Гудинов В.Н., Корнейчук А.П. Технические средства автоматизации: Конспект лекций
Подождите немного. Документ загружается.
Базовое ПМО состоит из комплексных программ, поставляемых вместе с
ПЛК, которые «зашиты» в их центральную память, и предназначены для решения
вопросов, связанных с эксплуатацией этих контроллеров. Рассмотрим базовое
ПМО на примере работы алгоритма программы «Монитор» (рис. 40).
После включения ПЛК и его инициализации загружается и запускается монитор,
который выводит признак готовности центрального модуля к работе. После этого
монитор переходит в режим ожидания команды, которая может быть введена с
клавиатуры, с пульта управления или иначе. Введенную команду монитор
распознает и, при ее успешной идентификации (анализа и распознавания) и
отсутствия ошибки, выдает команду на загрузку из центральной памяти
программы, необходимой для выполнения команды. Загруженной программе
передается все дальнейшее управление. После окончания программы монитор
вновь принимает управление на себя. Возможности монитора изменяются от
выполнения небольшого числа команд (например, в случае микроконтроллера), до
управления в реальном времени значительным числом внешних устройств.
Рис. 40. Алгоритм программы «Монитор»
Прикладное (промышленное) программное обеспечение
51
Прикладное программное обеспечение рассмотрим на примере SIMATIC Soft
фирмы «Siemens» – это система тесно связанных инструментальных средств для
программирования и обслуживания систем автоматизации SIMATIC S7/C7, а
также систем компьютерного управления SIMATIC WinAC. Эти
инструментальные средства содержат исчерпывающий набор функций,
необходимых для всех этапов разработки и эксплуатации систем автоматического
управления: планирование, конфигурирование и определение параметров
настройки аппаратуры и систем промышленной связи, разработка программ
пользователя, документирование, тестирование, запуск и обслуживание,
управление технологическими процессами, архивирование данных.
Интегрирование всех пакетов программ в единый интерфейс позволяет
существенно повысить эффективность использования промышленного
программного обеспечения SIMATIC и использовать однородные операции на
всех этапах проектирования и эксплуатации систем промышленной
автоматизации.
Промышленное программное обеспечение SIMATIC разрабатывается с
учетом требований международных стандартов:
– DIN EN 6.1131-3, требованиям которого отвечают все языки программирования
контроллеров SIMATIC. Это облегчает изучение программного обеспечения и
позволяет снизить затраты на подготовку персонала.
– Windows 95/98/NT/Me/2000 с их графическими и объектно-ориентированными
методами проектирования.
Весь комплекс промышленного программного обеспечения SIMATIC
характеризуется следующими показателями:
– Общая система управления данными проекта (рис. 41). Все данные проекта,
например, символьные переменные, параметры конфигурирования и настройки и
т.д., хранятся в общей базе данных. Эти данные доступны всем инструментальным
средствам, используемым в проекте. Это позволяет сократить время разработки
проекта и избежать ошибок, связанных с многократным вводом одних и тех же
данных.
– Согласованная система интегрированных инструментальных средств. Для
каждой фазы разработки проекта могут использоваться свои, наиболее удобные
для выполнения этих задач, инструментальные средства.
– Открытость. Системная платформа промышленного программного обеспечения
SIMATIC открыта для интеграции в офисную среду управления.
Промышленное программное обеспечение SIMATIC отличается высокой
производительностью:
– Проблемно-ориентированные инструментальные средства, обеспечивающие
простоту решения широкого круга задач автоматизации.
– Многократное использование секций программы. Написанные ранее секции
программ могут сохраняться в виде библиотек и легко копируются в новые
проекты.
– Параллельная разработка отдельных частей проекта несколькими
проектировщиками.
52
– Встроенные диагностические функции, существенно снижающие время отладки
любой программы.
– Снижение затрат на проектирование за счет сокращения сроков его выполнения.
Рис. 41. ПМО SIMATIC Soft
Стандартные инструментальные средства используются для
программирования аппаратуры SIMATIC S7/C7. Они включают в свой состав:
– STEP 7: полная версия пакета программирования всех систем автоматизации
SIMATIC за исключением S7-200.
– STEP 7 Mini: упрощенный пакет для программирования систем автоматизации
SIMATIC S7-300 и SIMATIC-C7.
– STEP 7 Micro: наиболее простой пакет для программирования контроллеров
SIMATIC S7-200.
