Абдулин С.Ф. Системы автоматики предприятий стройиндустрии
Подождите немного. Документ загружается.
Рис. 2.25. Компоновка ломиконта Л-110
Вопросы системного применения
Принцип распределенного управления. На базе аналоговых
приборов и средств релейной автоматики строились системы
децентрализованного управления. Каждый прибор в такой системе
выполнял одну, реже две-три функции.
Преимущество децентрализованной системы - высокая живучесть
управления: при отказе одного прибора оператор переходит на ручной
режим и ход технологического процесса не прекращается. Однако
аналоговые децентрализованные системы управления сложными
технологическими процессами громоздки, дороги, малонадежны,
консервативны в отношении модернизации и развития АСУ ТП.
На базе ЭВМ строились системы централизованного управления. В
таких системах можно реализовать достаточно сложные алгоритмы
управления, однако живучесть централизованных систем в большинстве
случаев неудовлетворительна из-за возможности отказа центральной ЭВМ.
Кроме того, при использовании ЭВМ возникают сложные проблемы
программирования, что значительно удлиняет срок ввода системы в
эксплуатацию.
Применение ломиконтов Л-110, Л-112, Л-120, Л-122 наряду с
другими микропроцессорными контроллерами (например, ремиконтами и
диалоговыми дисплейными контроллерами - димиконтами Д-110)
позволяет строить распределенные системы управления технологическими
процессами. Концепция распределенного управления базируется на трех
основных принципах:
1. Задачи управления делятся между специализированными
микропроцессорными контроллерами, каждый из которых обслуживает
сравнительно автономную зону технологического процесса.
2. Представление информации иерархически централизуется (по
агрегату, цеху, предприятию); информация по преимуществу
представляется на экранах дисплеев в наглядной, компактной и быстрой
обзорной форме.
3. Для связи технологических средств между собой используется
цифровая сеть, информация в которой передается в последовательной
форме.
Распределенное управление сочетает преимущества традиционной
децентрализованной системы, главным образом высокую живучесть, с
преимуществами централизованной системы, базирующейся на ЭВМ, -
широкими алгоритмическими возможностями и гибкостью управления.
Ломиконты в распределенной системе в основном решают задачи
логико-программного управления и регулирования, которые могут
дополняться относительно несложными задачами отображения и
регистрации технологической информации.
Распределение задач между ломиконтами. Многие САУ могут
быть построены на базе одного ломиконта. Однако для построения
сложных СУ необходимо использовать несколько контроллеров,
автономных или объединенных в Л-сеть. При выборе числа ломиконтов и
распределения задач между ними необходимо руководствоваться
следующими соображениями:
· Каждая выделенная зона технологического процесса,
обслуживаемая одним ломиконтом, должна обладать максимально
возможной автономией.
· Должна быть обеспечена живучесть системы.
· Должна быть обеспечена требуемая надежность системы.
Основным средством повышения надежности является применение
дублированных моделей ломиконтов.
· Необходимо провести экспертную оценку возможности каждого
ломиконта по числу входных и выходных сигналов и требуемому
количеству модулей.
· Следует также оценить достаточность алгоритмической и
информационной мощности ломиконта для решаемой задачи.
Выбор модели ломиконта. Ломиконты моделей Л-110 и Л-112
имеют одинаковое число цепей ввода вывода, ориентировочно 50-300.
Модели Л-120, Л-122 имеют 15–90 цепей ввода-вывода. Ломиконты Л-110,
Л-120 являются одиночными, а Л-112, Л-122 - дублированными
моделями, имеющими надежность значительно выше и вдвое большие
габаритные размеры и стоимость.
Алгоритмические возможности всех четырех моделей одинаковы:
объем программы пользователя, состав библиотеки алгоритмов и число
интерфейсных каналов - общие для всех моделей.
