Классификация микропроцессорных комплексов управления и особенности класса распределенных систем управления

Все выпускаемые универсальные микропроцессорные программно-технические комплексы (ПТК) подразделяются на классы, каждый из которых рассчитан на определенный набор выполняемых функций и на соответствующий объем получаемой и обрабатываемой информации от автоматизируемого объекта (см рисунок). Рассмотрим последовательно все классы ПТК, начиная с простейшего класса, минимального по ф\нкциям и объему автоматизируемого объекта, и кончая наиболее мощным классом полномасштабных распределенных систем управления. Приведенная ниже классификация позволяет обосновать выделение и отдельное сопоставительное рассмотрение описанных в обзоре микропроцессорных комплексов.

Классы микропроцессорных комплексов

1. Контроллер на базе персонального компьютера (PC based control).Это направление существенно развилось в последнее время, ввиду повышения надежности работы персональных компьютеров; наличия их модификаций в обычном и промышленном исполнении; их открытой архитектуры; легкости включения в них любых блоков ввода/вывода, выпускаемых рядом фирм; возможности использования уже наработанной широкой номенклатуры программного обеспечения (операционных систем реального времени, баз данных, пакетов прикладных программ контроля и управления) Основные сферы использования контроллеров на базе PC - специализированные системы автоматизации в медицине, в научных лабораториях, в средствах коммуникации, в промышленности для небольших достаточно замкнутых объектов. Общее число входов/выходов такого контроллера обычно не превосходит десятков, а выполняемыми функциями являются либо достаточно сложная обработка измерительной информации с расчетом нескольких управляющих команд, либо расчеты по специализированным формулам, аргументами которых являются измеряемые величины.

В общих терминах можно указать условия рациональной области применения контроллеров на базе PC в промышленности:

- при нескольких входах и выходах объекта надо производить большой объем вычислений за достаточно малый интервал времени (необходима большая вычислительная мощность);

- средства автоматизации работают в окружающей среде, не слишком отличающейся от условий работы обычных персональных компьютеров;

· нет необходимости в использовании жесткого малого времени цикла контроллера;

· реализуемые контроллером функции целесообразнее в силу их нестандартности программировать не на одном из специальных технологических языков, а на обычном языке программирования высокого уровня типа C++, Pascal;

· мощная поддержка работы операторов, реализуемая в обычных контролерах: диагностика работы, устранение неисправности без остановки работы контроллера, модификация программного обеспечения во время работы системы автоматизации – не имеет большого значения для заданной конкретной задачи.

На рынке PC based control работает в России весьма успешно ряд зарубежных компаний: Octagon, Advantech, Analog Devices и др. Многие российские фирмы закупают их разные компьютерные платы и платы ввода/вывода и строят из них свои контроллеры. Следует отметить, что в России этот класс контроллеров непомерно раздут и частично занимает нишу следующих классов контроллерных комплексов в силу нескольких причин:

- агрессивная рекламная компания основных фирм, работающих в этом секторе рынка:

- легкость создания из компьютерных плат новых типов контроллеров, привлекающая многие небольшие российские компании, создающие свои ПТК;

- простота и привычность создания программного обеспечения для персональных компьютеров;

- недоучет заказчиками важности тех свойств контроллеров, которые есть у специально разработанных контроллеров и отсутствуют у контроллеров на базе PC

2. Локальный контроллер (PLC).В настоящее время распространяются несколько типов локальных контроллеров:

-контроллер, встраиваемый в оборудование (агрегат, машину, прибор) и являющийся его неотъемлемой частью. Примеры такого "интеллектуального" оборудования: станки с программным управлением, автомашинисты, современные аналитические приборы:

-автономный контроллер, реализующий функции контроля и управления небольшим, достаточно изолированным технологическим узлом (объектом).

Если встраиваемые контроллеры выпускаются на раме без специального кожуха, поскольку они монтируются в общий корпус оборудования; то автономные контроллеры помещаются в защитные корпуса, рассчитанные на разные условия окружающей среды. Почти всегда эти контроллеры имеют порты, соединяющие их в режиме "точка-точка" с другой аппаратурой, и интерфейсы, которые могут их через сеть связывать с другими средствами автоматизации: распределенными системами управления, диспетчерскими системами, пультами операторов и т. п..

Часто в такой контроллер встраивается или подключается к нему специальная панель интерфейса с оператором, состоящая из дисплея и функциональной клавиатуры.

