Шишов О.В. - Программируемые контроллеры в системах промышленной автоматизации. Учебник, 2023. - 367 с

Б А К А Л А В Р И
ISBN 978-5-16-011205-3
ПРОГРАММИРУЕМЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ
ШИШОВ Олег Викторович
Родился 15 июля 1962 года в г. Саранске. Закончил
Мордовский государственный университет по спе­
циальности «инженер электронной техники» (1984).
Кандидат технических наук (1988). Доцент ВАК
(1995). Доцент кафедры автоматики (1994-2012),
профессор кафедры электроники и наноэлектрони­
ки (с 2012 года и по настоящее время) Мордовского
государственного университета имени Н.П. Огарева.
Область научных интересов: микропроцессорные
и компьютерные системы управления технологиче­
скими процессами; аналого-цифровые и цифро-ана­
логовые преобразователи повышенной точности.
Автор более 150 научных и учебно-методических
работ, в том числе более 30 учебников, пособий
и монографий (с грифами Министерства образова­
ния и науки Российской Федерации, УМО), автор­
ских свидетельств на изобретения и патентов.
В СИСТЕМАХ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ
I
О.В. Шишов
ПРОГРАММИРУЕМЫЕ
КОНТРОЛЛЕРЫ
В СИСТЕМАХ ПРОМЫШЛЕННОЙ
АВТОМАТИЗАЦИИ
ХЭ лектронно-
9 785 60 112053
сЪ
р» ибл иотечная
С
и
с
т е
ал
а
znanium.com
Уважаемый читатель!
Вы держите в руках книгу,
дополнительные материалы которой
доступны Вам БЕСПЛАТНО
в Интернете на www.znanium.com
Специального программного
обеспечения не требуется
ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - БАКАЛАВРИАТ
серия основана в 1 996 г.
О.В. Шишов
ПРОГРАММИРУЕМЫЕ
КОНТРОЛЛЕРЫ В СИСТЕМАХ
ПРОМЫШЛЕННОЙ
АВТОМАТИЗАЦИИ
УЧЕБНИК
Рекомендовано Федеральным государственным бюджетным
образовательным учреждением высшего образования «Московский
государственный технологический университет «СТАНКИН»
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки
11.03.04 «Электроника и наноэлектроника»
(квалификация (степень) «бакалавр»)
Еэ иблиотечная
с и с т « гл я
znanium.com
Москва
ИНФРА-М
2023
УДК 681.5(075.8)
ББК 32.965я73
Ш65
Учебник занял первое место в номинации «Лучший учебник по техническим
специальностям» в конкурсе изданий Национального исследовательского
Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева в 2015/16 г.
Автор:
Олег Викторович Шишов, канд. техн, наук, профессор кафедры электроники и на­
ноэлектроники Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева .
Рецензенты:
кафедра вычислительной техники Пензенского государственного университета;
Д.Ю. Петров, канд. техн, наук, ст. науч, сотрудник лаборатории системных
проблем управления и автоматизации в машиностроении Института проблем
точной механики и управления РАН
Шишов О.В.
Ш65
Программируемые контроллеры в системах промышленной автомати­
зации : учебник / О.В. Шишов. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 365 с. +
Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование:
Бакалавриат). — DOI 10.12737/ 17505.
ISBN 978-5-16-011205-3 (print)
ISBN 978-5-16-103331-9 (online)
Учебник посвящен вопросам проектирования систем автоматизированного
управления технологическими процессами низового и среднего звена производ­
ства на базе программно-технических комплексов, включающих кроме програм­
мируемых контроллеров операторные панели, устройства связи с объектом,
цифровые сети, интеллектуальные датчики и исполнительные механизмы.
Рассматриваются языки стандарта МЭК 61131-3 и особенности их использования
при создании прикладного программного обеспечения контроллеров.
Учебник написан в соответствии с требованиями Федерального государ­
ственного образовательного стандарта высшего образования последнего поко­
ления.
Предназначен для студентов технических специальностей высшей школы.
УДК 681.5(075.8)
ББК 32.965я73
Материалы, отмеченные знаком С S, доступны
в электронно-библиотечной системе Znanium
ISBN 978-5-16-011205-3 (print)
ISBN 978-5-16-103331-9 (online)
© Шишов О.В., 2016
ВВЕДЕНИЕ
За грохочущим производственным оборудованием, за всеми хит­
росплетениями трубопроводов, кабелей, за игрой индикаторов, за
прочно вошедшими в нашу жизнь компьютерами стоит специалист
по автоматике — инженер, способный разрабатывать, внедрять и под­
держивать в работоспособном состоянии систему информационных
и силовых взаимосвязей элементов оборудования. Развитие науки
и техники диктует все новые требования к уровню его подготовки.
С появлением в 1970-х гг. микропроцессорной элементной базы
начался современный этап становления и развития систем управления
технологическими объектами. Широкое применение микропроцес­
соров привело к фундаментальным сдвигам в области автоматизации.
Применение элементов вычислительной техники для организации
измерений и обработки данных в различных технических системах
позволяет добиться таких качественных показателей, которых нельзя
было достичь при применении аналоговой техники — многозадачно­
сти, долговременной метрологической стабильности, возможности
взаимодействия большого количества разнопланового оборудования.
Без применения этой техники мы не смогли бы обеспечить необхо­
димого сегодня уровня ее функциональности, в том числе развитого
человеко-машинного интерфейса.
При широком применении этой техники динамика в мире авто­
матизации сегодня определена однозначно — это все возрастающая
потребность в комплексных решениях. Доминирующей тенденцией
развития современных микропроцессорных систем управления яв­
ляется разработка проектов автоматизации для различных областей
применения с использованием одинаковых базовых решений и стан­
дартных компонентов. Такие проекты автоматизации должны отли­
чаться низкой стоимостью, простотой обслуживания, минимальными
затратами на проектирование.
Практическую реализацию эта тенденция нашла в выпуске ти­
повых устройств автоматизации в рамках программно-технических
комплексов, элементы которых уже при создании ориентируются на
возможность совместного использования. В состав этих комплексов,
кроме базовых компонентов — промышленных программируемых
контроллеров, входят операторные панели, компоненты по органи­
зации работы в промышленной сети, устройства связи с объектами
технологических процессов.
Современный инженер, работающий в области автоматизации про­
изводства, должен не только хорошо знать существующие технические
средства, но и ориентироваться в тенденциях их совершенствования
з
и использования. Данная книга в первую очередь рассчитана на тех,
кто делает первые шаги в этой области. Вместе с тем она будет полезна
и специалистам, так как она достаточно широко обобщает и пред­
ставляет с общих позиций конкретные знания, документы и подходы,
накопленные в этой области.
Приведенные в книге примеры ни в коей мере не претендуют на
полноту представления того или иного класса устройств. Они подби­
рались так, чтобы у читателя сложилось общее представление о наборе
их базовых функций и вариантах исполнения, типовых значениях
параметров и характеристик. Именно это должно позволить в буду­
щем каждому самостоятельно ориентироваться в многообразии уже
выпускаемых и вновь появляющихся устройств.
Книга заканчивается большим практическим разделом, который
посвящен описанию методических подходов к изучению программи­
руемых промышленных контроллеров и языков их программирования,
возможностей операторных панелей, модулей удаленного ввода-вы­
вода, цифровых промышленных сетей. Все это представляется макси­
мально конкретно — приводятся описания стендов для организации
практического изучения комплекса оборудования, выпускаемого од­
ним из известных его производителей, примеры, которые раскрывают
возможности оборудования и программного обеспечения, необходи­
мого для работы с ним.
Данная книга содержит большой перечень источников — книг,
статей, сайтов, посвященных соответствующей тематике. Обращение
к ним позволит читателю получить дополнительную информацию из
первых уст, разобраться в деталях, которые не нашли отражения в этом
издании. В конце книги помещены приложения, которые, по нашему
мнению, должны быть под рукой при изучении ее отдельных теоре­
тических разделов, при повторении приведенных и самостоятельной
реализации более сложных практических примеров.
1.
ПРОМЫШЛЕННЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ ОБЩАЯ АРХИТЕКТУРА
И АППАРАТНЫЕ РЕСУРСЫ
В конце 1960-х гг. большинство производств все еще основывалось
на системах управления, состоящих из сотен шкафов с реле, так что
для инженеров-электриков, изо дня в день поддерживающих работу
всей этой «кухни», появление контроллеров на базе элементов вы­
числительной техники стало настоящим событием.
Изобретателем программируемых контроллеров (точнее, основопо­
ложником этого технического направления) считается Ричард Морли
(Richard Morley, США). Его компания Bedford Associates, основанная
в 1964 г., занималась числовым программным управлением, автомати­
зировала работу различных устройств с помощью компьютеров DEC
PDP-8 и PDP-11 с ОСРВ RT-11. В канун 1968 г. фирма опаздывала
с одной из разработок, и в результате появилась идея создания системы
управления, которую можно было бы модифицировать под конкрет­
ный перечень задач, для того чтобы, приступая к новому проекту, не
начинать работу над новой системой управления с самого начала и не
терять на это время. Новое устройство, созданное компанией Ричарда
Морли, было названо Modular Digital Controller и, собственно, вскоре
дало компании новое имя — Modicon Company. Дальнейшая реализа­
ция идеи привела в итоге после более или менее окончательного ее раз­
вития к созданию того, что мы сегодня и называем программируемыми
логическими контроллерами (ПЛК, англ. Programmable Logical Con­
troller — PLC). Считается, что этот термин ввел в обращение в своих
работах Одо Стругер (Odo Josef Struger, компания Allen-Bradley, США)
в 1971 г. Кстати, существует не прижившийся в отечественной литера­
туре другой перевод этого термина — контроллер с программируемой
логикой, во многом более удачно отражающий суть этих устройств.
Одновременно с термином ПЛ К в 1970-е гг. широко использовалось
понятие «микропроцессорный командоаппарат».
Первоначально программируемые контроллеры разрабатывались
как альтернатива числовому программному управлению. Главная идея,
положенная в основу разработки, была сугубо практической — заме­
нить большие релейные пульты управления с жесткой логикой, ис­
пользование которой всякий раз, когда последовательность действий
нуждалась в изменении, приводила к существенным переделкам.
Первый контроллер Modicon имел всего 125 слов памяти, и быст­
родействие не было его главным критерием. Фактически эта разра­
ботка представляла собой не более чем принципиально действующую
модель идеи Морли. Сначала программируемый контроллер состоял
5
из процессорной платы и памяти, а алгоритмические и логические
манипуляции выполнялись программно, и все происходило слишком
медленно. Положение смог исправить дополнительный третий блок,
названный «логическим решающим устройством» (Logic Solver). Он
был способен выполнять характерные для релейных схем «лестнич­
ные» алгоритмы без обрабатывающего программного обеспечения об­
щего назначения. Проблема качества контроллеров в Modicon вообще
не поднималась — это было само собой разумеющимся. Наработка
на отказ была намного выше, чем у возможных аналогов, и довольно
скоро это значение составило для изделий Modicon 50 тыс. часов.
По мере развития Modicon становились все мощнее и требовали все
больше памяти. Уже в середине 1970-х гг. компанией выпускались
устройства производительностью 2 MIPS со 128 Кбайт памяти.
ПЛК на основе микропроцессора впервые был создан в СШАв 1977 г.
компанией Allan Bradley Corporation. Он содержал микропроцессор
Intel 8080 и дополнительные схемы, позволяющие с высокой скоростью
производить логические битовые операции. В1978 г. были разработаны
первые контроллеры в СССР. Разработка первого отечественного кон­
троллера была проведена во Всесоюзном научно-исследовательском
институте релестроения (ВНИИР, г. Чебоксары). Институтом была
реализована задача по созданию специального устройства с програм­
мируемой логикой, заменяющего релейные схемы систем автоматики.
С приходом к выводу о перспективности этого направления по­
явилось множество разработчиков и производителей контроллеров.
Сначала каждый из них делал все компоненты для своих систем са­
мостоятельно. У них не было никакой совместимости аппаратных
и программных средств. Поставщики контроллеров тем самым лишали
потребителей возможности самостоятельного выбора оборудования
и продавали самые дорогие решения. Позже появились стандартизи­
рованные комплектующие (типизированные решения), и скоро любой
мог вручную заняться сборкой систем различных конфигураций. Это
в свою очередь потребовало соответствующего развития языков вы­
сокого уровня и сред программирования. С этого момента история
промышленных контроллеров перешла в новую фазу. В подавляю­
щем большинстве случаев архитектура их аппаратных и программных
средств стала открытой, а набор команд — типовым и расширяемым.
Революционно улучшилось соотношение цена/производительность,
и наконец, они получили возможность работать в любой сети — как
специализированной индустриальной, так и в коммерческой.
1.1.
ОБЩЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ
Попробуем прежде всего детально и четко разобраться, что мы сегод­
ня вкладываем в понятие «универсальный промышленный контроллер».
6
Слово «контроллер» произошло от английского control (управле­
ние), а не от русского «контроль» (учет, проверка). Контроллером в сис­
темах автоматизации называютустройство, выполняющее управление
физическими процессами по заданному в нем алгоритму с исполь­
зованием информации, получаемой от датчиков и выводимой в ис­
полнительные устройства. Контроллеры, выполненные на элементах
жесткой непрограммируемой логики, в настоящее время практически
не выпускаются. Говоря о контроллерах сегодня, мы почти без исклю­
чения имеем в виду цифровые микропроцессорные устройства.
Термином «промышленный контроллер» обозначают микропро­
цессорное устройство со встроенным аппаратным и программным
обеспечением, которое используется для выполнения функций управ­
ления технологическим оборудованием. Их развитие идет по двум
направлениям — создание специализированных и универсальных
контроллеров.
Специализированным контроллером считается устройство, кото­
рое разрабатывалось для конкретного применения и не может приме­
няться в иных местах. Разработка специализированного контроллера
базируется на идее минимизации аппаратных и программных средств
для того, чтобы в итоге добиться оптимизации таких качественных
показателей системы, как быстродействие, точность, стоимость, мас­
со-габаритных показателей. Такой контроллер может быть встроен
только в конкретную систему и обладает жесткой логикой работы,
заложенной при изготовлении. Проектирование таких контроллеров
окупается только для изделий, выпускаемых значительным тиражом.
Простейшие специализированные контроллеры выпускаются
для выполнения некоторых типовых функций. Примерами типовых
функций могут являться подсчет изделий, измерение, отображение
и (или) регулирование какого-либо параметра (температуры, влаж­
ности и т.п.) по тому или иному закону и программе регулирования.
Такие контроллеры обычно являются составными компонентами более
развитых систем автоматизации. Более сложные специализированные
контроллеры используются для установки на часто встречающихся
объектах управления, например на теплопунктах системы жилищнокоммунального хозяйства, в системах кондиционирования помещений
и т.д. Такие контроллеры выполняют весь комплекс типовых функций
на подобных объектах. Если предусмотрено программирование специ­
ализированного контроллера, то оно сводится лишь к подстройке под
параметры конкретного объекта (установка коэффициентов закона
регулирования, задание уставок и т.п.).
При создании промышленных систем управления станками, тех­
нологическими поточными линиями, как правило, приходится иметь
дело не более чем с единицами однотипных устройств. Кроме того,
очень существенной здесь является возможность быстрой перена­
7
стройки оборудования на выпуск другой продукции. Для уникальных
проектов, мелкосерийных изделий и опытных образцов желательно
иметь универсальный свободно программируемый контроллер.
Сначала универсальные контроллеры строились исходя из кон­
цепции размещения в рамках выбранного конструктива максимально
возможного набора аппаратных средств, избыточного для отдельного
конкретного применения.
Могло показаться, что большой объем аппаратных ресурсов сделает
такое устройство обязательно дорогим, что ограничит его использова­
ние. Однако это было не так. Каждый пользователь находил в составе
аппаратных ресурсов универсального контроллера средства, нужные
именно ему. Кроме избыточности аппаратных средств, мощным фак­
тором универсализации выступала и выступает возможность управ­
лять микропроцессорными устройствами с помощью самостоятельно
создаваемых пользователем программ. Таким образом, потребителей
подобных контроллеров было очень много. Большой объем их выпуска
существенно снижал их стоимость, и пользователь просто не обращал
внимания на не используемые им (для него избыточные) аппаратные
средства контроллера. Но самое главное — каждый потребитель ос­
вобождался от необходимости изготовления устройства управления
(разработки схем, печатных плат, конструктива, отладки), что в итоге
сокращало средства и время, затрачиваемые им на реализацию и внед­
рение конкретного проекта.
В современных системах управления на контроллеры возлагаются
самые разнообразные задачи и для их решения требуется все более
широкий круг самых различных технических средств. В этом смысле
концепция универсализации контроллеров (широты их применения),
основанная на введении в состав каждого из них большого и избы­
точного для каждой конкретной задачи набора средств, в конечном
счете должна была потерять смысл.
Решением этой проблемы явился модульный подход к реализации
контроллеров. Он состоит в делении контроллера на модули таким
образом, чтобы каждый из них становился коммерчески эффектив­
ным изделием и мог изготавливаться в больших количествах. При
этом каждый контроллер состоит как бы из двух частей: базовой час­
ти, которая включает обязательный и минимальный набор средств,
и части, которая может модифицироваться, набираться из нескольких
отдел ьных модулей, включающих определенный набор средств. Про­
ектировщик как из кубиков набирает с минимальной функционаьной
избыточностью тот состав средств, который нужен ему для решения
конкретной задачи.
Базовая часть контроллера обязательно включает центральный
процессорный блок (Central Processors Units — CPU), основными
задачами которого являются хранение программы работы и данных,
8
управление периферийными модулями, организация обмена данны­
ми и командами с центральным управляющим компьютером, обмен
данными с прочими контроллерами того же иерархического уровня,
проведение диагностики работоспособности узлов. Подключаемые
к нему модули выполняют конкретный набор необходимых функций
по связи с датчиками и исполнительными устройствами.
Модульный принцип набора функций контроллеров как нельзя
лучше соответствует общей концепции создания и использования
универсальных контроллеров, что способствует расширению сферы
их применения и в конечном счете увеличению объемов их выпуска.
Кроме рассмотренных очевидных факторов, определяющих широту
примененияуниверсальныхконтроллеров(модульностьипрограммируемость), большую роль играют усилия производителей таких устройств,
направленные на обеспечение максимального удобства их программиро­
вания, отладки систем и возможности включения контроллеров в состав
сетей распределенных (децентрализованных) систем управления.
ПЛК ориентированы на длительную работу в условиях промыш­
ленной среды. Это обусловливает определенную специфику схемо­
технических решений и конструктивного исполнения. Хороший
ПЛК обладает мощной и интуитивно понятной системой програм­
мирования, удобен в монтаже и обслуживании, обладает высокой
ремонтопригодностью, имеет развитые средства самодиагностики
и контроля правильности выполнения прикладных задач, возможно­
сти интеграции в единую систему, надежен и неприхотлив. Мощное
вычислительное ядро современных ПЛ К делает их очень похожими
на компьютеры.
Долгое время применение универсальных контроллеров ограничи­
валось тем, что достичь достаточно высоких требований по производи­
тельности и точности в рамках массового выпуска унифицированных
устройств было весьма трудно. Однако развитие микропроцессорной
техники, достижения технологии изготовления интегральных средств
все больше стирали эти ограничения. И при разработке систем управ­
ления технологическими процессами применение универсальных
контроллеров является сегодня уже основным подходом.
В целом в силу дешевизны, надежности и простоты применения
ПЛ К доминируют на нижнем уровне систем промышленной автома­
тики. Они обеспечивают непосредственное управление оборудовани­
ем на переднем крае производства. Программируемые контроллеры
находят применение в различных отраслях промышленности.
Черная и цветная металлургия. Программируемые контроллеры
в этих отраслях применяются для управления транспортными опе­
рациями на коксовых батареях, загрузке доменных печей, для авто­
матизации литейных цехов. Их используют также для решения задач,
связанных с анализом газов и с контролем качества.
9
Металлообработка и автомобильная промышленность. Это те от­
расли, где ПЛК нашли очень широкое применение. Их можно встре­
тить на автоматических линиях и сборочных конвейерах, на стендах
для испытания двигателей, а также на прессах, токарных автоматах,
шлифовальных и агрегатных станках, сварочных установках, автома­
тических станках для разрезки.
Химическая промышленность. В настоящее время ПЛК использу­
ются для управления технологическими установками, устройствами
дозирования и смешивания продуктов, очистки отходов химического
производства, а также на установках по переработке пластмасс и агре­
гатах в производстве резины.
Нефтедобыча. Кроме областей применения, аналогичных преды­
дущей отрасли, ПЛК используются на перекачивающих и распреде­
лительных станциях для управления работой и наблюдения за магис­
тральными трубопроводами.
Транспортные и погрузочно-разгрузочные операции. Программируе­
мые контроллеры используются при сортировке посылок, почтовых
отправлений, механизированном управлении складскими операци­
ями, упаковке, конвейерной пересылке, комплектовании изделий на
поддонах, в лифтовом хозяйстве, грузоподъемных механизмах и др.
Другие области применения. Все случаи использования ПЛК пе­
речислить невозможно. В текстильной промышленности они могут
применяться для управления операциями автоматического раскроя
тканей и контроля нитей, на транспортных конвейерах. В стеколь­
ной промышленности, в производстве хрусталя ПЛКуправляют опе­
рациями отрезки и упаковки. Устройства логического управления
используются при решении задач, связанных с охраной (офисных
зданий, промышленных предприятий) и обеспечением безопасности
(ядерная энергетика).
Настоящий бум внедрения контроллеров в системы промышлен­
ной автоматизации начался с появлением интегральных микропро­
цессоров. Именно с этого момента программируемые контроллеры
стали базовыми компонентами систем промышленной автоматизации.
С середины 1970-х гг. выпуском их начали заниматься уже десятки
компаний.
Но некоторое время складывалась ситуация, свойственная началь­
ному этапу становления любого нового крупного класса технических
средств, связанная с отсутствием договоренностей об общих специ­
фикациях и стандартах. Сначала каждый изготовитель разрабатывал
контроллеры, основываясь только на своем представлении, какими
они должны быть, предлагал собственный язык программирования.
В результате ПЛ Кразных производителей были аппаратно и програм­
мно несовместимы. Замена ПЛК на продукт другого изготовителя
превращалась в огромную проблему. Покупатель ПЛК был вынужден
10
использовать изделия только одной фирмы либо тратить силы на изу­
чение разных языков и средства на приобретение соответствующих
инструментов.
Достаточно быстро подошел момент, когда уже было нужно зафик­
сировать все то положительное, что было наработано в этой области,
и тем самым создать основу для общего дальнейшего развития. В ито­
ге в 1979 г. в рамках Международной электротехнической комиссии
(МЭК, англ. International Electrotechnical Commission — IEC) была
создана специальная группа технических экспертов по проблемам
ПЛК. Перед ней была поставлена задача выработать стандартные
требования к аппаратным средствам, программному обеспечению,
правилам монтажа, тестированию, документированию и средствам
связи ПЛК. В 1982 г. был опубликован первый вариант стандарта,
который получил наименование МЭК 1131. С 1997 г. МЭК перешел
на пятизначное обозначение своих документов, и в настоящее время
наименование международной версии этого стандарта — МЭК 61131
Программируемые контроллеры (Programmable Controllers).
Ввиду сложности и объемности проблемы уже на этапе создания
стандарта было образовано несколько проблемно-ориентированных
подразделений, каждое из которых готовило его определенную часть.
Итоговый документ включает пять частей, которые в некоторых слу­
чаях рассматриваются как отдельные стандарты.
1. Общая информация.
2. Требования к оборудованию и испытаниям.
3. Языки программирования.
4. Руководства пользователя.
5. Разработка сообщений.
Считается, что положения и процедуры, устанавливаемые стандар­
тами серии МЭК 61131, должны применяться комплексно и имеют
приоритет перед положениями других стандартов МЭК в отношении
программируемых контроллеров и связанных с ними периферийных
устройств (за исключением стандартов по безопасности).
Наиболее актуальными стали вторая и третья части стандарта. Вто­
рая часть стандарта «Программируемые контроллеры. Общие техни­
ческие требования и методы испытаний» (Programmable controllers.
General technical requirements and test methods) является базисом, на
основе которого строят свою работу производители контроллеров
и их периферийного оборудования. Промышленные контроллеры
и связанные с ними периферийные устройства в этом стандарте рас­
сматриваются как самостоятельные изделия, применяемые для ав­
томатизации производственных процессов. Стандарт устанавливает:
• электрические, механические и функциональные требования для
промышленного контроллера и связанных с ними периферийных
устройств;
11
• условия эксплуатации, хранения и транспортирования;
• методы испытаний и процедуры, которые должны использоваться
для проверки соответствия характеристик промышленного конт­
роллера и связанных с ним периферийных устройств установлен­
ным требованиям.
Вопросам программирования контроллеров посвящена третья
часть стандарта «Программируемые контроллеры. Языки програм­
мирования» (Programmable controllers. Programming languages). Она
определяет языки программирования и структурирующие элементы,
которые используются для написания программ для контроллеров.
