Андреев Е.Б., Ключников А.И. и др. Автоматизация технологических процессов добычи и подготовки нефти и газа

Подождите немного. Документ загружается.

К наиболее часто встречающимся типам процессоров, исполь-

зуемым при изготовлении ПЛК, относятся процессоры фирм In-

tel, AMD, Motorola.

Рабочая частота процессора, так же как и разрядность сис-

темной шины, определяют быстродействие контроллера. На ран-

них этапах производители использовали 8- и 16-разрядные ши-

ны. В современных контроллерах используются 32-и 64-раз-

рядные системные шины и микропроцессоры с рабочими часто-

тами от десятков до сотен мегагерц (МГц).

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) или RAM

(random access memory - память с произвольным доступом)

представляет собой тип памяти, которая позволяет чтение и за-

пись в любую ячейку без предварительного поиска. В контролле-

рах этот тип памяти используется для хранения программ и зна-

чений технологических параметров (данных). ОЗУ теряет ин-

формацию при отключении питания, однако существуют «энер-

гонезависимые» модули ОЗУ, содержащие встроенный источник

автономного питания. По принципу действия ОЗУ делятся на

статические (SRAM) и динамические (DRAM). Динамическая

память составляет основной массив ОЗУ.

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) или ROM (Read

Only Memory - память только для чтения) устроена в виде адре-

суемого массива ячеек (матрицы), каждая ячейка которого может

кодировать единицу информации. Данные на ROM записывают-

ся при ее изготовлении.

В контроллерах память типа ПЗУ используется для хранения

программ пользователя. Данный тип памяти не получил широко-

го распространения в связи с тем, что современное программное

обеспечение часто требует обновления, в то время как производ-

ственный цикл изготовления памяти достаточно длителен.

К преимуществам этого типа памяти следует отнести низкую

стоимость и высокую скорость доступа к ячейке памяти. Но име-

ется существенный недостаток, из-за которого этот тип памяти

не получил распространения - невозможность записывать и мо-

дифицировать данные после изготовления.

EPROM (СППЗУ), EEPROM (ЭСППЗУ) и Flash (флэш)

относятся к классу энергонезависимой перезаписываемой памяти.

Различные источники по-разному расшифровывают аббревиа-

туру EPROM - как Erasable Programmable ROM (стираемые про-

граммируемые ПЗУ) или как Electrically Programmable ROM

(электрически программируемые ПЗУ). В EPROM перед запи-

сью необходимо произвести стирание всей микросхемы посред-

ством облучения чипа ультрафиолетовыми или рентгеновскими

лучами в течение нескольких минут. Запись на EPROM осуще-

ствляется на программаторах.

181

Большим достоинством такой памяти является возмож-

ность перезаписывать содержимое микросхемы. К недостаткам

можно отнести небольшое число циклов перезаписи и высокую

вероятность «недотереть» (что в конечном итоге приведет к

сбоям).

EEPROM - электрически стираемая память (ЭСППЗУ) была

разработана в 1979 г. в компании Intel.

Главной отличительной особенностью EEPROM (в том числе

и Flash) от ранее рассмотренных типов энергонезависимой памя-

ти является возможность перепрограммирования при подключе-

нии к стандартной системной шине микропроцессорного устрой-

ства. В EEPROM появилась возможность производить стирание

отдельной ячейки при помощи электрического тока. Для

EEPROM стирание каждой ячейки выполняется автоматически

при записи в нее новой информации, т.е. можно изменить дан-

ные в любой ячейке, не затрагивая остальные.

Преимущества EEPROM по сравнению с EPROM: увеличен-

ный ресурс работы; недостаток - высокая стоимость. В контрол-

лерах этот тип памяти используется как для хранения программ,

так и для хранения данных.

Flash (флэш) относятся к классу энергонезависимой переза-

писываемой памяти. Flash обладает достаточно высокой скоро-

стью доступа, энергонезависима и имеет невысокую стоимость.

Благодаря этим свойствам Flash нашла широкое применение в

контроллерах.

