3.2. Распределенные системы автоматизации

С ростом количества датчиков, увеличением площади территории, на ко¬торой расположена автоматизированная система управления и усложнением алгоритмов управления становится более эффективным применение распределенных систем.

Распределенную систему управления можно определить как систему, состоящую из множества устройств, разнесенных в пространстве, каждое из которых не зависит от остальных, но взаимодействует с ними для выполнения общей задачи.

В качестве «множества устройств» могут выступать любые микропроцессорные устрой¬ства, например, ПЛК или разнесенные в пространстве модули ввода-вывода одного контроллера. Однако в последнем случае только сбор данных можно рассматривать как распределенный, в то время как функция управления является сосредоточенной в одном контроллере.

Максимальные преимущества распределенной системы достигаются, когда контроллеры работают автономно, а обмен информацией между ними сведен до минимума.

Распределенная система имеет следующие характеристики, отличающие ее от сосредоточенной:

• большее быстродействие благодаря распределению задач между параллельно работающими процессорами;

• повышенную надежность (отказ одного из контролеров не влияет на работоспособность других);

• большую устойчивость к сбоям;

• более простое наращивание или реконфигурирование системы;

• упрощенную процедуру модернизации;

• большую простоту проектирования, настройки, диагностики и обслуживания благодаря соответствию архитектуры системы архитектуре объекта управления, а также относительной простоте каждого из модулей системы;

• улучшенную помехоустойчивость и точность благодаря уменьшению длины линий передачи аналоговых сигналов от датчиков к устройствам ввода;

• меньший объем кабельной продукции, пониженные требования к кабелю и более низкая его стоимость;

• меньшие расходы на монтаж и обслуживание кабельного хозяйства.

3.3. Обмен данными в распределенных системах по протоколу modbus

Протокол MODBUS и сеть MODBUS являются самыми распростра-ненными в мире. Несмотря на свой возраст (стандартом де-факто MODBUS стал еще в 1979 г.), MODBUS не только не устарел, но, наоборот, существенно возросло количество новых разработок и объем организационной поддержки этого протокола. Преимуществами MODBUS являются отсутствие необходимости в специаль¬ных интерфейсных контроллерах, простота программной реализаций и принципов функционирования. Высокая степень открытости протокола обеспечивается также полностью бесплатными текстами стандартов. В настоящее время развитием MODBUS занимается некоммерческая организация MODBUS-IDA.

MODBUS позво¬ляет унифицировать команды обмена благодаря стандартизации номеров (ад¬ресов) регистров и функций их чтения-записи. Основным недостатком MODBUS является сетевой обмен по типу «ведущий/ведомый», что не позволяет ведомым устройствам передавать данные по мере их появления и поэтому требует интенсивного опроса ведомых устройств ведущим.

Физический уровень. В новых разработках на основе MODBUS стандарт рекомендует использовать интерфейс RS-485 с двухпроводной линией передачи, но допускается примене¬ние четырехпроводной линии и интерфейса RS-232. MODBUS–шина должна состоять из одного магистрального кабеля, от кото¬рого могут быть сделаны отводы. Устройства могут подключаться к кабелю тремя способами:

o непосредственно к магистральному кабелю;

o через пассивный разветвитель (тройник);

o через активный разветвитель (содержащий развязывающий повторитель интерфейса).

MODBUS-устройство обязательно должно поддерживать скорости обмена 9600 и 19200 бит/с, из них 19200 бит/с устанавливается «по умолчанию». Допускаются также скорости 1200, 2400, 4800,..., 38400 бит/с, 65 кбит/с, 115 кбит/с.

Сегмент сети, не содержащий повторителей интерфейса, допускает подключение до 32 устройств. Максимальная длина магистрального кабеля при скорости передачи 9600 бит/с составляет 1 км.

Категории кодов функций. В действующей в настоящее время спецификации протокола определяются три категории кодов функций:

• Стандартные команды. Их описание должно быть опубликовано и утверждено MODBUS-IDA. Эта категория включает в себя как уже определенные, так и неиспользуемые в настоящее время коды.

• Пользовательские команды. Два диапазона кодов (от 65 до 72 и от 100 до 110), для которых пользователь может назначить произвольную функцию. При этом не гарантируется, что какое-то другое устройство не будет использовать тот же самый код для выполнения другой функции.

• Зарезервированные. В эту категорию входят коды функций, не являющиеся стандартными, но уже используемые в устройствах, производимых различными компаниями. Это коды 9, 10, 13, 14, 41, 42, 90, 91, 125, 126 и 127.