Стандарты МЭК 61131 официально применяются и в России —
в 2001 г. введен ГОСТ Р 51840-2001 (МЭК 61131-1-92) «Программи­
руемые контроллеры. Общие положения и функциональные харак­
теристики». В том же году введен ГОСТ Р 51841-2001. Он является
адаптированным стандартом МЭК 61131 -2, т.е. второй части общего
стандарта. В Украине в 2002 г. был принят соответствующий стандарт
ДСТУ 4108-2002, в республике Беларусь — СТБ IEC 61131-2-2010.
В настоящее время службами Госстандарта России проводятся работы
по адаптации остальных разделов МЭК61131.
Базовые стандарты МЭК 61131 и соответствующие национальные
стандарты стали не просто констатацией определенного уровня тех­
нического развития этой отрасли на момент их принятия. Они стали
прочным и постоянным базисом развития на долгие годы как аппарат­
ных, так и программных средств, гарантией сохранения инвестиций
в нее конечных пользователей и поставщиков.
1.2.
АРХИТЕКТУРА ПЛК
Даже краткое знакомство с тем, что собой представляют промыш­
ленные контроллеры и как осуществляется создание систем управ­
ления на их базе, приводит нас к представлению о том, что понятие
ПЛК не ограничивается «железом», это целостная современная тех­
нология. Она включает специфическую аппаратно-программную базу
с определенными принципами организации совместной работы ее
компонентов, специализированные языки программирования, под­
ходы объединения в различные сети и т.д.
Формировать состав аппаратных средств системы управления,
и тем более создавать программу работы контроллера невозможно
без четкого представления о принципах реализации их архитектуры.
Под архитектурой контроллеров (как, собственно, и других вычисли­
тельных средств и систем) понимают совокупность общих структурных
и логических подходов к созданию аппаратных средств, программного
обеспечения и принципов организации взаимосвязанной работы их
компонентов. За долгие годы для ПЛ К сложились определенные ар­
12
хитектурные решения, которых придерживается абсолютное боль­
шинство производителей.
Изучение контроллеров и возможностей создания на их базе систем
управления, безусловно, необходимо начинать с последовательного
знакомства с компонентами их архитектуры и принципами органи­
зации их взаимосвязи.
1.2.1. Структурные компоненты контроллеров
ПЛК представляют собой микропроцессорное устройство, пред­
назначенное для сбора, преобразования, обработки, хранения инфор­
мации и выработки команд управления. Каждый из них представля­
ет собой вычислительную машину, имеющую некоторое множество
входов и выходов.
Контроллер отслеживает изменение сигналов на входах и выраба­
тывает программно определенное воздействие на выходах. Обладая
памятью, ПЛК в зависимости от предыстории событий способен реа­
гировать по-разному на текущие события. Такая модель соответствует
широко известным конечным автоматам. Однако возможности пере­
программирования, управления по времени, развитые вычислитель­
ные способности, включая цифровую обработку сигналов, поднимают
ПЛК на более высокий уровень. Первоначально они предназнача­
лись для замены релейно-контактных схем, собранных на дискрет­
ных компонентах — реле, счетчиках, таймерах, элементах жесткой
логики. В дальнейшем появились контроллеры с возможностью ввода
и вывода аналоговой информации, с широкими вычислительными
возможностями.
В обобщенной структуре любого современного контроллера
(рис. 1.2.1), как уже указывалось выше, четко выделяются процес­
сорный модуль (блок центрального процессора), проводящий про­
граммную обработку информации, и интерфейсная секция, в которую
включаются модули, необходимые для ввода сигналов от датчиков
и вывода данных на исполнительные устройства.
Рассмотрим более детально функции, которые выполняют перечис­
ленные структурные компоненты контроллеров, и некоторые общие
особенности их построения.
Процессорный модуль включает микропроцессор (центральное про­
цессорное устройство), запоминающие устройства, часы реального
времени и сторожевой таймер.
Огромное разнообразие задач, возлагаемых на ПЛК, и сильная
зависимость цены от мощности контроллера являются причиной
большого разнообразия используемых в них микропроцессоров — от
простых и дешевых Atmel и Microchip до самых высокопроизводитель­
ных микропроцессоров серии Intel Pentium, включая двухъядерные
и четырехъядерные.
73
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
Рис. 1.2.1. Обобщенная структура контроллера
В ПЛК используются 8-, 16- и 32-разрядные микропроцессоры.
Восьмиразрядные микропроцессоры пользуются большим успехом
в малопроизводительных ПЛК для несложного алгоритмического
управления небольшими технологическими аппаратами, станками,
построения межсетевых шлюзов. Их достоинством является высо­
кая надежность, связанная с предельной простотой программного
обеспечения. 16- и 32-разрядные микропроцессоры используются
в высокопроизводительных контроллерах.
Кроме разрядности, основными характеристиками микропро­
цессоров в ПЛК являются архитектура, тактовая частота, наличие
операций с плавающей точкой, типы поддерживаемых портов вводавывода, температурный диапазон работоспособности и потребляемая
мощность.
Достаточно часто в контроллерах используют микропроцессоры
с RISC-архитектурой (Reduced Instruction Set Computing — компью­
теры с сокращенным набором команд). В таких микропроцессорах
используется небольшое количество команд одинаковой длины и боль­
шое количество регистров. Сокращенный набор команд позволяет
14
строить эффективные компиляторы и конвейер процессора. Исполь­
зуются микропроцессоры и других архитектур.
Тактовая частота характеризует производительность микропро­
цессоров. Производительность микропроцессоров с одной и той же
архитектурой пропорциональна тактовой частоте.
Надо отметить, что микропроцессоры, используемые в ПЛК, на
несколько поколений отстают от процессоров офисных персональных
компьютеров в связи с относительно малым объемом рынка ПЛК,
который не обеспечивает окупаемость разработки нового контроллера
за период смены поколений микропроцессоров. Однако на такую «от­
сталость» можно посмотреть и с другой точки зрения. Отработанный
за несколько лет выпуск конкретных БИС микропроцессоров, выве­
ренные для них схемотехнические и программные решения позволяют
обеспечивать высокую надежность промышленных контроллеров.
Надежность же этих устройств является критерием, явно превалиру­
ющим над другими, даже над производительностью.
Емкость памяти определяет количество переменных (тегов),
которые могут быть обработаны в процессе функционирования
ПЛК. Память контроллеров делят на несколько уровней иерархии
в зависимости от частоты использования хранящихся в ней данных
и быстродействия. Основными типами памяти являются постоянное
запоминающее устройство (ПЗУ, ROM), оперативное запоминаю­
щее устройство (ОЗУ, RAM) и набор регистров. Регистры являются
самыми быстродействующими элементами памяти, поскольку они
используются арифметико-логическим устройством (АЛУ) для ис­
полнения элементарных команд процессора. ПЗУ используют для
хранения редко изменяемой информации — системное программное
обеспечение (операционная система), драйверы устройств, загрузчик,
исполняемый модуль программы пользователя. ОЗУ используется
для хранения данных, которые многократно изменяются в процессе
работы контроллера, например значения переменных, результаты
промежуточных вычислений, диагностическая информация, данные
для отображения на дисплее.
Часы реального времени процессорного модуля представляют
собой кварцевые часы, которые питаются от батарейки и поэтому
продолжают идти при выключенном ПЛК. Часы используются, когда
необходима привязка данных или событий к астрономическому вре­
мени, например для управления уличным освещением в зависимости
от времени суток, в системах охраны объектов и других случаях.
Сторожевой таймер (Watchdog Timer — WDT) представляет со­
бой счетчик, который считает импульсы тактового генератора и в
нормальном режиме периодически сбрасывается (перезапускается)
работающим процессором. Если процессор «зависает», то сигналы
сброса не поступают в счетчик, он продолжает считать и при достиже­
75
нии некоторого порога вырабатывает сигнал «Сброс» для перезапуска
«зависшего» процессора.
Процессорный модуль ПЛК выполняет следующие задачи:
• собирает данные из модулей ввода в память, обрабатывает их в со­
ответствии с прикладной программой пользователя и отсылает
данные из памяти в модули вывода;
• выполняет обмен данными с устройством для программирования
контроллера;
• выдает метки часов реального времени;
• осуществляет обмен данными с промышленной сетью;
• реализует стек протоколов промышленной сети (для этой цели
могут использоваться вспомогательные коммуникационные про­
цессоры);
• выполняет начальную загрузку и исполнение системного про­
граммного обеспечения (операционной системы);
• исполняет загрузочный модуль пользовательской программы сис­
темы автоматизации;
• управляет актами обмена с памятью.
К основным характеристикам процессорного модуля относятся:
• тип операционной системы или системного программного обес­
печения;
• наличие исполнительной среды для системы программирования
на стандартных языках;
• типы поддерживаемых интерфейсов (RS-232, RS-422, RS-485,
CAN, USB, Ethernet и др.);
• типы поддерживаемых сетей (Modbus RTU, Modbus TCP, Ethernet,
Proftbus, CANopen, DeviceNet и др.);
• возможность подключения устройств индикации или интерфей­
са оператора (светодиодного или ЖК-индикатора, клавиатуры,
мыши, операторной панели, дисплея с интерфейсами VGA, DVI
или CMOS, LVDS, трекбола и др.);
• разрядность (8,16, 32 или 64 бита);
• тактовая частота микропроцессора и памяти;
• время выполнения команд;
• объем, иерархия и типы памяти (ОЗУ, кэш, ПЗУ-флеш, съемная
флеш и др.);
• типы встроенных функций (ПИД-регулятор, счетчики, ШИМ,
алгоритмы позиционирования и управления движением и др.).
Одной из тенденций в развитии ПЛК является использование
процессорных модулей разной вычислительной мощности для од­
ного конструктива контроллера. Это позволяет получить серию кон­
троллеров разной мощности и тем самым покрыть больший сегмент
рынка, а также выполнить модернизацию контроллеров, купленных
потребителями, путем замены всего одного модуля.
16
Модули ввода. Современный модуль ввода имеет свой собственный
микроконтроллер (процессор), который выполняет непрерывный цик­
лический опрос всех своих каналов и помещает полученные данные
в буфер. При поступлении в модуль команды считывания значений
со входов собранные данные передаются из буфера модуля в процес­
сорный модуль ПЛК, где помещаются в определенную область ОЗУ.
Таким образом, работа процессорного модуля ПЛК и модуля ввода
осуществляется асинхронно.
Существует несколько уровней и способов опроса множества кана­
лов ввода. Опрос модулей может выполняться циклически с одинако­
вой частотой для всех модулей ил и с разной частотой. Второй вариант
позволяет уменьшить загруженность шины, по которой выполняется
обмен данными между модулями ввода и процессорным модулем.
Однако в силу своей простоты наибольшее распространение получил
циклический опрос модулей ввода. Если по алгоритму работы системы
автоматизации используются только несколько каналов модуля, то для
увеличения быстродействия системы неиспользуемые каналы можно
замаскировать (исключить их из процедуры опроса).
Обмен данными с модулем выполняется по адресу, который обыч­
но записывается в ПЗУ модуля. Иногда адресом выступает номер
слота, в который вставляется модуль, или положение микроперек­
лючателя.
Входные цепи устройств ввода принято защищать от статического
электричества, повышенного напряжения, изменения полярности.
Микроконтроллер типового модуля ввода выполняет следующие
функции:
• реализует протокол обмена с процессорным модулем ПЛК;
• исполняет команды, посылаемые ПЛК в модуль;
• реализует выполнение функций автоматической калибровки, ди­
агностики обрыва или короткого замыкания в цепи датчика;
• преобразует форматы вводимых данных (инженерный формат —
в единицы измеряемой величины, шестнадцатеричный формат,
проценты от диапазона измерений);
• устанавливает скорость обмена с процессорным модулем ПЛК (или
по сети для ПЛК с распределенными модулями ввода-вывода);
• выполняет цифровую фильтрацию входного сигнала.
Модули ввода могут иметь различные типы входов.
Дискретные входы. Один дискретный вход ПЛК способен при­
нимать один бинарный электрический сигнал, описываемый двумя
состояниями — включен или выключен. На уровне программы это
один бит информации. Кнопки, выключатели, контакты реле, дат­
чики обнаружения предметов и множество приборов с выходом типа
«сухой контакт» или «открытый коллектор» непосредственно могут
быть подключены к дискретным входам ПЛК.
17
Состояние некоторых первичных приборов систем промышленной
автоматики определяется целым цифровым словом. Для их подклю­
чения используют несколько дискретных входов.
Системное программное обеспечение ПЛ К включаетдрайвер, авто­
матически считывающий физические значения входов в оперативную
память, благодаря чему прикладному программисту нет необходи­
мости разбираться с внутренним устройством контроллера. С точки
зрения прикладного программиста дискретные входы — это наборы
бит, доступные для чтения в ОЗУ.
