- •Москва «Высшая школа» 2005 м.М. Благовещенская л.A. Злобин информационные технологии систем управления технологическими процессами
- •.Раздел I. Методы и средства формирования и обработки информации
- •Глава 1. Информационные технологии
- •1.1. Информация
- •1.2. Виды информации
- •1.3. Информационное обеспечение систем управления
- •1.4. Системы счислений информации
- •1.5. Частотные характеристики фильтров:
- •Вопросы и задания для самопроверки, темы для обсуждения
- •Какие «виды фильтров Вы знаете?Глава 2. Основные понятия и определения теорий автоматизации и управления
- •2.1. Основные понятия и определения теории автоматизации технологических процессов
- •2.2. Основные понятия и определения теории автоматического управления
- •2.3. Технологический объект управления
- •2.4.Системы автоматического регулирования
- •Регулятор
- •Прямая цепь
- •Обратная цепь
- •Раздел II. Микропроцессорная техника и ее роль в системах управления технологическими процессами 304
- •Глава 6. Аппаратные средства микропроцессорной техники 309
- •7.1. Птк для асутп 349
- •Глава 10. Prosoft - передовые технологии автоматизации 110
- •Глава 13. Моделирование технологических систем, операций, процессов 247
- •Глава 14. Системы управления технологическими процессами пищевых производств 285
- •9. Программное обеспечение открытых scada-систем.Глава 15. Асутп отраслей пищевой промышленности 374
- •7. Система управления производством шоколадных масс.Глава 19. Системы управления производством безалкогольных напитков и продуктов длительного хранения 539
- •3Содержание 592
- •По отклонению:
- •2.5. Каскадные системы автоматического регулирования
- •2.6. Типовые законы регулирования
- •2.7. Выбор закона регулирования и регуляторов в сар
- •2.8. Классификация автоматических регуляторов
- •-/(Время)
- •2.9. Цифровые системы управления
- •2.10. Адаптивное управление с помощью нечеткой логики
- •Вопросы и задания для самопроверки, темы для обсуждения
- •Глава 3. Метрологические основы формирования, обработки и передачи информации
- •3.1. Основные метрологические понятия и термины
- •3.2. Физическая величина. Единицы и размерности физических величин
- •3.3. Основные понятия об измерениях
- •3.4. Средства измерений и их основные элементы
- •3.5. Системы дистанционной передачи и устройства связи с объектом
- •9 8 7 Рис. 3.7. Принципиальная схема дифференциально-трансформаторной системы дистанционной передачи (пояснения в тексте)
- •3.6. Модуляция и демодуляция сигнало
- •3.7. Устройства связи с объектом (усо)
- •3.8. Типовая система сбора и передачи информации
- •Глава 4. Методы и средства формирования информации о состоянии технологических объектов (процессов)
- •4.1. Методы и средства измерений температуры
- •4.2. Методы и средства измерений давления
- •Верхний предел измерения, кг/см2 Напряжение питания: Выходной сигнал: Изготовитель:
- •4.3. Методы и средства измерений расхода и количества вещества
- •Выходной сигнал: Изготовитель: 0...5 мА; 4...20 мА уеоа (Германия)
- •Диапазон измерений: Температура измеряемой среды: Выходной сигнал: Изготовитель:
- •Диапазон расхода: для држи-25-8 0,2...8 м!/ч
- •Релейный постоянного тока — 24 в, 7 а Габариты пчс1 220x148 мм
- •Диапазон расходов: l...L,f Температура измеряемой среды: Давление измеряемой среды Напряжение питания Погрешность измерения Выходной сигнал:
- •0...5 МА; 4...20мА; 0...1кГц; импульс прямоугольной формы 120x160x500 мм оао «Теплоприбор», г. Челябинс
- •Диапазон измерения расхода м'/ч; Температура измеряемой среды Точность измерения расхода Точность измерения плотности Диапазон измерения плотности Максимальная длина кабеля Изготовитель:
- •4.4. Методы и средства измерений уровня
- •4.5. Методы и средства измерений состава вещества
- •От 4 до 6 в; от источника постоянного тока с напряжением от 8 до 12 в Габариты измерительного преобразователя: 200x105x60 мм
- •Дилер компании миллаб
- •Изготовитель:
- •4.5.5. Методы и средства измерений состава газовых смесей
- •4.6. Методы и средства измерений свойств веществ
- •Расходомер для измерения плотности (концентрации) жидкости Promass
- •Технические характеристики
- •Или мониторе компьютера
- •Технические характеристики
- •4.6.2. Методы и средства измерения влажности
- •Иптв 056м
- •Габаритные установочные размеры: передняя панель (no din 43700) монтажная глубин вырез на щите
- •Выходной унифицированный сигнал составляет 0...5 мА или 4...20мА
- •Точность измерения содержания: влаги органических продуктов покрытий Изготовитель:
- •Технические характеристики Пределы измерения Температура измеряемой среды Выходной сигнал
- •4.7. Методы и средства измерений вкуса и аромата пищевого продукта
- •0,7...4% Масс 5...50° с 0...5мА
- •4.7.1. Методы и средства измерений структуры компонентов продукта
- •4.7.2. Методы и средства измерений количества ядер 'элементов продукта
- •4.7.3. Методы и средства измерений пищевой ценности продукта
- •4.8. Системы учета энергонагрузок при эксплуатации технологического оборудования пищевых производств
- •5.1. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации
- •5.2. Агрегатные комплексы гсп
- •5.3. Классификация устройств гсп
- •5.4. Обеспечение единства измерений
- •5.5. Стандартизация
- •Объекты стандартизации и виды стандартов
- •Государственный надзор за стандартами и средствами измерений
- •5.6. Сертификация