Следует выделить специальные типы контроллеров, выпускаемых для целей аварийной защиты процессов и оборудования.Они отличаются особенно высокой надежностью, живучестью, быстродействием. В этих контроллерах предусмотрены различные варианты полной диагностики и резервирования, как отдельных компонентов, так и всего контроллера в целом. В частности, можно отметить следующие распространенные варианты резервирования:

-горячий резерв всех компонентов и/или контроллера в целом (при не прохождении теста в рабочем контроллере управление безударно переходит ко второму контроллеру);

-троирование основных компонентов и/или контроллера в целом с голосованием результатов обработки сигналов всех контроллеров (выходной сигнал принимается тем который дали большинство контроллеров, а контроллер, давший другой результат объявляется неисправным);

-работа по принципу "пара и резерв" Параллельно работает пара контроллеров с голосованием результатов, а аналогичная пара находится в горячем резерве. При выявлении разности результатов работы первой пары управление переходит ко второй паре; первая пара тестируется и либо выявляется наличие случайного сбоя, тогда управление возвращается к первой паре, либо выявляется неисправность и управление остается у второй пары.

Контроллеры, обычно, могут иметь десятки входов/выходов от датчиков и исполнительных механизмов: их вычислительная мощность может быть разной (малые, средние и большие контроллеры): они реализуют типовые функции обработки измерительной информации, логического управления, регулирования. Многие из них имеют один или несколько физических портов для передачи информации в другие средства/системы автоматизации.

Примеры продукций зарубежных фирм, относящихся к этому классу ПТК. приведены ниже

· General Electric Fanuc Automation выпускаетконтроллерысерии90 Micro:

· Rockwell Automation выпускаетконтроллерысерииMicrologix 1000:

· Schneider Automation выпускаетконтроллерысерииTSX Nano:

· Siemens выпускает контроллеры серии С7-620.

3. Сетевой комплекс контроллеров (PLC, Network). Этот класс ПТК является наиболее широко распространенным и внедряемым средством управления технологическими процессами во всех отраслях промышленности. Минимальный состав такого средства:

· ряд контроллеров;

· несколько дисплейных рабочих станций операторов;

· системная (промышленная) сеть, соединяющая "контроллеры и рабочие станции между собой.

Контроллеры определенного сетевого комплекса имеют обычно ряд модификаций, отличающихся друг от друга мощностью, быстродействием, объемом памяти, возможностями резервирования, приспособлением к разным условиям окружающей среды, максимально возможным числом каналов входов и выходов. Это облегчает использование определенного сетевого комплекса для разных технологических объектов, поскольку позволяет наиболее точно подобрать контроллеры требуемых характеристик под разные отдельные узлы автоматизируемого агрегата и под разные функции контроля и управления.

В качестве дисплейных рабочих станций почти всегда используются те или иные персональные компьютеры в обычном или промышленном исполнении: большей частью с двумя типами клавиатур: обычной алфавитно-цифровой и специальной функциональной, с одним или несколькими мониторами с большими экранами.

Системная сеть может иметь различную структуру: шину, кольцо, звезду; она часто подразделяется на отдельные сегменты, связанные между собою повторителями и маршрутизаторами. Информация, передаваемая по сети, достаточно специфична - это ряд как периодических, так и случайных во времени коротких сообщений, к передаче которых предъявляются следующие требования: они ни в коем случае не могут быть утеряны (должна быть гарантирована их доставка адресату), в ряде случаев для сообщений высшего приоритета (например, сообщений об авариях) должен быть также гарантирован интервал времени передачи сообщений. Эти требования, вообще говоря, указывают на то, что предпочтительно методы доступа сообщений в системной сети могут основываться на передаче маркера или на взаимодействии узлов сети типа ведущий/ведомый (Master/Slave). В меньшей степени этим требованиям удовлетворяет метод случайного доступа к сети, при котором в случае возникновении аварийной ситуации и, как ее следствия, одновременного резкого увеличения числа экстренных сообщений, которые должны пройти через сеть, может возникнуть затор в сети, что приведет к потере отдельных сообщений, а не только к задержке их доставки адресату.

Рассматриваемые сетевые комплексы контроллеров имеют верхние ограничения как по сложности выполняемых функций (обычно, типовые функции измерения, контроля, учета, регулирования, блокировки), так и по объему самого автоматизируемого объекта, в пределах десятков тысяч измеряемых и контролируемых величин (обычно, отдельный технологический агрегат, производственный участок).

Большинство работающих в СНГ зарубежных фирм поставляет сетевые комплексы контроллеров. Отметим, к примеру, сетевые комплексы малых контроллеров (порядка сотен входов/выходов на контроллер):

· комплексы серий контроллеров DL 205, DL 305 фирмы Коуо Electronics;

· комплексы серий контроллеров TSX Micro фирмы Schneider Automation;

· комплексы серии контроллеров SLC-500 фирмы Rockwell Automation;

· комплексы серии контроллеров CQM1 фирмы Omron.

Примеры сетевых комплексов больших контроллеров (порядка тысяч входов/выходов на контроллер) возьмем из продукции этих же фирм·

•комплексы серии контроллеров DL 405 фирмы Коуо Electronics;

· комплексы серий контроллеров TSX Premium фирмы Schneider Automation,

· комплексы серии контроллеров PLC-5 фирмы Rockwell Automation;•комплексы серии контроллеров С200 фирмы Omron.