Технические САУ, Петухов И.В., Стешина Л.А
.pdfпроизводительности, которые оснащены встроенными интерфейсами PROFIBUS-DP. При необходимости в базовом блоке контроллера может быть использовано до четырех центральных процессоров;
сигнальные модули (SM) для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов;
коммуникационные модули (CP) для организации последовательной передачи данных по PtP интерфейсу, а также сетевого обмена данными;
функциональные модули (FM), применяемые для решения специальных задач управления, к которым можно отнести счет, позиционирование, автоматическое регулирование и т.д.
При необходимости в составе S7-400 могут быть использованы:
интерфейсные модули (IM) для связи базового блока контроллера со стойками расширения. К одному базовому блоку контроллера SIMATIC S7-400 может подключаться до 21 стойки расширения;
модули SIMATIC S5. Все модули ввода-вывода контроллеров SIMATIC S5-115U/-135U/-155U могут устанавливаться в соответствующие стойки расширения SIMATIC S5. Кроме того, модули специального назначения IP и WF могут использоваться как в стойках SIMATIC S5, так и в базовом блоке контроллера SIMATIC S7-400. В последнем случае подключение модулей к внутренней шине контроллера S7-400 выполняется через адаптер.
11.5. Контроллеры фирмы WAGO
WAGO является одним из лидеров на рынке систем промышленной автоматизации.
Наиболее распространенными являются следующие компоненты автоматизации:
181
WAGO-I/O-SYSTEM 750 – компактная модульная независимая система сетевых узлов для децентрализованной автоматизации. Допустима к применению в самых разнообразных сферах, рассчитана в своем тонкомодульном и независимом от управляющего узла дизайне на децентрализованные системы узлового управления сетями. Оптимизирована для процессорной коммутации с решением, позволяющим повышать результативность, с высокой степенью интеграции и неплохим сочетанием цены и качества;
WAGO-I/O-SYSTEM 755 – модули для применения в жестких условиях. Цепочка децентрализованной периферии заканчивается в непосредственной близости от объекта управления, а иногда так близко, что не остается места для защитного корпуса или распредкоробки. Именно для таких случаев разработаны модули ввода-вывода системы. Везде, где имеют место производственные циклы, осуществляемые в сложных условиях, данная система показывает себя с сильной стороны благодаря прочной технике подключения и высокому классу защиты IP 67. Она является интегральной составной частью серии систем ввода/вывода WAGO (750, 752, 758, 759) и поддерживает, таким образом, реализацию концепций сплошного подключения устройств. Система применяется в трудных условиях эксплуатации, со стандартизированной техникой соединения, в случае монтажа вблизи машинного оборудования, с цифровыми устройствами, подающими сигнал, при повышенной концентрации сигналов;
WAGO-I/O-SYSTEM 758 – WAGO-I/O-IPC. IPC представляет собой компактный и экономичный промышленный компьютер для реализации управленческих процессов в реальном времени. Несмотря на свои небольшие габариты, он реализует все стандартные функции, включая интерфейсы между сетевым подключением и магистралью для местных и удаленных расширений. Компактный корпус монтируется на несущую рейку TS 35. Модули WAGO-I/O могут подключаться напрямую.
182
IPC применяются в обрабатывающей промышленности, в сфере автоматизации, например, упаковочные, текстильные станки, металло- и деревообрабатывающие установки и многое другое. Возможно программирование по IEC 61131-3. Программирование осуществляется на WAGO-I/O-PRO CAA, совместимом с
CoDeSys Automation Alliance.
Последовательная децентрализация промышленных систем автоматизации требует наличия на предприятиях все больших вычислительных мощностей. Модели IPC расширяют диапазон доступных мощностей системы WAGO-I/O-SYSTEM.
Внедрение компьютерных технологий позволяет эффективно использовать синергический эффект, возникающий в результате объединения систем промышленной автоматизации со сферой информационных технологий. Местное управление технологическим процессом, подключение промышленных полевых шин, регистрация и анализ данных измерений – вот задачи, которые теперь с легкостью могут быть выполнены даже при еще больших объемах данных и жестких ограничениях по времени.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Приведите классификацию критериев выбора ПЛК.
2.Опишите алгоритм работы схемы смесительной установки.
3.Опишите электрическую схему системы управления на реле.
4.Каково предназначение контроллеров ADAM-5000?
5.Охарактеризуйте контроллеры фирмы SIEMENS.
6.Каковы области применения контроллеров фирмы WAGO?
7.Каковы достоинства контроллеров фирмы SIEMENS?
183
12. ПРИНЦИПЫ РЕАЛИЗАЦИИ СЕТЕВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. ИНТЕРФЕЙСЫ.