Если задача требует большого числа входов-выходов, а требования к
надежности и живучести АСУ ТП умеренные, следует применять модель
Л-110, а если дополнительно требуется повышенная надежность и
живучесть, следует применять модель Л-112.
Связь с датчиками и исполнительными устройствами. К
ломиконтам могут подключаться любые датчики с унифицированным
токовым сигналом, а также датчики типов «Сапфир-22», «Сапфир-300».
Датчики с естественным сигналом (термопары, термометры
сопротивления, дифференциально-трансформаторные датчики)
подключаются к ломиконту через нормирующие преобразователи. В новых
сериях ломиконтов предусматривается создание блоков сопряжения
термометров сопротивления и термопар с ломиконтом.
Поступающие на вход ломиконтов аналоговые сигналы с помощью
АЦП преобразуются в цифровую форму (см. рис. 2.13).
Импульсные выходы ломиконтов управляют электрическими ИМ
постоянной скорости. Между выходными цепями и механизмами
включаются стандартные блоки ручного управления и пускатели.
Дискретные выходы ломиконтов могут управлять, в частности,
электромагнитными клапанами. Ломиконты имеют специальный
дискретный выход «Отказ», к которому могут подключаться индикаторы,
звуковые сирены или блоки переключения, например блок БПР-5,
входящий в комплект ломиконтов.
Организация оперативного управления. Возможны следующие
варианты организации оперативного управления: с помощью пульта
оператора ломиконта, традиционных средств, диалогового дисплейного
микропроцессорного контроллера димиконта Д-110 и дисплейного пульта
оператора, построенного на базе универсальной микроЭВМ.
Пульт оператора ломиконта позволяет просто и эффективно решать
задачу оперативного управления. Пульт связан с ломиконтом цифровым
каналом с интерфейсом ИРПС, допускается удаление пульта от
контроллера на расстояние до 1000 м, а также возможность с одного
пульта управлять несколькими ломиконтами. Но пульт не может
использоваться при отказе контроллера. Применение димиконта Д-110
значительно повышает возможности отображения технологической
информации и оперативного управления.
Построение Л-сетей локальных вычислительных сетей
ломиконтов. Два ломиконта могут быть связаны цифровым каналом с
интерфейсом ИРПС или ИРПР, причем в такой связке один контроллер
является инициатором связи (активным устройством), а другой -
абонентом (пассивным устройством). Ломиконт может быть связан с
двумя контроллерами как инициатор и еще с двумя - как абонент. Л-сеть
может быть как одноуровневой (например, кольцо ломиконтов), так и
разветвленной иерархической.
Возможность построения Л-сети позволяет во многих случаях
обойтись без применения ЭВМ верхнего уровня и тем самым повысить
надежность и снизить стоимость системы управления.
Ломиконт может быть включен в кольцо малых регулирующих
контроллеров Р-130. Такая возможность позволит решать следующие
задачи: использовать ломиконт в качестве устройства верхнего уровня по
отношению к кольцу ремиконтов Р-130, заменяющего в относительно
простых системах ЭВМ; организовать передачу цифровой информации из
кольца ремиконта Р-130 через ломиконт в дисплейный контроллер
димиконт Д-110 (прямую цифровую связь димиконта с кольцом
ремиконтов Р-130 реализовать нельзя) и др.
Организация ввода-вывода аналоговой и дискретной
информации. Для аналогового ввода информации предусматривается два
модуля: модуль аналого-цифрового преобразования АЦП2 и модуль
гальванического разделения входной РГ12. Модуль АЦП2 преобразует в
цифровую форму 16 входных сигналов, поданных в виде постоянного
напряжения - 10...+10В, отсчитываемого от общей точки. Модуль
содержит один аналого-цифровой преобразователь и 16-канальный
мультиплексор для поочередной работы с каналами. Ломиконты
рассчитаны на число аналоговых входов до 128, т.е. на установку до
восьми плат АЦП2.
Рекомендуется соединять выход РГ12 с соответствующим входом
модуля АЦП2 с помощью ММС.
