Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Программируемые логические контроллеры. Учебное пособие
.pdf
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Казанский государственный технологический университет»
А.В. Герасимов, И.Н. Терюшов, А.С. Титовцев
ПРОГРАММИРУЕМЫЕ
ЛОГИЧЕСКИЕ
КОНТРОЛЛЕРЫ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Казань
КГТУ
2008
УДК 681.3:681.5
Герасимов А.В., Терюшов И.Н., Титовцев А.С.
Программируемые логические контроллеры: учебное пособие –
Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2008. – 169 с.
ISBN
Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям
220301.65 «Автоматизация технологических процессов и
производств» и 230102.65 «Автоматизированные системы обработки
информации и управления».
Приводится обзор программно-технических комплексов и
отдельных контроллеров отечественных производителей для
построения АСУТП.
Подготовлено на кафедрах интеллектуальных систем и
управления информационными ресурсами, систем автоматизации и
управления технологическими процессами КГТУ.
Печатается по решению методической комиссии института
управления, автоматизации и информационных технологий КГТУ.
978-5-7882-0569-4
Рецензенты:
ISBN
978-5-7882-0569-4
проф. К.Х. Гильфанов
проф. С.В. Юшко
Герасимов А.В., Терюшов И.Н.,
Титовцев А.С., 2008
Казанский государственный
технологический университет,
2008
1. ОСОБЕННОСТИ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ
ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ РАЗНЫХ
ФИРМ И ИХ ВЫБОР ДЛЯ КОНКРЕТНЫХ ОБЪЕКТОВ
Вначале кратко определим обобщенный состав современных
средств автоматизации, получивших название программнотехнических комплексов (ПТК). Компонентами любого ПТК
являются микропроцессорные контроллеры (с входящими в их
состав блоками ввода-вывода), дисплейные пульты оператора
(большей частью базирующиеся на персональных ЭВМ), сети,
соединяющие перечисленные компоненты. Основной сетевой
уровень любого ПТК - управляющая (часто также именуемая
системной или промышленной) сеть, связывающая друг с другом
контроллеры и пульты оператора. Кроме того, ПТК может иметь
информационную (нередко называемую коммуникационной) сеть,
соединяющую пульты оператора между собой и (в случае
надобности) с сервером сети, а также выходящую на общезаводскую
информационную сеть. Полевая сеть ПТК связывает контроллеры с
блоками ввода-вывода, выделенными в отдельные конструктивы и
вынесенными к местам расположения датчиков и исполнительных
механизмов. В последние годы рынок всех средств автоматизации
изменился коренным образом: потребителям стала доступна
практически вся гамма продукции данного сектора рынка,
выпускаемая как отечественными, так и зарубежными
производителями; произошло также существенное сужение спроса
на эту продукцию из-за недостатка средств у предприятий, что
привело, с одной стороны, к достаточно жесткой конкуренции
производителей комплексов, а с другой, - к заметной растерянности
потенциальных заказчиков ПТК, оказавшихся перед огромным
числом различных предложений.
Определение наилучшего ПТК из всей их совокупности,
имеющейся на рынке СНГ, - далеко не однозначная и не простая
задача, поскольку при этом надо учитывать все свойства автоматизируемого объекта, удовлетворять поставленным требованиям к
системе контроля и управления, находить некий рациональный
компромисс между различными противоречивыми критериями
(мощностью, надежностью, открытостью, стоимостью и т.д.). Ввиду
-3-
этого важно рассмотреть те свойства ПТК, которые отличают их при
использовании, позволяют потенциальным пользователям лучше
понять разницу между отдельными комплексами, связать
определенные свойства объекта и требования к системе его
автоматизации с характеристиками и параметрами конкретных ПТК.
1.1. Структура ПТК
Она определяется средствами и характеристиками взаимосвязи
отдельных компонентов комплекса (контроллеров, пультов
оператора, удаленных блоков ввода-вывода), т.е. сетевыми
возможностями. Гибкость и разнообразие структур ПТК зависят от
числа имеющихся сетевых уровней, возможных типов связи на
каждом уровне сети (шина, звезда, кольцо), параметров сети каждого
уровня: типов кабеля; допустимых расстояний; максимального числа
узлов (компонентов комплекса), подключаемых к каждой сети;
скорости передачи информации при разных типах кабеля, методе
доступа компонентов к сети (случайный по времени доставки
сообщений или гарантирующий время их доставки).
