Средства технологического программирования контроллеров

Специфика работы с контроллерами по сравнению с обычными офисными компьютерами состоит не только в ориентации на работу с платами ввода-вывода, но и в преимущественном использовании языков технологического программирования. Как правило, на промышленных предприятиях с контроллерами работают не программисты, а технологи, хорошо знающие специфику объектов управления и технологического процесса. В связи с этим для программирования контроллеров стандартом IEC 61131.3 определены следующие пять языков программирования.

SFC (Sequential Function Chart) – язык последовательных функциональных схем, т.е. графический набор шагов и переходов, объединенных логическими условиями. Язык предназначен для реализации алгоритмов последовательного управления. Действия внутри шагов описываются на других языках (FBD,LD, ST, IL).

LD (Ladder Diagram) – язык лестничных диаграмм. По другому еще называют языком релейно-контактных схем. Традиционный графический язык релейных блокировок, в котором разработчик изображает необходимые релейные схемы, что хорошо знакомо профессиональным электрикам и специалистам в области автоматики.

FBD (Function Block Diagram) - язык функциональных блоковых диаграмм. Графический конфигуратор с набором типовых программных модулей. Наиболее распространенный язык. Он определяет взаимосвязь и поведение составляющих его функций, функциональных блоков, отдельных фрагментов программ. Язык определяет протекание сигналов между процессорными элементами;

ST (Structured Text) - язык структурированного текста. Язык типа Pascal, поддерживающий структурное программирование. Он может использоваться для программирования комплексных функциональных блоков любой сложности, используемых внутри других языков, написания процедур и переходов в языке SFC, дополняет другие языки стандарта;

IL (Instruction List) - язык инструкций. Текстовый язык низкого уровня типа Ассемблера, но без ориентации на конкретную микропроцессорную архитектуру. С его помощью можно создавать быстродействующие программные модули. Он может, в частности, использоваться для программирования логических функций.

Два графических языка: LD и FBD являются основными, а остальные языки служат дополнениями к ним.

Важно отметить, что использование данного стандарта полностью соответствует концепции открытых систем, а именно, делает программу для контроллера независимой от конкретного оборудования - ни от типа процессора, ни от операционной системы, ни от плат ввода-вывода.

4. Промышленная локальная сеть. Обычно выделяют, по назначению и функциям коммуникации, двух видов:

- промышленные сети, связывающие контроллеры между собою и с рабочими станциями операторов,

- полевые каналы и сети, связывающие контроллеры с удаленными (выносными) блоками ввода/вывода и с интеллектуальными приборами.

Эти коммуникации не имеют четкой разделяющей их границы, некоторые сети могут использоваться для обоих указанных целей, поэтому они обычно объединяются общим наименованием - Fieldbus, что в буквальном переводе обозначает "полевая шина", а обычно в русском языке принято называть "промышленная сеть". Промышленную локальную сеть называют также промышленной шиной.

Шина – это средство обеспечения взаимодействия близко расположенных объектов. Характерной особенностью шины как устройства является тот факт, что все взаимодействующие компоненты подключаются к шине одинаковым образом. Шины тем или иным образом присутствуют на всех уровнях автоматизации. В настоящее время наиболее распространены следующие топологии сетей.

1) Общая шина.

Рис. 6. Топология сети «Общая шина».

- возможно подключение / отключение устройств во время работы;

- опасность потери связи при одиночном обрыве;

- присутствие общего трафика во всей системе;

- широко используется для сильно распределенных объектов (дешевизна).

2) «Кольцо».

Рис. 7. Топология сети «Кольцо».

- хорошая пропускная способность;

- высокая стоимость;

- нерациональное использование сетевого трафика;

- потеря синхронизации всей сети в случае отказа хотя бы одного из узлов.

3) «Звезда».

Рис. 8. Топология сети «Звезда».

- дополнительная защита сети от выхода узлов из строя;

- опасность аварии при выходе из строя устройства связи;

- оптимизация трафика.

Промышленная сеть обладает рядом специфических особенностей, выделяющих ее в отдельный класс, отличный от информационных сетей:

- работа в режиме реального времени;

- необходимость предсказуемости времени передачи сообщений и гарантия их доставки по назначению;

- отсутствие передаваемых больших массивов информации;

- обязательная повышенная надежность передачи данных в промышленной среде (в частности, при электромагнитных помехах);

- предпочтительная работа на недорогих физических средах;

- возможность больших расстояний между узлами сети;

- упрочненная механическая конструкция аппаратуры сети.

Если выделить из промышленных сетей подкласс чисто полевых сетей, то они призваны подключать к контроллерам расположенные непосредственно по месту нахождения оборудования блоки ввода/вывода, а также интеллектуальные датчики и исполнительные механизмы. Для их распространения требуется, чтобы каждое подключаемое к сети устройство (в том числе, любой прибор) имело вычислительный ресурс, т. е. было бы интеллектуальным. Тогда подключение приборов к контроллерам становится цифровым, децентрализованным; они объединяются между собою цифровой, двунаправленной, последовательной коммуникационной сетью; при этом каждый прибор будет обслуживать двунаправленную связь. Подкласс чисто полевых сетей по сравнению с общими промышленными сетями отличается значениями основных характеристик сетей: меньшей длиной сети, меньшей скоростью, меньшим объемом передаваемых данных за цикл, меньшей стоимостью сетевых компонентов.

Последнее время появился международный стандарт на промышленную и полевую управляющие сети - стандарт IEC 61158. По этому стандарту следующие сети признаны стандартными промышленными управляющими сетями:

- Technical specification TS 61158;

- ControlNet;

- Profibus;

- P-Net;

- Foundation Fieldbus;

- SwiftNet;

- WorldFip;

- Interbus.

Следует подчеркнуть, что из всех этих сетей подавляющее распространение в мире получили сети Profibus и Foundation Fieldbus.

5. Уровень АРМ подробно рассматривается во втором разделе данного пособия, посвященном SCADA-системам.

6. Сервер (управляющая ЭВМ). На уровне управляющих ЭВМ решаются следующие задачи:

- управление технологическими контроллерами;

- ведение архивов технологической информации;

- обеспечение работы автоматизированных рабочих мест (АРМов).

На рисунке 2 показана структура, при которой задачи управления и ведения архивов разделены между двумя вычислительными машинами. В реальности, уровень управляющих ЭВМ может быть представлен различными архитектурами, от одиночной вычислительной машины до больших вычислительных систем (мейнфреймов), объединенных в локальную сеть рабочих станций и серверов. Очевидно, что для обеспечения функционирования уровня управляющих ЭВМ необходимо специализированное программное обеспечение. В качестве такого программного обеспечения используются системы SCADA.

Использование систем SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) – (системы диспетчерского управления и сбора данных) является в настоящее время основным и наиболее перспективным методом управления сложными динамическими системами. Именно на принципах диспетчерского управления строятся крупные автоматизированные системы в ряде отраслей промышленности и народного хозяйства.

Всю совокупность программного обеспечения SCADA-систем можно подразделить на две большие группы.

1) Серверное ПО. Данное ПО предназначено для:

- обеспечения процесса управления технологическим оборудованием;

- ведения архивов данных;

- обеспечения двусторонней связи АРМов и технологического оборудования.

2) Прикладное ПО. Данное ПО выполняет следующие функции:

- реализация АРМ на локальных рабочих станциях;

- обеспечение пользовательского интерфейса.

Также прикладное ПО предоставляет средства проектирования АРМов, алгоритмов управления, связей с технологическими контроллерами и т.д.