Учебно-методическое пособие по дисциплине Архитектура вычислительных систем

План УМД на 2016/17 уч.г.

Учебно-методическое пособие по дисциплине

АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Для направления подготовки 09.03.01

Составитель М.Г.Городничев

Издание утверждено советом факультета ИТ. Протокол № 6 от 17.03.2016

2

Введение

История становления программируемых логических контроллеров начинается с 1969 года. Именно в этом году группа инженеров подразделения GM Hydramatic (отвечающее за выпуск автоматических коробок передач) автомобилестроительной компании General Motors подготовило запрос на разработку микропроцессорного устройства, которое по их замыслам должно было заменить на производстве сложные релейные схемы. Необходимость замены электромеханических реле было связано отчасти и с тем, что реализованные с их помощью системы управления занимали много места и для обслуживания даже одного технологического агрегата требовалась чуть ли не отдельная комната.

Тендер выиграла компания Bedford Associates из штата Массачусетс, которую возглавлял Ричард Морли. Они разработали микропроцессорное устройство, которое позволяло коммутировать подключенные к нему сигнальные провода в различных комбинациях. Эти комбинации задавались посредством программы управления, которая составлялась на экране компьютера и потом загружалась в память контроллера. Таким образом, с помощью одного микропроцессорного устройства с загруженной в него программой стало возможным реализовать систему управления, для разработки которой ранее приходилось коммутировать сотни различных электромеханических устройств, таких как реле, таймеры, счетчики, регуляторы и другие. Так в мире появился первый программируемый логический контроллер, который компания Bedford Associates окрестила проектом 084.

Компания стала развивать производство контроллеров и позже была переименована в Modicon. Название Modicon является акронимом от слов Modular Digital Controller, что переводится на русский язык как модульный цифровой контроллер. В 1977 году Modicon был продан компании Gould Electronics, позже его выкупила немецкая компания AEG. В конце концов Modicon перешел во владение всем известной французской компании Schneider Electric, чьим он и является по сей день.

В тендере по заявке от General Motors также участвовала еще одна фирма, которая вплоть до сегодняшнего дня занимает ведущие мировые позиции среди производителей компонентов автоматизации. Речь идет о компании Allen Bradley. Участие в тендере для них оказалось не столь

3

успешным, как для Bedford Associates, и вместо дальнейшей работы над проектом от General Motors они решили изменить свою стратегию развития в этом направлении. Руководство Allen Bradley приобрело контрольные пакеты акций и стало владельцем компании Information Instruments в корпорации Bunker-Ramo, в которой к тому времени уже был разработан контроллер Program Data Quantizer (программный модулятор данных) или PDQ-II. Эта модель контроллера оказалась слишком большой, а также слишком сложной в программировании. Но компания Allen Bradley проявила упорство, и в 1970 на базе PDQ-II был разработан первый функционирующий контроллер programmable matrix controller (программируемый матричный контроллер) PMC, однако и эта модель не полностью отвечала требованиям заказчиков для управления технологическими агрегатами. Требования были учтены, и после доработки на свет появилась модель, названная PLC-1, programmable logic controller (программируемый логический контроллер). Именно тогда в отрасли автоматизации закрепилась аббревиатура PLC (PLC), которая широко используется специалистами и по сей день.

В середине 70-х рынок производителей PLC начал стремительно расти, и у Modicon и Allen Bradley появился ряд конкурентов, основными из которых были компании: General Electric, Square D и Industrial Solid State

Controls.

Несомненно, появление первых PLC сделало прорыв в сфере автоматизации и послужило революционным скачком по степени внедрения информационных технологий на уровень автоматизации технологических процессов. Но по своим возможностям первые PLC были сравнительно примитивны, в то время их использование было возможно для узких конкретных приложений и в основном для автомобильной промышленности.

ВИДЫ PLC

Основные PLC

Siemens — SIMATIC S5 и S7;

Schneider Electric — серия Modicon;

Beckhoff;

Segnetics - Pixel2511, smh2gi, trim5;

Omron CJ1, CJ2, CS1, CP1;

Mitsubishi — серия Melsec (FX, L, Q);

4

Rockwell Automation (Allen Bradley) - серии ControlLogix, CompactLogix, Micro800

YOKOGAWA - серии STARDOM и FA-M3

МЗТА — MC5, MC6, MC8, MC12 (Программно-технический

комплекс КОНТАР); Программируемое (интеллектуальное) реле

Siemens LOGO!,

LG-GLOFA GM7U

Rockwell Automation - PICO, Micro810

Mitsubishi — серия Alpha XL,

Schneider Electric — Zelio Logic,

Omron — ZEN,

Moeller — EASY, MFD-Titan,

Comat BoxX.