Все дискретные входы общего исполнения у контроллеров обычно
рассчитаны на прием стандартных сигналов с уровнем 24 В посто­
янного тока. Типовое значение тока одного дискретного входа (при
входном напряжении 24 В) составляет около 10 мА. В простейшем слу­
чае для подключения нормально разомкнутого контакта дискретный
вход и сам контакт необходимо подключить последовательно к ис­
точнику питания в 24 В. Для питания таких внешних датчиков нужен
отдельный источник питания. Иногда источник питания внешнего
маломощного оборудования включают в состав ПЛК. Дискретные
входы некоторых контроллеров рассчитаны на прием уровней сигна­
лов с напряжениями высокого уровня, в том числе переменного тока
(например, в 220...240 В).
Все современные релейные датчики, базирующиеся на самых раз­
нообразных физических явлениях (емкостные, индуктивные, оптиче­
ские ит. д.), как правило, имеют встроенные первичные преобразова­
тели и не требуют дополнительного согласования при подключении
к дискретным входам ПЛК.
Аналоговые входы. Аналоговый электрический сигнал отражает уро­
вень напряжения или тока, соответствующий некоторой физической
величине, в каждый момент времени. Это может быть температура,
давление, вес, положение, скорость, частота и т.д.
Поскольку ПЛК является цифровой вычислительной машиной,
аналоговые входные сигналы обязательно подвергаются аналогоцифровому преобразованию (АЦП). В результате образуется диск­
ретная переменная определенной разрядности. Как правило, в ПЛК
применяются 8-12-разрядные преобразователи, что в большинстве
случаев, исходя из современных требований к точности управления
технологическими процессами, является достаточным. Кроме этого,
АЦП более высокой разрядности не оправдывают себя в первую оче­
редь из-за высокого уровня индустриальных помех, характерных для
условий работы контроллеров.
Разнообразие физических явлений порождает большое разнооб­
разие аналоговых датчиков, для каждого из которых должно суще­
ствовать соответствующее устройство ввода. Для унификации (со­
кращения числа типов) модулей ввода используют устройства нор­
78
мирования сигналов, которые преобразуют измеряемую физическую
величину в стандартный электрический сигнал, соответствующий
ГОСТ 26.011-80 и ГОСТ Р 51841-2001. Применение стандарта позво­
ляет изготовить всего один тип универсального устройства ввода со
стандартными диапазонами для всех типов датчиков со стандартными
выходными сигналами. Для аналоговых входов наиболее распростра­
нены стандартные диапазоны постоянного напряжения: —10... +10 В
и 0... +10 В. Для токовых входов — 0...20 мА и 4.. .20 мА.
Особые классы аналоговых входов представляют входы, предна­
значенные для подключения термометров сопротивления, термопар,
тензорезисторов. Здесь требуется применение специальных техни­
ческих решений (трехточечное включение, источники образцово­
го тока, схемы компенсации холодного спая, схемы линеаризации
и т.д.). Для таких датчиков в силу их широкой распространенности
нормирующие преобразователи и линеаризаторы встраивают в сами
модули ввода. Поэтому, кроме универсальных модулей ввода, полу­
чили распространение специализированные модули ввода сигналов
термопар, термопреобразователей сопротивления и тензорезисторов.
В зависимости от типа применяемыхдатчиков входные цепи модулей
аналогового ввода могут строиться для приема сигналов, снимаемых
относительно общего провода, или дифференциальных сигналов.
Практически все модули аналогового ввода являются многоканаль­
ными. Входной коммутатор подключает вход АЦП к необходимому
входу модуля. Управление коммутатором и АЦП выполняет драйвер
системного программного обеспечения ПЛК. Прикладной програм­
мист работает с готовыми значениями аналоговых величин в ОЗУ.
Специальные входы. Стандартные дискретные и аналоговые входы
ПЛК способны удовлетворить большинство потребностей систем
промышленной автоматики. Необходимость применения специа­
лизированных входов возникает в случаях, когда непосредственная
обработка некоторого сигнала программно затруднена, например
требует много времени.
Наиболее часто ПЛК оснащаются специализированными счетны­
ми входами для измерения длительности, фиксации фронтов и под­
счета импульсов, входами для приема ШИМ-сигналов.
Например, при измерении положения и скорости вращения вала
очень распространены устройства, формирующие определенное коли­
чество импульсов за один оборот, — поворотные шифраторы. Частота
следования импульсов может достигать нескольких мегагерц. Даже
если процессор ПЛК обладает достаточным быстродействием, непо­
средственный подсчет импульсов в пользовательской программе будет
весьма расточительным по времени. В подобных случаях желательно
иметь специализированный аппаратный входной блок, способный
19
провести первичную обработку и сформировать необходимые для
прикладной задачи величины.
Функции счетчика, частотомера и измерителя периода следования
импульсов обычно совмещаются в одном и том же модуле ввода. Та­
кие модули могут быть использованы для решения следующих задач:
• измерение скорости вращения вала двигателя с целью ее стабили­
зации или изменения по заданному закону;
• подсчет количества продукции на конвейере;
• измерение частоты периодического сигнала;
• работа с датчиками, имеющими импульсный выход (например,
с энкодерами — датчиками угла поворота, электросчетчиками или
анемометрами);
• автоматическое дозирование счетной продукции;
• подсчет количества продукции, выданной со склада.
Для расширения функциональных возможностей каждый счетный
вход модуля может иметь вход разрешения счета (Gate) и источник
тока для питания «сухих» контактов.
Вторым распространенным типом специальных входов являются
входы, способные очень быстро запускать заданные пользовательские
задачи с прерыванием выполнения основной программы, — входы
прерываний.
Модули вывода. Как и модули ввода, они почти всегда в своем
составе имеют собственный микроконтроллер, который выполняет
следующие функции:
• реализует протокол обмена с процессорным модулем ПЛ К;
• исполняет команды, посылаемые ПЛК в модуль;
• реализует выполнение функций автоматической калибровки, ди­
агностики;
• преобразует форматы выводимых данных и т.д.
Выдача данных из памяти на соответствующие выходы модулей
вывода осуществляется драйверами системного программного обеспе­
чения ПЛК. С точки зрения прикладного программиста выходы — это
наборы бит, байт или слов, доступные для чтения из ОЗУ.
Модули вывода могут иметь различные типы выходов.
Дискретные выходы. Один дискретный выход ПЛК способен ком­
мутировать один электрический сигнал. Также как и дискретный вход,
с точки зрения программы это один бит информации.
Нагрузкой дискретных выходов могут быть лампы, реле, соленои­
ды, силовые пускатели, пневматические клапаны, индикаторы и т.д.
Простейший дискретный выход ПЛК выполняется в виде контак­
тов реле. Такой выход достаточно удобен в применении и прост. Однако
он обладает характерными недостатками всех реле — ограниченный
ресурс, низкое быстродействие, разрушение контактов при работе
на индуктивную нагрузку. Альтернативным решением дискретного
20
выхода является электронный элемент—например, схема с открытым
коллектором. Наиболее широким спросом пользуются дискретные
выходы средней мощности (до 1 А, 24 В).
Практика эксплуатации доказала нецелесообразность сосредо­
точения в корпусе ПЛК большого числа силовых коммутирующих
элементов. При необходимости управления сильноточными нагруз­
ками применяются выносные устройства коммутации. Таким образом,
установка силовых коммутирующих приборов осуществляется мак­
симально близко к нагрузке. В результате сокращается длина силовых
монтажных соединений, снижается стоимость монтажа, упрощается
обслуживание, уменьшается уровень электромагнитных помех.
Аналоговые выходы. Поскольку ПЛК является цифровой вычис­
лительной машиной, выходные данные формируются в цифровой
форме и для получения аналоговых выходных сигналов нужны циф­
роаналоговые преобразователя. Как правило, в ПЛК применяются
8-12-разрядные преобразователи, что в большинстве случаев, исходя
из современных требований к точности управления технологическими
процессами, является достаточным.
Для аналоговых выходов наиболее распространены стандартные
диапазоны постоянного напряжения: —10... +10 В и 0... +10 В, для
токовых входов — 0...20 мАи 4...20 мА.
Специальные выходы. На них могут формироваться частотно-им­
пульсные или широтно-импульсные сигналы, сигналы для управления
специфическим оборудованием.
Специальные модули. Существуют модули, созданные специально
для совместной работы с конкретным и достаточно широким набо­
ром средств. Микропроцессоры этих модулей выполняют встроенные
специализированные программы, освобождая разработчика от их со­
здания, а ПЛК — от их выполнения.
Простейшим примером специальных модулей служат модули ана­
логового ввода с аппаратным управлением встроенными в нихже дис­
кретными выводами. При параметрировании этих модулей в процессе
сборки системы или в процессе работы программно контроллером
в эти модули могут задаваться значения минимальной и максималь­
ной уставки входного сигнала. При выходе измеряемого аналогового
сигнала за пределы уставок модуль аппаратно без участия программы
ПЛК активизирует соответствующие выходы, минимизируя время
реакции системы на это событие.
Другим примером таких модулей могут являться модули управления
системами взвешивания, которые включают аналоговые входы для по­
лучения сигнала с датчика массы, дискретные выходы для управления
ходом взвешивания, выводы с интерфейсом для подключения принтера.
Существуют модули, предназначенные для подключения к сетям
переменного тока и проведения измерения и расчетов целой группы
27
параметров — напряжения, силы тока, частоты, мощности, фазо­
вого угла и коэффициента мощности, преобразования измеренных
параметров в цифровой код и передачи результатов в цифровую сеть.
Выделим еще некоторые черты, которые могут быть присущи ин­
терфейсным модулям.
Существуют модули комбинированного ввода-вывода, которые
имеют как входные, так и выходные каналы.
На лицевой панели дискретных модулей обычно расположены све­
тодиоды индикации состояния внешних цепей. Некоторые аналоговые
модули на своей лицевой панели имеют цифровые индикаторы, на
которые выводятся в физических единицах значения вводимых и вы­
водимых сигналов. Это удобно при осуществлении пусконаладочных
работ, а в дальнейшем — при обслуживании систем управления.
В абсолютном большинстве модулей ввода-вывода внутренние
цепи гальванически развязаны от внешних цепей. Это позволяет до­
биться защиты ПЛК-систем от кондуктивных помех, распространя­
ющихся по земляным шинам, а также от случайного (аварийного)
попадания на входы-выходы модулей высокого напряжения. Боль­
шинство модулей ввода-вывода являются многоканальными. При
этом общий провод отдельных входов-выходов может быть отдельным
для каждого из них, быть общим для всех каналов или быть общим
для группы из них.
Конструктивное подключение периферийных модулей к модулю
центрального процессора у разных компаний-производителей может
реализовываться по- разному. Одни компании это делаютс помощью
шлейфов, другие — с помощью ножевых разъемов, выдвигающихся
из боковой грани модуля, наконец, третьи процессорный модуль реа­
лизуют вместе с объединительной панелью, в слоты которой и встав­
ляются модули. Иногда порядок включения модулей в периферий­
ную секцию не зависит от их типа (при этом для удобства работы их
обычно группируют по типам или функциям). В противном случае
обычно предусматриваются различного рода «ключи», не позволя­
ющие нарушить необходимый порядок соединения, вставить модуль
в не соответствующий ему слот. Некоторые компании практикуют
подключение периферийных модулей только по тому или иному се­
тевому интерфейсу.
Коммуникационные модули. Функционально развитые системы
управления сложными технологическими процессами в последнее
время все чаще разрабатываются как системы, включающие несколько
контроллеров, которые делят между собой общий поток задач управ­
ления. Управляя относительно самостоятельно разными элементами
общего технологического объекта, они не могут не обмениваться не­
которой информацией. Достаточно часто с контроллеров отдельных
систем управления информация собирается на общие диспетчерские
22
пункты. Для всего этого они объединяются общей информационной
сетью с использованием тех или иных технологий цифровых промыш­
ленных сетей. Коммуникационные порты сетей могут включаться
в состав процессорного модуля. Однако более гибко подходить к по­
строению сетей обмена, выбирать тот или иной сетевой протокол и ин­
терфейс позволяет использование коммуникационных модулей. Эти
модули, как и модули ввода-вывода, подключаются к процессорному
блоку. Каждый из них включает коммуникационный процессор, реа­
лизующий тот или иной протокол обмена, и имеет соответствующий
интерфейсный разъем.
Источник питания — модуль, без которого не обходится ни одно
сложное электронное устройство, в том числе ПЛК. Стандартными
напряжениями питания ПЛК являются напряжения 12, 24 или 48 В.
Источником электрической энергии обычно служит промышленная
сеть напряжением в 220 В и частотой 50 Гц. В случае распределенных
систем автоматизации источник питания может быть расположен
вдали от ПЛК, поэтому напряжение на клеммах ПЛК или модулей
ввода-вывода может сильно отличаться от напряжения источника
питания вследствие падения напряжения на сопротивлении кабеля.
