Тема лекции 11: Приложения, особые требования

Содержание темы: Программирование PLC в соответствии с требованиями МЭК-61131. Операционные системы PLC.

Типовые ПТК. Комплексная автоматизация современного производства предполагает реализацию систем управления технологическими процессами в виде иерархических многоуровневых распределенных систем управления, наилучшим образом соответствующих принципам организационно-технологического управления территориально рассредоточенным производством. Техническая реализация таких систем осуществляется на основе многомашинной вычислительной системы — локальной управляющей вычислительной сети (ЛУВС) с распределенной обработкой данных. При этом функции, а, следовательно, состав, производительность и программное обеспечение информационно-управляющих вычислительных комплексов (ИУВК), объединяемых в ЛУВС, оказываются чрезвычайно разнообразными, что объясняется разнообразием объектов управления и решаемых задач.

В настоящей главе рассматриваются принципы построения ИУВК на основе микропроцессорной техники, мини и микроЭВМ.

Особое место – в связи с возрастающим внедрением распределенных АСУ ТП – занимают типовые микропроцессорные средства контроля, регулирования и управления, ориентированные на класс объектов, а не на отдельные конкретные технологические процессы. Концепция микропроцессорных средств автоматики вытекает из принципов типизации, унификации и агрегатирования. Развитие типовых микропроцессорных средств, относящихся к рассматриваемой здесь группе средств, идет, как показывает отечественный и зарубежный опыт, в двух направлениях. В соответствии с первым направлением функции контроля, регулирования и управления (нижний уровень распределенных многоуровневых АСУ ТП и локальные системы автоматики) с числом каналов контроля, регулирования и управления от 8 до 256 сосредотачиваются в одной типовой микропроцессорной установке (станции), обладающей необходимой функциональной полнотой, автономностью, конструктивной законченностью. По второму направлению функции управления нижнего уровня АСУ ТП распределяются между специализированными микропроцессорными устройствами (контроллерами).

В данной теме рассмотрим принципы построения микропроцессорных средств как первого, так и второго направлений. К первым относятся типовая установка контроля и управления и распределенная микропроцессорная система. Ко вторым относится группа программируемых микропроцессорных контроллеров (логический, регулирующий, программно-задающий). Здесь же рассматриваются принципы построения автоматических аналоговых и импульсных регуляторов комплекса и средства централизованного контроля и регулирования. В совокупности все это позволит достаточно полно составить представление о современном состоянии и тенденциях развития устройств преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления для локальных систем автоматики АСУ ТП.

Установки централизованного контроля и регулирования (ЦКР) являются основным техническим средством централизованных систем контроля, регулирования и управления. Характерными задачами, выполняемыми этим классом систем, являются дистанционный контроль, регулирование и управление ТОУ, территориально отдаленным от центрального пульта оператора. На установки ЦКР в таких системах возлагаются функции измерения технологических параметров, их регистрации (непрерывной или выборочной), сигнализации (звуковой, световой) отклонений параметров от заданных значений, регистрации отдельных событий (например, аварийных), выработки регулирующих двух- или трехпозиционных сигналов, управления блоками защиты, логико-командное управление.

Установки ЦКР являются разновидностью более широкого класса информационно-измерительных систем (ИИС). В установках ЦКР измеренные значения параметров технологического процесса сравниваются со значениями этих параметров, принимаемых за нормальные, расчетные. Наиболее простая задача установок с ЦКР – выдача сигналов отклонения от «нормы», сигнализация и, возможно, регистрация.

8.2 Типовые микропроцессорные установки. Типовые микропроцессорные установки (станции) обладают унифицированными техническими структурами для широких классов технологических процессов с числом контуров контроля, регулирования и управления от 8 до 256; модульным программным обеспечением, ориентированным на конкретный процесс; общей базой данных; унифицированным интерфейсом для объединения в составе распределенных АСУ ТП; функциональной полнотой и автономностью и конструктивной законченностью. При разработке таких установок основополагающими являются принципы типизации, унификации и агрегатирования. Наряду с локальными регуляторами, установками ЦКР, ИУВК на базе мини- и микроЭВМ типовые микропроцессорные установки вместе с рассматриваемыми далее программируемыми микропроцессорными контроллерами становятся одними из наиболее распространенных технических средств современных АСУ ТП.

Известными примерами типовых микропроцессорных установок, обладающих перечисленными выше характерными особенностями, могут служить микропроцессорные системы TDC-3000 (фирма «Honeywell», США), Teleperm (фирма «Siemens», ФРГ), Damatic (фирма «Valmet», Финляндия).