ОВЕН ПР110, ПР114 и ПР200,

Delta Electronics DVP-SS2, DVP-SE, DVP-SA2, DVP-SV и DVP-PM

Программные PLC на базе IBM PC-совместимых компьютеров

MicroPC,

WinCon,

WinAC,

CoDeSys SP/SP RTE,

S2 Netbox,

ICP DAS.

PLC на базе простейших микропроцессоров (i8088/8086/8051 и т.п.)

ICP DAS,

Advantech

Vishay PLC — одноплатный контроллер производства Vishay Israel

Co.;

Контроллер ЭСУД

Электронный блок управления — контроллер ЭСУД (электронная система управления двигателем).

ECM (Engine Control Module) — модуль управления двигателем.

ECU (Electronic Control Unit) — электронный блок управления,

является общим термином для любого электронного блока управления.

5

Структуры систем управления

Централизованная: в корзину PLC устанавливаются модули вводавывода. Датчики и исполнительные устройства подключаются отдельными проводами непосредственно, либо при помощи модулей согласования к входам/выходам сигнальных модулей;

Распределенная: удалённые от PLC датчики и исполнительные устройства связаны с PLC посредством каналов связи и, возможно, корзин-расширителей с использованием связей типа «ведущийведомый» (англ. Master-Slave).

используется для подключения всевозможного специального или устаревшего оборудования к компьютерам, однако, в основном уже вытеснен интерфейсом USB.

RS-232 обеспечивает передачу данных и некоторых специальных сигналов между терминалом (англ. Data Terminal Equipment, DTE) и коммуникационным устройством (англ. Data Communications Equipment, DCE) на расстояние до 15 метров.

RS-485 - стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса. Регламентирует электрические параметры полудуплексной многоточечной дифференциальной линии связи типа «общая шина».

Стандарт приобрел большую популярность и стал основой для создания целого семейства промышленных сетей, широко используемых в промышленной автоматизации.

Стандарт RS-485 совместно разработан двумя ассоциациями: Ассоциацией электронной промышленности (EIA — Electronics Industries Association) и Ассоциацией промышленности средств связи (TIA —

Telecommunications Industry Association). Ранее EIA маркировала все свои стандарты префиксом «RS» (англ. Recommended Standard — рекомендованный стандарт). Многие инженеры продолжают использовать это обозначение, однако EIA/TIA официально заменил «RS» на «EIA/TIA» с целью облегчить идентификацию происхождения своих стандартов.

ModBus - открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре ведущий-ведомый (master-slave). Широко применяется в

6

промышленности для организации связи между электронными устройствами. Может использоваться для передачи данных через

Физический уровень уникальный, похож на Ethernet 10BASE-T, полудуплекс по одной витой паре, скорость 1 Мбит/с. Транспортный протокол — HDLC, поверх которого специфицировано расширение для передачи MODBUS PDU.

JBUS — подмножество протокола Modbus RTU с небольшими

Физический уровень основан на RS-485 (Используются три провода: два синфазных - DA, DB и земля - DG). Протокол закрытый. Управлять приводом можно с любого контроллера Mitsubishi с ведущим модулем

CC-Link.

Для управления от компьютера можно использовать MX-Components. Profibus (Process Field Bus) — открытая промышленная сеть, прототип которой был разработан компанией Siemens AG для своих промышленных контроллеров Simatic. На основе этого прототипа Организация пользователей Profibus разработала международные стандарты, принятые затем некоторыми национальными комитетами по стандартизации. Очень широко распространена в Европе, особенно в машиностроении и управлении промышленным оборудованием. Сеть Profibus — это комплексное понятие, она основывается на нескольких стандартах и протоколах. Сеть отвечает требованиям международных стандартов IEC 61158 и EN 50170. Поддержкой, стандартизацией и развитием сетей стандарта Profibus занимается Profibus Network

Organization (PNO).

Сеть Profibus построена в соответствии с многоуровневой сетевой моделью ISO 7498. Profibus определяет следующие уровни:

1 — физический уровень — отвечает за характеристики физической передачи;

2 — канальный уровень — определяет протокол доступа к шине;

3 — уровень приложений — отвечает за прикладные функции. DeviceNet - протокол для промышленной сети CAN. Используется для связи датчиков, исполнительных механизмов и программируемых логических контроллеров между собой. Открытый стандарт. Широко

7

применяется на транспорте, в машиностроении и промышленности. Достаточно широко распространена в России.

DeviceNet - протокол верхнего уровня, разработанный в 1994 году компанией Rockwell Automation. Служит для объединения в единую систему устройств промышленной автоматики, таких как фотодатчики, термодатчики, считыватели штрихкодов, элементы ЧМИ (человекомашинного интерфейса), с управляющими устройствами (компьютерами, PLC). Сеть имеет шинную топологию. Допускает «горячее» подключение и отключение модулей.

ControlNet - сеть Allen-Bradley ControlNet является современной управляющей сетью, которая удовлетворяет требованиям приложений реального времени с высокой пропускной способностью. Сеть ControlNet объединяет функциональность сети ввода/вывода и сети обмена «точкаточка», обеспечивая высокую производительность для обеих функций.