Для решения этой проблемы каждый ПЛК или каждый модуль уда­
ленного ввода снабжается встроенным стабилизатором напряжения,
который обеспечивает нормальное их функционирование в диапазоне
напряжений от 10 до 30 В.
Низкое напряжение питания позволяет питать контроллеры от
аккумуляторов бортовых сетей транспортных средств или переносных
аккумуляторов.
В ПЛК иногда используют батарею для питания часов реально­
го времени (которые должны функционировать при выключенном
ПЛК) и для сохранения информации в памяти на время аварийных
перерывов питания.
1.2.2. Системное и прикладное программное обеспечение
Программное обеспечение современных универсальных контрол­
леров делится на системное и прикладное. Системное программное
обеспечение (СПО) контроллеров выполняет функции, во многом
схожие с функциями операционной системы персонального или
промышленного компьютера. Оно выстраивает определенную ар­
хитектуру взаимодействия различных составных частей аппаратного
и программного обеспечения контроллера, берет на себя выполнение
типовых функций.
Основной составной частью СПО является система исполнения
кода прикладной программы. Система исполнения включает драй­
веры модулей ввода-вывода, загрузчик кода программ пользователя,
интерпретатор команд и отладочный монитор. Кроме этого СПО от­
23
вечает за тестирование работы памяти, источника питания, модулей
ввода-вывода и интерфейсов, таймеров и часов реального времени,
реализует протоколы сетевого обмена. Код СПО расположен в ПЗУ
и изменяться может только изготовителем ПЛК (некоторые произ­
водители контроллеров предусматривают возможность обновления
СПО пользователем).
Пользователь для решения своей конкретной задачи создает при­
кладную программу. Для этого сейчас используются только языки
высокого уровня. Создание прикладной программы выполняется
пользователем ПЛК при помощи специализированного пакета —
системы программирования — на ПК. Код программы размещается
в энергонезависимой памяти контроллера. Изменение кода может
быть выполнено многократно.
Такой архитектурный подход обеспечивает пользователю простоту
создания программы. Пользователь не должен знать, как обращаться
к конкретным физическим элементам входа-вывода, — это делают
драйверы СПО. Компоненты СПО обеспечивают работу некоторых
составных компонентов программы — таймеров, счетчиков. СПО
организует сетевое взаимодействие с удаленными элементами систе­
мы, предоставляет пользователю информацию о текущем состоянии
прикладной программы. Пользователю кажется, что все эти задачи
и задачи прикладной программы решаются одновременно — СПО
реализует многозадачный режим работы контроллера.
После включения питания ПЛКвыполняетсамотестирование и на­
стройку аппаратных ресурсов, очистку оперативной памяти данных
(ОЗУ), контроль целостности прикладной программы пользователя.
Если прикладная программа сохранена в памяти (загружена) и нет
запрета ее запуска, ПЛК. переходит к выполнению ее действий.
Задачи управления любым объектом требуют непрерывного
контроля его состояния. В любых цифровых системах (автоматах
или программируемых микропроцессорных устройствах) непре­
рывность контроля и управления достигается за счет применения
дискретных алгоритмов, повторяющихся через некоторые достаточ­
но малые промежутки времени. По этой причине и в ПЛ К действия
прикладной программы выполняются циклически. Причем в каждом
таком цикле — его называют рабочим циклом ПЛК — выполняются
определение значений на входах, соответствующий расчет, выработка
и выдача управляющих воздействий.
Для более детального рассмотрения последовательности действий,
выполняемых контроллером в рабочем цикле, выделим следующие
его фазы.
1. Чтение состояния входов.
2. Выполнение кода программы пользователя.
3. Запись состояния выходов.
24
4. Обслуживание аппаратных ресурсов ПЛК.
5. Монитор системы исполнения.
6. Контроль времени цикла.
В начале цикла ПЛ К производит чтение значений сигналов с фи­
зических входов. Считанные значения размещаются в области памяти
входов — создается полная одномоментная копия значений входов.
Выполнение первой фазы обеспечивается драйверами системного
программного обеспечения.
Далее выполняется код прикладной программы пользователя, ко­
торая работает с копией значений входов, зафиксированных и разме­
щенных в оперативной памяти, т.е. со значениями, которые в процессе
выполнения пользовательской программы в пределах одного рабочего
цикла не изменяются. Это фундаментальный принцип функциониро­
вания абсолютного большинства промышленных ПЛК (ссылаясь на
него, иногда подобные ПЛК выделяют в отдельный класс контролле­
ров сканирующего типа). Такой подход исключает неоднозначность
алгоритма обработки данных в различных его ветвях и в конечном счете
во многом определяет простоту создания программы. Кроме этого,
пользователь не должен знать процедуру обращения к физическим
входам, которых по типам может быть достаточно много — за него
чтение проводит системное программное обеспечение. Пользователь
должен лишь знать, как в рамках прикладной программы обратиться
в ОЗУ к переменным, соответствующим по величине сигналам на фи­
зических входах. При этом учитывается, что чтение этих переменных
из ОЗУ в ходе выполнения прикладной программы будет выполняться
значительно быстрее, чем их предварительная запись с физических
входов.
В процессе выполнения прикладной программы все рассчитанные
значения, которые нужно вывести на физические выходы, фиксиру­
ются в оперативной памяти. Физические выходы ПЛК приводятся
в соответствие с расчетными значениями после выполнения кода
пользовательской программы. Эти действия выполняются систем­
ным программным обеспечением в отдельной фазе рабочего цикла.
Обратим внимание, что такой подход к работе с входами и выходами
предполагает еще на уровне создания контроллеров необходимость
выделения в их памяти областей, специально предназначенных для
записи состояния дискретных и аналоговых входов и выходов.
Далее системное программное обеспечение переходит к фазе обслу­
живания аппаратных ресурсов — обеспечивается выполнение аппарат­
но-зависимых задач — ведение системных таймеров, часов реального
времени, оперативное самотестирование, индикация состояний и пр.
Если пользователь выполняет контроль работы контроллера (от­
ладку программы), то в рамках системного программного обеспечения
в следующей фазе рабочего цикла управление передается монитору
25
системы исполнения. Задача мониторинга (текущего контроля) сис­
темы исполнения включает большое число функций, необходимых
при отладке программы и обеспечении взаимодействия с системой
программирования, сервером данных и сетью, — просмотр и редак­
тирование значений переменных, фиксация и трассировка значений
переменных, контроль времени цикла и т.д. Отладчик системы про­
граммирования имеет доступ к образу входов-выходов, что позволяет
в процессе отладки программы (и (или) оборудования) вручную ме­
нять уровень сигналов на входах и проводить исследования работы
программы или исполнительных механизмов.
Заканчивается цикл ПЛК фазой контроля времени цикла контрол­
лера. Смысл выполнения этой фазы сводится к обеспечению посто­
янства данного цикла. Если не принимать специальных мер, то дли­
тельность цикла контроллера будут зависеть от времени выполнения
прикладной программы и может в зависимости от условий реализации
алгоритма все время меняться. Вместе с тем качественное решение
некоторых задач управления, например реализация автоматического
регулирования, будет зависеть от стабильности цикла получения вход­
ных значений и выдачи сигналов управления. Поэтому во многих
контроллерах их создателями предусматривается для пользователя
возможность фиксации длительности цикла в некоторых определен­
ных пределах. Для обеспечения постоянства цикла контроллера в него
вводится аппаратный таймер, задающий его длительность. Таймер
следит, не превышает ли время выполнения прикладной программы
заданного по д лительности цикла. Если пользователь исходя из знания
того, как работает программа, правильно задал длительность цикла,
а прикладная программа выполняется дольше, то это будет означать
или зацикливание прикладной программы, или наличие аппаратных
сбоев, приводящих к общему сбою («зависанию») контроллера. При
этом таймер осуществляет сброс контроллера в исходное состояние,
что позволяет или обеспечить дальнейшую работу контроллера вновь
в нормальном режиме, или однозначно идентифицировать его устой­
чивое аварийное состояние. Кроме того, отсчеты этого аппаратного
таймера обычно используются системным программным обеспече­
нием для ведения часов реального времени и отсчета времени про­
граммными таймерами в прикладной программе.
Общая продолжительность рабочего цикла ПЛК (времени скани­
рования) в значительной степени определяется длительностью фазы
выполнения кода пользовательской программы. Время, занимаемое
прочими фазами рабочего цикла, как правило, существенно меньше
и практически является величиной постоянной.
Обычно существует возможность устанавливать один из двух спо­
собов исполнения ПЛ К рабочего цикла: циклический — новый цикл
начинается сразу по окончании предыдущего цикла или периодиче­
26
ский — программист задает минимальную длительность цикла ПЛК.
Во втором случае если предыдущий цикл завершился раньше задан­
ного времени, то начало нового цикла задерживается до тех пор, пока
не пройдет установленная длительность цикла.
Если пользователь задает длительность цикла контроллера, то де­
лает это исходя из безусловного выполнения требования того, чтобы
программа гарантированно (с некоторым запасом) выполнялась за
время данного цикла. Пользователь при этом ориентируется на объем
программы и быстродействие процессорного модуля ПЛК. Быстродей­
ствие процессорного модуля обычно оценивают по времени выполне­
ния логических команд, поскольку они наиболее распространены при
реализации алгоритмов управления. В технических характеристиках
ПЛК может приводиться типовое время рабочего цикла, которое равно
времени выполнения пользовательской программы, содержащей 1К
логических команд (на языке ST стандарта МЭК 61131-3).
Требования к длительности контроллерного цикла существенно за­
висят от области применения ПЛК. Если исходя из условий решаемой
задачи управления пользователя не устроит время цикла выполнения
созданной программы на имеющемся в его распоряжении контрол­
лере, то это будет основанием для выбора контроллера с большей
производительностью (быстродействием).
Время цикла не единственный фактор выбора контроллера опре­
деленной производительности. Работа контроллеров характеризуется
еще временем реакции — временем с момента изменения состояния
системы до момента выдачи соответствующей реакции. Очевидно, для
ПЛК время реакции зависит отраспределения моментов возникнове­
ния события и начала фазы чтения входов. Если изменение значений
входов (событие) произошло непосредственно перед фазой чтения
входов, то время реакции будет наименьшим и фактически равным
времени цикла контроллера (рис. 1.2.2, о).
Рабочий цикл контроллера
Чтение Код программы Установка Прочие
вкодов управления выходов фазы
Событие
Реакция
Рис. 1.2.2. Рабочий цикл ПЛК и определение времени реакции на событие
27
Худший случай будет наблюдаться, если изменение значений вхо­
дов происходит сразу после фазы чтения входов (рис. 1.2.2, б). Тогда
время реакции будет наибольшим, равным почти удвоенному времени
цикла контроллера (цикла сканирования).
При оценке общего времени реакции проектируемой системы
управления, помимо времени реакции ПЛК, существенное значе­
ние имеет время реакции датчиков и исполнительных механизмов,
которое также необходимо учитывать.
На самом деле все несколько сложнее. Аппаратно чтение входа
может быть связано с формированием определенных временных ин­
тервалов, передачей последовательности командно внутренней шине
на периферийные модули или даже запросом по сети. Поэтому работа
по чтению входов далеко не всегда полностью локализована в фазе
чтения входов. Например, блоки аналогового ввода включают аналогоцифровые преобразователи, которые требуют определенного времени
с момента их запускало считывания измеренного значения. В зависи­
мости от способа реализации аналого-цифровых преобразователей это
время может быть весьма существенным (сотни миллисекунд) и даже
превышать время цикла контроллера. Осложняется это еще и тем, что
весь поток задач, возникающий перед контроллером, выполняется
в рамках организации режима его работы как многозадачного.
Контроллер все время должен выполнять определенный поток
задач, причем моменты их запросов на выполнение между собой ни­
коим образом не синхронизированы. Только кажется, что все задачи
контроллером решаются одновременно или в строго определенной
последовательности. Для этого используется тот или иной подход
для организации его многозадачной работы. Чаще всего выполне­
ние отдельных задач или их частей осуществляется с использованием
развитой системы прерываний центрального процессора контролера,
а также отдельных коммуникационных процессоров и процессоров
ввода-вывода.
Конечно, в любом случае можно рассчитать минимальное и макси­
мальное значение времени реакции контролера и оценить, насколько
нас это устраивает, но организация работы системы управления с уче­
том всего этого, строго говоря, соответствует работе систем в условиях
мягкого реального времени.
Однако современные ПЛК имеют типовое значение времени ра­
бочего цикла, измеряемое единицами миллисекунд и менее. Время
реакции большинства исполнительных устройств значительно выше,
постоянные времени управляемых объектов — секунды, и поэтому
с реальными ограничениями возможности использования ПЛК по
времени приходится сталкиваться редко. Качество регулирования
в таких условиях устраивает абсолютное большинство пользователей.
Для прикладного программиста все эти детали неважны. Для него при
28
создании программы важно лишь то, что значения входов обновляются
автоматически и исключительно в начале каждого рабочего цикла.