Для аналогового выхода информации предусматривается два модуля:
модуль цифроаналогового преобразования ЦАП-2 и модуль
гальванического разделения выходной РГ22. Модуль ЦАП2 преобразует
восемь выходов из цифровой формы в аналоговую в виде постоянного
напряжения от -10 до +10 В относительно «общей точки». Ломиконт
рассчитан на 64 аналоговых входа, т.е. на установку до восьми плат ЦАП2.
Модуль РГ22 содержит восемь каналов гальванического разделения
сигналов постоянного напряжения от 0 до 10 В. Напряжение с выхода
ЦАП2 подается на вход РГ22. Соединение выполняется аналогично связи
АЦП2 и РГ12.
Контроль и диагностика неисправностей
Виды контроля и диагностики. Ломиконт оснащен обширными
средствами контроля и непосредственно связанными с ним средствами
диагностики неисправностей. Средства контроля обнаруживают факт
неисправности, а средства диагностики позволяют локализовать
неисправность с точностью до модуля и, в отдельных случаях, до
микросхемы. В ломиконте и его пульте предусмотрены два вида контроля
и диагностики: постоянная самодиагностика и тестирование. Кроме
постоянной самодиагностики и тестирования предусмотрена возможность
информационного контроля параметров системы управления путем вывода
информации на пульт ломиконта.
Постоянная самодиагностика проводится в процессе работы
ломиконта и пульта. При этом участия оператора не требуется. В
Ломиконте используются три вида постоянной самодиагностики:
аппаратная, программная и алгоритмическая. В пульте используется
программная самодиагностика.
Модернизированный контроллер ломиконт ТМ. Начиная с
1999 г. специалистами Чебоксарского завода ОАО «Электроприбор» была
начата работа по модернизации промышленных контроллеров серии
«Ломиконт». Этой работе предшествовало обследование крупных
предприятий-потребителей этих контроллеров.
Обследование показало, что сегодня контроллеры ломиконт во
многих случаях не отвечают современным требованиям АСУ, прежде
всего из-за недостаточного быстродействия и ограниченного объема
памяти, предоставляемой для программ пользователя. Поэтому мо-
дернизация предусматривала прежде всего повышение
производительности контроллеров и расширение объема памяти.
Одновременно рядом проектных организаций в функции контроллера
было предложено ввести:
· скоростной обмен по сети Ethernet;
· ОРС-сервер для выхода на SCADA-системы по выбору заказчика.
Модернизация проводилась по пути создания еще одного типа
базового, комплекта присутствующего в каждом контроллере. До
модернизации базовый комплект ломиконта полной конфигурации состоял
из 6-8 модулей (ПРЦ5, ПЗУ2, ОЗУ - 2-4 шт., МИС2, МУС2) и занимал в
каркасе контроллера до восьми посадочных мест. В результате
модернизации новый базовый комплект стал занимать три посадочных
места (модуль процессора - два места, модуль МУС2). Это позволило
освободить до пяти посадочных мест для дополнительных модулей УСО и
снизить энергопотребление. В остальном планировалось сохранить
полную совместимость старого оборудования с новым. Однако
проделанная в 2000 г. работа показала, что на базе старого ПО радикально
повысить качественные характеристики контроллеров не удается.
Новое направление работ, условно названное ломиконт ТМ,
развернуто в сотрудничестве с московской фирмой «АдАстра», известной
в качестве разработчика SCADA-системы «ТРЕЙС МОУД». За основу
нового модуля процессора (базовый модуль PRC-TM) взят импортный
одноплатный PC-совместимый компьютер WAFER-4823 на основе
процессора i486, содержащий, помимо стандартного компьютерного
оборудования, флеш-диск, порт RS-232/RS-422XRS-485, порты RS-232,
Ethernet, VGA. Это позволило решить аппаратную часть проблемы
обеспечения высокоскоростной связи между контроллерами и с верхним
уровнем (Ethernet). Исчезло ограничение на предельный объём программы
пользователя, так как объем памяти можно наращивать, и в 2...4 раза (в
зависимости от конфигурации) повысилась производительность.