- •Система сертификации пищевых продуктов и продовольственного сырья
- •Правила проведения сертификации
- •Оформление документации сертификации (основные положения)
- •Вопросы и задания для самоконтроля, темы для обсуждения
- •Раздел II. Микропроцессорная техника и ее роль в системах управления технологическими процессами
- •Глава 6. Аппаратные средства микропроцессорной техники
- •6.1. Функциональная организация мпс
- •Устройство ввода-вывода
- •6.2. Языки программирования
- •6.3. Микропроцессорная установка централизованного контроля и управления
- •6.4. Микроэвм
- •6.5. Программируемые микропроцессорные контроллеры
- •Контроллера
- •6.6. Программируемый логический контроллер (плк)
- •6.7. Исполнительные устройства
- •6.8. Структура микропроцессорных средств управления
- •6.9. Интерфейсы
- •Передача
- •Получение
- •6.10. Библиотека программ для работы с последовательными интерфейсами
- •6.11. Техническое обеспечение связи (интерфейса). Платы, поддерживаемые pc-ComLib
- •6.12. Диспетчерская подсистема
- •Технические характеристики рабочих станций
- •Дублированный выход (rs-485/can) усо
- •I Jwwl Пульт
- •7.1. Птк для асутп
- •7.2. Мировые тенденции развития микропроцессорных
- •Выносные блоки ввода/вывода и интеллектуальные датчики Рис. 7.2. Обобщенная схема птк
- •7.3. Птк «каскад» для построения и функционирования асутп
- •7.4. Продвинутые птк для асутп
- •Вопросы и задания для самоконтроля, темы для обсуждения
- •8.1. Контроллеры отечественного производства
- •Основные технические характеристики интеллектуального шлюза
- •Пульт оператора
- •Интеллектуальный шлюз Интеллектуальный шлюз
- •Коммуникационный сервер
- •Интеллектуальный шлюз
- •8.1.5. Промышленные плк для распределительных систем серии контраст
- •8.2. Зарубежные контроллеры
- •8.2.1. Auto-log программно-технические средства для промышленной автоматики
- •8.4. Резервирование контроллерных сетей
- •8.5. Полевые сети контроллера
- •Глава 9. Роль и место scada-системы в современном производстве
- •9.1. Отечественная scada-chctema контур
- •9.2. Современные системы scada/hmi
- •9.3. Опыт использования открытых scada-nPOrPamm
- •9.4. Scada-chctema трейс моуд
- •Административный уровень
- •Уровень контроллера
- •Создание списка входов/выходов элемента дерева объекта.
- •9.7. Программный комплекс vns-garden
- •9.8. Зарубежные scada-системы
- •Глава 10. Prosoft - передовые технологии автоматизации
- •10.1. Системы удаленного сбора данных и управления
- •10.1.1. Одноканальные модули аналогового ввода-вывода серии adam-4000
- •10.1.2. Многоканальные модули аналогового ввода-вывода серии adam-4000
- •10.2. Многоточечные сети на базе модулей серии adam-4000 и стандарта rs-485
- •Расширение сети
- •Преобразователь электрических параметров интерфейса rs-232c в rs-485 — повторитель adam-4510
- •Преобразователь интерфейса rs-232/rs-485 с гальванической развязкой
- •10.3. Программирование и программное обеспечение устройств серии adam-4000
- •Стандартный набор команд
- •Проверка наличия ошибок с использованием контрольной суммы
- •Пример программирования
- •10.4. Сервер
- •10.5. Технические характеристики модулей серии
- •10.6. Системы распределенного сбора данных и управления (adam-5000)
- •10.7. Устройства сбора данных и управления серии
- •10.7.1. Формирование сетей сбора данных и управления на базе стандарта rs-485
- •Термопары Термосопротивления Цифровой мВ, в, вывод мА
- •10.8. Средства связи и программирования устройств
- •Adam-5510 — ibm pc совместимый программный микроконтроллер
- •10.9. Adam-5000/can - устройство связи с объектом на основе промышленной шины can
- •Узел 1 Узел 2 Узел 3 Узел 4
- •Шина can
- •Получаемых сообщений
- •Преобразователь adam-4525
- •Повторитель adam-4515
- •Adam-5000/can — устройство распределенного сбора данных и управления
- •Adam-4525/4515 - преобразователь rs-232c/can с гальванической развязкой и повторитель сигналов интерфейса can
- •Характеристика повторителя adam-4515
- •10.10. Программное обеспечение для windows устройств серии adam-5000. Библиотеки динамической компоновки
- •Сервер dde
- •10.11. Технические характеристики модулей серии
- •Adam-5013 — 3-канальный модуль ввода сигналов термосопротивлений
- •Adam-5024 — 4-канальный модуль аналогового ввода
- •Adam-5050 — 16-канальный универсальный модуль дискретного ввода/вывода
- •Adam-5068 — 8-канальный модуль релейной коммутации
- •Adam-5080 — 4-канальный модуль ввода частотных/импульсных сигналов
- •10.12. Genie - программный продукт управления технологическими процессами
- •Регистрация данных
- •Вычисления в масштабе реального времени
- •Отображение информации в масштабе реального времени
- •10.13. Genie. Элементы управления технологическим процессом
- •Регистрация системных и аварийных событий
- •Использование графических элементов управления в процессе исполнения стратегии
- •Двухпозиционное дискретное управление
- •Связывание и внедрение объектов (ole Automation)
- •Программируемый блок пользователя (User Programmable Block)
- •Интерфейсы связи
- •Динамический обмен данными в масштабе реального времени
- •10.14. Требования к аппаратно-программному обеспечению систем управления технологическими процессами пищевых производств
- •10.15. Промышленные рабочие станции
- •Особенности и разрешающая способность пакета разработки genie.Глава 11. Метрологическое обеспечение измерительных средств и систем управления технологическими процессами пищевых производств
