FasTrak, имеющая графический интерфейс с пользователем. FasTrak реализована для различных типов Unix-платформ и для IBM PC-совместимых платформ под MS-Windows. Целевые системы (target systems) не слишком отличаются от классической системы разработки OS-9 на базе шины VME и микропроцессора МС68ххх. За счет этого возможна реализация графического интерфейса с пользователем (с целью визуализации процессов и т.п.) даже на целевой системе. Возрастающая сложность подобных систем не представляет никаких проблем для программирования и отладки, так как одним из преимуществ ОS-9 является доступность и на целевых системах всех отладочных средств, имеющихся в системе разработки.

Классические программируемые логические контроллеры (PLC). В результате объединения мощи ОС РВ OS-9 и PLC в единой концепции появился Smart I/O (умный ввод/вывод), представляющий собой систему без шины VMEbus, в которой ЦП на базе дешёвого микропроцессора МС68302 последовательные порты, DC/DC-преобразователь собраны в одном компактном промышленном кожухе. Предусмотрены разъёмы для EPROM или Flash EPROM, DRAM, SRAM и последовательных EEPROM.

Возможности ввода/вывода Smart I/O. В отличие от множества существующих PLC, имеющих жесткую конфигурацию, Smart I/O имеет модульную структуру, позволяющую гибко изменять конфигурацию, сокращать и наращивать число каналов ввода/вывода. Номенклатура модулей ввода/вывода перекрывает, практически, все потребности промышленной автоматизации. Это модули:

· дискретного ввода;

· дискретного вывода;

· релейного выхода;

· цифроаналоговые преобразователи по напряжению и по току;

· аналого-цифровые преобразователи по напряжению и по току;

· входы с термопар с механизмом компенсации холодного спая;

· входы с термосопротивлений;

· частотные входы;

· последовательные интерфейсы.

В модулях предусмотрена оптическая изоляция системной части от объекта. В модулях аналогового ввода есть встроенные средства автокалибровки. Входы и выходы имеют защиту от перенапряжения и короткого замыкания. DC/DC-конвертор Smart-контроллера обеспечивает гальваническую развязку с объектом. В модулях приняты меры по помехозащищенности. Smart-контроллер снабжён кроссовыми разъемами с зажимом под винт, позволяющими подсоединять проводники с объекта. Контроллер Smart имеет интерфейс промышленной сети PROFIBUS для интеграции в единую систему контроллеров Smart и другие вычислительные средства, снабжённые этим интерфейсом.

Коммуникационные возможности. Важнейшим свойством систем PLC является взаимодействие нескольких PLC между собой и с управляющей (супервизорной) системой. Ценовые ограничения систем PLC диктуют необходимость использования традиционных последовательных коммуникаций на базе протоколов Fieldbus (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Выбор протокола Profibus для Smart I/O обусловлен тем, что:

· шинный протокол (OSI-уровень 2) реализован в микрокодах популярнейшего микропроцессора МС68302 и МС68360;

· Profibus является лидером на рынке промышленных сетей Fieldbus в Европе (38% всех применений) и завоевал широкую популярность во всем мире;

· развивается и поддерживается Международной Ассоциацией пользователей Profibus РNO (Европа) и РТО (США).

Принято решение снабжать все модули Smart I/O встроенной поддержкой Profibus (OSI-уровень 7), которая совместима с существующими аппаратными средствами. Встроенная поддержка других промышленных сетей может быть обеспечена по запросам пользователей. Поскольку система исполнения OS-9 содержит TCP/IP, можно сделать следующий важнейший шаг и реализовать сетевую структуру всей распределенной системы автоматизации сверху до низу.

Программирование Smart I/O. Стандартное программирование может вестись либо с помощью системы разработки на основе VMEbus с помощью любой кросс-системы. Для всех модулей ввода/вывода предоставляются драйверы. Любое программное обеспечение может работать в среде OS-9 и на Smart I/O. Такая стратегия программирования гарантирует защиту вложений в разработку программного обеспечения и высокую степень совместимости – от высокопроизводительных моделей ЦП на базе VMEbus на верхнем уровне до систем PLC на основе Smart I/O на нижнем уровне.

PLС-программирование. Новинкой для мира традиционных PLC является другой метод программирования. Это – взаимосвязь между OS-9 и PLC. Международная электротехническая комиссия, (МЭК (IЕС)) определила программный стандарт (IЕС1131-3), включающий языки последовательных функциональных портов, функциональных блок-схем, релейных схем, списка инструкций, структурированного текста. Все они могут комбинироваться между собой при разработке конкретных приложений. Существует возможность вызова стандартных программ, написанных на языке ANSI-C.

Смешанное программирование. Особенностью Smart I/O является сочетание преимуществ ОСРВ OS-9 и PLC:

1) пользователь, умеющий программировать PLC, может программировать Smart I/O традиционными методами, не изучая языки и технологии, которые он не хочет знать;

2) в то же время специалист, знакомый с OS-9, может программировать Smart I/O с помощью языка С, не вникая в программные уровни.

Выбор контроллерных средств

Все программно-технические комплексы (ПТК) можно разбить на классы, каждый из которых рассчитан на определенный набор выполняемых функций и соответствующий объем получаемой и обрабатываемой информации об объекте.