Строгий учет реальных подходов к аппаратной и программной
реализации контроллера (к организации его архитектуры) нужен,
только если существует необходимость обеспечения высокого каче­
ства регулирования быстро меняющихся процессов. Для этих случаев
существуют ПЛК, в которых предусматривается непосредственная
возможность доступа к каналам ввода-вывода из прикладной про­
граммы, что обеспечивает формирование отсчетов отдельных сигналов
с длительностью, не превышающей длительности рабочего цикла.
В наиболее развитых контроллерах пользователь имеет возможность
создавать отдельные программные блоки, исполняемые по прерыва­
ниям, которые могут осуществляться во время работы и системного,
и прикладного программного обеспечения или по внешним событиям
либо по времени срабатывания встроенного таймера. Это позволяет
существенно сокращать время реакции системы управления и обес­
печивать ее работу в режиме жесткого реального времени.
1.2.3. Функциональные ресурсы, предоставляемые
прикладной программе
Порядок управления технологическим оборудованием определя­
ется прикладной программой работы контроллера. При ее создании
разработчик использует доступные для него или, можно сказать,
доступные для программы функциональные ресурсы контроллера.
Опыт использования контроллеров в системах управления, выделе­
ние типовых функций, выполняемых контроллером при управлении
технологическим процессом, привели к тому, что все производители
контролеров предлагают относительно стандартный набор функцио­
нальных ресурсов. В свое время это явилось предпосылкой для созда­
ния стандартных языков программирования контроллеров.
При создании прикладной программы необходимо знать состав
функциональных ресурсов контроллера, их объем и способы обраще­
ния к ним в рамках программы. Контроллеры разных производителей
или различные серии контроллеров одного производителя в первую
очередь отличаются объемами ресурсов и способами обращения к ним.
Поэтому, имея представление о типовых функциональных ресурсах,
работу с новым для себя контроллером необходимо начинать со зна­
комства с вопросами об их объеме и способах обращения к ним.
Большинство программно доступных ресурсов уже упоминалось
выше. Прежде всего это дискретные и аналоговые входы и выходы.
В распоряжении программиста находится память переменных (в том
числе область, устойчивая к отсутствию напряжения питания). В па­
мяти переменных (или в меркерах) можно хранить промежуточные
результаты, рассчитываемые операциями программы. К памяти пере­
29
менных можно обращаться в различных форматах—бита, байта, слова,
двойного слова и др. Обмен информацией между CPU (системным
программным обеспечением) и прикладной программой может осу­
ществляться через специальные меркеры. Например, системное про­
граммное обеспечение может «отмечать» в них наступление каких-то
событий или условий, и эта информация таким образом становится до­
ступной прикладной программе. Примерами подобных событий может
являться факт поступления запроса на соответствующий вход внешних
прерываний, факт того, что текущий цикл выполнения прикладной
программы является первым после включения (для определения не­
обходимости проведения некоторых инициирующих действий), и т.д.
Управление технологическими объектами почти никогда не обхо­
дится без необходимости отсчета временных задержек (приращений
времени). Для этого служат таймеры. Таймеры ПЛК принципиально
отличаются от таймеров, применяемых в языках общего применения.
Для реализации временных задержек в языках общего назначения
используются циклы, количество повторений которых и определяет
нужное время. В языках программирования компьютеров существуют
функции задержки (delay, sleep), которые приводят к приостановке
выполнения программы на заданное время. В ПЛК таймеров, спо­
собных приостановить их работу, нет. Таймеры в ПЛК реализуются
программно в рамках работы системного программного обеспечения.
Для работы таймеров в ПЛК необходима аппаратная поддержка.
Все таймеры, которые вы используете в прикладной программе, за­
секают время, пользуясь общими часами. В ПЛК достаточно иметь
один аппаратный таймер-счетчик, показания которого увеличиваются
с постоянной частотой (он должен иметь достаточную разрядность,
чтобы исключить возможность переполнения за один рабочий цикл
ПЛК). Таким образом, отсчет времени работы таймеров влияет на фор­
мирование их выходных сигналов и не вызывает никакого замедления
в программе. Благодаря такой организации таймеров в программе их
можно использовать до нескольких сотен, причем они могут работать
(вести отсчет времени) одновременно (параллельно). Минимальная
дискретность определения временных интервалов для большинства
контроллеров, как правило, составляет 1 мс.
В прикладной программе можно использовать счетчики — элемен­
ты прикладной программы, подсчитывающие нарастающие фрон­
ты сигнала на счетных входах. В итоге счет ведется на программном
уровне. Типовая максимальная частота таких счетчиков не превышает
нескольких сот герц. Для работы с импульсными сигналами большей
частоты используются быстрые счетчики. Он и подсчитывают события
быстрее, чем контроллер может опрашивать их. Для этого в состав
контроллера вводятся счетчики, реализованные на аппаратном уровне.
Максимальная частота их счета составляет несколько килогерц и более.
30
Некоторые контроллеры имеют в своем распоряжении один или
несколько аналоговых потенциометров, с помощью которых можно
увеличивать и уменьшать значения, записанные в специальные ячейки
памяти. Эти значения могут служить в программе для ряда функций,
например при актуализации текущих значений таймеров и счетчиков,
при вводе или изменении предварительно установленных значений
или при установке граничных значений. Аналоговые потенциометры
можно настраивать вручную с помощью маленькой отвертки.
Контроллеры могут иметь достаточно развитую систему прерыва­
ний. Могут поддерживаться прерывания от ввода-вывода, коммуника­
ционных портов, прерывания, управляемые временем. К прерываниям
от ввода-вывода относятся прерывания при нарастающем или спада­
ющем фронте на дискретном входе, прерывания от быстрых счетчиков
и прерывания от последовательности импульсов. Прерывания переда­
чи и приема облегчают коммуникацию с программным управлением.
С помощью прерывания, управляемого временем, можно определять
действия, которые должны выполняться периодически. Управляемое
временем событие прерывания вызывает соответствующую программу
обработки прерываний каждый раз, когда истекает заданное время.
Преры вания обрабатываются контроллером в пределах соответству­
ющих им приоритетов в последовательности их появления. Схемы
фиксации приоритетов прерываний для различных контроллеров
могут различаться.
Некоторые производители контролеров предлагают создавать
прикладное программное обеспечения в рамках некоторой заранее
подготовленной системы модулей (организационных блоков), в ко­
торой можно определять параметры использования этих модулей.
Например, вы можете определить, что созданный вами программный
блок будет выполняться лишь единожды при включении питания,
другой — циклически, третий — циклически с заданным периодом
и т.д. Вам может предоставляться совокупность системных модулей,
к выполнению которых ваша программа будет автоматически перехо­
дить при каких-то условиях (например, при определенных аппаратных
неисправностях в модулях контроллера), и вам дается возможность
прописать в них действия системы управления при возникновении
этих условий.
Как уже отмечалось, большинство контроллеров включает часы
реального времени, отсчеты которого (в том числе по дням недели
и датам) могут использоваться в прикладной программе.
Таким образом, в целом очевидно, что функционал и структура
прикладных программ контроллеров конечно ограничены набором
и объемом ресурсов, предоставляемых их аппаратной частью и их сис­
темным программным обеспечением. Однако современные контрол­
леры в абсолютном большинстве случаев позволяют выполнять все
31
функции, которые нужны в создаваемых на их базе системах управле­
ния. Это дает нам возможность, отвлекаясь отуказанных ограничений,
с полным правом называть их свободно программируемыми.
1.3.
КЛАССИФИКАЦИЯ КОНТРОЛЛЕРОВ
Любой потенциальный заказчик контроллеров стоит перед нелег­
ким выбором — на нашем рынке контроллеры предлагают десятки
отечественных и зарубежных производителей. Поэтому прежде всего
нужно разбираться хотя бы в их общей классификации.
Контроллеры можно подразделить по ряду признаков на разные
классы по определенным существенным для потребителей свойствам.
Определение для каждого контроллера его классификационных осо­
бенностей фактически указывает его место среди прочих контроллеров,
обозначает его отличия и выделяет группы контроллеров разных про­
изводителей, близких по большинству классифицируемых признаков.
Мощность. Термин «мощность» специалистами, работающими
с контроллерами, введен как сленговый — он не отражает общепри­
нятого понятия этого термина, принятого в целом в электротехнике
и физике. В данном случае под определением «мощность» понимается
некоторая совокупность характеристик: разрядность и быстродействие
центрального процессора, объем разных видов памяти, число портов
и сетевых интерфейсов, т.е. это обобщающий термин, показывающий
«превосходство» одного контроллера над другим. Обычно основным
показателем, косвенно характеризующим мощность контроллера,
является число входов и выходов (как аналоговых, так и дискретных),
которые могут быть подсоединены к контроллеру и обслуживаться
им. По этому показателю контроллеры подразделяются на следующие
классы:
• наноконтроллеры, имеющие до 15 входов-выходов;
• микроконтроллеры, рассчитанные на 15—128 входов-выходов;
• малые контроллеры, рассчитанные примерно на 100-300 входов/
выходов;
• средние контроллеры, рассчитанные на 300-2000 входов-выходов;
• большие контроллеры, имеющие 2000 и более входов-выходов.
Следует иметь в виду, что если контроллер модульный, то речь идет
о потенциальной возможности обслуживания определенного числа
входов/выходов, которое будет набрано путем подключения к цент­
ральному модулю необходимого количества периферийных блоков.
Требования автоматизируемого объекта всегда четко фиксируют
необходимое число входных и выходных каналов контроллеров, что
позволяет точно указать их классы по мощности, среди которых сле­
дует производить отбор, чтобы не допустить излишних затрат и удо­
влетворить заданным требованиям.
32
Производители контроллеров, как правило, разрабатывают и вы­
пускают их сериями. Контроллеры, входящие в одну серию, незна­
чительно отличаются друг от друга отдельными параметрами и харак­
теристиками — количеством входов-выходов, набором встроенных
функций, они имеют общие программное обеспечение и интерфейсы
к другим средствам, единую связывающую их сетевую структуру. Конт­
роллеры, относящиеся кразличным сериям, существенно отличаются
друг от друга мощностью.
Эти сведения представляют немалый интерес для разработчиков,
если системы автоматизации должны состоять из ряда контроллеров,
отличающихся по параметрам, характеристикам, числу подключаемых
входов-выходов. Естественно, что для их построения целесообразно
и технически, и экономически отбирать контроллеры из одной серии,
а каждый отдельный контроллер должен быть выбран из условия ми­
нимизации избыточных встроенных средств.
Функциональное назначение. Классификация по функциональному
назначению позволяет потенциальному заказчику связать требуемые
функции контроля и управления с определенным классом контрол­
леров (рис. 1.3.1).
Рис. 1.3.1. Классификация контроллеров по функциональному назначению
Специализированный контроллер с жестко встроенными функциями.
Обычно это минимальный по мощности контроллер, программа дей­
ствий которого заранее прошита в его памяти производителем, а из­
менению при эксплуатации подлежат только параметры программы.
Таким образом, менять программу их работы (алгоритм функциониро­
зз
вания) нельзя, но можно адаптировать ее под параметры конкретного
места эксплуатации или объект управления. Число и набор блоков
ввода-вывода определяются реализуемыми в нем функциями. Часто
такие контроллеры выполняют различные варианты функций регу­
лирования, и их пазыигаот: регуляторами. Основные области примене­
ния — управление каким-либо малым самостоятельным механизмом,
использование в качестве отдельного элемента общей системы управ­
ления, выделенного из-за специфических требований к отдельной
функции. Так, например, из-за высокоскоростного изменения свойств
какого-то узла объекта требуется управлять им с очень малым циклом
опроса, но по заранее заданной программе, что легче и надежнее реа­
лизовать отдельным специализированным контроллером.
Контроллер, рассчитанный на реализацию логических зависимостей
(в основном на блокировку, программное управление, пуск, останов
машин и механизмов). Набор блоков ввода-вывода у такого контрол­
лера рассчитан в основном на разнообразные дискретные каналы.
Он характеризуется прошитой в его памяти развитой библиотекой
логических функций и функций блокировки типовых исполнитель­
ных механизмов. Главная сфера их применения — замена релейно­
контактных шкафов во всех отраслях промышленности. Часто их
называют программируемыми реле или релейными. Принципиальное
отличие таких контроллеров от релейных схем заключается в том, что
все его функции реализованы программно. На одном контроллере
можно реализовать схему, эквивалентную тысячам элементов жесткой
логики. При этом надежность работы схемы не зависит от ее сложно­
сти. Для программирования подобных контроллеров используются
специализированные языки.
Историческая логика развития промышленных контроллеров
и их возможностей привела к тому, что релейные контролеры были
первым крупным, а некоторое время и единственным их классом.