13.4. ХАРАКТЕРИСТИКА КАНАЛОВ ВВОДА/ВЫВОДА

Важно не только количество каналов ввода/вывода, поддер-

живаемое конкретным контроллером (памятью контроллера), но

и разнообразие модулей ввода/вывода по количеству и уровням

коммутируемых сигналов (ток/напряжение), способы подклю-

чения внешних цепей к модулям ввода/вывода, количество кана-

лов локального, расширенного и удаленного ввода/вывода.

• Большинство фирм-производителей поставляют на рынок

средств и систем автоматизации семейства контроллеров, каждое

из которых рассчитано на определённый набор выполняемых

функций и объём обрабатываемой информации. Среди них име-

ются семейства самых малых контроллеров (микро) небольшой

вычислительной мощности, способных поддерживать максимум

несколько десятков вводов/выводов, в основном, дискретных.

Область применения таких контроллеров - сбор данных и сис-

темы противоаварийной защиты.

Семейства малых контроллеров способны поддерживать уже

182

• Одной из важнейших характеристик контроллеров является

их способность поддерживать локальный, расширенный и уда-

лённый ввод/вывод.

Под локальным

следует

понимать такой ввод/вывод, когда

модули ввода/вывода размещаются непосредственно на том же

шасси (плате), на котором размещен и модуль центрального про-

цессора. Так как количество слотов в шасси ограничено (макси-

мум 16-18 для некоторых контроллеров), то и количество ло-

кальных вводов/выводов может быть также ограничено. Пре-

имущество локальных вводов/выводов заключается в том, что

они имеют высокую скорость обновления данных. При всех про-

чих равных условиях, скорость обработки этих вводов/выводов

очень высока. Эта характеристика особенно важна, когда речь

идет о регулировании технологических параметров.

Для поддержки большего числа переменных фирмы-

производители аппаратных средств снабдили свои системы воз-

можностью

расширения

локального ввода/вывода. Шасси рас-

ширения с размещенными в них модулями ввода/вывода соеди-

няются с шасси центрального процессора и между собой специа-

лизированным коротким кабелем и могут быть отнесены макси-

мум на несколько метров от центрального процессора. Некото-

рые комплексы контроллеров способны поддерживать одно/два

шасси расширения, другие - десять и более шасси с очень боль-

шим количеством модулей ввода/вывода.

Такая конфигурация, называемая централизованной, подразу-

мевает, что центральный контроллер и стойки расширения раз-

мещены в одном помещении или одном шкафу управления.

В качестве примера централизованного расширения можно

привести контроллеры Simatic S7-400 (рис. 13.7). В состав

этих контроллеров входят интерфейсные модули (IM - Interface

Module), предназначенные для организации связи между базо-

вой стойкой и стойками расширения централизованной си-

стемы.

Рис. 13.7. Организация расширенного ввода/вывода контроллеров S7-400

184

Рис. 13.8. Удаленный ввод/вывод Quantum с резервированием канала связи

Интерфейсный модуль IM 460-0 используется в качестве

передатчика в системе централизованного расширения с удале-

нием стоек расширения до 3 метров. Модуль устанавливается в

центральном контроллере (до 6 модулей). Один IM 460-0

поддерживает до 4 стоек и работает в комплекте с приёмником

IM 461-0, устанавливаемым в стойках расширения. В модуль

IM 461-0 встроено два интерфейса: для подключения с помощью

кабеля к предыдущему устройству и последующему. В последнем

модуле IM 461-0 устанавливается терминатор (концевой рези-

стор).

Процессорный модуль в стойки расширения не устанавлива-

ется.

Удалённый

ввод/вывод применяется

в тех

случаях, когда

объекты управления находятся на достаточно большом расстоя-

нии от центрального процессора. Такой подход позволяет

уменьшить стоимость линий связи за счет того, что модули вво-

да/вывода размещаются вблизи полевых устройств.

Фирмы-производители аппаратных средств автоматизации

решают проблему удалённого ввода/вывода по-разному.

Поддержка удалённых вводов/выводов может осуществляться

посредством модулей, называемых «удаленный ведущий» и «уда-

ленный ведомый». Ведущий модуль располагается в локальном

каркасе контроллера и соединяется кабелем с «удалённым ведо-

мым», который находится в удалённом каркасе. Один ведущий

модуль может поддерживать 32, 64, 125 ведомых. В свою оче-

редь, некоторые процессоры могут поддерживать несколько ве-

дущих модулей. Таким образом, системы управления, построен-

ные по технологии удалённого ввода/вывода, способны обраба-

тывать многие тысячи параметров.

