Промышленные контроллеры для автоматизации технологических процессов

Программно-технические комплексы «Торнадо» базируется на трех типах промышленных технологических контроллеров, которые позволяют создавать оптимальные комплексы различного информационного объема и назначения (рис. 4.1). Технологические контроллеры, разработанные компанией «Модульные Системы Торнадо», имеют 100%–ную программную совместимость друг с другом и контроллерами других производителей, поддерживают единые стандарты и протоколы, используют одну и ту же ОС РВ OS-9 и среду технологического программирования ISaGRAF. Это позволяет не только минимизировать затраты на разработки программ, сопровождение и сервис поставляемых на их основе ПТК, но и масштабировать создаваемые ПТК по стоимости, компоновке, условиям эксплуатации, конструктивному исполнению и другим характеристикам.

Рис. 4.1. Технологический контроллер компании «Модульные Системы Торнадо»

Архитектура контроллеров компании «Модульные Системы Торнадо». Промышленные контроллеры создаваемые сегодня компанией «Модульные Системы Торнадо», имеют как распределенную, так и централизованную архитектуру. Поддержка этих архитектур обусловлена желанием сочетать преимущества каждой из них, для оптимального решения различных задач.

Централизованная архитектура контроллеров является наиболее распространенной и обладает наилучшими характеристиками по быстродействию, электромагнитной совместимости, высокими эксплуатационными характеристиками по вибро-ударопрочности, условиям окружающей среды, отличается компактностью и способностью к масштабированию и мн. др. Эта архитектура представлена контроллером MIC на базе высокопроизводительной параллельной шины CXC-bus.

Территориально распределенная архитектура обладает рядом преимуществ, отличающих ее от централизованных магистрально-модульных систем: это более масштабируемая и гибкая архитектура, соответствие внедряемой системы географической компоновке автоматизируемого объекта, низкая стоимость и мн. др., но она заметно проигрывает централизованной архитектуре в производительности. Эта архитектура представлена контроллерами MIRage с распределенным вводов/выводом на основе сети RS485/Modbus либо CAN.

Третья архитектура, используемая для автоматизации наиболее сложных объектов, обеспечивает распределенную обработку в свободно программируемых автономных модулях интеллектуальных функций – MIF-модулях, территориальную распределённость и крейтовое исполнение, характерное для контроллеров с централизованной архитектурой. Взаимодействие MIF-модулей осуществляется через построение двухранговых сетей на основе CAN-bus и Fast Ethernet. Оптимальным решением автоматизации сложных промышленных объектов является внедрение гибридных систем, сочетающих в себе достоинства магистрально-модульной и распределенной архитектур.

Промышленные контроллеры компании Модульные Системы Торнадо.Микропроцессорную основу систем промышленной автоматизации создаваемых МСТ составляют:

· контроллеры распределенной обработки информации и управления серии MIF на основе CAN-технологий;

· контроллеры серии MIC на основе CXC-технологии;

· контроллеры серии MIRage с распределенным вводом/выводом.

Промышленные контроллеры серии MIFявляются основой для различных модификаций ПТК «Торнадо-М». Для систем данного класса принципиальным является распределение функций обработки и управления по многим процессорным устройствам для обеспечения высокой степени декомпозиции системы, что обеспечивает ее высокую устойчивость, живучесть и надежность, а также легкость наладки функционирования системы и объекта. Функции ввода/вывода в таких системах тесно связаны с процессорными модулями обработки и управления – УСО располагаются непосредственно на процессорных MIF-модулях. Даже в жестко связанных системах, требующих высокой скорости сбора и обработки данных, существует возможность оптимизации структуры системы в части организации ввода информации в систему от температурных датчиков термопар и термометров-сопротивлений с использованием технологии распределенного ввода/вывода.

MIF-контроллер состоит из одного или двух крейтов, которые содержат до 15 или 30 MIF-модулей. Для обеспечения взаимодействия MIF-модулей с другими контроллерами MIF-контроллер имеет один или два сетевых шлюза в «цеховую» сеть, реализуемую на Fast Ethernet. Архитектура контроллера обеспечивает пропорциональный числу установленных в системе MIF-модулей рост производительности не только системы, но и коммуникационной среды.