ПРОМЫШЛЕННЫЕ ШИНЫ
Промышленная автоматизация переживает сейчас большие изменения. Пользователи постепенно отходят от практики применения собственных систем и централизованных систем управления и начинают обращать внимание на системы с распределенным интеллектом. В результате фирменные и централизованные архитектуры понемногу сдают свои позиции на рынке, в то время как открытые распределенные системы (в которых для управления, сбора данных и обмена информацией используются промышленные шины Fieldbus) начинают его завоевывать. Одна из причин этого кроется в том, что прокладка кабелей и развертывание системы с использованием промышленных шин обходится значительно дешевле. Системы с централизованным управлением обычно требуют, чтобы каждый датчик или группа датчиков подключалась к центральному контроллеру отдельным (и довольно дорогим) высококачественным кабелем. Напротив, в системе на базе промышленной шины рядом с каждым кластером датчиков располагается один интеллектуальный узел, преобразующий сигналы датчиков в цифровую последовательность и передающий их в этом виде в систему управления/мониторинга.
Промышленная шина – это коммуникационная сеть, объединяющая несколько промышленных систем и функционирующая практически так же, как и локальная сеть в учреждении. Однако для поддержания режима реального времени промышленная шина должна быть детерминистичной – качество, отсутствующее в офисных локальных сетях. Именно поэтому ни Ethernet, ни другие аналогичные сети не применяются в чисто промышленных системах.
Отвечая требованиям различных прикладных сфер, промышленные шины обладают соответствующими характеристиками,
184
благодаря которым их можно использовать в условиях промышленной эксплуатации:
детерминированность,
поддержка больших расстояний между узлами,
поддержка больших расстояний между узлами,
защита от электромагнитных наводок,
упрочнённая механическая конструкция.
Многие промышленные шины опираются на стандарт двухпроводного канала RS485, обеспечивающего взаимосвязь нескольких устройств на расстояниях до нескольких сотен метров. Как правило, в промышленных условиях оперативность и предсказуемость времени передачи информации – характеристики более важные, чем способность передавать большие объемы данных. Скорости передачи по промышленным шинам колеблются от 50 Кбит/с до 4 Мбит/с (с одним замечательным исключением – шина PROFIbus имеет пропускную способность до 12 Мбит/с).
В распределенных промышленных системах объединяются сетевые узлы самых разных типов, с самыми разными скоростями, расстояниями передачи информации и типами данных. Например:
вентиль может постоянно сообщать о своем состоянии (закрыт/открыт) единственным битом;
датчик температуры может передавать соответствующий параметр каждые 5 минут;
датчик быстродействующей системы регулирования должен сообщать о произошедшем отказе в течение нескольких микросекунд;
для обновления изображения на дисплее оператора в большой системе управления технологическим процессом может понадобиться передача нескольких мегабайт информации.
Решить все задачи при помощи промышленной шины одного типа просто невозможно. Однако все вместе они могут удовле-
185
творить требованиям практически любой системы управления, имеющей распределенную архитектуру.
12.1. Условия эксплуатации
Электрическая среда. В промышленных системах чрезвычайно важна защита от электромагнитных помех. Практически везде случаются значительные скачки напряжений и токов. Периодические отказы из-за воздействия помех обходятся очень дорого, ведут к потере производительности и поэтому просто недопустимы. В большинстве средних и крупных систем требуется соответствие различным международным стандартам (типа СЕ или UL), что является обязательным во многих странах (например, в США).
Обычно от отдельных fieldbus-продуктов не требуется обязательного соответствия международным стандартам защиты от электромагнитных излучений. Однако если вы используете несертифицированное устройство, вам, возможно, придётся его сертифицировать на соответствие требованиям вашей системы. Это означает, что при покупке изделий для построения систем на базе промышленных шин лучше всего иметь дело с компаниями, которые с самого начала разрабатывают свои изделия с ориентацией на соответствие стандартам по электромагнитной защищённости.
Например, если для связи fieldbus-устройств в качестве линий связи применяются медные проводники, то их нужно тщательно экранировать. Альтернативой может быть оптоволоконная передающая среда. Некоторые стандарты промышленных шин прямо определяют использование оптоволоконных кабелей. Стандарты, в которых применение оптоволоконных кабелей специально не предусматривается, допускают применение серийно выпускаемых преобразователей (электрического сигнала в оптический и
186
обратно) при прокладке промышленной шины через зоны с повышенным уровнем помех.
Кроме электрических характеристик окружающей среды, необходимо учитывать и ее физические параметры. Электронные узлы промышленных систем часто работают в эстремальных условиях, например:
при больших температурных колебаниях,
при больших вибрациях и ударных нагрузках.
Ударные и вибрационные нагрузки. Иногда промышленные системы подвергаются различным ударам и вибрациям. Системы на базе европлат (типа VME и CompactPCI), удовлетворяющие требованиям механических стандартов «Евромеханика» (входят в серию стандартов IEEE 1101), обычно могут противостоять ударам и вибрациям. Каждая плата должна быть зафиксирована со всех четырех сторон: направляющими объединительной панели (сверху и снизу), разъемами (сзади) и крепежными винтами или самоблокирующимися ручками вставки/извлечения (спереди).
12.2. Промышленные шины, лидирующие на рынке
Внастоящее время на рынке присутствует около 50 различных промышленных шин, однако главенствуют только четыре из них:
CAN,
PROFIbus,LON,
Foundation Fieldbus.