185

Например, процессор контроллера Quantum обеспечивает

управление локальным и удалённым (RIO-Remote Ю) вводом/

выводом.

Для конфигурирования удаленного ввода/вывода в си-

стеме Quantum предусмотрены соответствующие модули

(рис. 13.8):

- модуль головного канала RIO;

- модуль подканала RIO.

Модуль головного канала RIO устанавливается в ту же мон-

тажную панель, что и модуль центрального процессора, управ-

ляющий системой ввода/вывода. Он используется для двуна-

правленной передачи данных между центральным процессором и

модулями подканалов RIO, установленных на удаленных пане-

лях. Для подключения в сеть модуля головного RIO и одного

или более модулей подканалов RIO (до 31) используется

коаксиальный кабель. Скорость передачи данных по сети RIO -

1,5 Мбит/с, протяженность сети - до 5250 м.

В системе имеются модули удаленного ввода/вывода с оди-

нарным и сдвоенным каналом:

- модули головного канала: одинарный 140 CRP 931 00, сдво-

енный 140 CRP 932 00;

- модули подканала RIO: одинарный 140 CRA 931 00, сдво-

енный 140 CRA 932 00.

Вариант схемы с двойным кабелем разработан для систем,

требующих особой надежности. Диагностика кабеля и проверка

его целостности проводятся автоматически на головном модуле и

каждом из узлов. В случае обрыва кабеля система Quantum опо-

вещает пользователя с помощью сигнального светодиода и внут-

ренней программы проверки работоспособности, результаты ра-

боты которой доступны оператору.

13.5. КОММУНИКАЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ

КОНТРОЛЛЕРОВ

Распределенная обработка информации в сложных системах

управления, информационный обмен между компонентами сис-

темы и другие задачи обычно решаются с использованием ин-

формационно-вычислительных сетей.

Прежде чем перейти к рассмотрению типовых сетевых архи-

тектур современных систем управления необходимо ввести не-

сколько понятий.

•

186

Рис. 13.9. Топология сетей

к другому по кольцу. В топологии «звезда» каждый узел осуще-

ствляет прямую связь с другими через активный коммутатор

(лёгкость наращивания узлов сети, высокая надёжность цен-

трального узла). Топология перевернутое дерево имеет разветв-

ленную структуру, в которой объединяются несколько коммута-

торов. Один из коммутаторов - центральный - составляет осно-

ву перевернутого дерева. Сверху (иерархия) к нему подключают-

ся рабочие станции уровня ОПС. Остальные коммутаторы под-

ключаются к центральному коммутатору снизу (ветви перевер-

нутого дерева) и являются сегментами сети управления. Каждый

сегмент может объединять в сеть несколько узлов (контрол-

леров).

СПОСОБЫ ДОСТУПА

По способу доступа узла к передающей среде ЛВС разделя-

ются на сети:

- с командным доступом;

ТОПОЛОГИЯ СЕТЕЙ

В локальных вычислительных сетях систем управления наи-

более широко применяются четыре вида топологии: шина, коль-

цо, звезда, перевернутое дерево и их сочетание (рис. 13.9).

В шинной топологии узлы сети подключаются к одному ка-

налу передачи данных. В кольцевой топологии каждый узел свя-

зан с двумя соседними, и информация передается от одного узла

187

- со случайным доступом;

- с доступом на основе эстафетной передачи.

В командных ЛВС контроллер сети поочередно опрашивает

все узлы сети и управляет пересылками информации между уз-

лами. В качестве примера таких сетей (ведущий/ведомый, мас-

тер/подчиненный) можно назвать следующие сети: MODBUS,

PROFIBUS-DP, Interbus, ASI и др.

В ЛВС со случайным доступом все узлы сети непрерывно

следят за сетевым трафиком (передачей данных). Когда трафик

не обнаруживается, любой узел сети может начать передачу

(равноправная сеть). Если два или более узлов начинают переда-

чу одновременно, то возникает конфликтная ситуация (колли-

зия). Она обнаруживается всеми узлами сети, а начавшие одно-

временно передачу узлы «штрафуются» случайным по длитель-

ности тайм-аутом. Ярким примером таких сетей является

Ethernet.