Именно с ними связано появление и укоренение термина ПЛК, ко­
торые сегодня отождествляемого со всеми классами промышленных
контроллеров.
Контроллер, рассчитанный на реализацию любых вычислительных
и логических функций, — наиболее распространенный универсальный
контроллер, не имеющий ограничений по области применения. Его
центральный процессор имеет достаточную вычислительную мощ­
ность, разрядность, память, чтобы выполнять как логические, так
и математические функции. Иногда для усиления его вычислитель­
ной мощности он снабжается еще и математическим сопроцессором.
В программные инструментальные средства входят специализирован­
ные технологические графические языки и конфигураторы с библио­
теками математических и регулирующих функций. В состав блоков
34
ввода-вывода входят блоки на всевозможные виды и характеристики
каналов (аналоговых, дискретных, импульсных и т.д.).
Контроллер, предназначенный для телемеханических систем авто­
матизации. Данный класс универсальных контроллеров рассчитан
на создание систем диспетчерского контроля и управления распре­
деленными на местности объектами. Он отличается от прочих клас­
сов контроллеров особой проработкой программных и технических
компонентов передачи информации, имеет несколько разнообраз­
ных интерфейсов, что позволят связать в единый информационный
комплекс широкий круг разнообразных устройств. Так как главной
его задачей является организация коммуникаций между элементами
распределенной системы управления, то подобные контроллеры часто
называют коммуникационными.
Контроллер, реализующий функции противоаварийной защиты. Одно­
значно определить ограничения по функциональным возможностям
для контроллеров этого класса сложно. В ряде случаев это полноцен­
ные многофункциональные устройства, и их можно отнести к данному
классу лишь по высокой степени проработки вопросов обеспечения
их надежности. Иногда высокой надежности обеспечения функций
защиты добиваются, максимально ограничив общий перечень их
функций, дублируя программно реализуемые функции специально
введенными аппаратными средствами.
В любом случае контроллеры этого класса должны отличаться от
других:
• особенно высокой надежностью, достигаемой различными вари­
антами диагностики и резервирования (например, диагностикой
работы отдельных компонентов контроллера в режиме онлайн,
наличием основного и резервного контроллеров с одинаковым
аппаратурным и программным обеспечениями и с модулем син­
хронизации работы контроллеров, резервированием блоков пи­
тания и коммуникационных шин);
• высокой готовностью, т.е. высокой вероятностью того, что объ­
ект находится в рабочем режиме (например, не только идентифи­
кацией, но и компенсацией неисправных элементов; не просто
резервированием, но и восстановлением ошибок программы без
прерывания работы контроллеров);
• отказоустойчивостью, когда при любом отказе автоматизируемый
процесс переводится в безопасный режим функционирования.
На практике не всегда указанные классификационные признаки
выдерживаются достаточно строго. Например, развитие электроники
делает несложным включение в релейный контроллер одного-двух
аналоговых входов, чего иногда так не хватает при создании малых
проектов автоматизации. Производитель контроллера при этом со­
ответственно расширяет его систему команд (функций), но обычно
35
очень несущественно, и тогда такие контроллеры по-прежнему от­
носят к релейным. В результате сегодня релейные контроллеры как
отдельный класс отличаются от прочих контроллеров по сути дела
своей сохраняющейся изначальной ориентацией на использование
в максимально простых приложениях. Рассчитанные по той же при­
чине еще и на неподготвленных программистов, они из-за всего этого
отличаются от прочих контроллеров в первую очередь обычно простой,
но ограниченной по функционалу системой команд.
Подобные метаморфозы приводят к тому, что порой однозначно
сказать, к какому из представленных классов относится контроллер,
по крайней мере затруднительно. Из-за этого релейные контроллеры,
контроллеры, рассчитанные на реализацию любых вычислительных
и логических функций, и коммуникационные контроллеры часто
объединяют общим понятием свободно программируемых или уни­
версальных контроллеров, ставя им в противовес контроллеры спе­
циализированные.
Производительность. Производительность ПЛК оценивается по
следующим параметрам:
• длительность контроллерного цикла (период считывания значе­
ний из каналов ввода, обработки в процессоре и записи в каналы
вывода);
• время выполнения команд (отдельно логических, с фиксированной
и с плавающей точкой);
• пропускная способность шины между контроллером и модулями
ввода-вывода;
• пропускная способность промышленной сети;
• время цикла опроса всех контроллеров в одномастерной сети или
цикл обращения маркера для многомастерных сетей с маркером;
• время реакции.
Длительность контроллерного цикла (его еще называют рабочим
циклом) зависит от количества модулей ввода-вывода и наличия в них
замаскированных (исключенных из процедуры обмена) входов-вы­
ходов, поэтому рассчитывается для каждой конфигурации автомати­
зированной системы отдельно. Длительность цикла обусловливается
длиной (объемом) программы и при интенсивной математической
обработке данных (например, при цифровой фильтрации, интерполя­
ции или идентификации объекта управления в режиме нормального
функционирования системы) существенно зависит от быстродейс­
твия процессорного модуля, тактовой частоты процессора. В конт­
роллерный цикл входят также обслуживание аппаратных ресурсов
ПЛК (обеспечение работы системных таймеров, оперативное само­
тестирование, индикация состояния), контроль времени цикла, се­
тевой обмен, управление многозадачностью, отображение процесса
выполнения программы на дисплее и т.п.
36
Монолитная или модульная архитектура. Этот классификационный
признак делит контроллеры по возможностям пространственного
расположения его отдельных компонентов. Существуют:
• контроллеры монолитной (моноблочной) структуры, у которых
состав всех компонентов, включая элементы ввода-вывода, кон­
структивно зафиксирован в одном корпусе;
• контроллеры модульной структуры, у которых часть или все блоки
ввода-вывода могут быть конструктивно отделены от центральной
части контроллера.
Как уже отмечалось выше, номенклатуру периферийных модулей
ввода-вывода составляют:
• модули аналогового ввода-вывода на разные типовые сигналы
датчиков и исполнительных механизмов;
• модули дискретного ввода-вывода на разные токи и напряжения;
• аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи;
• модули сетевых интерфейсов, обслуживающие разные сети;
• специализированные модули (счетчики, таймеры, модули для
управления двигателями и т.д.).
Подключая к центральному процессорному модулю необходимые
периферийные модули, каждый проектировщик системы управления
получит контроллер с заданными и минимально избыточными аппа­
ратными средствами.
Форма конструктивного объединения центрального процессор­
ного модуля и периферийных модулей может быть различной. В ряде
случаев процессорный модуль конструктивно объединяется в одном
корпусе с блоком питания и объединительной панелью, к которой
и подключаются периферийные модули. Такой объединительный
модуль всегда рассчитан на подключение определенного числа пе­
риферийных модулей (обычно от 3-4 до 8). В других случаях взаим­
ное подключение модулей друг к другу осуществляется с помощью
внешних шлейфов или специальных разъемов.
Различаются модули ввода-вывода и по способу подключения
внешних цепей. К одним модулям они подключаются с помощью
клемм с винтовыми зажимами. Возможно также их подключение че­
рез съемные терминальные блоки или фронтальные соединители,
что позволяет производить замену модулей без демонтажа внешних
цепей. Некоторые производители предлагают системы ввода-вывода,
в которых внешние низковольтные цепи подключаются посредством
пружинных зажимов.
По рассматриваемому классификационному признаку контрол­
леры подразделяют по способности поддерживать локальный, рас­
ширенный, удаленный и распределенный ввод-вывод.
Локальномувводу-выводучасто дают следующее определение: это
ввод-вывод, когда модули ввода-вывода размещаются непосредственно
37
на том же шасси, на котором размешен и модуль центрального про­
цессора. Такое определение правильное, но не исчерпывающее. Сюда
следует отнести все архитектурные решения, которые обеспечивают
обмен центрального процессора с модулями по системной шине. При
этом конструктивное решение по объединению модулей должно обес­
печивать работу на частоте системной шины. Количество модулей
ввода-вывода при этом ограничено (ограничено число слотов в объеди­
няющем шасси, число модулей, составляющих общий конструктив).
Преимущество локального ввода-вывода заключается в том, что он
имеет высокую скорость обновления данных. При всех прочих равных
условиях скорость обработки этих вводов-выводов очень высока.
Для поддержки большего числа переменных фирмы — произво­
дители аппаратных средств снабжают свои системы возможностью
расширения локального ввода-вывода. Для этого используются шасси
расширения с размещенными в них модулями ввода-вывода. Они
соединяются между собой и с контроллером кабелем и могут быть
отнесены от центрального процессора на несколько десятков метров.
Некоторые контроллеры способны поддерживать одно-два шасси
расширения, другие — десятки шасси с очень большим количеством
модулей ввода-вывода.
Удаленный ввод-вывод применяется для систем, в которых имеется
большое количество датчиков и других полевых устройств, находящих­
ся на достаточно большом расстоянии (1 000 м и более) от центрального
процессора. Такой подход позволяет модули ввода-вывода размещать
вблизи датчиков и исполнительных устройств, что технически целе­
сообразно, а экономически эффективно.
Часто каналы удаленного ввода-вывода обновляются асинхрон­
но по отношению к сканированию процессора, поэтому удаленный
ввод-вывод используется для задач, которые не требуют обновления
ввода-вывода в каждом цикле контроллера.
Производители аппаратных средств автоматизации решают про­
блему удаленного ввода-вывода по-разному. Под держка удаленного
ввода-вывода может осуществляться посредством модулей, называ­
емых «удаленный ведущий» и «удаленный ведомый». Ведущий ком­
муникационный модуль располагается в локальном каркасе конт­
роллера и соединяется кабелем с «удаленным ведомым», который
находится в удаленном каркасе (шасси). Один ведущий модуль может
поддерживать и 32,64,128 и более ведомых. В свою очередь некоторые
процессорные модули контроллеров могут поддерживать несколько
ведущих модулей. Таким образом, системы управления, построен­
ные по технологии удаленного ввода- вывода, способны обрабатывать
многие тысячи параметров. Другое решение организации удаленного
ввода-вывода обеспечивается встроенным в процессорный модуль
портом, играющим роль «мастера».
38
Распределенный ввод-вывод является разновидностью удаленного,
с той лишь разницей, что количество параметров, которое требуется
«доставить», мало (от нескольких единиц до десятков). Поэтому ре­
шение с применением каркасов удаленного ввода-вывода, рассчитан­
ных надостаточно большое количество параметров, может оказаться
дорогим. Одно из решений распределенного ввода-вывода — приме­
нение интеллектуальных устройств, объединенных полевой шиной.
Некоторые компании, ориентирующиеся на выпуск ограниченных по
масштабируемости систем, рассматривают этот подход как основной.
Часто перечисленные архитектурные типы контроллеров комбини­
руются, например моноблочный контроллер может иметь несколько
съемных плат; моноблочный и модульный контроллеры могут быть
дополнены удаленными модулями ввода-вывода, чтобы увеличить
общее количество каналов.
Закрытая или открытая архитектура. По архитектуре контролле­
ры подразделяются на два класса: контроллеры, имеющие закрытую
(«фирменную») архитектуру, и контроллеры открытой архитектуры,
основанной на одном из магистрально-модульных стандартов.
Под открытостью системы понимают ее соответствие современ­
ным промышленным стандартам, которое обеспечивает возможность
интеграции с другими открытыми системами или с их составными
компонентами. При закрытой (фирменной) архитектуре изменения
(модификации) контроллера возможны только компонентами кон­
кретного производителя, причем возможные изменения достаточно
ограничены и заранее оговорены производителем.
Открытость архитектуры дает возможность разным производите­
лям выпускать в известном стандарте любые модули, а разработчикам
контроллеров позволяет компоновать свои средства из модулей разных
фирм, в свою очередь это упрощает вопросы ремонта и модернизации,
удешевляет эксплуатацию систем управления. Открытость архитек­
турных решений контроллеров позволяет использовать более широ­
кий набор средств создания прикладного программного обеспечения
и языков программирования.
В соответствии с рассматриваемым классификационным призна­
ком осуществляют разделение блоков ввода-вывода и периферийных
компонентов на:
• разработанные конкретно для данного контроллера (или данной
серии контроллеров);
• стандартизированные, которые могут быть использованы в разных
контроллерах.
Стандартизируются (унифицируются) дисциплины обмена с про­
цессорным блоком, габариты периферийного модуля, его присоеди­
нительные разъемы.
39
Конечно, нужно иметь в виду, что понятие открытости несколько
условное. Одни компании могут применять стандартные решения
в одной технической области, применяя свои ноу-хау в иных, а дру­
гие компании могут придерживаться другой политики в принятии
решений в этих же сферах. Открытость или закрытость любых систем
всегда вырисовывается только в определенных рамках. И можно даже
говорить о том, в решениях каких задач чаще применяются открытые
решения, а в каких реже.