MODBUS специфицирует 4 типа данных:

• Discrete Inputs — однобитовый тип, доступен только на чтение.

• Coils — однобитовый тип, доступен на чтение и на запись.

• Input Registers — 16-битовый знаковый или беззнаковый тип, доступен только на чтение.

• Holding Registers — 16-битовый знаковый или беззнаковый тип, доступен на чтение и на запись.

Модель данных. Одно из типичных применений протокола — чтение и запись данных в регистры контроллеров. Спецификация протокола определяет четыре таблицы данных (табл. 6.1).

Табл. 6.1. Таблицы данных

Таблица Тип элемента Тип доступа

Дискретные входы (Discrete Inputs) один бит только чтение

Регистры флагов (Coils) один бит чтение и запись

Регистры ввода (Input Registers) 16-битное слово только чтение

Регистры хранения (Holding Registers) 16-битное слово чтение и запись

Часто используются следующие стандартные функции протокола MODBUS.

Цель работы

Изучить принципы построения распределенных систем управления на базе программируемого логического контроллера (ПЛК) FATEK FBs-20MC и SCADA-системы TRACE MODE 6.

Ход работы

Загрузили файл Lab6_Rele2pos_SR.pdw.

Проверили работу программы на ПЛК. Выходное реле Y2 периодически включается и выключается.

Загрузили файл Trace_Mode_Rel2Pos.

Сняли переходную характеристику объекта управления при изменении уставки от значения 0 (при установившемся состоянии объекта) до значения 8191.

\

Время регулирования – 12 с.

Максимальный выходной код объекта Kmax – 5236

Коэффициент передачи объекта по соотношению выходного и входного кодов – Kmax/5000 = 1,0472

Входное напряжение входа (канал CH1 модуля FBs-2DA) – 9,96 В.

Выходное напряжение (канал CH1 модуля FBs-6AD) – [2,75 – 3,16] В.

Коэффициент передачи объекта по соотношению выходного и входного напряжений – Ср.Вых./Вх. = 0,2967

Снял переходную характеристику замкнутой системы управления, когда значение уставки обеспечивает выполнение условий SP – H > 0 и SP + H < Kmax (условия отсутствия ограничений).

SP = (8+30)*100 = 3800

H = (9+2)*50 = 550

Амплитуда - 587 Период колебаний – 9 сек

Гистерезис	Амплитуда, код	Период
55	107	4
220	295	6
385	443	7
550	587	9

Амплитуда

Период

Вывод

В ходе данной лабораторной работы были изучены принципы построения распределенных систем управления на базе программируемого логического контроллера (ПЛК) FATEK FBs-20MC и SCADA-системы TRACE MODE 6.

Ответы на вопросы

9. Какие сети передачи данных относятся к промышленным, какие интерфейсы используются в промышленных сетях?

Промышленной сетью называют комплекс оборудования и программного обеспечения, которые обеспечивают обмен информацией (коммуникацию) между несколькими устройствами. Промышленная сеть является основой для построения распределенных систем сбора данных и управления.

Наиболее распространены в промышленной автоматизации последовательные интерфейсы RS-485, RS-232, RS-422, Ethernet, CAN, HART и др.

5. Что понимается под распределенной системой автоматизации?

Распределенные системы состоят из множества территориально разнесенных контроллеров и модулей ввода-вывода.

При таком подходе структура распределенной системы и структура алгоритмов ее работы становятся подобны структуре самого объекта автоматизации, а функции сбора, обработки данных, управления и вычисления оказываются распределенными среди множества контроллеров. Каждый контроллер работает со своей группой устройств ввода-вывода и обслуживает определенную часть объекта управления. В частности, технологическое оборудование, как правило, выпускается с уже встроенными ПЛК. Тенденция децентрализации управления и приближения контроллеров к объектам управления является общей для всех систем автоматизации. Распределенную систему управления можно определить как систему, состоящую из множества устройств, разнесенных в пространстве, каждое из которых не зависит от остальных, но взаимодействует с ними для выполнения общей задачи.

В качестве «множества устройств» могут выступать любые микропроцессорные устрой­ства, например, ПЛК или разнесенные в пространстве модули ввода-вывода одного контроллера. Однако в последнем случае только сбор данных можно рассматривать как распределенный, в то время как функция управления является сосредоточенной в одном контроллере.

Архитектура двухуровневой распределенной автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) с общей шиной представлена на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Пример архитектуры двухуровневой распределенной АСУ ТП с общей шиной