Инструментальные средства проектирования имеют проблемную
ориентацию и используются для расширения функциональных возможностей
стандартных инструментальных средств. Применение инструментальных средств
данного класса повышает удобство выполнения проектных работ, сокращает
сроки проектирования и затраты на его выполнение. В состав инструментальных
средств проектирования входят языки программирования высокого уровня,
графические языки программирования, вспомогательное программное
обеспечение для диагностики, моделирования, ведения документации и т.д.
Программное обеспечение Runtime позволяет использовать при разработке
проектов заранее созданные программные блоки, выполняющие стандартные
функции автоматического управления. Эти блоки могут вызываться из программы
пользователя. Программное обеспечение runtime подразделяется на аппаратно
53
зависимое и аппаратно независимое. Аппаратно зависимое программное
обеспечение разрабатывается для конкретных видов оборудования, аппаратно
независимое находит общее применение.
Человеко-машинный интерфейс включает в свой состав программное
обеспечение для оперативного управления и мониторинга технологического
процесса. Для решения этих задач могут быть использованы следующие пакеты
программ: ProTool и ProTool/Lite, используемые для конфигурирования панелей
оператора SIMATIC OP/TP/TD/MP и создания простых проектов визуализации на
компьютерах, ProAgent, используемый для построения систем диагностирования
технического состояния, SCADA система WinCC.
7. СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННЫХ СЕТЕЙ
В течение многих лет системы обмена данными строились по традиционной
централизованной схеме, в которой имелось одно мощное вычислительное
устройство и огромное количество кабелей, посредством которых осуществлялось
подключение датчиков и исполнительных механизмов. Такая структура
диктовалась высокой ценой ЭВМ и относительно низким уровнем автоматизации
производства. На сегодняшний день у этого подхода практически не осталось
приверженцев. Такие недостатки централизованных АСУ ТП, как большие затраты
на кабельную сеть и вспомогательное оборудование, сложный монтаж, низкая
надежность и сложная реконфигурация, сделали их во многих случаях абсолютно
неприемлемыми как экономически, так и технологически.
В условиях бурно растущего производства микропроцессорных устройств
альтернативным решением стали цифровые промышленные сети (Fieldbus),
состоящие из многих узлов, обмен между которыми производится цифровым
способом. На сегодняшний день на рынке представлено около сотни различных
типов промышленных сетей, протоколов и интерфейсов, применяемых в системах
автоматизации среди которых Modbus, PROFIBUS, Interbus, Bitbus, CAN, LON,
Foundation Fieldbus, DH+, Control Net, Device Net, Ethernet и др.
Использование промышленной сети позволяет расположить узлы, в качестве
которых выступают контроллеры и интеллектуальные устройства ввода-вывода,
максимально приближенно к оконечным устройствам (датчикам и
исполнительным механизмам), благодаря чему длина аналоговых линий
сокращается до минимума. Каждый узел промышленной сети выполняет несколько
функций:
– прием команд и данных от других узлов промышленной сети;
– считывание данных с подключенных датчиков;
– преобразование полученных данных в цифровую форму;
– отработка запрограммированного технологического алгоритма;
– выдача управляющих воздействий на подключенные исполнительные механизмы
по команде другого узла или согласно технологическому алгоритму;
– передача накопленной информации на другие узлы сети.
АСУ ТП на базе промышленных сетей по сравнению с традиционными
централизованными системами имеют несколько особенностей:
54
1. Существенная экономия кабельной продукции. Вместо километров
дорогих кабелей требуется несколько сот метров дешевой витой пары. Также
сокращаются расходы на вспомогательное оборудование (кабельные каналы,
клеммы, шкафы).
2.Повышение надежности системы управления. По надежности
цифровой метод передачи данных намного превосходит аналоговый.
Передача в цифровом виде малочувствительна к помехам и гарантирует
доставку информации благодаря специальным механизмам, встроенным в
протоколы промышленных сетей (контрольные суммы, повтор передачи
искаженных пакетов данных). Повышение надежности функционирования и
живучести АСУ ТП на базе промышленных сетей также связано с
распределением функций контроля и управления по различным узлам сети.
Выход из строя одного узла не влияет либо влияет незначительно на отработку
технологических алгоритмов в остальных узлах. Для критически важных
технологических участков, возможно дублирование линий связи или наличие
альтернативных путей передачи информации. Это позволяет сохранить
работоспособность системы в случае повреждения кабельной сети.
