Введение
Компьютер вошел в нашу жизнь как средство для компьютерных игр, просмотра фильмов и глобального общения через Интернет, для инженерных расчетов и проектирования, для редактирования текста, графики и музыки. Однако есть еще одна великолепная возможность применения компьютера — автоматизация различных сфер деятельности человека. Автоматизировать можно предприятие, цех, технологический процесс или оборудование, дом, офис, лабораторию. Для этого компьютер нужно оснастить датчиками и исполнительными механизмами, чтобы он обрел способность заменить или расширить возможности человека везде, где это возможно.
В лаборатории компьютер может автоматически управлять последовательностью измерительных процедур, поддерживать стабильную температуру в камере тепла и холода или изменять ее по заранее заданному закону, принимать и обрабатывать сигналы от датчиков скорости, ускорения, давления и др., измерять напряжение, ток, сопротивление, скорость вращения вала двигателя, частоту, массу, вычислять параметры электронных приборов, строить графики вольтамперных характеристик, отображать динамику физических процессов в химических реакциях. Исследовательские процедуры, выполняемые по определенному алгоритму, могут быть запрограммированы и выполняться многократно без внесения в процесс измерения ошибок, свойственных человеку.
В производственном или жилом помещении автоматизированная система может выполнять роль охранной и пожарной сигнализации, регулятора температуры, влажности, управлять освещением и системой кондиционирования, используя для этого компьютер, соответствующие датчики, исполнительные устройства — кондиционер, отопительную систему, сирену, освещение и многое другое.
В производственном процессе компьютер может автоматически распечатывать результаты приемо-сдаточных испытаний серийной продукции, управлять станками, технологическими линиями и агрегатами; выводить для просмотра оператором состояние каждой единицы оборудования, задействованного в производственном процессе, поддерживать температуру или давление в паровом котле, управлять работой механизмов, сигнализировать об аварийных ситуациях или о приближении параметра к аварийному значению, выполнять технологические защиты и блокировки.
Компьютер может иметь в тысячи раз более чувствительные органы, чем человек, и быстрее реагировать на поступающие воздействия. Поэтому он способен выполнять операции, которые невозможно реализовать иными средствами. Например, компьютер может с точностью до нескольких миллисекунд уловить момент времени, в который температура в зоне химической реакции изменилась на 0,001 °С, или за несколько секунд построить изотермы испытательной термокамеры, график зависимости эффективной разрядности АЦП от температуры или отмерять количество компонента, поступающего для приготовления медицинского препарата.
На самом деле спектр применения компьютера в сочетании с датчиками и исполнительными устройствами практически ограничен только фантазией пользователя.
В настоящее время для создания автоматизированной системы управления не нужно быть специалистом по АСУ ТП, достаточно быть специалистом в той предметной области, для которой создается система. Это было невозможно еще 15-20 лет назад, когда персональные компьютеры не были так широко распространены, их программирование выполнялось на ассемблере или в машинных кодах, а для выполнения операций ввода-вывода нужно было разработать электрическую схему и спаять печатную плату.
С появлением модульного принципа построения систем управления, SCADA-пакетов, стандарта ОРС и языка программирования контроллеров МЭК 61131-3 стало возможным сделать автоматизацию такой же простой и интересной, как работу с персональным компьютером и офисными программами.
Здесь не рассматриваются частнофирменные технические и программные решения, не соответствующие открытым международным стандартам. Применение таких средств приводит к тому, что заказчик становится «заложником» конкретного программиста или конкретной фирмы-производителя, которые начинают диктовать ему свои финансовые условия. В отличие от этого, применение решений, основанных на открытых международных стандартах, позволяет заказчику в любой момент отказаться от одного подрядчика (системного интегратора) в пользу другого или использовать оборудование разных производителей.
Хочется обратить внимание на то, что часто он может даже не подозревать, что его задачи можно автоматизировать. Во многих случаях нужно предпринять некоторые усилия для активизации воображения. Однако когда идея автоматизации созрела, она легко реализуется и оказывается очень эффективной, а ее воплощение — увлекательным.
Будет дано много английских сокращений и терминов, не переведенных на русский язык. Это связано с отсутствием русскоязычных аналогов, а также с тем, что в области промышленной автоматизации общепринято использовать международные (англоязычные) сокращения и некоторые термины.
1. Архитектура автоматизированной системы
Автоматизированная система призвана облегчить труд человека, расширить его функциональные возможности или заменить полностью, если это возможно. Поэтому архитектура систем автоматизации во многом напоминает строение человека: роль органов чувств выполняют датчики, роль рук, ног и органов речи — исполнительные устройства, роль мозга — компьютер или контроллер. Благодаря такой аналогии архитектура системы автоматизации становится понятной любому человеку на интуитивном уровне. Однако при разработке конкретной системы возникает множество сложных практических вопросов, касающихся стандартизации, безопасности, коммерческой эффективности, технологичности, точности, надежности, совместимости, технического сопровождения и т.п..