Сеть ControlNet обеспечивает детерминированные, периодические пересылки всех критических управляющих данных, в дополнение к поддержке пересылки некритичных ко времени данных. Фирменный метод доступа к носителю, используемый в сети ControlNet, приводит к детерминированной доставке критичных ко времени данных (запланированных), назначая им более высокий приоритет, чем для некритичных ко времени данных (незапланированных). В результате обновление входов/выходов и взаимные блокировки контроллеров всегда берут приоритет над загрузкой/сохранением программ и обменом сообщениями.

CAN (англ. Controller Area Network — сеть контроллеров) — стандарт промышленной сети, ориентированный прежде всего на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Режим передачи — последовательный, широковещательный, пакетный.

CAN разработан компанией Robert Bosch GmbH в середине 1980-х и в настоящее время широко распространён в промышленной автоматизации, технологиях «умного дома», автомобильной промышленности и многих других областях. Стандарт для автомобильной автоматики.

AS-Interface (англ. Actuator Sensor Interface) — интерфейс датчиков и исполнительных устройств.

Промышленная сеть, предназначенная для передачи преимущественно дискретных сигналов, используется обычно в машиностроении. Является «открытой» технологией. Спецификация разработана и поддерживается ведущими производителями систем автоматизации (в настоящий момент

8

свыше 100 фирм-участниц). Топология сети — любая. Для подключения датчиков разработан специальный плоский кабель с подключением под прокол изоляции (ножевые клеммы предусмотрены в конструкции модулей ввода-вывода). Версия AS-i 2.11 позволяет передавать аналоговые сигналы. Новейшей версией спецификации является AS-i 3.0. Существует профиль протокола для систем повышенной безопасности ASi-Safe. Устройства повышенной безопасности подключаются по тому же кабелю и поддерживают уровень безопасности вплоть до SIL (Safety Integrity Level) 3 согласно IEC 61508 и вплоть до Safety Category 4

согласно EN 954-1.

машинного интерфейса, реже для обмена данными между контроллерами и (незначительно) для подключения к контроллерам удаленного оборудования (датчиков и исполнительных устройств). Широкому применению Ethernet в последних задачах препятствует суть метода CSMA/CD, делающая невозможной гарантию обмена небольшим

автоматизации зданий и в областях, не требующих высокой надёжности.

Удаленное управление и мониторинг

SCADA (аббр. от англ. Supervisory Control And Data Acquisition —

диспетчерское управление и сбор данных) — программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления. SCADA может являться частью АСУ ТП, АСКУЭ, системы экологического мониторинга, научного эксперимента, автоматизации здания и т.д. SCADA-системы используются во всех отраслях хозяйства, где требуется обеспечивать операторский контроль за технологическими процессами в реальном времени. Данное программное обеспечение устанавливается на компьютеры и для связи с объектом использует драйверы ввода-вывода или OPC/DDE серверы. Программный код может быть как написан на языке программирования (например на C++), так и сгенерирован в среде проектирования.

9

Значение термина SCADA претерпело изменения вместе с развитием технологий автоматизации и управления технологическими процессами. В 80-е годы под SCADA-системами чаще понимали программноаппаратные комплексы сбора данных реального времени. С 90-х годов термин SCADA больше используется для обозначения только программной части человеко-машинного интерфейса АСУ ТП.

Операторская панель — специализированное вычислительное устройство массового (либо крупносерийного) производства, реализованное в виде промышленного контроллера, широко использующее человеко-машинный интерфейс для управления операторами отдельными автоматизированными устройствами или целыми технологическими процессами в составе АСУ ТП в рамках промышленной автоматизации.

Веб-интерфейс — это совокупность средств, при помощи которых пользователь взаимодействует с веб-сайтом или любым другим приложением через браузер. Веб-интерфейсы получили широкое распространение в связи с ростом популярности всемирной паутины и соответственно — повсеместного распространения веб-браузеров.

Одним из основных требований к веб-интерфейсам является их одинаковый внешний вид и одинаковая функциональность при работе в различных браузерах.

Языки программирования PLC

LD (Ladder Diagram) — язык релейных схем — самый распространённый язык для PLC.

Применяются также названия:

язык релейно-контактной логики,

релейные диаграммы,

релейно-контактные схемы (РКС),

язык программирования релейно-лестничной логики стандарта IEC 61131-3.

Предназначен для программирования промышленных контроллеров (PLC). Синтаксис языка удобен для замены логических схем, выполненных на релейной технике. Ориентирован на инженеров по автоматизации, работающих на промышленных предприятиях. Обеспечивает наглядный интерфейс логики работы контроллера, облегчающий не только задачи собственно программирования и ввода в

эксплуатацию, но и быстрый поиск неполадок в подключаемом к контроллеру оборудовании.

10