3.Гибкость и модифицируемость. Добавление или удаление отдельных точек
ввода-вывода и даже целых узлов требует минимального количества монтажных
работ и может производиться без остановки системы автоматизации.
Переконфигурация системы осуществляется на уровне программного
обеспечения и также занимает минимальное время.
4.Использование принципов открытых систем, открытых технологий, что
позволяет успешно интегрировать в единую систему изделия от различных
производителей.
В 1978 году Международной организацией по стандартизации (ISO) в
противовес закрытым сетевым системам и с целью разрешения проблемы
взаимодействия открытых систем с различными видами вычислительного
оборудования и разными стандартами протоколов была предложена
«Описательная модель взаимосвязи открытых систем» (модель ISO/OSI),
которая распределяет сетевые функции по семи уровням (физический,
канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представления, прикладной).
Иерархия АСУ промышленным предприятием обычно представляется в виде
многоэтажной пирамиды (рис. 4), определяющей разные уровни управления:
– Уровень управления и планирования предприятием (ERP/MES);
– Уровень управления технологическими процессами (SCADA/HMI);
– Уровень управления устройствами объекта автоматизации (Control I/O).
В последнее время рассмотренная структура систем управления существенно
усложняется, при этом стираются четкие грани между различными уровнями. Это
связано с проникновением Internet-технологий в промышленную сферу,
значительными успехами промышленного Ethernet, использованием некоторых
промышленных сетей Fieldbus во взрывоопасных зонах на предприятиях
химической, нефтегазовой и других отраслей промышленности с опасными усло-
виями производства. Кроме того, появление интеллектуальных датчиков и
исполнительных механизмов и интерфейсов для связи с ними фактически означает
55
появление самого нижнего уровня АСУ ТП - уровня сети оконечных устройств
(рис. 42).
Рис. 42. Структура многоуровневого ПТК
Большое разнообразие открытых промышленных сетей, интерфейсов и
протоколов связано с многообразием требований автоматизируемых
технологических процессов. Эти требования не могут быть удовлетворены
универсальным и экономически оптимальным решением. Сейчас уже очевидно, что
ни одна из существующих сетей не станет единственной, похоронив все остальные.
Когда обсуждается вопрос о выборе типа промышленной сети, необходимо
уточнять, для какого именно уровня автоматизации этот выбор осуществляется. В
зависимости от места сети в иерархии промышленного предприятия требования к
ее функциональным характеристикам будут различны. Рассмотрим наиболее
часто используемые промышленные сети.
7.1. AS-интерфе й с
AS-интерфейс (Actuators/Sensors interface) – интерфейс исполнительных
устройств и датчиков является открытой промышленной сетью нижнего уровня
систем автоматизации, которая предназначена для организации связи с
исполнительными устройствами и датчиками. AS-интерфейс позволяет
подключать датчики и исполнительные механизмы к системе управления на основе
построения сети с использованием одного двухжильного кабеля, с помощью
которого обеспечивается как питание всех сетевых устройств, так и опрос датчиков
и выдача команд на исполнительные механизмы.
На рис. 43 на примере древовидной структуры показано, как различные
компоненты AS–интерфейса могут быть соединены между собой:
56
Рис. 43. Структура AS-интерфейса
– Ведущее устройство (ПЛК SIMATIC);
– Ведомые устройства (модули AS–интерфейса для подключения стандартных
периферийных устройств и механизмов; датчики/исполнительные механизмы со
встроенным AS–интерфейсом);
– Ответвители и повторители AS–интерфейса;
– Кабель AS–интерфейса;
– Блок питания AS–интерфейса;
– Прибор для задания адресов;
– Программа SCOPE для AS–интерфейса.
При наличии в системе специальных модулей AS-интерфейс позволяет
подключать обычные широко распространенные датчики и исполнительные
механизмы. Кроме того, в настоящее время существенно расширяется
номенклатура датчиков и исполнительных механизмов со встроенной в их
электронную часть интегральной микросхемой ведомого устройства AS-
интерфейса.