Новый базовый модуль допускает установку его в имеющиеся у
потребителей контроллеры ломиконт-110 без изменения схемы
подключения к объекту. Программное обеспечение нового контроллера
разработано специалистами фирмы «АдАстр» и включает в себя
инструментальную систему и исполнительный модуль - микромонитор РВ
(МикроМРВ). МикроМРВ может работать как с операторской станцией
«ТРЕЙС МОУД 5», так и автономно и выполняет все функции
резидентной программы ломиконта по вводу-выводу данных и
непосредственному управлению процессом.
Программирование задач пользователя осуществляется средствами
инструментальной системы «TRACE MODE» на двух языках
технологического программирования:
• Техно-FBD - язык функциональных блоков, почти повторяющий
технику программирования контроллеров «Ремиконт-110» и в такой же
степени не требующий навыков компьютерного программирования. Язык
основан на соединении в цепочки библиотечных функций и алгоритмов;
• ТехноIL - язык последовательных инструкций. Может быть
использован, например, в случае программирования на ТехноFBD и
отсутствия в библиотеке «ТРЕЙС МОУД» необходимой функции или
алгоритма.
Эти языки являются расширениями языков FBD и IL,
предусмотренными международным стандартом 1ЕС 61131-3.
2. 8. 2. Общее описание и классификация ПЛК
2. 8. 2. 1. Применение ПЛК в системах управления
Вне зависимости от характеристик объекта управления, будь то
отдельные агрегаты или многопрофильные производства, структура
распределенной системы управления предполагает наличие уровня
первичных средств автоматизации (интеллектуальных датчиков) и
исполнительных устройств - так называемого нулевого или полевого
уровня, уровня устройств связи с объектом (преобразователей аналоговых
и дискретных сигналов ввода-вывода), первого уровня АСУ ТП,
контроллерного уровня – второго уровня, диспетчерского уровня –
третьего уровня и бизнес-уровня – четвертого уровня АСУ ТП.
Для передачи измерительной и командной информации на нижнем
уровне используются HART-протокол (токовая петля 4–20 мА), AS-
интерфейс, RS232, RS485. Многие интеллектуальные датчики и
исполнительные механизмы для передачи и приема информации в
цифровом виде используют полевую шину (fieldbus), представляющую,
как правило, двухпроводную линию связи (витая пара, оптоволокно) с
одновременной передачей по шине питания и информационного сигнала.
К числу таких промышленных сетей, объединяющих датчики,
исполнительные механизмы, контроллеры и рабочие станции, относятся
Foundation Fieldbus, Profibus DP и Interbus (по стандарту RS-485),
DeviceNet (физическая среда 4-проводный кабель), Profibus РА и др. На
верхнем уровне используются сети Ethernet, ArcNet, Token Ring и др.
Сразу отметим одну из наметившихся тенденций – проникновение сетей
Ethernet на нижний уровень, а Fast Ethernet – на верхний уровень.
Следует сказать о некоторых предпочтениях выбора контроллеров
по отношению к выбору промышленных компьютеров (ПК). Как известно,
ПК позволяют сосредоточить функции управления и визуализации в одном
месте, используя встраиваемые системы – платы УСО, памяти,
коммуникационные модули и др., а SCADA-системы, требующие больших
объемов памяти и недоступные ПЛК, легко реализуются на ПК.
Промышленные компьютеры, выпускаемые рядом фирм (Advantech,
Axioms, Portwell и др.), удовлетворяют самым жестким условиям
эксплуатации – со степенью защиты лицевой панели IР65, диапазон
рабочих температур от 0 до 50°С. Стандартные операционные системы
(ОС) позволяют использовать инструментальные средства разработки
прикладного программного обеспечения (ПО) различных фирм. Наличие
коммуникационных портов ввода-вывода, механизма взаимодействия ОРС
позволяет ПК взаимодействовать с любым оборудованием – от ПЛК до
любых рабочих станций.