- •11.1. Организация метрологического обеспечения средств измерений пищевых производств
- •Технические основы мо предприятия
- •Нормативные задачи мо предприятия, ее метрологической службы
- •Порядок составления графиков поверки измерительных средств
- •11.2. Организация поверочных подразделений ведомственных метрологических служб
- •Автоматизация мо измерительных средств пищевых производств
- •11.3. Организация управления метрологической службы предприятия
- •11.4. Создание информационной базы мо измерительных средств
- •11.5. Метрологическое обеспечение измерительно-информационных и управляющих систем
- •11.6. Теоретические основы мо систем
- •11.7. Метрологический подход к количественной оценке информации
- •11.8. Аттестация алгоритмов обработки измерительной информации
- •11.9. Типовые модели исходных данных
- •Методы оценивания характеристик алгоритмов на типовых моделях исходных данных
- •11.10. Примеры аттестации алгоритмов обработки данных
- •11.11. Задачи пользователей и метрологов при аттестации алгоритмов
- •Раздел III. Микропроцессорные системы управления технологическими процессами пищевых производств Концепция построения систем управления
- •Глава 12. Асутп пищевых производств
- •12.1. Автоматизированное рабочее место (арм) оператора-технолога
- •12.2. Программное обеспечение асутп
- •Задачи асутп и диспетчерских систем
- •Задачи асутп и информационных систем
- •12.3. Методы и функции управления технологическими процессами
- •12.4. Непрерывные и периодические технологические процессы и особенности управления ими
- •1, 2, ..., /, П — агрегаты, 1 — регулятор исходной концентрации, и —регулятор выходной концентрации, 111 — исполнительный механизм
- •12.5. Системы управления дискретными процессами
- •Глава 13. Моделирование технологических систем, операций, процессов
- •13.1. Типовые модели технологических процессов
- •13.2. Методика математического описания объектов
- •Методы активного эксперимента
- •Методы пассивного эксперимента
- •13.3. Определение динамических характеристик
- •13.4. Модели гидродинамики потоков
- •Модель идеального (полного) перемешивания
- •Модель идеального (полного) вытеснения
- •Каскадная модель
- •Диффузионные модели
- •13.5. Модели массобменных процессов
- •13.6. Модели тепловых процессов
- •Горячий холодный
- •Параметрами
- •Модель теплового процесса в системе с распределенными параметрами
- •13.7. Модели дозирования веществ
- •13.8. Модели микробиологических процессов
- •Модели культивирования микроорганизмов
- •Глава 14. Системы управления технологическими процессами пищевых производств
- •Измерительно-информационные и управляющие системы
- •Вычислительная среда (процессор) база данных об объекте и о системе (априорная информация)
- •Раздел II. Микропроцессорная техника и ее роль в системах управления технологическими процессами 304
- •Глава 6. Аппаратные средства микропроцессорной техники 309
- •7.1. Птк для асутп 349
- •Глава 10. Prosoft - передовые технологии автоматизации 110
- •Глава 13. Моделирование технологических систем, операций, процессов 247
- •Глава 14. Системы управления технологическими процессами пищевых производств 285
- •9. Программное обеспечение открытых scada-систем.Глава 15. Асутп отраслей пищевой промышленности 374
- •7. Система управления производством шоколадных масс.Глава 19. Системы управления производством безалкогольных напитков и продуктов длительного хранения 539
- •3Содержание 592
- •Вычислительная среда (процессор) база данных об объекте и о системе (априорная информация)
- •Раздел II. Микропроцессорная техника и ее роль в системах управления технологическими процессами 304
- •Глава 6. Аппаратные средства микропроцессорной техники 309
- •7.1. Птк для асутп 349
- •Глава 10. Prosoft - передовые технологии автоматизации 110
- •Глава 13. Моделирование технологических систем, операций, процессов 247
- •Глава 14. Системы управления технологическими процессами пищевых производств 285
- •9. Программное обеспечение открытых scada-систем.Глава 15. Асутп отраслей пищевой промышленности 374
- •7. Система управления производством шоколадных масс.Глава 19. Системы управления производством безалкогольных напитков и продуктов длительного хранения 539
- •3Содержание 592 Система управления (асутп) -
- •14.1. Автоматизированная система управления технологическими процессами (асутп)
- •14.2. Методология проектирования микропроцессорных систем управления
- •Этапы разработки консалтинговых проектов
- •Разработка системного проекта
- •Разработка предложений по автоматизации предприятия
- •Разработка технического проекта
- •Последующие этапы разработки
- •Case-технологии — методологическая и инструментальная база консалтинга
- •14.3. Разработка и проектирование асутп и scada-chctem
- •14.4. Программное обеспечение открытых scada-chctem
- •Основные понятия и положения автоматизированного проектирования
- •14.5. Стандартизация в разработке систем управления
- •Эффективность разработок асутп
- •Вопросы и задания для самопроверки, темы для обсуждения
- •15.1. Структура управления пищевым предприятием (хлебозаводом)
- •15.3. Асутп хлебопекарного производства
- •15.4. Системы управления складом бхм, тестоведением и выпечкой хлебобулочных изделий
- •Система управления процессом выпечки хлебобулочных изделий
- •15.5. Асутп макаронного производства