В ЛВС с эстафетной передачей (шина или кольцо с маркер-

ным доступом) подразумевается использование специального

пакета данных (маркера), который предоставляет возможность

его держателю передавать информацию. Любой узел сети, же-

лающий передавать информацию, должен дождаться получения

маркера. Получив его, он передает данные и затем пересылает

маркер следующему узлу. Пример таких сетей - PROFIBUS-DP.

КАНАЛ

Термин канал (среда) передачи данных служит для описания

физического пути между узлами сети. Обычно в качестве среды

передачи данных используются:

- кабель из витых пар проводов;

- коаксиальный кабель;

- волоконно-оптический кабель;

- выделенные и коммутируемые телефонные линии;

- радиоканал;

- спутниковая связь.

СЕТЕВОЙ ПРОТОКОЛ

Для обеспечения безошибочности и максимального удобства

передачи информации сетевые операции регулируются набором

правил и соглашений, называемых сетевым протоколом. Сетевой

протокол определяет типы разъёмов, кабелей, сигналы, форматы

данных и способы проверки ошибок.

188

Рис. 13.10. Сетевая архитектура системы управления

Сетевая архитектура современных систем управления строит-

ся, как правило, по смешанной топологии. Способы доступа, сре-

да передачи данных и протоколы определяются требованиями,

предъявляемыми к системе, и, следовательно, программно-

техническими средствами, используемыми в конкретной системе

управления.

На рис. 13.10 приведена схема одного из вариантов сетевой

архитектуры системы управления: На схеме достаточно четко

просматриваются три уровня сети:

- уровень обмена информацией между полевыми устройства-

ми (измерительными преобразователями, исполнительными уст-

ройствами) и модулями ввода/вывода;

- уровень обмена данными между локальными контроллера-

ми, удалённым вводом/выводом и концентратором данных;

189

- уровень обмена данными между концентратором, сервером

и компьютерами АРМ операторов/диспетчеров и специалистов.

На нижнем уровне обмен информацией между полевыми

устройствами и модулями ввода/вывода возможен двумя путями:

традиционным способом по физическим каналам связи (провод-

ная связь) и по цифровой полевой шине. Традиционный способ

подразумевает передачу информации в виде сигналов напряже-

ния или тока (например, 4...20 мА пропорционально измеряемо-

му параметру - аналоговая информация) или в виде сигналов

напряжения двух уровней (напряжение одного уровня - нуль,

напряжение другого уровня - единица, дискретная инфор-

мация).

В последние годы проявилась тенденция применения в систе-

мах управления технологий сквозного сетевого доступа: от

компьютеров верхнего уровня до полевых устройств. При этом

подразумевается применение интеллектуальных полевых уст-

ройств (датчиков и ИУ с встроенным микропроцессором), спо-

собных взаимодействовать с контроллерами по цифровым шинам

(сетям).

Не вдаваясь в подробности цифровой передачи данных на

этом уровне, следует отметить, что применение полевых шин по-

зволяет:

- проводить удаленную настройку датчиков на требуемый

диапазон измерения через полевую шину;

- обеспечить электропитание от блоков питания контроллеров

через полевую шину;

- увеличить информационный поток между контроллером и

приборами;

- при наличии самодиагностики передавать сообщения о не-

исправностях в приборах по полевой шине оператору.

Наиболее известные цифровые протоколы - HART и

Foundation Fieldbus (FF).

Одна из основных функций локальных контроллеров -

управление (непрерывное и дискретное) технологическим про-

цессом. Сети передачи данных на этом уровне называются

управляющими. Они должны удовлетворять следующим требо-

ваниям:

- скорость передачи, соответствующая задачам реального вре-

мени;

- объём передаваемых данных;

- протяжённость сети;

- допустимое количество узлов в сети.

Сегодняшняя ситуация на рынке промышленных управляю-

щих сетей - это Profibus, Modbus, Genius, DH+, ControlNet, In-

dustrial Ethernet и многие другие сети. Это сети уровня контрол-

190