Конструктивно MIF-модуль выполнен в стандарте «Евромеханика» 6U и имеет некоторые особенности:

- системная магистраль MIF-контроллера располагается в верхней части разъема Р1. Нижняя половина этого разъема и разъем Р2, находящиеся на задней стороне модуля, используются для подключения сигналов ввода/вывода к трем мезонинным модулям ввода/вывода ModPack.

- на системной магистрали расположены сигнальные линии двух интерфейсов CAN, линии питания +5 В, +5 В батарейное, +12 В и –12 В, и географический адрес позиции модуля в контроллере.

Различные модификации интеллектуальных MIF-модулей имеют свои отличительные особенности, ориентированные на выполнение специализированных задач автоматизации, именно поэтому MIF контроллеры традиционно используются для создания наиболее мощных ПТК «Торнадо», используемых на крупных ответственных объектах.

В модуле MIF-360 используется только один канал SCC1, обеспечивающий поддержку практически любого из стандартных протоколов вплоть до Ethernet и одного канала SMC1 для организации консольного порта, выведенного на фронт-панель. Четыре из шести последовательных канала процессора MC68360 не используются. Специалисты компании учли часто возникающую необходимость в организации в системах большого числа последовательных каналов (например, RS-485 для подключения счетчиков в системах АСКУЭ или устройств распределенного ввода/вывода идр.) без дополнительных затрат, используя для этого оставшиеся незадействованными последовательные каналы SCC микропроцессора MC68360. Основные сигналы приемника и передатчика последовательных портов SCC были выведены на четыре контакта «user define» шины мезонинного стандарта ModPack. Реализована организация трех высокоскоростных (до 2Мбод) каналов, контакты которых выведены на тыльные разъемы модуля.

Также, в модуле MIF-360, использованы компоненты, позволившие значительно увеличить объем памяти, частоту процессора и снизить потребляемую мощность, при этом добиться снижения себестоимости, сделав модуль более доступным по ценовым характеристикам.

Процессорный модуль MIF-PPC, предназначенный для сбора, управления, обработки информации, а также ввода/вывода информации, основан на коммуникационном микроконтроллере нового поколения фирмы Motorola PPC860Т на базе суперскалярного RISС процессора PowerPC, обладающего высокой производительностью около 100 MIPS, встроенным коммуникационным сопроцессором PowerQUICC и встроенным контроллером FastEthernet. Производительность MIF-PPC на PPC860Т увеличена, по сравнению с модулем MIF-360, в 18 раз.

Модуль MIF-PPC может также использоваться для совместной многопроцессорной обработки в распределенных системах управления. Синхронизация с другими процессорами может осуществляться через коммуникационные порты связи. Наличие стандартной для MIF модулей локальной "мезонинной" шины ModPack позволяет установить непосредственно на модуль MIF-PPC три мезонинных устройства для ввода/вывода или других системных функций. Модуль оснащен также двумя портами сети CAN-bus. Кроме того, аналогично модификации MIF-360, последовательные порты PowerQUICC выведены на разъемы мезонинов ModPack.

Технические решения, использованные в MIF-контроллере. Все модификации контроллеров серии MIF обладают характерными особенностями:

· архитектура и структура контроллеров серии MIF идентичны;

· конструктивное исполнение контроллеров в стандарте «Евромеханика 6U»;

· интерфейсы взаимодействия модуля основаны на стандартах Ethernet-100, RS-485/ 232;

· контроллеры обладают 100% - ной программной совместимостью с системами VME, Smart, IUC, MIC и MIRage;

· реализована горячая замена модуля без отключения питания;

· отсутствует принудительное охлаждение.

Внутренняя последовательная шина MIF-контроллера. В качестве средств коммуникации между модулями контроллера используют последовательную шину, а точнее сказать сеть, которая обеспечивает:

· множественный доступ к среде передачи;

· контроль ошибок при передаче;

· стандартный электрический интерфейс к среде передачи;

· автоматическую конфигурацию логической топологии среды передачи;

· гарантированное время доставки сообщений;

· соответствие какому–либо из распространенных стандартов.