- •Каковы особенности асутп макаронного производства?Глава 16. Системы управления биотехнологическими процессами
- •16.1. Асутп производства спирта
- •16.1.2. Отделение разваривания
- •16.1.3. Отделение осахаривания
- •16.1.4. Отделение брожения
- •16.1.5. Отделение выделения спирта из культуральной жидкости (бражки) и его очистки от примесей
- •17.1. Свёклоперерабатывающее отделение
- •17.2. Отделение дефекосатурации
- •17.3. Отделение выпаривания
- •17.4. Роспускное отделение
- •17.5. Отделение очистки сиропа
- •Особенности структуры асу сахарорафинадным производством.Глава 18. Системы управления кондитерским производством
- •18.1. Асутп производства затяжных сортов печенья
- •18.2. Асутп поточно-механизированной линии производства затяжных сортов печенья
- •18.3. Система управления производством карамели
- •18.4. Управление линией производства карамели
- •18.5. Система управления производством отливных глазированных конфет
- •.Рис. 18.5. Схема системы управления производством отливных глазированных конфет
- •18.6. Технологическая схема процессов отливки и глазирования конфет
- •18.7. Асутп производства шоколадных масс
- •Система управления производством шоколадных масс.Глава 19. Системы управления производством безалкогольных напитков и продуктов длительного хранения
- •19.1. Асутп приготовления кваса
- •19.2. Асутп приготовления томатного сока
- •19.3. Асутп розлива минеральной воды
- •19.4. Асутп приема и переработки винограда на заводах первичной переработки сырья
- •19.5. Система управления переработкой винограда
- •19.6. Асутп мойки в бутыломоечной машине
- •19.7. Асутп производства продуктов длительного
- •19.8. Асутп приготовления детской питательной смеси
- •19.9. Асутп производства белкового концентрата
- •19.10. Асутп производства концентратов сладких блюд
- •Пищевых производств 483—485 асутп 592
- •48' Комплекс Decont 291—292
- •3Содержание
- •Раздел II. Микропроцессорная техника и ее роль в системах управления технологическими процессами 304
- •Глава 6. Аппаратные средства микропроцессорной техники 309
- •7.1. Птк для асутп 349
- •Глава 10. Prosoft - передовые технологии автоматизации 110
- •Глава 13. Моделирование технологических систем, операций, процессов 247
- •Глава 14. Системы управления технологическими процессами пищевых производств 285
- •9. Программное обеспечение открытых scada-систем.Глава 15. Асутп отраслей пищевой промышленности 374
- •7. Система управления производством шоколадных масс.Глава 19. Системы управления производством безалкогольных напитков и продуктов длительного хранения 539
- •3Содержание 592
- •Редактор а.Г. Гаврилов Художник а.А. Брантман Художественный редактор а.Ю. Войткевич Технический редактор н.И. Тростянская Компьютерная верстка е.В. Афонин Корректоры б.Г. Лрилипко, в.А. Жилкина
- •2 Составлен а.Г. Гавриловым.
Вопросы и задания для самоконтроля, темы для обсуждения
Программно-технический комплекс (ПТК), его назначение.
Локальный контроллер, его назначение.
Многофункциональный контроллер (МФК), его назначение.
Программное обеспечение ПТК.
РСУ малого масштаба.
Полномасштабные РСУ.
Мировые тенденции развития ПТК.
ПТК «Каскад», назначение и состав, функциональные возможности.
ПТК «КРУГ-2000», назначение и состав, функциональные возможности.
ПТК «АВТОНИТ», функциональные возможности.
ПТК «Дирижер», состав, функциональные возможности.
ПТК «САРГОН», состав, функциональные возможности.
ПТК «САРГОН-3»,функциональные возможности, преимущество в сравнении с ПТК «САРГОН».
ПТК «УНИКОНТ», состав, функциональные возможности.
ПТК «СИРИУС», состав, функциональные возможности..
Что включает программное обеспечение ПТК?
Что такое драйверы, тестирующие программы? Их назначение.
Каковы сферы применения контроллеров на базе ПК?
Сетевой комплекс контроллеров ПТК.
Какова структура промышленной компьютерной сети?
Перечислите основные направления углубления и совершенствования свойств выпускаемых программных и технических средств.
Как может быть собран ПТК конкретного производства?
К чему должно привести дальнейшее развитие ПТК?
Что входит в стандартный набор программных модулей PC?
Кросс-система для технологического программирования ПЛК?
Перечислите продвинутые ПТК для АСУТП.Глава 8. КОНТРОЛЛЕРЫ
Российские системные интеграторы располагают огромным спектром предложений по датчикам, промышленным сетям, контроллерам, ИУ, средствам отображения и прочим элементам, необходимым при разработках современных АСУТП. При выборе компонентов для решения своей задачи в очень жестких условиях ограниченного финансирования разработчики вынуждены постоянно думать об оптимизации. Компоненты систем должны быть адекватны решаемой задаче, служить долго и надежно, обслуживаться легко и просто, выглядеть привлекательно и стоить дешево.
Одним из ключевых элементов является контроллер, от свойств которого во многом зависит вся структура системы автоматизации.
Контроллер представляет собой функционально законченное изделие с внутренней программой, настройка которой на конкретный объект управления производится с лицевой панели прибора или по сети с персональной ЭВМ. На современном российском рынке промышленной автоматизации должны быть разрешены задачи, которые можно объединить в следующие группы:
создание локальных, автономных систем автоматизации;
создание РСУ;
модернизация и реконструкция существующих систем автоматизации.