В данном параграфе рассмотрим принципы организации типовой микропроцессорной установки контроля и регулирования и распределенной микропроцессорной системы , построенной на элементной и конструктивной базе описанного агрегатного комплекса МикроДАТ.

Типовая микропроцессорная установка контроля и регулирования, ядром которой является микропроцессорный блок обработки информации, предназначена для построения локальных систем автоматики с числом каналов 8 – 16 либо для включения ее в состав КТС распределенных АСУ ТП на нижнем уровне. Установки подобного назначения поэтому должны удовлетворять требованиям функциональной и конструктивной законченности, автономности. Термин «типовая» в применении к такой установке означает, что она реализует типовой состав функций, который следует из решения задачи типизации КТС для определенного класса объектов, так, например. Рассматриваемая ниже установка контроля и регулирования иллюстрирует возможный подход к построению подобных микропроцессорных технических средств, сочетающих аппаратно-программные средства с аналоговыми. Включение аналоговых средств целесообразно в быстродействующих каналах регулирования повышенной надежности с сигналами от аналоговых датчиков.

В состав системы аппаратных средств САС входят модули контроля текущих значений параметров и положений аналоговых и двухпозиционных ИМ и модули ручного дистанционного управления этими исполнительными механизмами. Все аппаратные модули САС и модули БВП подключены к внешним источникам электропитания БП.

Станция СЦП наряду с элементами МЭУ, ЭВВВ, КДМ, ЭКПД, ОЗУ и ППЗУ содержит контроллер связи СПЦ с видеотерминальными устройствами типа ВТА-2000 и знакосинтезирующим печатающим устройством типа А521 комплекса СМ ЭВМ или DARO 1156.

В заключении отметим, что, сохраняя достоинства магистрально-модульного построения таких агрегатных комплексов ГСП, как КТС ЛИУС-2 и МикроДАТ, система по сравнению с последними позволяет существенно снизить трудозатраты как на разработку программного обеспечения, так и на разработку конструкторской документации при создании и внедрении АСУ ТП благодаря проработке ее функциональной, технической, алгоритмической и программной структур на основе принципов типизации, унификации и агрегатирования.

8.3 Особенности функционирования информационно-управляющих вычислительных комплексов в АСУ ТП. Информационно-управляющий вычислительный комплекс, основное назначение которого в АСУ ТП состоит в управлении совокупностью объектов управления, в том числе и динамических, должен работать в реальном масштабе времени. В этом случае темп поступления информации и темп выдачи управляющих воздействий определяются управляемым процессом и согласованы с его динамическими характеристиками. Реальный масштаб времени заставляет учитывать по крайней мере две особенности систем с ИУВК в контуре управления:

1. Запаздывание при формировании управления на каждом периоде дискретности, обусловленное природой цифрового управления; его величина ограничена допустимым значением, задаваемым при проектировании системы управления, и зависит от состояния управляемого процесса и собственно ИУВК.

2. Эффект старения информации, вызванный тем, что измерение координат в цифровой системе управления осуществляется последовательно во времени с некоторым шагом Δt, а оценка состояния системы, выработка управляющего воздействия и прогноз поведения системы требуют, как правило, значения вектора измеримых координат в определенный, фиксированный момент времени t_k, где t_k+n*Δt — время, необходимое для измерения n координат системы. Поэтому приходится, используя различные способы экстраполяции, восстанавливать значение каждой i-й координаты системы на интервале времени t_k+(n-1)*Δt. Учитывая, что погрешность экстраполяции зависит от статистических характеристик восстанавливаемой функции и от времени экстраполяции, необходимо выбрать такую последовательность опроса датчиков, при которой суммарная погрешность экстраполяции минимально влияла бы на качество управления. Эффект старения информации может привести к ситуации, когда увеличение числа измеримых координат не приводит к улучшению качества управления. По тем же причинам оказывается не всегда выгодным использование сложных алгоритмов экстраполяции, так как это увеличивает время расчетов и, следовательно, увеличивает общее время опроса. Учет реального времени в УВК осуществляется специализированным устройством — таймером.