Всовременных системах автоматического управления про-
мышленная связь играет исключительно важную роль. Она обеспечивает взаимодействие управляющих систем между собой, а также соединяет их с информационными системами более высокого уровня.
187
12.3. Принципы построения промышленной сети
Существуют два основных принципа построения структуры промышленной сети для АСУ ТП.
Первый принцип – централизованная структура, в которой центром системы является мощное вычислительное устройство, от которого «звездой» подключаются оконечные устройства управления и исполнительные механизмы. Данный принцип построения является наиболее удобным в смысле администрирования, поскольку есть единая точка контроля над всей системой. Однако такая структура ненадежна: выход из строя «центра звезды» вызывает простой всей сети. Эту проблему можно решить за счет создания «дублирующего центра», но такой вариант приводит к значительному удорожанию сети в целом. Еще один минус
– отсутствие возможности расширения функционала системы. При необходимости добавления большого количества исполнительных механизмов приходится менять центральное устройство, что само по себе нерационально и убыточно.
Второй принцип – распределенная структура, состоящая из множества узлов, между которыми осуществляется обмен данными по цифровым каналам промышленной сети. Такой вариант построения является, конечно, более дорогим с точки зрения затрат на администрирование, зато более надежным: при выходе из строя одного из узлов система продолжает функционировать. Распределенная структура более гибкая и позволяет наращивать систему без существенного изменения действующей ее части. Кроме того, данная структура дает возможность расположить узлы, в качестве которых выступают контроллеры и интеллектуальные устройства ввода-вывода, максимально близко к оконечным устройствам (датчикам и исполнительным механизмам), за счет чего сокращается длина сигнальных кабелей. Это позволяет не только экономить на сигнальных кабельных линиях, но и избежать необходимости строить дополнительные громоздкие конструкции для прокладки кабеля.
188
Для передачи данных в промышленной сети существует множество протоколов и интерфейсов, например Modbus, Ethernet, CAN, LON, PROFIBUS и др. Протоколы разработаны с учетом особенностей производства и технических систем, обеспечивают надежные соединения и высокую точность управления. Оборудование, для которого они предназначены, должно устойчиво работать при высоких температурах или влажности, в условиях сильной вибрации или химически активной среды. Наряду с надежностью работы все более важными требованиями в системах АСУ ТП становятся функциональные возможности, простота инсталляции и обслуживания, соответствие общепринятым стандартам.
Наиболее широкое распространение для передачи данных в промышленной сети имеет сегодня протокол Ethernet. Производители оборудования для управления производственными процессами уже давно используют технологии Ethernet, Internet и Web. Ethernet позволяет объединить разные виды оборудования, включить производственное оборудование и управляющие ими компьютеры в единую среду, а технология данного протокола служит основой для создания единой информационной инфраструктуры промышленных предприятий, обеспечивающей совместную работу программных и аппаратных средств систем АСУ ТП. Немаловажно и то, что оборудование Ethernet относительно недорого и доступно, а протоколы TCP/IP – весьма привлекательное решение по сравнению с запутанными и многочисленными стандартами дорогих и сложных промышленных сетей.
В последнее время все больше говорят об архитектуре
Ethernet промышленного применения – Industrial Ethernet, под-
держиваемой многими ведущими производителями оборудования автоматизации. Будучи универсальным средством организации коммуникационных интерфейсов в системах автоматизации, Industrial Ethernet предлагает широкие возможности реализации различных топологий с разнообразными подключаемыми устройствами при невысокой стоимости в расчете на устройство и хорошо интегрируется с технологией Internet.
189
12.4. Структура интерфейсного взаимодействия в АСУ ТП
Промышленные АСУ ТП строятся по принципу трехуровневой системы.
Нижний уровень (полевой) состоит из датчиков и исполнительных механизмов, устанавливаемых на технологических объектах. Для связи с датчиками используются:
AS-интерфейс, предназначенный для организации связи с датчиками и исполнительными устройствами. Позволяет подключать датчики и исполнительные механизмы к системе управления на основе построения сети с использованием одного двухжильного кабеля, посредством которого обеспечивается как питание всех сетевых устройств, так и опрос датчиков и выдача команд на исполнительные механизмы;
HART-протокол, основанный на методе передачи данных с помощью частотной модуляции, при этом цифровой сигнал накладывается на аналоговый токовый. Частотномодулированный сигнал является двухполярным и при использовании соответствующей фильтрации не искажает основной аналоговый сигнал 4…20 мА.
Средний уровень (контроллерный) состоит из промышленных контроллеров, силовой, сигнализационной автоматики и прочих устройств аналого-цифрового, цифроаналогового, дискретного, импульсного и другого преобразования, а также устройств для сопряжения с верхним уровнем (шлюзов). Для передачи данных на этом уровне могут применяться интерфейсы и протоколы
PROFIBUS, Modbus, СAN, LON и Ethernet.
Рассмотрим протокол PROFIBUS с точки зрения применения на среднем уровне АСУ ТП. PROFIBUS – семейство промышленных сетей, обеспечивающих комплексное решение коммуникационных проблем предприятия.
190