Современные автономные и распределенные системы управления формируются по объективному принципу — каждый уровень АСУТП должен соответствовать некоторому уровню технологического объекта управления (ТОУ), а каждому элементу АСУТП — один или несколько элементов ТОУ соответствующего уровня. Это соответствие значительно повышает надежность системы и уменьшает интенсивность сетевых обменов, так как ввод/вывод информации и ее обработка максимально локализуются.
Начнем с анализа структуры объекта управления и информационных характеристик его элементов. Основная информационная характеристика объекта — число сигналов — главный фактор. Его однозначно используют при выдаче задания на разработку АСУТП, при этом учитывают многообразие типов сигналов.
Контроллеры для АСУТП можно условно подразделить на следующие классы
:1. Контроллеры на базе ПК — направление, бурно развивающееся в настоящее время, которое обеспечивает повышение надежности ПК. Они характеризуются наличием модификаций, открытой архитектуры, доступности включения в свой состав любых блоков ввода/вывода; имеют возможность использования, широкой номенклатуры ПО (например, ОС РВ, БД, ППП контроля и управления). Такие контроллеры нашли применение в специализированных системах автоматизации, научных лабораториях, средствах коммуникации, небольших замкнутых объектах в производствах. Количество входов/выходов таких контроллеров несколько десятков. Контроллеры осуществляют достаточно сложную обработку измерительной информации с последующим формированием управляющих воздействий. Реализуемые контроллерами функции целесообразно программировать на языках высокого уровня типа Си++, PASCAL, а также на языках стандарта IEC 1131-3 и других.
На рынке контроллеров на базе ПК в России успешно работают: Advantech, Analog Devices, Octagon и др. Некоторые российские фирмы закупают компьютерные платы и платы ввода/вывода и собирают из них контроллеры (например, Прософт).
На рис. 8.1 приведена модульная структура программируемого микроконтроллера, применяемого на локальном уровне управления в АСУТП.
Специализация такого микроконтроллера по выполняемым функциям характеризуется совокупностью программ, хранящихся в постоянном запоминающем устройстве. Центральный процессор (ЦП) выполняет универсальные логические и вычислительные операции. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), как правило, небольшого объема. Конструктивно вычислитель выполняется в виде одноплатного встраиваемого модуля. К внутренней (стандартной) магистрали вычислителя подключают модули устройства сопряжения с объектом, АЦП и ЦАП, дискретные вводы-выводы, регуляторы и т. д., устройства отображения и ввода данных различного класса, блоки сопряжения с другими информационными уровнями.
Повышение уровня интеграции микропроцессоров обусловило появление однокристальных микроЭВМ, повторяющих приведенную структуру. Вследствие этого стало возможным в пределах микроконтроллера специализировать выделяемые функции для некоторого количества вычислителей, связанных общей магистралью, но обрабатывающих и управляющих своей совокупностью сигналов. МикроЭВМ отличается от приведенных микроконтроллеров расширением функций по вводу-выводу информации от периферийных устройств, расширением объема ОЗУ, более мощ-
ным вычислителем, наличием кросс-средств для отладки программного обеспечения микроконтроллеров.
Таким образом, техническая реализация координатора определяется функциональными задачами этого уровня управления. При этом большее внимание уделяется алгоритмическим и программным средствам, средствам автоматизации программирования, ориентированным на микропроцессоры общего и специального назначения, пакетам прикладных программ, операционным системам реального времени, удобным и гибким языкам программирования. Адаптация и учет требований конкретных объектов и систем в ПТК проводится на нижнем уровне благодаря модернизации технических средств, а на уровне координатора — программным обеспечением.
2. Локальный ПЛК. В последнее время нашли применение несколько типов ПЛК:
— встраиваемый в оборудование и являющийся его неотъемлемой частью (например, станки с ЧПУ, современные поточные линии в хлебопекарной, кондитерской, сахарной и других отраслях пищевой промышленности, современные аналитические приборы и др.);
— автономный, реализующий функции контроля и управления небольшим, в основном изолированным технологическим объектом.
Применяются также встраиваемые ПЛК без специального кожуха, которые монтируются в общий корпус оборудования. Автономные контроллеры помещают в защитные корпуса для эксплуатации в различных условиях. В большей части эти контроллеры имеют порты, которые через сеть связывают их в режиме «точка-точка» с другой аппаратурой, и посредством интерфейсов через сеть соединяют их с другими средствами автоматизации (диспетчерскими системами, РСУ, пультами операторов и т. п.). Такие контроллеры встраиваются или подключаются в панели ЧМИ, состоящие из дисплея и функциональной клавиатуры.
Выпускаются специальные типы ПЛК для аварийной защиты технологических процессов и оборудования, которые имеют высокую надежность, быстродействие и живучесть. В них предусмотрены различные варианты полной диагностики и резервирования.
Контроллеры этой группы рассчитаны на десятки входов/выходов от датчиков и ИМ.
Они реализуют простейшие типовые функции обработки измерительной информации, логического управления и регулирования.
3. Сетевой комплекс контроллеров. Этот класс контроллеров наиболее широко применяется для управления ТП во всех отраслях промышленности. Минимальный состав комплекса имеет ряд контроллеров, несколько дисплейных пультов операторов, промышленную сеть, соединяющую контроллеры и пульты между собой. Контроллеры сетевого комплекса имеют ряд модификаций, отличающихся друг от друга мощностью, быстродействием, объемом памяти, возможностями резервирования и максимальным числом каналов входов/выходов, что обеспечивает выполнение ими широкого диапазона функций контроля и управления.
Для дисплейных пультов используются разнообразные ПК в обычном или промышленном исполнении с (алфавитно-цифровыми и специальными функциональными клавиатурами), с одним или несколькими мониторами.