ИУВК в АСУ ТП работает с большим числом источников и потребителей информации, каждый из которых работает асинхронно, т. е. информация от объектов и запросы на обслуживание поступают в произвольные моменты времени. Асинхронность поступления заявок приводит к тому, что в условиях ограниченного ресурса ИУВК формируется в вычислительной системе очередь на обслуживание. Учитывая, что ИУВК работает в реальном масштабе времени, а информация в системе имеет различную ценность и достоверность, обслуживание заявок в ИУВК является приоритетным. Приоритет задачи может изменяться в процессе функционирования системы управления и зависит от режима работы ИУВК, времени ожидания заявки и состояния управляемого процесса. В связи с необходимостью приоритетного обслуживания заявок в ИУВК организуется система прерываний, под которой понимается совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающая переключение процессора с выполняемой программы на другую, имеющую более высокий приоритет, при этом сохраняется возможность возврата к прерванной программе.

Работа ИУВК в реальном масштабе времени с большим числом источников и потребителей информации в условиях ограниченных ресурсов ИУВК требует организации мультипрограммного режима работы ИУВК, т. е. режима, при котором параллельно выполняется несколько программ путем совмещения работы во времени внешних устройств и процессора. Технические средства ИУВК, работающего в мультипрограммном режиме, должны обеспечивать одновременное хранение в оперативном запоминающем устройстве нескольких программ; допускать параллельную работу процессора и внешних устройств; организацию прерывания программ, а ее программное обеспечение — планировать порядок выполнения задач; распределять ресурсы ИУВК; производить защиту памяти от несанкционированного вмешательства одной задачи в другую при их параллельной работе и выполнять ряд других функций.

При реализации системы управления технологическими процессами и производством в целом необходимо выбирать ИУВК, наилучшим образом удовлетворяющий решаемой задаче. При этом необходимо учитывать, что в современных АСУ ТП информационно-управляющий комплекс очень редко работает как самостоятельное, обособленное, не включенное в ЛУВС устройство. Техническая реализация АСУ ТП в виде локальной вычислительной сети диктуется необходимостью координации работы информационно-управляющих вычислительных комплексов в соответствии с оперативно-календарным планом, состоянием управляемого процесса и требованиями повышенной надежности и эффективности к системе управления. Необходимость иметь ИУВК различного состава и различной производительности удовлетворяется выпуском семейств мини и микроЭВМ (например, одноплатная микро-ЭВМ «Электроника НМС 11100.1», микроЭВМ «Электроника 60», мини-ЭВМ СМ-3(4) или мини-ЭВМ «Электроника 100/25», мини-ЭВМ СМ 1420 и др.), комплексированием ИУВК из функционально законченных устройств (система АСВТ и др.) или из функциональных модулей (система СМ 1800). Здесь же необходимо подчеркнуть, что одни и те же функции в ИУВК могут выполняться как аппаратно, так и программно. Аппаратная реализация может быть многовариантной. Например, в системе мини-ЭВМ СМ-3(4) многопозиционные сдвиги, операции умножения и деления с фиксированной запятой, а также сложение, вычитание, умножение и деление с плавающей запятой могут выполняться программно (процессор СМ 2103) и аппаратно (процессор СМ 2104); в свою очередь, аппаратная реализация может быть осуществлена в виде блока расширения арифметики и блока с плавающей запятой (процессор СМ 2104) или в виде специализированного процессора. Модульный принцип организации ИУВК позволяет проектировать комплексы необходимого состава, конфигурации и производительности, а также заменять устаревшее оборудование при модернизации АСУ ТП.

Информационно-управляющий вычислительный комплекс в АСУ ТП (особенно в контуре прямого цифрового управления), как правило, не должен производить сложных расчетов с высокой точностью. Это позволяет использовать в АСУ ТП ИУВК с коротким машинным словом (1—2 байт). Короткое машинное слово, резко снижая объем схемотехнического оборудования, требует разработки вычислительных машин с архитектурой, отличной от архитектуры универсальных ЭВМ, ориентированных на выполнение вычислительных работ большого объема и высокой точности. Особенности архитектуры ИУВК проявляются в организации межмодульной и межмашинной связи.

Достижения микроэлектронной технологии сделали возможным выпуск сравнительно дешевых, высоконадежных и высокопроизводительных вычислительных машин, что, возможно, потребует в какой-то степени пересмотреть вопросы организации системы управления технологическими процессами. Однако представляется маловероятным, что в системах управления сложными динамическими объектами и агрегатами не будут использоваться простые, хорошо зарекомендовавшие себя ИУВК с коротким машинным словом. Это предположение основывается прежде всего на необходимости аналого-цифрового преобразования сигнала ошибки системы и формирования аналогового сигнала управления. В этом плане для АСУ ТП чрезвычайно перспективными представляются однокристальные микроЭВМ со встроенными аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями.

