Особенности распределенной системы управления. Базовые функции и аппаратные средства промышленных контроллеров.

Возрастающая сложность объектов управления и контроля, повышение требований к точности и надежности их работы, зна­чительный объем информации, обрабатываемой по достаточно сложным алгоритмам в малые интервалы времени, предъявляют все более высокие требования к производительности и надежно­сти автоматизированных управляющих систем.

В настоящее время основным направлением повышения про­изводительности и надежности АСУТП является создание мно­гоуровневых распределенных систем управления технологичес­кими процессами.

Традиционно система управления технологическими процес­сами выполняет следующие функции:

• сбор информации с объектов управления и выдачу управляющих воздействий на исполнительные устройства;

• обработку технологической информации;

• представление и документирование информации;

• сопряжение устройств сбора и обработки информации с устройствами представления информации.

В централизованных системах управления функции сбора, обработки и представления технологической информации вы­полнялись ЭВМ (например, микроЭВМ семейства СМ18ХХ) с соответствующим набором модулей УСО. Это требовало большо­го числа кабельных связей между устройствами сбора и обработ­ки информации, с одной стороны, и исполнительными устройст­вами — с другой. Длина каждого канала в этом случае могла со­ставлять десятки и сотни метров.

Распределенная система управления предполагает использо­вание на нижнем уровне управления интеллектуальных программируемых промышленных контроллеров, или, согласно между­народной терминологии, программируемых логических контрол­леров (ПЛК), реализующих функции сбора, а также логиче­ской и арифметической обработки информации в непосредст­венной близости от объекта управления и контроля.

Специализированные контроллеры с ограниченным числом каналов ввода-вывода (порядка 10) и малой вычислительной мощностью получили название моноблоков.

Функции представления технологической информации, обобщения и анализа информации, поступающей с ПК, реали­зуются на более высоком уровне управления посредством УВК или ПЭВМ. Такая ЭВМ должна иметь достаточные производи­тельность для выполнения прикладных профамм АСУТП и объем памяти для хранения указанных программ и графических пакетов. На этом уровне должна быть создана возможность под­ключения к ЭВМ графических видеомониторов, дополнитель­ных терминалов, а также средств сопряжения с другими ЭВМ. Средства сопряжения должны обеспечивать передачу команд, слов состояний и технологической информации между ЭВМ и ПК.

При решении большинства ответственных задач управления использование УВК (например, на базе СМ1820М.ВУ) приносит существенно больший эффект, чем ПЭВМ.

Соединение между ПК и УВК может быть организовано с использованием промышленных сетей, радиальных интерфей­сов и соединений типа звезда и кольцо, а также комбинации ука­занных соединений. Структура простейшей АСУТП приведена на (рис.1).

Центральная станция (УВК или ПЭВМ) обслуживает множе­ство промышленных контроллеров, объединенных через после­довательный интерфейс типа Bitbus, Profibus и т.п. При этом цен­тральная станция выполняет функцию диспетчера локальной се­ти, а также функции сбора, анализа и управления в реальном вре­мени для такой распределенной системы. Используя сетевой ин­терфейс, центральная станция обращается к серверу за необходи­мыми ресурсами — файлами, печатью, базами данных и т.д.

Таким образом, при использовании в распределенных систе­мах управления интеллектуальных ПК появляется возможность перераспределения функций обработки информации и управле­ния между нижним (ПК) и верхним (У В К или ПЭВМ) уровнями управления. При этом повышается суммарная производитель­ность системы по сравнению с централизованной за счет распа­раллеливания функций обработки информации между ПК и УВК, что может, например, привести к сокращению времени ре­акции на события.

Отметим современные тенденции построения промышлен­ных контроллеров:

• повышение интеллектуальных возможностей контроллера,: уве­личение производительности процессора и объема оператив­ной памяти, использование Flash-памяти, выход в локальные сети Ethernet, Profibus, Canbus и другие, применение многоза­дачных систем реального времени - RTK (Real Time Kernel), QNX, MS Windows NT и т.д.;

• возможность простой реконфигурации каналов ввода-вывода;

• пылевлагозащищенное, вибропрочное и ударопрочное испол­нение;

• работа в широком диапазоне температур (от — 40 до + 70°С);

• отсутствие механических устройств (накопителей на дисках, вентиляторов);

• высокая степень электромагнитной совместимости;

• приближение контроллеров к датчикам и исполнительным органам нижнего уровня автоматизации;

• возможность автономного выполнения задач обработки ин­формации и управления при выходе из строя машин верхнего уровня.

