1.4. Типовые функции уровней управления интегрированной системы
Общую схему интегрированных автоматизированных систем управления, для разнообразного спектра применения, можно представить в виде показанной на рис. 10
В системах промышленной автоматизации в зависимости от задач управления выделяют пять уровней:
I. Ввод/вывод (Input/Output – I/O). На данном уровне «работают» устройства связи с объектом (УСО). К ним относятся датчики, исполнительные устройства и устройства удалённого сбора данных и управления (УУ).
II. Управление вводом\выводом. Управление вводом/выводом чаше всего осуществляется программируемыми логическими контроллерами (ПЛК). Кроме того, имеется целый класс устройств – интеллектуальные датчики и интеллектуальные исполнительные механизмы, которые реализуют в себе функции первого и второго уровней.
III. Диспетчерское управление и сбор данных (Supervisory Control and Data Acquisition – SCADA). Программное обеспечение SCADA-систем устанавливается на промышленные компьютеры, расположенные непосредственно в производственных зонах. Часто это промышленные и панельные рабочие станции с повышенной надёжностью.
IV. Управление процессом производства. На этом уровне работают системы автоматизации управленческой и финансово-хозяйственной деятельности.
V. Планирование ресурсов предприятия (уровень стратегического управления).
Рассмотрим более подробно функции и задачи управления трёх нижних уровней.
Как уже отмечалось ранее, устройства связи с объектом включают программируемые логические контроллеры, сети и интерфейсы для связи с RTU (Remote Terminal Unit ), c датчиками, c исполнительными механизмами, электроавтоматикой (ЭЛА), которые устанавливаются на технологических объектах и оборудованиях производств.(рис. 11)
Рис. 10. Схема интегрированной автоматизированной системы управления.
В общем случае ЭЛА включают в себя:
- кнопки и выключатели панелей операторов;
- бесконтактные датчики и фотоэлементы;
- конечные переключатели типа концевых и путевых выключателей;
- контакты реле (тока, давления, температуры);
- цифровые выходы программируемых логических контроллеров и ЭВМ;
- другие контактные и бесконтактные элементы, сигнализирующие о состоянии исполнительных механизмов(открыто/закрыто, вкл./выкл.) и об аварийных ситуациях.
Сигналы с датчиков исполнительных механизмов, электроавтоматики, RTU передаются в контроллеры посредством модулей ввода/вывода. На рис. 12. показана схема модуля ввода/вывода, который предназначен не только для ввода/ввода, но и преобразования и гальванической изоляции сигналов управления объекта.
По количеству подключаемых сигналов различают МВВ на 4, 8, 16, 32, 64 и 128 каналов (входных и выходных).
Входные каналы МВВ сигналов опрашивают цепи ЭЛА, датчики и другие устройства: приходят сигналы типа AI и DI, которые переводят как аналоговый и дискретный ввод (I – Input – Ввод) соответственно. Тип сигналов аналогового ввода AI – это постоянное напряжение в диапазоне 0-5В, 0-10В, ±5В, ± 10В или ток в диапазонах 0-5 мА, 0-20мА, 4-20 мА. Типы сигналов дискретного ввода DI – это сигналы с уровнем напряжения 12, 24, 48 В постоянного тока, 120 и 240 В переменного тока с разными нагрузками по току. В качестве примера опроса сигналов электроавтоматики по входным каналам модуля рассмотрим приём от станка к контроллеру сигнала (рис. 12):
- «готовность» станка;
- кнопки режима станка «пуск», «автомат.», «наладка», «исходное», «стоп»;
- от переключателей «быстрый ход», «малый ход»;
- от ограничителей перемещения координат оборудования;
- от грубого и точного датчиков нулей координат оборудования;
- включения, выключения тех или иных механизмов.
Все эти сигналы дискретного типа DI, двухпозиционные и подаются на входы узла согласования (рис.12.). Если подаваемый сигнал в виде напряжения постоянного тока в пределах 0÷3В, узел согласования вырабатывает логический «0», что соответствует состоянию выключено; при напряжениях постоянного тока в диапазоне 20÷27В, вырабатывает логическую «1», что соответствует состоянию включено. Логические ноль и единицы записываются по программе в ячейки памяти со своим адресом. Например, 64 входных канала МВВ имеет 16 адресов, для каждого адреса по 4 бита. Информация о сигнале «включено\выключено» в цифровом виде поступает в контроллер и далее через сервер в базу данных ИАС и на панели операторов.
Рис. 12. Схема модуля ввода/вывода.
Сигналы с выходных каналов МВВ управляют посредством контроллера, работой сигнализирующих работу светодиодов, реле, магнитных клапанов и другими устройствами электроавтоматики. На рис.12 эти сигналы обозначены аналоговое АO и дискретные DO (О – Output – вывод). Работу выходных каналов МВВ проиллюстрируем примером передачи сигналов:
- «пуск» от CNC;
- включения, выключения тех или иных механизмов управляемых контроллером;
- аварийного останова;
- управления кнопками переключения режимов;
По программе контроллера сигналы низкого или высокого уровня записываются в ячейки памяти выходной информации и через узел передачи, оптронной развязки и коммутатор, усиливаются в узле согласования и передаются на станочное оборудования напряжением 0 В (выключено), либо 24 В (включено).
По способу размещения модулей ввода/вывода сигналов различают:
- локальный ввод/вывод;
- локальный ввод/вывод с расширением;
- удаленный ввод/вывод;
При локальном вводе/выводе МВВ размещаются непосредственно на том же шасси, что и процессорный блок. Недостатком локального ввода\вывода является ограничение слотов шасси у некоторых контроллеров, следовательно, и количество локальных вводов/выводов может быть тоже ограничено. Преимуществом локального ввода/вывода является высокая скорость обновления данных.
Локальный ввод\вывод с расширением позволяет увеличить количество модулей локального ввода\вывода путём добавления дополнительных шасси со слотами. Эти шасси соединяются между собой кабелем и могут быть отнесены не более чем на несколько десятков метров от модуля центрального процессора. Семейства контроллеров способны поддерживать десятки шасси расширения с большим количеством модулей ввода/вывода.
Удаленный ввод/вывод (рис.13) применяется для систем, в которых имеется большое количество датчиков и других полевых устройств, находящихся на достаточно большом расстоянии (1000 и более метров) от центрального процессора. Это относится и к объектам отраслей, часто находящихся на больших расстояниях от пунктов управления. Такой подход позволяет уменьшить стоимость линий связи за счет того, что модуля ввода/вывода размешаются вблизи полевых устройств. Поддержка удалённого ввода\вывода осуществляется с использованием модулей удалённый ведущий(активный) и удалённый ведомый(пассивный).
Удалённый ведущий модуль располагается в каркасе контроллера и соединяется кабелем с удалённым ведомым модулем, который находится в удалённом каркасе. Один ведущий модуль может поддерживать до 128 ведомых.
Рис.13 а Схема удаленного ввода/вывода
На рисунке 13 а представлена схема удалённого ввода\вывода, используемая контроллером фирмы «Koyo» Direct Logic DL205 с процессором D2-250, поддерживающим семь ведущих модулей ввода\вывода D2-RMSM, а каждый из которых поддерживает 32 ведомых.