Промышленная сеть может иметь различную структуру: кольцо, шину или звезду, которая часто подразделяется на сегменты, связанные между собой маршрутизаторами. Информация передаваемая по сети — это ряд периодических или случайных во времени коротких сообщений. Они не могут быть потеряны, а для сообщения высшего приоритета (например, данных) должен быть гарантирован интервал времени их передачи.
Сетевые комплексы контроллеров имеют верхние ограничения как по сложности выполнения функций (измерения, контроля, учета, блокировки, регулирования), так и по объему ТОУ, в пределах тысяч измеряемых и контролируемых параметров на отдельный технологический агрегат.
Контроллеры предназначены для работы в составе СА различной архитектуры в качестве устройств нижнего уровня, но могут успешно использоваться в автономном режиме благодаря наличию встроенных пультов для интерфейса оператора с ТП или оборудованием. Контроллеры ориентированы на решение в приборном или календарном времени задач всережимного регулирования, программно-логического управления, регистрации и архивации событий и процессов, а также на решение всевозможных вычислительных задач.
Организация измерительного канала
Для контроллеров вводится понятие измерительного канала как совокупности аппаратуры ввода, усиления, аналого-цифрового преобразования аналогового сигнала и специальной программной подсистемы для управления аппаратурой канала, автоматической калибровки и линеаризации характеристик датчика в диапазоне значений сигнала от 0 до 100 %. Программы автокалибровки и калибровочные коэффициенты аналоговых входов и выходов интеллектуальных модулей УСО заносятся в память встроенного процессора при его настройке на этапе производства, чем обеспечивается взаимозаменяемость модулей во время их эксплуатации. Программа линеаризации характеристик датчика и соответствующие коэффициенты находятся в памяти центрального процессора контроллера. При конфигурировании канала обычно достаточно указать только тип используемого датчика, так как калибровочные коэффициенты наиболее популярных датчиков с нелинейными характеристиками (термопар, термосопротивлений) уже внесены в память измерительной системы. Конфигурирование измерительных каналов осуществляется при подготовке контроллера к работе независимо от наличия технологических программ и их содержания.
Методы обеспечения надежности
Надежность хранения программ и данных обеспечивается:
— за счет хранения всех системных и пользовательских программ, конфигурации, настроек, коэффициентов и другой постоянной и условно-постоянной информации только во флэш-ПЗУ процессора, а оперативных данных — в статистическом ОЗУ с батарейном питанием, чем обеспечивается высокая защищенность программ и данных;
использованием технологических языков высокого уровня, - обеспечивающего их высокую надежность (с точки зрения числа необнаруженных ошибок) и простоту отладки;
наличием сторожевого таймера для перезапуска процессора при его зависаниях;
непрерывным тестированием флэш-памяти (контрольного суммирования) и оперативной памяти.
Работа контроллера в жестком РВ под управлением фирменной ОС оптимизирована по составу функций для управления вычислительными процессами контроллера. Обработка запросов прерываний, т. е. каждый запрос оставляет только заявку на обработку с соответствующим приоритетом в очереди задач, на что расходуется не более 10 мкс. В течение этого времени другие запросы не принимаются, что и определяет период нечувствительности системы к запросам. Анализ заявок и их обработка в соответствии с приоритетом осуществляется в каждом цикле активности ОС, период цикла равен 1 мс. Во время обработки система открыта для любых запросов независимо от их приоритета.
Такая организация работы ОС обеспечивает следующие качества:
значительную степень защиты от потери низкоприоритетных запросов или их наложения;
гарантированные значения установленных программных циклов различного назначения (цикл работы контроллера — 10, 20, 30, 400 мс, цикл коррекции программных таймеров — 10 мс + 1 с, цикл контроллерной сети — 5 мс на один контроллер и пр.).
Эти качества повышают точность выполнения различных временных функций (интегрирования, дифференцирования, счета времени, задержки) и вносят необходимый детерминизм в планирование мультипрограммного вычислительного процесса как сложной системы, что, безусловно, повышает его надежность.
Минимизация времени рестарта (перезапуска) контроллера осуществляется при просечках питания, срабатывании сторожевого таймера в случае зависания процессора и при программном сбросе контроллера с пульта управления или сетевой командой. Во время рестарта проводится ряд операций по подготовке контроллера к пуску и технологическая программа не выполняется, т. е. объект остается без контроля. Особенно критичным является рестарт при просечках питания, так как при этом теряются выходные сигналы контроллера и на объект проходит ложная команда. Поэтому минимизация времени рестарта является важной задачей.
Безударное переключение контроллера проводится в случаях:
рестарта контроллера;
перехода с ручного режима управления (пульта контроллера или по команде сети на автоматическое (по технологической программе);
модернизации технологических Фабл-программ.
Безударное переключение с ручного режима управления на
автоматический осуществляется двумя способами:
динамической и статической балансировки входов ручного и автоматического управления алгоритмов, имеющих внутреннюю память состояний;
обратного счета и слежения, когда при ручном изменении какого-либо параметра алгоритма отслеживают свое внутреннее состояние при помощи процедуры обратного счета так, чтобы при переходе в автоматический режим система алгоритмов была сбалансирована по входам и выходам.
Безударное переключение при модернизации технологических Фабл-программ осуществляется копированием БД неизмененных алгоритмов из старой программы в новую и загрузкой их в контроллер вместе с новой программой после ее трансляции. Поэтому при включении контроллера в работу с модернизированной технологической программой фрагменты, унаследованные от старой программы, будут включены безударно.