Все это позволяет оптимальным образом применять однотип­ные контроллеры в самых различных областях народного хозяй­ства; при этом существенно улучшаются потребительские свой­ства контроллеров — производительность, стоимость, надеж­ность.

Сфера использования промышленных контроллеров охваты­вает разнообразные области:

• гибкие производственные системы машиностроительных пред­приятий;

• системы управления технологическим процессом с непрерыв­ным характером производства;

• управление технологическим оборудованием на транспорте;

• управление объектами энергетики;

• управление измерительными системами и т.д.

Промышленные контроллеры являются массовой продукци­ей управляющей вычислительной техники, при этом с развитием производства их номенклатура постоянно растет, а применение расширяется.

Отметим, что, поскольку специфические требования потре­бителей промышленных контроллеров весьма разнообразны, отечественные изделия могут успешно конкурировать на внут­реннем рынке с зарубежными.

Базовые функции ПК представлены на (рис. 2.), описание этих функций приводится далее.

Аппаратные средства ПК.

Промышленный контроллер, являясь автономным програм­мируемым устройством сбора и обработки информации, как пра­вило, содержит:

• процессор;

• память;

• средства коммуникации;

• устройства ввода данных от датчиков и вывода управляющих
воздействий на исполнительные органы;

• средства индикации.

Специфика промышленного контроллера как управляющего вычислительного устройства обусловливает следующие требова­ния, которым должны удовлетворять ПК:

• повышенная надежность;

• минимальное потребление энергии и рассеяние тепла в услови­ях ограниченной мощности источника питания и отсутствия элементов принудительной вентиляции и охлаждения;

• обеспечение высокой реактивности на запросы обслуживания со стороны объекта управления.

Процессорные модули ПК могут строиться на основе широкой гаммы микропроцессоров (преимущественно в КМОП- исполнении - Intel 80C32, i386 EX, Siemens SAB 80C166 и др.), выбор ко­торых зависит от технико-экономических требований, предъяв­ляемых к распределенной системе управления. При этом быстро­действие процессора как таковое не является самоценным каче­ством, а должно оцениваться в свете возможности реализации процессором алгоритма управления технологическим процессом в реальном времени.

Память ПК обеспечивает хранение ядра операционной сис­темы реального времени, необходимых утилит и прикладных программ управления объектом. В ней используются микросхе­мы постоянной, программируемой и оперативной памяти (по­следняя обеспечивает хранение промежуточных результатов и за­гружаемых прикладных управляющих программ).

Средства коммуникации ПК реализуют дистанционную за­грузку задач и оперативный обмен данными между ПК, рабочими станциями операторов и УВК верхних уровней на расстоянии от сотен метров до нескольких километров со скоростями, со­ответствующими требованиям реактивности системы управле­ния. Средства интерфейса с оператором выполняются с учетом производственных условий эксплуатации: мониторы имеют про­тивоударный корпус с прочной пылевлагозащищенной передней панелью; в клавиатурах используется ограниченный набор функ­циональных и алфавитно-цифровых клавиш, обязательно преду­сматривается пылевлагозащита. Обмен данными между ПК, и УВК верхних уровней может осуществляться по витой паре про­водов, коаксиальному кабелю, оптоволоконному кабелю (осо­бенно при работе в производственных условиях с высоким уровнем электромагнитных помех) или беспроводному каналу пере­дачи данных.

Устройства ввода данных и вывода управляющих воздействий предполагают работу с дискретными и аналоговыми сигналами от датчиков исполнительных механизмов объекта управления. Они реализуются обычно на отдельной плате и соединяются с вычислительным модулем через разъем. Требования к УСО в со­ставе ПК по типам и количеству входных и выходных сигналов определяются его конкретным применением. Для расширения областей применения ПК, как правило, обеспечивается его рабо­та с наиболее распространенными типами датчиков и приборов измерения физических величин:

• температуры (термопары, термосопротивления);

• электрических величин (тока, напряжения, мощности);

• положения;

• механических деформаций;

• давления;

• расхода жидкостей;

• тепловой энергии и др.

Основными параметрами УСО в общем случае являются ско­рость и погрешность преобразования, а также диапазон вход­ных/выходных напряжений и токов.

В настоящее время в зарубежной и отечественной промыш­ленности используется в основном номенклатура датчиков с входными и выходными параметрами, нормированными в соот­ветствии с международными стандартами.