Контроллер на базе персонального компьютера. В последнее время появились многочисленные модификации персональных компьютеров в промышленном исполнении и повысилась надежность их работы, PC стали активно применятся для автоматизации производственных объектов. К важным достоинствам РС следует отнести открытую архитектуру, легкость подключения любых блоков ввода/вывода, выпускаемых третьими фирмами, возможности по использованию широкой номенклатуры наработанного программного обеспечения (ОС РВ, баз данных, пакетов прикладных программ контроля и управления).

Контроллеры на базе РС (PC based control) управляют небольшими замкнутыми объектами. Общее число входов/выходов контроллера на базе РС не превосходит нескольких десятков соединений, а набор функций предусматривает либо сложную обработку измерительной информации с расчетом нескольких управляющих команд, либо вычисления по специализированным формулам, аргументами которых выступают измеряемые величины.

В общих терминах можно указать условия применения контроллеров на базе РС в промышленности:

1) выполняется большой объем вычислений за достаточно малый интервал времени при небольшом количестве входов и выходов объекта (необходима большая вычислительная мощность);

2) средства автоматизации работают в окружающей среде, не отличающейся от условий работы офисных персональных компьютеров;

3) операторам 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 т. ч. устранение неисправностей без останова устройства (использование жесткого малого времени цикла контроллера), модификация программных компонентов во время работы системы автоматизации и т. д.;

4) контроллер выполняет нестандартные функции, которые целесообразно программировать на обычном языке программирования высокого уровня, типа C++, Pascal.

Локальный контроллер (PLC). В настоящее время в промышленности используется несколько типов локальных контроллеров.

1. Встроенный, являющийся неотъемлемой частью агрегата, машины, прибора. Выпускается на раме без специального кожуха, поскольку монтируется в общий корпус оборудования.

2. Автономный модуль, реализующий функции контроля и управления небольшим изолированным технологическим узлом. Автономные контроллеры помещаются в защитные корпуса, рассчитанные на разные условия окружающей среды. Эти контроллеры имеют порты для соединения в режиме " точка-точка" с другой аппаратурой и интерфейсы, связывающие отдельные устройства через сеть с другими средствами автоматизации. В контроллер встраивается или подключается специальная панель интерфейса с оператором, состоящая из алфавитно-цифрового дисплея и набора функциональных клавиш.

Устройства отличаются высокой надежностью, живучестью и быстродействием. В них предусматриваются: диагностика неисправностей до отдельной платы; защитные коды, предохраняющие информацию от искажений во время передачи и хранения; резервирование как отдельных компонентов, так и всего устройства в целом. К способам резервирования контроллеров этого типа относятся:

· 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, рассчитавший 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.

Контроллеры данного класса чаще всего имеют десятки входов/выходов от датчиков и исполнительных механизмов, небольшую или среднюю вычислительную мощность.

Контроллеры реализуют простейшие типовые функции обработки измерительной информации, блокировок, регулирования. Многие из них имеют один или несколько физических портов для передачи информации на другие системы автоматизации.

3. Сетевой комплекс контроллеров (PLC, Network). Сетевые ПТК 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, имеют ряд модификаций, отличающихся друг от друга быстродействием, объемом памяти, возможностями по резервированию, способностью работать в разных условиях окружающей среды, числом каналов входа/выхода.

В качестве дисплейных рабочих станций 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 с большими экранами.

Системная сеть может иметь различную структуру: шину, кольцо, звезду; она часто подразделяется на сегменты, связанные между собой повторителями и маршрутизаторами. Информация, передаваемая по сети, достаточно специфична и может представлять собой как периодические, так и случайные во времени короткие сообщения. 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. Так что предпочтительные методы доступа к системной сети основываются на передаче маркера или на взаимодействии узлов сети по модели " ведущий/ведомый" (" Master/Slave" ). Если применяется метод случайного доступа к сети, то во время возникновения аварийной ситуации может произойти резкое одномоментное увеличение числа экстренных сообщений и, как следствие, возникнуть затор в сети, что приводит не только к задержке доставки сообщений адресату, но и к их частичной потере.

Следует выделить телемеханический тип сетевого комплекса контроллеров, предназначенный для автоматизации объектов, распределенных по большой области пространства. Системная 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, так и по объему автоматизируемого объекта. Обычно телемеханические комплексы решают типовые задачи измерения, контроля, учета, регулирования и блокировки, используя до нескольких десятков тысяч измеряемых и контролируемых величин.

4. Распределенные маломасштабные системы управления (DCS, Smoller Scale). Маломасштабные распределенные контроллерные средства в среднем превосходят большинство сетевых комплексов контроллеров по мощности и гибкости структуры, а следовательно, по объему и сложности выполняемых функций. Этот класс еще имеет ряд ограничений по объему автоматизируемого производства и набору реализуемых функций. Данная категория средств отличается от предшествующего класса тем, что 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 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 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.

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.

Описываемая группа контроллерных средств отличается:

· развитой многоуровневой структурой, предусматривающей выделение трех уровней: информационного, системного и полевого, причем для организации отдельных уровней могут использоваться разные варианты построения сетей;

· клиент-серверным режимом работы;

· выходом на корпоративную сеть предприятия, систему управления бизнес-процессами, глобальную сеть Интернет, а также на уровень интеллектуальных приборов;

· широким модельным рядом 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;

· широким диапазоном рабочих станций;

· мощным программным обеспечением, 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.

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8910 11 12 13 Следующая ⇒