ИУВК в АСУ ТП должны иметь повышенную надежность, которая достигается резервированием аппаратуры. Здесь следует выделить два основных направления. Первое — разработка ИУВК в виде отказоустойчивой вычислительной сети, включающей в себя несколько ИУВК и допускающей реконфигурации технических и программных средств. Второе — разработка отказоустойчивого (толерантного) ИУВК путем дублирования отдельных блоков и узлов с самодиагностикой и возможностью подключения резервного блока вместо отказавшего.

Перечисленные особенности функционирования ИУВК в значительной степени предопределяют логическую организацию (архитектуру), состав технических средств и программного обеспечения ИУВК.

8.4 Терминальные субкомплексы системы АСВТ. Терминальные вычислительные субкомплексы (ТВКС) выполняются как составная часть ИУВК. В качестве КТС для компоновки ТВКС используются агрегатные модули семейства АСВТ-ПС, объединяемые функциональным назначением. ТВКС могут иметь (но необязательно) собственное устройство управления (контроллер), реализуемое на основе микропрограммного контроллера СМ4401 или микроЭВМ СМ50/60. Использование субкомплексов с контроллерами упрощает компоновку специфицированных ИУВК и повышает эффективность его использования. Выпускаемые промышленностью ТВКС, как правило, допускают подключение к нескольким ИУВК и, следовательно, позволяют компоновать специфицированные многомашинные комплексы повышенной живучести.

При комплексировании специфицированных ИУВК для АСУ ТП терминальные субкомплексы подключаются непосредственно к типовым комплексам, реализуемым на основе СМ 1634 или СМ-2М. При комплексировании специфицированных ИУВК для сравнитель­но сложных АСУ ТП формируется трехуровневая структура (рис. 7.5): между ТВКС и типовым УВК СМ-2М включаются концентраторы СМ 1634.03, которые увеличивают число подключаемых ТВКС к ИУВК верхнего уровня и, кроме того, осуществляют промежуточную обработку информации, контроль за работой ТВКС и логическую реконфигурацию технических и программных средств при отказах оборудования.

В системе АСВТ-ПС выпускаются субкомплексы различного функционального назначения: субкомплексы внешней памяти, рабочие места операторов (включая оператора-технолога), субкомплексы связи с объектом.

Терминальный субкомплекс для компоновки рабочего места оператора К331-1 СМ 7214. Терминал для компоновки рабочего места оператора (РМО-01) предназначен для использования в качестве пульта оператора ИУВК, пульта абонента информационно-справочной системы, пульта оператора-технолога в АСУ ТП и других аналогичных целей. Терминал выполняется на базе микропрограммируемого контроллера МПК4401. В зависимости от модификации (вы­пускается десять модификаций терминала) терминал имеет один или два выхода на сопряжение ИРПР или 2К и комплектуется псевдографическим дисплеем, знакосинтезирующим печатающим устройством с возможностью вывода графической информации (принтер-плоттер) и накопителем на магнитной ленте.

Связь с ИУВК осуществляется по программному каналу (0,6 мс на один символ) или через канал прямого доступа к памяти (60 К слов/с при расстоянии до 1 км, 15 К слов/с при расстоянии от 1 до 3 км).

Для хранения отображаемой информации используется магнитная лента или собственная память дисплея (16 К слов). В качестве дисплея могут быть использованы: монохромный индикатор, который может быть задублирован или заменен на цветной индикатор типа А543-14 или видеоконтрольное устройство ВК40Ц60, ВК59Ц60 и т. п.

Терминальный субкомплекс для компоновки рабочего места оператора-технолога К331-2. Терминал для компоновки рабочего места оператора-технолога (РМОТ-01) предназначен для использования в качестве основного средства связи оператора-технолога с системой в АСУ ТП. Терминал выполняется на базе МПК СМ 4401 и включает в себя: алфавитно-цифровой индикатор на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), два цветных графических индикатора с телевизионной разверткой на ЭЛТ и знакосинтезирующее печатающее устройство. Для ввода команды и другой информации в состав терминала включены две клавиатуры: алфавитно-цифровая и позиционная (64 клавиши).

Связь субкомплексов с ИУВК осуществляется через согласователи интерфейсов А711-25 при удалении до 15 м и А723-6 при удалении на расстояние до 3 км.

Литература: 1осн.[1, 2, 3];2доп. [8]

Контрольные вопросы

1. Что такое интерфейс?

2. Функции интерфейса с процессором.

3. Как происходит программно-управляемая передача информации.

4. Какое устройство, предназначено для хранения и обработки двоичного кода.

Что применяют для оптимального кодирования команд?