57
7.2. PROFIBUS
Задачи в области промышленной связи часто требуют разных решений. В
одном случае необходим обмен сложными, длинными сообщениями со средней
скоростью. В другом – требуется быстрый обмен короткими сообщениями с
использованием упрощенного протокола обмена, например, с датчиками или
исполнительными механизмами. В третьем случае необходима работа во взрыво- и
пожароопасных условиях производства. PROFIBUS – это семейство
промышленных сетей, обеспечивающее комплексное решение коммуникационных
проблем предприятия. Под этим общим названием понимается совокупность трех
различных, но совместимых протоколов: PROFIBUS-FMS/DP/PA (рис. 44).
Протокол PROFIBUS-FMS появился первым и был предназначен для работы
на так называемом цеховом уровне. Основное его назначение – передача больших
объемов данных.
Протокол PROFIBUS-DP применяется для высокоскоростного обмена
данными между ПЛК и распределенными УСО. Физическая среда передачи –
экранированная витая пара стандарта RS-485. Скорость обмена прямо зависит от
длины сети и варьируется от 100 кбит/с на расстоянии 1200 м до 12 Мбит/с на
дистанции до 100 м. Взаимодействие узлов в сети определяется моделью «Master-
Slave» (ведущий-ведомый). Master последовательно опрашивает подключенные
узлы и выдает управляющие команды в соответствии с заложенной в него
технологической программой. Протокол обмена данными гарантирует опреде-
ленное время цикла опроса в зависимости от скорости обмена и числа узлов сети,
что позволяет применять PROFIBUS в системах реального времени.
PROFIBUS-PA – это сетевой интерфейс, физическая среда передачи данных
которого соответствует стандарту IEC 61158-2, может применяться для построения
сети, соединяющей исполнительные устройства, датчики и контроллеры,
расположенные непосредственно во взрывоопасной зоне.
58
Рис. 44. Примеры конфигураций сетей PROFIBUS
59
7 . 3 . E T H E R N E T
На уровне управления производством сети Ethernet уже давно завоевали себе
прочное лидирующее место. Решения на базе Ethernet практически вытеснили все
остальные из офисных распределенных приложений, и сегодня Ethernet является
основным средством обмена в локальных сетях. В последнее время Ethernet стал
активно проникать и в комплексы управления производственными процессами.
Появился целый ряд аппаратных средств (коммутаторов и концентраторов), вы-
полненных в соответствии с требованиями промышленных условий эксплуатации.
Использование Ethernet, как физической среды передачи данных, приводит к
использованию хорошо адресуемых логических протоколов. Уже сейчас
большинство устройств поддерживают протокол TCP/IP. Это позволяет легко
интегрировать локальные системы управления технологическими процессами в
сети любого масштаба, включая глобальную сеть Internet.
Отличительные особенности сети Industrial Ethernet:
– Промышленная сеть верхних уровней управления, отвечающая требованиям
международного стандарта IEEE 802.3 (Ethernet);
– Обеспечение гомогенной и гетерогенной связи между системами автоматизации,
компьютерами и рабочими станциями;
– Возможность применения открытых сетевых решений;
– Общепризнанный мировой стандарт организации промышленной связи.
– Основа для применения информационных технологий в системах автоматизации
– Поддержка Web функций, функций электронной почты, WAN связи;
– Простое и быстрое подключение сетевых компонентов;
– Высокая гибкость: существующие сети могут расширяться без их остановки;
– Высокая надежность, достигаемая использованием резервированных топологий;
– Возможность применения в офисных и промышленных условиях;
– Использование оборудования множества производителей за счет подключения к
WAN (wide area network), например, ISDN или Internet;
– Высокая производительность. Так выпускавшиеся ранее компоненты SIMATIC
NET для Industrial Ethernet со скоростью передачи данных 10Мбит/с дополнены
новыми компонентами Fast Ethernet со скоростью передачи данных 100Мбит/с.
Сеть Fast Ethernet является дальнейшим развитием технологии Ethernet.
Стандарт Fast Ethernet IEEE 802.3u в основном базируется на классическом
стандарте Ethernet для промышленных витых пар и предусматривает увеличение
скорости передачи данных с 10 до 100Мбит/с. Новый стандарт позволяет получить
целый ряд преимуществ:
– В сетях Fast Ethernet могут использоваться все существующие наработки для
Ethernet, причем, дополнительных знаний не требуется;
– Технология Fast Ethernet может вводиться в действие на объектах Ethernet
немедленно;
– Industrial Ethernet поддерживает поэтапный переход от 10 к 100Мбит/с
технологии.
60