1.1. Разновидности архитектур
Существует огромное разнообразие датчиков (температуры, влажности, давления, потока, скорости, ускорения, вибрации, веса, натяжения, частоты, момента, освещенности, шума, объема, количества теплоты, тока, уровня и др.), которые преобразуют физическую величину в электрический сигнал. Если параметры сигнала не согласуются с параметрами входа аналого-цифрового преобразователя (АЦП) или не соответствуют стандарту (например, входной величиной АЦП является напряжение в диапазоне 0...10 В, а датчик (термопара) имеет выходное напряжение в диапазоне от 0 до 100 мВ), то используют измерительный преобразователь (рис. 1.1), который обеспечивает нормализацию сигнала сигнала датчика (приведение к стандартным диапазонам изменения, обеспечение линейности, компенсацию погрешности, усиление и т.п.). Измерительные преобразователи обычно совмещают с модулями аналогового ввода.
Измерительные преобразователи могут иметь встроенный АЦП или ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь), а также микропроцессор для линеаризации характеристик датчика и компенсации погрешностей аналоговой части системы. В последнее время получили распространение цифровые датчики, объединяющие в себе первичный преобразователь физической величины в электрический сигнал, измерительный преобразователь и АЦП. Примером могут служить датчики температуры DS18B20 фирмы Dallas Semiconductor, у которых выходной сигнал является цифровым и соответствует спецификации интерфейса 1-Wire.
ним устройством ввода и одним устройством вывода
Для ввода в компьютер аналоговых сигналов служат модули аналогового ввода (рис. 1.1). Модули ввода могут быть общего применения (универсальные) или специализированные. Примером универсального модуля ввода, который воспринимает сигналы напряжения в диапазонах ±150 мВ, ±500 мВ, ±1 В, ±5 В, ±10 В и тока в диапазоне ±20 мА. Примером специализированного модуля является модуль ввода сигналов термопар, который работает только с термопарами и содержит встроенные во внутреннюю память модуля таблицы поправок для компенсации нелинейностей термопар и температуры холодного спая.
Кроме модулей аналогового ввода широко распространены модули дискретного ввода, которые не содержат АЦП и позволяют вводить сигналы, имеющие два уровня (например, сигналы от концевых выключателей, датчиков открывания двери, пожарных датчиков, охранных датчиков движения и т. п.). Уровни входных сигналов модулей дискретного ввода могут изменяться в диапазоне, как правило, 0...24 В или 0...220 В. Модули с входом 220 В используются, например, для регистрации наличия напряжения на клеммах электродвигателя или нагревательного прибора.
Отдельное место занимают устройства счетного ввода, которые имеют дискретный вход и позволяют считать количество или частоту следования импульсов. Их используют, например, для измерения скорости вращения вала электродвигателя или подсчета продукции на конвейере.
Компьютер обычно является «мозгом» автоматизированной системы. Он принимает сигналы датчиков, исполняет записанную в него программу и выдает необходимую информацию в устройство вывода. Коммуникации между компьютером и устройствами ввода-вывода выполняются через последовательные интерфейсы, например, USB, CAN, RS-232, RS-485, RS-422, Ethernet. Иногда устройства ввода-вывода выполняют в виде плат, которые вставляют непосредственно в компьютер, в разъемы шины PCI или ISA. Достоинством плат является возможность получения высокой пропускной способности каналов ввода-вывода (свыше 10 Мбит/с), что трудно достижимо при использовании внешних устройств с последовательным портом. Недостатком является более высокий уровень электромагнитных наводок от компьютера и конструктивные ограничения на количество каналов ввода-вывода.
В автоматизированных системах вместо компьютера или одновременно с ним часто используют программируемый логический контроллер (ПЛК). Типовыми отличиями ПЛК от компьютера является специальное конструктивное исполнение (для монтажа в стойку, панель, на стену или в технологическое оборудование), отсутствие механического жесткого диска, дисплея и клавиатуры. Контроллеры также имеют малые размеры, расширенный температурный диапазон, повышенную стойкость к вибрации и электромагнитным излучениям, низкое энергопотребление, защищены от воздействий пыли и воды, содержат сторожевой таймер и платы аналогового и дискретного ввода-вывода, имеют увеличенное количество коммуникационных портов. В контролерах, в отличие от компьютеров, как правило, используется операционная система реального времени (например, Windows СЕ, QNX).
В последнее время наметилась тенденция стирания грани между компьютером и контроллером. С одной стороны, контроллеры (например, NLcon-CE фирмы НИЛ АП или WinCon фирмы ICP DAS) позволяют подключить монитор, мышь и клавиатуру, с другой стороны, появилось большое количество промышленных компьютеров, которые имеют специальное конструктивное исполнение и другие свойства, характерные для контроллеров. В связи с этим в дальнейшем мы будем употреблять термины «компьютер» и «контроллер» как синонимы, и это будет ясно из контекста.
Устройства вывода (модули вывода) позволяют выводить дискретные, частотные или аналоговые сигналы. Дискретные сигналы используются, например, для включения электродвигателей, электрических нагревателей, для управления клапанами, фрамугами, насосами и другими исполнительными устройствами. Частотный сигнал используется обычно для управления средней мощностью устройств с большой инерционностью с помощью широтно- импульсной модуляции.