Указанные свойства ПТК характеризуют возможность
распределения аппаратуры в производственных цехах; объем
производства, который может быть охвачен системой
автоматизации, реализованной на данном ПТК; предельные значения
динамических параметров при передаче оперативной информации
через любую из имеющихся сетей; возможность переноса блоков
ввода-вывода непосредственно к датчикам и исполнительным
механизмам, что позволяет существенно экономить затраты на
кабель и уменьшать помехи из-за передачи низковольтных
аналоговых сигналов на большие расстояния.
Для компенсации аварийных ситуаций, требующих
согласованной во времени работы ряда контроллеров, важно
обеспечение требуемого времени передачи приоритетных сигналов
по сети. Наличие информационной сети для передачи больших
массивов информации между пультами операторов и между ними и
сервером корпоративной сети предприятия, а также характеристики
этой сети (включая ее протоколы) позволяют судить о возможностях
связей рассматриваемой системы автоматизации с другими, более
высокими уровнями управления производства.
-4-
1.2. Стандартизация, типизация и открытость ПТК
Современными тенденциями развития микропроцессорных
комплексов контроля и управления являются стандартизация и
типизация их отдельных блоков и компонентов и частично, как
следствие этого, все более расширяющаяся открытость систем, т.е.
возможность их прямой работы с аппаратурой и программами
многих других фирм. Если понимать под типизацией имеющиеся
мировые, европейские, американские стандарты «де-юре» и
принятые среди ведущих производителей ПТК установившиеся
стандарты «де-факто», то следует отметить распространение среди
многих фирм следующих достаточно общих типовых решений:
- магистрально-модульной архитектуры плат контроллеров по
стандартам VME-bus, STD-bus и др., которая позволяет использовать
в одном приборе платы разных фирм, собранные по одному
стандарту;
- конструктивного размера плат по стандарту евромеханики
одинарной и двойной высоты, позволяющего использовать для
конструктивного оформления контроллеров и выносных блоков
ввода- вывода корпуса, стойки и шкафы разных фирм,
специализирующихся на этом виде продукции;
- операционных систем (ОС) реального времени для
контроллеров типов OS-9/OS-9000, VxWorks и др., имеющих малое
время реакции на внешние сигналы, создающих открытую среду для
разработчиков прикладных программ и облегчающих типизацию и
перенос последних на контроллеры разных фирм;
- промышленных систем РгоfiBus, Bitbus и др.. имеющих
гарантированное время передачи сигналов по сети, используемых в
качестве полевых и управляющих сетей и позволяющих связывать
контроллеры и приборы разных фирм если у них есть интерфейс к
этим сетям;
- ОС для пультов оператора типа Windows (3.1, 3.11, NT 3.51,
NT 4.0, 95), дающих возможность использовать обширное поле
прикладных программ, работающих под управлением данных ОС;
- информационной сети Ethernet, наиболее распространенной в
корпоративных сетях предприятий и позволяющей непосредственно
-5-
обмениваться данными с производственными отделами
предприятия;
- открытых SCADA-программ (InTouch, Trace Mode и др.),
визуализирующих технологическую информацию на дисплейных
пультах операторов и имеющих драйверы к контроллерам разных
производителей.
Открытость ПТК в целом определяется наличием в его составе
ряда драйверов к контроллерам других наиболее широко известных
фирм, ряда сетевых протоколов для связи с распространенными на
предприятиях сетями, интерфейсами к широко используемым системам управления базами данных (СУБД) и к электронным таблицам.
При создании систем автоматизации достаточно замкнутых,
почти не взаимодействующих с внешним миром объектов вопросы
типизации и открытости закупаемых ПТК малозначимы; но при
автоматизации участков производства, имеющих взаимосвязи с
другими участками и цехами, с другими сетями на разных уровнях
управления, при учете будущих модернизаций и расширений
системы автоматизации, необходимости ввода нового ПТК в уже
существующую систему автоматизации типизация и открытость во
всех или в отдельных перечисленных аспектах могут играть
существенную роль и даже быть одним из важнейших критериев при
выборе наилучшего варианта ПТК.