Внутренняя шина MIF-контроллера выбиралась из так называемых "полевых" шин (сетей): Profibus, CAN-bus и другие. CAN-bus проектировалась для обеспечения взаимодействия тесно связанных по управлению контроллеров. CAN-bus идеально подходит для задач управления агрегатного уровня, хотя и имеет ряд ограничений: по скорости передачи (до 1Мбод), что может оказаться недостаточным для цехового уровня; по топологии сети, по протяженности (до 40 м при максимальной скорости передачи), по передаче крупных массивов информации. Profibus сегодня – стандарт номер один в автоматизации цехового уровня:

· имеет высокие скорости до 12;

· разнообразные варианты топологий, допускающей комбинации различных технологий как на медном кабеле;

· разнообразные варианты топологий;

· большую протяженность сегментов.

В качестве внутренней шины контроллера выбрана шина CAN-bus. Он реализован в виде специализированных СБИС более чем 20 ведущими компаниями, поддерживает разнообразные среды передачи, контролирует целостность и отсутствие ошибок при передаче/приеме сообщения без получения специального ответа от "получателя". Детерминированность протокола, динамическое распределение приоритетов, многомастерность, поддержка совместной обработки управляемой событиями, смысловая адресация сообщений и событий вместо традиционной физической адресации получателя/отправителя сетевых пакетов, все это делает его подходящим средством межмодульной коммуникации в контроллере. Взаимодействие MIF-модулей внутри MIF-контроллера осуществляется по дублированной шине CAN-bus. Конструктивно сеть CAN-bus выполнена в MIF-контроллере на объединительной печатной плате, в которую устанавливаются MIF-модули. Дублирование шины повышает надежность MIF-контроллера до уровня, который не достижим в традиционных контроллерах – MIF-контроллер не может отказать при единичном отказе среды передачи контроллера.

Сопряжение с "полевым" уровнем. Основная часть функций сопряжения ПТК с "полевым" уровнем (датчики, преобразователи, исполнительные механизмы и пр.) решена в субмодулях ModPack. В них реализуются функции аналого-цифрового преобразования, фильтрации, цифроаналогового преобразования и т.п. Остальная часть задач сопряжения, таких, как подключение "полевых" кабельных связей сечением до 2,5 мм2, согласование с конкретными измерительными схемами (2, 3, 4-х проводные, переход из термокомпенсационного кабеля в медный, и т.д.), дополнительные преобразования (24В в 220В и наоборот) и т.п., решается в блоках полевых интерфейсов (БПИ). БПИ могут устанавливаться в шкафу как отдельно, так и вместе с крейтом контроллера. БПИ монтируются на стандартную DIN-рейку. В верхней части БПИ размещаются клеммы для подключения "полевых" кабелей, а в нижней – разъем для подключения плоского 24–жильного кабеля к MIF-модулям с установленными на них субмодулями ModPack.

Большим достоинством применения БПИ является отсутствие дополнительных шкафов клеммников для подключения "полевых" кабелей, простота монтажа оборудования внутри шкафа, высокая модульность и легкость модификаций.

Выбор элементной базы MIF-модуля. При выборе элементной базы для MIF-модуля руководствуются следующим:

· микропроцессор должен поддерживать широко распространенные ОСРВ;

· иметь встроенные средства для предотвращения зацикливания программ (watch-dog), развитую системную диагностику;

· развитые средства отладки и тестирования;

· поддержка инструментальных средств разработки;

· наличие интерфейса Ethernet;

· достаточно высокая производительность–не менее нескольких MIPS[8];

· оптимальное соотношение стоимость/функциональность.

Промышленные контроллеры серии MIC. Интеллектуальный контроллер серии MIC является современным решением комплексной автоматизации территориально-распределенных объектов, а также малых объектов. Архитектура и коммуникационные возможности MIC-контроллеров позволяют создавать как локальные автономные, так и распределенные системы управления с объемом ввода/вывода от 50 до нескольких тысяч каналов.