В то же время программируемые логические контроллеры по
сетевым возможностям приближаются к ПК, их память Flash memory
обладает достаточной емкостью для размещения небольших SCADA-
систем. Примером может служить SCADA-система Trace Mode,
размещенная в виде SoftPLC в памяти контроллеров «Лагуна»,
«Ломиконт», «Теконик» и АДЭМ. ПЛК обладают повышенной
надежностью, высоким быстродействием (0,9 мкс и менее на базовую
команду), малыми габаритами, возможностью «горячей» замены модулей
(замена модулей без выключения питания) и др. К дополнительным
возможностям относятся: наличие сторожевого таймера, самодиагностика,
режим автонастройки параметров регулятора и др. Программирование
контроллеров осуществляется в зависимости от задачи и типа контроллера
на различных языках программирования по стандарту IЕС 61131-3.
Широко применяется программный пакет ISaGRAF как интегрированный
пакет разработки и отладки приложений для ПЛК и связи с ПО верхнего
уровня, а также система Ultralogic для программирования контроллеров на
языке FBD по стандарту IЕС 61131-3.
Выбор типа контроллера для системы управления, руководствуясь
критерием цена/производительность, определяется их особенностями. Это
могут быть моноблочные, модульные или встраиваемые контроллеры.
Среди основных характеристик - производительность, максимальное
число каналов ввода-вывода переменных, коммуникационные
возможности (наличие требуемых пользователю портов), надежность,
удобство интерфейса, цена, область распространения и др. При оценке
контроллеров немаловажное значение имеют отдельные его компоненты.
Прежде всего в процессорном модуле - характеристики процессора, объем
памяти, поддержка ОС, стандарт шины расширения, наличие сторожевого
таймера, портов, поддержка определенных сетей, гальваническая
изоляция, индикация состояния, рабочая температура, напряжение питания
и др. [53,54,55,56].
Моноблочные контроллеры имеют встроенные каналы аналогового и
дискретного ввода-вывода. Так, новый моноблочный контроллер Twido
фирмы Schneider Electric имеет 24 входа/выхода с расширением до 88
каналов, моноблочный контроллер FРО фирмы Matsushita имеет 16
дискретных входов и 16 дискретных выходов, моноблочный контроллер
Unitronics М90 Micro фирмы Klinkman имеет аналоговый вход и 16
дискретных входов/выходов и т.д.
Модульные контроллеры имеют число модулей в корзине до 16,
число модулей может быть увеличено за счёт плат расширения и
добавления новых корзин. Модули ввода/вывода аналоговых сигналов
отличаются количеством каналов, разрядностью АЦП и ЦАПов,
диапазоном входных и выходных сигналов, быстродействием, точностью,
напряжением изоляции, защитой от перенапряжений, обнаружением (или
нет) обрыва датчика, степенью ослабления помех, напряжением питания и
др. Модули ввода-вывода дискретных сигналов также отличаются числом
каналов, характеристиками входных и выходных сигналов, наличием
релейных выходов типа «сухой контакт» (СК) или транзисторных выходов
типа «открытый коллектор» (ОК), коммутируемыми напряжением и током,
наличием сторожевого таймера, индикацией состояния и др.
При анализе и выборе коммуникационных модулей промышленных
сетей следует иметь в виду характеристики сетей - скорость и дальность
передачи, число узловых станций, наличие питания по шине, топологию
сети. Следует отметить, что наблюдается расширение применимости
Internet-технологий, SNМР-протокола передачи данных, GSМ-
телемеханики (на базе сотового телефона, модема и SIМ-карты) [58].
К числу модулей специального назначения, которые могут
потребоваться в проекте, относятся модули связи, вычислительные,
логические и диагностические модули, модули часов реального времени и
памяти, позиционирования, технического зрения, барьеров
искробезопасности и др.