Резервирование каналов УСО может осуществляться по следующим схемам:
межорирования входных аналоговых и дискретных каналов, размещенных на одном или разных модулях УСО;
дублирования по схеме «И» (надежность отключения), «ИЛИ» (надежность включения) дискретных выходов, размещенных на одном или разных модулях УСО;
резервирования модулей УСО и их переключения по сигналам отказа модуля (для интеллектуальных модулей). Резервирование контроллеров поддерживают программно-аппаратные средства;
система встроенной диагностики, прерывающей контроллеры в состоянии «ОТКАЗ» с прекращением выполнения технологической программы и размыканием дискретных выходов;
модули интерфейсных каналов МИК, соединенные специальным жгутом, через которые осуществляется передача сигнала отказа основного контроллера резервному и непрерывная синхронизация БД и состояний контроллера с помощью скоростного последовательного канала.
Для организации резервирования оба контроллера должны быть включены в одну и ту же сеть с одинаковыми сетевыми номерами, иметь одинаковую схему подключения входных сигналов и время цикла.
К одной сети могут подключаться как одиночные, так и резервированные контроллеры. Последние логически рассматриваются как один контроллер, электрически (нагрузка на интерфейс KS-485) — как два.
Модуль интерфейсных каналов (МИК) автономно реализует все функции физического и канального уровней сети (доступа к каналу, приема и передачи данных, идентификации адресов приемника и передатчика, формирования и анализа контрольных сумм, контроля и управления тайм-аутами и т. п.), что обеспечивает прозрачность канала для центрального процессора и резкое снижение временных и программных ресурсов на его обслуживание. Модуль МИК используется для решения следующих задач: синхронизации БД резервированных контроллеров; резервирования контроллерных сетей; организации полевых сетей для работы с приборами различных производителей.
В нормальной ситуации, когда оба контроллера исправны, основной контроллер находится в активном состоянии, а резервный — в пассивном. При отказе основного контроллера резервный переходит в активное состояние. При отказе любого контроллера он выключается из дальнейшей работы, переходя в режим программирования.
При активном режиме контроллер управляет нагрузкой, выполняя все функции в режиме автономного контроллера (обмен данными с модулями УСО, пультом, сетью, выполнение технологической программы), а также принимает по каналу МИК сообщения, запросы пассивного контроллера и формирует ответные сообщения. При появлении сигнала отказа пассивного контроллера или при отсутствии от него запросов он индицирует соответствующие ошибки.
В пассивном режиме контроллер находится в режиме синхронизации своей БД и внутреннего состояния с активным контроллером в целях безударного переключения, выполняя функции:
запроса всех входных сигналов УСО (аналоговых после калибровки) с основного контроллера и выполнения технологической программы на этих значениях с формированием выходных сигналов в своих модулях УСО (безударности переключения по входам);
периодического запроса внутренний памяти алгоритмов Фабл-программы и переменных Протекст-программы с основного контроллера и коррекции своей БД этими значениями (безударности переключения по БД);
запроса состояния клавиатуры пульта активного контроллера и выполнения всех команд (безударности переключения по пультовым режимам работы);
приема и выполнения всех команд сети при выключенном передатчике в сети (безударности переключения по дистанционному управлению).
Клавиатура пульта пассивного контроллера недоступна по управлению, все команды можно подавать только с клавиатуры основного контроллера. Органы индикации пульта пассивного контроллера отслеживают состояния соответствующих органов основного контроллера. Таким образом, оба контроллера получают на вход одни и те же сигналы, выполняют одинаковые технологические программы, формируют одинаковые выходные сигналы, принимают из сети, формируют для передачи и передают одни и те же сетевые сообщения. Отличие между ними заключается в том, что резервный контроллер физически изолирован от объекта управления по аналоговым выходам БПР-10, от сети — передатчиком сети. Отказ или отсутствие какого-либо контроллера, а также прекращение передачи им сообщений по каналу резерва сигнализируются на другом контроллере как соответствующая ошибка.
Режимы различных пусков резервированных контроллеров по сравнению с активными имеют некоторые особенности, связанные с процедурой инициализации включаемого в работу контроллера, при котором ему передаются технологические Фабл- и Про- текст-программы и БД работающего контроллера в полном объеме. Режим пуска любого контроллера при отказе или отсутствии парного контроллера осуществляется по правилам пуска автономного контроллера без выполнения процедуры инициализации. При одновременном пуске (первое включение, просечка питания) обоих контроллеров пассивный контроллер включается в работу с некоторой задержкой. Это обеспечивает включение активного контроллера по правилам автономного, без проведения инициализации, а пассивного — с предварительной инициализацией. При отказе любого контроллера он размыкает свои дискретные выходы, если имеется исправный парный контроллер, либо «замораживает» их.
Архивация данных в любом узле. В любом узле можно заказывать архивацию системных событий (переводов времени, выключения питания), изменения дискретных сигналов, интегрирование аналоговых сигналов нарастающим итогом и ускорение (от 30 с до нескольких часов), сохранение значений счетчиков на начало интервала (минута, час, день, месяц, год). Архивный сервис на PC-узле в сети обеспечит вычитывание данных из всех узлов сети, их просмотр, анализ и печать. Через открытый интерфейс архивные данные могут быть получены различными пользовательскими приложениями. Таким образом, рассматриваемые сетевые программные средства, дополняемые широким спектром модулей каналообразующего оборудования, позволяют организовать практически любые комбинации обработки информационных потоков для территориально распределенных объектов.
Сменные интерфейсные платы (или просто интерфейсы) предназначены для расширения или изменения коммуникационных возможностей контроллера. Интерфейсы — это небольшие по размеру платы 50x85 мм, имеют унифицированный конструктив для установки в специальный разъем печатной платы интерфейсов С и D контроллера.