Интеллектуальный контроллер MIC разработан для применения в системах сбора данных и управления на объектах промышленного производства с повышенными требованиями к надежности функционирования. Его использование возможно в качестве элемента построения АСУ ТП из управляющих СРВ, управляющего небольшими объектами или технологическими участками, объединенных сетью Ethernet.

Контроллер состоит из процессорного модуля MIC-860 и модулей носителей MIC-CB, устанавливаемых в крейте стандарта 3U. Межмодульный обмен данными производится по параллельной шине CXC-bus.

Основой процессорного модуля является 32-разрядный микроконтроллер MPC860, включая встроенный стандартный коммуникационный сопроцессор Power QUUIC и контроллер быстрого Ethernet (FEC), обеспечивающие 6 универсальных коммуникационных канала. Развитая подсистема памяти модуля MIC-860 позволяет разместить ОС РВ, приложения пользователя как на инженерных языках по стандарту IEC1131-3, так и на универсальных языках программирования, или осуществить загрузку любой ОС, доступной для PowerPC. Для подключения к измерительному или управляющему оборудованию модули-носители MIC-CB имеют разъемы для установки мезонинных субмодулей ввода/вывода стандарта ModPack. Полевые интерфейсы подключаются к мезонинным субмодулям ModPack через разъемы, находящиеся на передней стороне MIC-CB. Для каждого субмодуля отводится половина переднего 50-контактного разъема для подключения через шлейф-кабель к внешним устройствам.

Все модификации контроллеров серии MIC обладают характерными особенностями:

· конструктивное исполнение контроллеров в стандарте ««Евромеханика 3U»;

· внутренняя магистраль обмена данными основана на асинхронной 16- разрядной шине CXC-bus;

· интерфейсы взаимодействия модуля основаны на стандартах Ethernet-100, RS-485/232, свободно программируемые последовательные порты;

· контроллеры обладают 100% - ной программной совместимостью с системами VME, Smart, IUC, MIF и MIRage;

· отсутствует принудительное охлаждение.

Промышленные контроллеры серии MIRage. Промышленные контроллеры MIRage предназначены для управления процессами, характеризующимися размещением основного оборудования на значительных расстояниях друг от друга, в составе «гибридных» АСУ ТП крупных промышленных объектов, а также в качестве самостоятельных автономных контроллеров или локальных систем сбора и обработки информации. Контроллер «MIRage» характеризуется повышенной надежностью, скоростью опроса, доступностью и простотой в использовании. Модули распределенного ввода/вывода MIRage имеют дублированные коммуникации, что обеспечивает устойчивость сетевого обмена к единичному отказу, и значительно повышают надежность создаваемых систем.

Базовая модификация контроллеров поддерживает связь по интерфейсу RS-485 с протоколом Modbus со скоростью передачи 38400 бод. Применение RS-485 с протоколом Modbus для коммуникаций обеспечивает высокую доступность и простоту в использовании, а частота передачи в 38400 бод, обеспечивает достаточно высокую протяженность сетевых связей – более 1200 м. Для приложений, требующих высоких скоростей обмена, существует модификации с дублированный сетью CAN-bus.

Сегодня серия «MIRage» включает более десяти модификаций промышленных контроллеров распределенного ввода/вывода. Среди них специализированные контроллеры для измерения температур («FTHERM» и «FPT»), для ввода и измерения сигналов тока и напряжения с датчиков (модификация «FAI»), для дискретного ввода/вывода (модификация «FDIO»), для управления исполнительными механизмами высоковольтных выключателей (модификация «ТМ») и др. Все модификации контроллеров серии MIRage обладают характерными особенностями:

· конструктивное исполнение – установка на DIN-рейку;

· протокол обмена данными ModBus (для RS-485) ;

· интерфейсы взаимодействия модуля дублированные RS-485 или CAN (с гальванической развязкой 1 кВ);

· контроллеры обладают 100% - ной программной совместимостью с системами VME, Smart, IUC, MIC и MIF;

· горячая замена контроллеров без отключения питания;

· отсутствует принудительное охлаждение.