Остановимся на тенденциях развития ПО для контроллеров и
встраиваемых систем, промышленных и панельных компьютеров.
Требования пользователя при выборе SCADA-системы заключаются в
выявлении соответствия функциональных возможностей SCADA-системы
требованиям проекта, характеристик инструментальной среды разработки
БД, графического редактора (палитра, тренды, алармы), скриптового
языка, а также характеристик исполнительской среды, т.е. платформы ПК,
экрана, диагностики, защиты от несанкционированного доступа,
резервирования и пр. Немаловажным является сопровождение проекта,
обучение, полнота документации (наличие Неlp) и ее русификация.
Развитие SCADA-систем идет по пути обязательного наличия
интерфейса ОРС, применения языка VВА, расширения коммуникационных
возможностей и функций на уровне операторских станций, повышения
гибкости и открытости пакета, бесплатной среды разработки, модульности
пакета, нормирования SCADA-системы в память контроллера.
Таким образом, сближение технических характеристик ПК и ПЛК,
удовлетворяющих требованиям единого стандарта IЕС 61131 и имеющих
общий механизм взаимодействия программных средств в виде ОРС-
сервера, позволяет на базе ПЛК создавать оптимальные структуры РСУ.
2. 8. 2. 2. Моноблочные (компактные) контроллеры
В зависимости от функциональных возможностей, технических
характеристик и конструктивного исполнения контроллеры можно
условно подразделить на моноблочные или компактные, модульные и РС-
контроллеры (РС-base, РС-совместимые контроллеры).
Моноблочный контроллер представляет собой микропроцессорное
устройство, в котором располагаются источник питания (не обязательно),
центральный процессор (сопроцессоры), память, включающая память
программ и память переменных (как правило, энергонезависимая),
встроенный порт(ы) для выхода в сеть, фиксированное число каналов
аналогового и(или) дискретного ввода/вывода, встроенный ПИД-регулятор
с автонастройкой (необязательно), слот расширения для подключения
дополнительных модулей, ЖК-дисплей (не обязательно), индикаторы
состояния контроллера.
Как правило, контроллеры устанавливаются на DIN-рейку, а
соединения с другими модулями, например с модулем питания, модулем
аналогового ввода, с помощью разъемов или проводников с
наконечниками «под винт». Помимо этих общих характеристик
контроллеры различаются набором встроенных функций, числом базовых
команд, способом программирования и т.п.
Для правильного выбора того или иного типа моноблочного
контроллера рассмотрим отличительные характеристики наиболее
распространенных в промышленной автоматизации моноблочных
контроллеров, перечень которых приведен в табл. 2.4.
Таблица 2.4
Моноблочные контроллеры
№ п/п Наименование контроллера Фирма-производитель
1 FPO «Matsushita», Япония
2 Direct logic «Koyo Electronucs», Япония
3 Decont-182 «ДЭП», Россия
4 Sysmac CPM 1A/2A «Omron», Япония
5 TeleSafe, SmartWire, ScadaPack «Control Microsystems», Канада
6 Simatic S7-200 «Siemens», Германия
7 Simatic S7-300C «Siemens», Германия
8 Simatic C7-620 «Siemens», Германия
9 Versamax Nano, VersaMax
Micro
«General Electric Fanuc»,США-Япония
10 Unitronics M90 Micro «Industrial Automation Systems», Израиль
11 Unitronics Visiologik «Industrial Automation Systems», Израиль
12 Modicon TSX Zelio «Schneider Electric», Франция
13 Modicon TSX Twido «Schneider Electric», Франция
14 FXIS, FXIN «Mitsubishi Electric», Япония
15 Alpha «Mitsubishi Electric», Япония
16 Pico «Rockwell Automation», США
17 MicroLogix «Rockwell Automation», США
18 MC8 «МЗТА», Россия