1.3. Характеристики контроллеров
Свойства и параметры основного компонента ПТК контроллера - существенно различаются у разных производителей.
Если выделить важнейшие для пользователей показатели, то это
будут тип основной вычислительной платы, разрядность, рабочая
частота, наличие и объем различных видов памяти: ОЗУ,
энергонезависимой, ПЗУ (небезынтересно знать, каков объем
памяти, предназначенный для программ пользователя), ОС
контроллера, максимальное число входов-выходов (аналоговых,
дискретных, импульсных), которые можно подключить к
контроллеру. Важным является наличие в конкретном ПТК ряда
модификации контроллеров, отличающихся друг от друга мощностью, памятью, условиями работы, резервируемостью и другими
параметрами; при этом, естественно, каждая из модификации может
-6-
использоваться в единой сетевой структуре.
Знание указанных характеристик позволяет наилучшим
образом согласовать требования к системе автоматизации с
возможностями контроллеров; не допустить, применения как
излишне мощной аппаратуры (а следовательно, и более дорогой), так
и контроллеров которые по ряду параметров не будут полностью
удовлетворять заданным условиям работы. Естественно, что наличие
ряда модификаций позволит более гибко и экономно подойти к
выбору контроллеров для разных участков автоматизируемого
объекта.
1.4. Характеристики блоков ввода-вывода данных
Эти блоки могут быть встроены в конструктив контроллера
либо (у некоторых производителей) как вариант располагаться в
отдельных выносных конструктивах. В первую очередь важно иметь
их разнообразие в части числа сигналов, опрашиваемых одним
блоком, и параметров коммутируемых ими сигналов. Существенны
также следующие свойства блоков: разрядность и точность
преобразователей блоков; наличие, варианты и параметры
гальванической развязки; наличие искробезопасных блоков и блоков
с предварительной вычислительной обработкой поступающих
сигналов.
При анализе этих компонентов ПТК надо точно согласовывать
их с имеющимся и проектируемым набором датчиков и
исполнительных механизмов автоматизируемого объекта. Так, в
качестве распространенных примеров приведем такие: по блокам
аналоговых сигналов для объектов, оснащенных отечественными
датчиками, важным бывает наличие входов на 0...5 мА; по блокам
дискретных сигналов для многих исполнительных механизмов
требуется сигнал 2...5 А при напряжении 220 В, и лучше обеспечить
его без добавочных релейных преобразователей для пожаро- и
взрывоопасных объектов необходимо предусмотреть
искробезопасное исполнение; в зависимости от особенностей
заземления датчиков и наличия электромагнитных помех может
потребоваться тот или иной тип гальванической развязки; наконец,
почти всегда важно знать метрологическую точность
преобразования измеряемых сигналов в ПТК.
-7-
1.5. Характеристики пультов оператора
Поскольку для разных объектов и классов задач могут
потребоваться разные технические параметры пультов операторов:
мощность, тактовая частота, память и т.д., то предпочтительно иметь
дело с ПТК, у которого существует ряд модификации пультов
операторов или в качестве их могут использоваться различные
модификации персональных ЭВМ. Часто ПТК содержит переносные
панели для мониторинга и настройки контроллеров по месту их
расположения. Существенно наличие дополнительной аппаратуры
пультов оператора: проекторов на экран, щитовых мозаичных
мнемосхем, звуковых речевых сигнализаторов.
Возможность выбора варианта пульта оператора обеспечивает
его экономичное согласование с требуемыми параметрами, а
наличие вариантов по числу мониторов на пульт и размеру их
экранов, типу клавиатур (типовая. Функциональная, сенсорная и
т.д.), аудиосигнализация и т.п. влияет на удобство и комфортность
работы операторов
1.6. Динамика работы ПТК
Для многих применений имеют большое значение
динамические параметры ПТК, определяющие возможное
быстродействие разрабатываемых целей контроля и управления.