Электрическое подключение интерфейсной платы к контроллеру осуществляется благодаря разъемному соединению. В разъем включают цепи питания, управления, шины 12С и сигналы ESCC. Каждый сменный интерфейс имеет свой собственный EEPROM, который содержит информацию о типе интерфейса, настроечные параметры и т. п. Применяемая мезонинная технология предоставляет пользователю широкие возможности по реализации как стандартных, так и уникальных интерфейсов и протоколов, обеспечивая таким образом простой и эффективный способ адаптации к требованиям конкретного проекта, а также дает возможность реконфигурации уже созданной системы силами самого пользователя.
Пульт и минипульт. Системы, создаваемые на базе комплекса, например ПТК «Decont», комплектуются малогабаритными пультами (мини-пультами) оператора с 2х20"-символьным жидкокристаллическим дисплеем и шестью кнопками. Размеры устройства позволяют носить его в кармане. Он может подключаться к любому модулю. Встроенный в минипулът микропроцессор обеспечивает доступ ко всем сигналам, измеряемым модулям ввода/вывода, а также к большинству программируемых параметров в контроллерах, например Decont-182. Фирма DEn выпускает стационарный пульт оператора, предназначенный для установки на передней поверхности защитных шкафов. Он используется для создания разнообразных систем локальной автоматики.
Построение систем автоматизации происходит следующим образом: ряд модулей ввода/вывода подключается к интерфейсу RS-485, далее посредством преобразователя RS-485/232 подключается к ПЭВМ (см. рис 8.1). Взаимодействие ПЭВМ с модулями ввода/вывода построено по принципу «Мастер — слейв» (рис. 8.2). Модули в сети являются слейвами, они пассивны — весь обмен2 32
Преобразователь,
RS-485/232
\
Модуль ввода/вывода
Рис. 8.2. Структура подключения модулей ввода-вывода
данными инициируется по запросу мастера, которым в рассматриваемом примере является ПЭВМ. Обработка сигналов модулями производится циклически по встроенным алгоритмам.
После каждого цикла измерений новое измеренное и обработанное значение аналогового или дискретного сигнала заменяет в памяти модуля предыдущее. По запросу мастера по сети передается всегда последнее обработанное значение. От мастера к модулям ввода/вывода поступают настроечные параметры и команды на выдачу управляющих воздействий.
Практический интерес с позиций создания различных СА представляет использование в качестве мастера управляющего контроллера Decont-182, обычно дополняемого различными интерфейсными платами. ■
Подключение стационарного пульта оператора. Устройство комплекса — пульт является стационарным модулем ввода/вывода со встроенным интерфейсом RS-485. Пульт подключается в ЛВС аналогично другим модулям ввода/вывода, благодаря чему можно достаточно просто создать систему локальной автоматики из модулей ввода/вывода, контроллера и пульта (рис. 8.3).
Быстродействие. С точностью, достаточной для инженерных расчетов, можно считать, что быстродействие большинства СА, создаваемых на базе, например, комплекса Decont, зависит прежде всего от времени передачи данных из модулей ввода/вывода в управляющий контроллер Decont-182.
305
RS-485
Сегмент
1
Рис.
8.3. Блок-схема системы локальной
автоматики
20 - 486
9
запаздывание), обработки данных контроллером (заполнение данными из принятого буфера ведущих баз и архивов).
В локальной технологической сети от скорости передачи зависит только вторая составляющая — транспортное запаздывание. Все модули ввода/вывода передают в сеть примерно одинаковый, по размеру буфер технологических данных — около 20 байт. С учетом накладных расходов на формирование пакета общий объем информации, транслируемой одним слейвом, не превышает 30 байт. При максимально возможной скорости 153,6 Кбод транспортное запаздывание составит 2 мс.
Другие составляющие времени передачи данных менее детерминированы и, как правило, вносят наиболее весомую лепту в общее время реакции. Например, время реакции модуля на запрос может составлять 2+15 мс в зависимости от внутреннего состояния модуля и его типа. В любом случае, даже если попытаться обратиться к несуществующему слейву (выключенному или работающему на другой скорости, или имеющему другой адрес), мастер займет магистраль не более чем на 20 мс — именно это значение составляет тайм-аут ответа сети.
Как правило, один управляющий контроллер с соответствующим набором модулей ввода/вывода успешно справляется с задачами контроля и управления на объектах со следующим (достаточно условным) обобщенным набором сигналов, включающим:
входные аналоговые сигналы (ТИТ) — 24;
входные дискретные сигналы (ТС) — 64;
выходные дискретные (ТУ) — 24.
Естественно, в зависимости от конкретного объекта число и номенклатура сигналов могут меняться, но, как правило, относительно неизменными остаются два факта:
среднее число модулей ввода/вывода, задействованных на одном объекте, не превышает 20;
на одном объекте существует несколько (1 + 3) территориально разобщенных (в пределах объекта) локальных мест, куда обычно собираются сигналы с датчиков.
Управляющий контроллер обычно располагается в непосредственной близости от наиболее крупной группы модулей ввода/вывода. Связь с этой группой модулей осуществляется, например, через встроенный интерфейс RS-485 контроллера Decont-182. На этом же сегменте ЛВС подключается и пульт управления.
Для организации двух других гальванически изолированных сегментов ЛВС, необходимых для связи с двумя удалёнными группами модулей, используется интерфейсная плата типа Z2xRS-485. Она устанавливается в контроллере на любое из двух зоб
свободных универсальных гнезд: С и D. На оставшееся свободное универсальное гнездо устанавливается интерфейсная плата для организации канала связи с удаленной консолью. В данном примере это плата радиомодема для управления радиостанцией.
ф