Отдельными показателями динамики являются:
-минимальные цикл опроса датчиков н время реакции на
аварийные сигналы при их обработке в цепях аварийной защиты:
внутри одного контроллера, при передаче управляющих сигналов
через управляющую сеть, прохождении сигнала через пульт
оператора;
-минимальный цикл смены данных в кадре на пульте
оператора н смены самих кадров, а также наименьшее время реакции
на команду оператора с пульта;
- минимальное время перезапуска всей системы, так и только
отдельных контроллеров после перерывов питания;
Эти показатели имеют тем большее значение, чем быстрее
протекают технологические процессы в автоматизируемом объекте.
-8-
1.7. Надежность работы ПТК
Основные характеристики надежности не могут достаточно
точно определяться для ПТК такой удобной и привычной
характеристикой, как "число наработки на отказ"; ввиду высокой
надежности современных вычислительных элементов и плат,
сквозного контроля блоков н конструктивов в процессе их
изготовления (что осуществляется на любом ответственном
современном производстве) отказы в работе компонентов ПТК
весьма редки и провести достаточно чистый эксперимент, чтобы
набрать необходимый статистический материал для расчета числа
часов наработки на отказ, хотя бы по средней по объему выборке,
производители обычно не могут, тем более что сами
вычислительные элементы модифицируются быстрее, чем мог бы
закончиться эксперимент. По этой причине характеристики
надежности правильнее оценивать косвенными показателями и
возможностями ПТК:
- глубиной и полнотой диагностических тестов определения
неисправностей в отдельных компонентах ПТК;
- возможностями, вариантами и полнотой резервирования
отдельных компонентов ПТК: сетей, контроллеров, блоков вводавывода, пультов оператора;
- наличием встроенных в систему блоков UPS (аккумуляторов)
и временем их работы при прекращении питания системы от сети, а
также возможностью н длительностью перерыва питания (при
отсутствии UPS) без нарушения функций управления.
Поскольку использование резервирования и его полнота
напрямую связаны со стоимостью системы, важно правильно
оценить необходимость и желательный вид резервирования разных
частей ПТК в разрабатываемой системе автоматизации (частей для:
аварийных контуров, блокировочных зависимостей, контуров
регулирования, цепей контроля), а уж после этого оценивать
подходящие для данного объекта возможности резервирования
различных ПТК. Что касается общих соображений о надежности
того или иного ПТК (без сомнения, играющих важнейшую роль при
выборе системы), то они слагаются из знания особенностей
диагностики неисправностей; поведения системы при
кратковременных перерывах питания; полноты и тщательности
-9-
контроля производства при изготовлении ПТК, что косвенно
определяется престижем данного ПТК на рынке; наконец, поведением ПТК в работающих системах автоматизации, по отзывам их
эксплуатационного персонала.
1.8. Условия окружающей среды
Эти свойства в основном характеризуют варианты
конструктивного исполнения отдельных компонентов ПТК. Они
определяют особенности наружной среды, в которой может
устанавливаться система и/или ее отдельные части:
-диапазон температур и влажности окружающей среды;
- имеющуюся защиту от влажности и пыли (этот показатель
большей частью указывается по значению европейского стандарта
IP);
-максимальное содержание в среде различных агрессивных
газов;
-наибольшие вибрацию и ударные нагрузки, которым может
подвергаться система;
- максимальные электрические и магнитные помехи,
допускаемые при работе системы;
- возможность работы системы при некачественном заземлении
ее компонентов.
В зависимости от отрасли промышленности, особенностей
производства, окружающего климата в каждом конкретном случае
выдвигаются на первый, план те или иные свойства окружающей
среды, являющиеся важнейшими ограничениями при выборе ПТК.
Следует отметить, что почти всегда существует вариант обхода
неблагоприятных свойств окружающей среды путем расположения
аппаратуры в специальных помещениях, достаточно изолированных
от нежелательных внешних воздействий; но обычно этот вариант
оказывается довольно дорогим, так как требует создания н
эксплуатации помещений с кондиционированием, очисткой воздуха,
избыточным давлением, экранированием и т.п.; кроме того, отказ от
распределения по производству компонентов ПТК приводит к
значительному увеличению кабельных линий системы, что также
сказывается на стоимости ПТК.
-10-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]