Однако претворение в любой мере в жизнь концепции создания
и использованя открытых архитектур контроллеров позволит создавать
более экономичные, удобные в эксплуатации устройства, обладающие
высокой степенью интеграции. Применение контроллеров с откры­
той модульной архитектурой должно дать такие преимущества, как
уменьшение начальных инвестиций, упрощение задач интеграции,
снижение стоимости жизненного цикла, удлинение времени рабо­
тоспособного состояния станков, минимизация простоя станков во
время ремонта, упрощение встраивания функций для диагностики
контроллера, станка и процесса, удобство эксплуатации станков и кон­
троллеров, более широкие возможности интеграции покупных и час­
тнопользовательских технологий, подключение различных готовых
программных и аппаратных компонентов, эффективная реконфигу­
рация контроллеров для поддержания новых процессов и переход на
новые технологии.
Хотя, как уже было сказано выше, принцип открытости является
относительным, глобализация процессов в мире требует развития это­
го принципа и все более широкого применения. Принцип открытой
архитектуры контроллеров в той или иной мере пытались закрепить
в различных документах. Одним из первых примеров закрепления
конкретных факторов в концепции открытой модульной архитек­
туры контроллеров (ОМАС — Open Modular Architecture Controls)
является документ международной организации ISA под названием
«Requirements of open modular architecture controllers for applications in
the automotive industry» («Требования к контроллерам с открытой мо­
дульной архитектурой для приложений в автомобильной индустрии»).
Идея документа была выдвинута фирмой General Motors в 1994 г. Он
содержит требования к контроллерам, используемым в автомобильной
промышленности. Те же или близкие к ним концептуальные требо­
вания сегодня разрабатываются европейскими (OSACA — European
Open System Architecture for Controls within Automation Systems) и япон­
скими (IROFA — Japan International Robotics and Factory Automation,
OSEC — Japan Open System Environment for Controller Architecture)
организациями. Целый ряд перспективных программ на базе кон­
цепции ОМАС поддерживаются правительством США. Среди них
такие, как Проект развития технологий гибкого производства (TEAM
40
Project -- Technologies Enabling Agile Manufacturing), Проект разработ­
ки производственной операционной системы (MOS — Manufacturing
Operating System), Проект инструментального контроллера открытой
архитектуры (ОАМТС — Open Architecture Machine Tool Controller).
PC-подобие. Контроллеры подразделяются на РС-совместимые
(PC-based) и PC-несовместимые. Основные отличия данных классов
контроллеров состоят в следующем.
PC-совместимые контроллеры имеют архитектуру IBM PC; базиру­
ются на той же, что и PC, компонентной базе; работают под одной из
операционных систем персонального компьютера; взаимодействуют
со всем наработанным для персональных компьютеров программным
обеспечением; программируются на любых языках, используемых
для программирования PC; в основном ориентированы на информа­
ционный обмен с другими средствами, как и PC, через сеть Ethernet.
Архитектура PC-несовместимых контроллеров более закрыта
и большей частью является оригинальной разработкой производителя.
Компонентная база таких контроллеров отличается от PC, и она разная
у разных производителей; их специфическое системное обеспечение
(операционные системы) точно отслеживает требования динамич­
ных промышленных объектов; они почти не пользуются стандартами
Windows в части программного обеспечения и не могут применять
наработанные для PC программы; их программирование ведется на
специальных технологических языках; в сетевых взаимосвязях они
в основном ориентированы на стандартные или специальные про­
мышленные и полевые сети.
Характер приведенных свойств рассматриваемых классов контрол­
леров определяет сравнительные достоинства и недостатки каждого
класса.
PC-совместимые контроллеры по сравнению с РС-несовместимыми в целом обладают большей вычислительной мощностью, легче
стыкуются с различными SCADA-программами и СУБД, открыты для
большинства стандартов в областях коммуникаций и программиро­
вания, дешевле, проще в обслуживании.
Считается, что в большинстве случаев PC-совместимые конт­
роллеры обеспечивают большую программную надежность, которая
определяется прежде всего степенью отлаженности программного
обеспечения. Действительно, в данном случае мы имеем дело с ис­
пользованием коммерческих операционных систем и прекрасно от­
лаженных прикладных пакетов, имеющих сотни тысяч установок.
PC-совместимые контроллеры по сравнению с РС-несовместимыми, с точки зрения специалиста, знакомого с офисными техноло­
гиями, более открытые средства. Вытекающее отсюда преимущество
PC-контроллеров заключается в том, что в силу их «родственности»
с компьютерами, используемыми на верхних уровнях АСУ ТП, не
41
требуются дополнительные затраты на подготовку профессионалов,
обеспечивающих их эксплуатацию. Эту работу могут с успехом вы­
полнять специалисты, обеспечивающие эксплуатацию компьютеров
АСУ ТП верхнего уровня, что позволяет сократить сроки внедрения
систем управления, упрощает процедуры их эксплуатации и в ко­
нечном счете приводит к общему снижению затрат на создание или
модернизацию систем управления.
В то же время PC-совместимые контроллеры по сравнению
с PC-несовместимыми гораздо хуже учитывают требования про­
мышленной автоматики, их операционные системы не полностью
соответствуют ряду требований режима реального масштаба времени;
они не имеют всех наработанных в промышленности способов ди­
агностики и горячего резервирования, обеспечивающих повышенную
надежность работы контроллеров; в них недостаточно используются
возможности связи с промышленными и полевыми сетями.
Приведенное выше краткое перечисление особенностей этих двух
классов контроллеров обобщенно определяет рациональные ниши
применения каждого из них.
PC-несовместимые контроллеры целесообразнее применять на
нижних иерархических уровнях автоматизации отдельных агрега­
тов и механизмов. На этих уровнях наблюдаются особенно строгие
специфически промышленные требования к средствам автоматиза­
ции, а необходимость открытости к стандартам программирования
и к СУБД, требования больших вычислительных ресурсов почти или
совсем отсутствуют.
PC-совместимые контроллеры целесообразнее применять на верх­
них иерархических уровнях автоматизации участков, цехов и произ­
водства в целом. Здесь слабеет строгость промышленной специфики
вычислительных средств автоматизации и усиливаются требования
к информационной совместимости контроллеров с корпоративны­
ми сетями и к использованию наработанного для PC программного
обеспечения.
Сегодня мы можем смело утверждать, что архитектура PC распро­
страняется все ниже и ниже в иерархии автоматизированных систем
управления. Так, например, автомобильная промышленность США,
которая контролирует 35% рынка контроллеров, уже более десяти лет
назад приняла решение о переходе на PC-совместимые компьютеры
и контроллеры.
Способ программирования. Основным инструментом программиро­
вания контроллеров является персональный компьютер, на котором
устанавливается специальное программное обеспечение, выполня­
ющее трансляцию программы в исполняемый код процессора, кото­
рый загружается в ПЗУ ПЛК. Программирование контроллеров малой
мощности может выполняться с помощью кнопок, расположенных
42
на лицевой панели, или с помощью переносного пульта для програм­
мирования. В качестве пульта в последнее время обычно используется
компьютер формата «ноутбук». Перенос программы с контроллера на
контроллер может осуществляться с помощью карты или специаль­
ного блока памяти.
Конструктивное исполнение. По этому классификационному при­
знаку контроллеры подразделяются на два класса: встраиваемые и ав­
тономные.
Встраиваемые контроллеры выпускаются на раме без специального
кожуха, поскольку они монтируются в общий корпус оборудования
(агрегат, машину, прибор) и являются его неотъемлемой частью. Авто­
номные контроллеры помещаются в защитные корпуса, рассчитанные
на разные условия окружающей среды.
По способу крепления автономные контроллеры делятся:
• на панельные или щитовые (для монтажа на панель, щит или двер­
цу шкафа);
• для монтажа на DIN-рейку внутри шкафа;
° для крепления на стене;
• стоечные — для монтажа в стойке.
Каркасы и корпуса контроллеров могут быть как собственной раз­
работки производителя (что наблюдается все реже), таки стандартные
(например, стандарта «Евромеханика»). Стандартные конструктивы
имеют широкий диапазон вариантов исполнения, рассчитанные на
разные условия окружающей среды (температура, пыль, влага, виб­
рация, электромагнитные помехи и пр.).
Если автономные контроллеры выпускаются как локальные прибо­
ры, то в них встраивается или предусматривается возможность подклю­
чения к ним панели интерфейса с оператором, состоящей из дисплея
и функциональной клавиатуры управления. Если они рассчитаны
на работу в сетевом комплексе, состоящем из ряда контроллеров, то
они, как правило, не имеют встроенного пульта или панели, но есть
физические порты, соединяющие их с другой аппаратурой, и сетевые
интерфейсы, которые через сеть связывают их с другими средствами
автоматизации, в частности с рабочими станциями операторов.
Очевидно, что если в контроллер встроена операторная панель,
то для того чтобы ею было удобно пользоваться, контроллер должен
устанавливаться на панель, щит или дверцу шкафа оборудования.
Такие панельные контроллеры в последние несколько лет получили
достаточно широкое распространение.
Степень защиты от воздействия окружающей среды. Конструкция
любого устройства всегда, кроме функций объединения компонен­
тов, автоматически предусматривает еще и функции защиты того, что
включено внутрь него. Для определения степени защищенности нужно
выделять конкретные способы исполнения контроллеров, к которым
43
предъявляются высокие требования по защищенности от окружающей
среды, и четко отражать степени этой защиты.
Для того чтобы можно было охарактеризовать защищенность обо­
рудования от внешних воздействий, в промышленности разработаны
и применяются системы классификации степеней защиты. При этом
под степенью защиты понимается способ защиты, проверяемый стан­
дартными методами испытаний, который обеспечивается оболочкой
от доступа к опасным частям (опасным токоведущим и опасным ме­
ханическим частям), попадания внешних твердых предметов и (или)
воды внутрь оболочки.
Одна из самых распространенных систем классификации степеней
защиты (Ingress Protection Rating) оболочки электрооборудования от
проникновения твердых предметов и воды строится в соответствии
с международным стандартом МЭК 60529 (DIN 40050, ГОСТ 14254-96).
В соответствии с ней маркировка степени защиты оболочки элект­
рооборудования осуществляется при помощи международного знака
защиты (IP) и двух цифр. За цифрами могут идти одна или две буквы,
дающие вспомогательную информацию.
Первая характеристическая цифра указывает на степень защиты,
обеспечиваемой оболочкой:
• людей от доступа к опасным частям, предотвращая или ограничи­
вая проникновение внутрь оболочки какой-либо части тела или
предмета, находящегося в руках у человека;
• оборудования, находящегося внутри оболочки, от проникновения
внешних твердых предметов.
Если первая характеристическая цифра 0, то оболочка не обеспе­
чивает защиту ни от доступа к опасным частям, ни от проникновения
внешних твердых предметов.
Первая характеристическая цифра 1 указывает на то, что оболочка
обеспечивает защиту от доступа к опасным частям тыльной стороной
руки, 2 — пальцем, 3 — инструментом, 4,5 и 6 — проволокой.
При первой характеристической цифре 1,2,3 и 4 оболочка обеспе­
чивает защиту от внешних твердых предметов диаметром больше или
равным соответственно 50, 12,5, 2,5 и 1,0 мм. При цифре 5 оболочка
обеспечивает частичную, а при цифре 6 — полную защиту от пыли.
Вторая характеристическая цифра указывает степень защиты
оборудования от вредного воздействия воды, которую обеспечивает
оболочка. Если вторая характеристическая цифра 0, то оболочка не
обеспечивает защиту от вредного воздействия воды. Вторая характе­
ристическая цифра, равная 1, указывает на то, что оболочка обеспечи­
вает защиту от вертикально падающих капель воды; 2 — от вертикально
падающих капель воды, когда оболочка отклонена на угол до 15°; 3 — от
воды, падающей в виде дождя; 4 — от сплошного обрызгивания; 5 —
от водяных струй; 6 — от сильных водяных струй; 7 — от воздействия
44
при непродолжительном погружении в воду; 8 — от воздействия при
длительном погружении в воду.
Наиболее широко этот стандарт применяется европейскими про­
изводителями. Более подробно стандарт МЭК 60529 представлен
в приложении 1.
Наряду с классификацией электрооборудования по стандарту
МЭК 60529, существует классификация типов корпусов по NEMA.
NEMA (Национальная ассоциация производителей электротехниче­
ской продукции) — это партнерская организация электротехнической
промышленности США. Ее спецификации и тестовые методики ис­
пользуются Underwriters Laboratories (сертифицирующий орган США)
для тестирования и классификации корпусов. Стандарт наибольшее
распространение получил среди производителей США. Применение
шифра NEMA разъяснено в приложении 2. Там же приведена таблица
соответствия кодов двух упомянутых стандартов.
Надежность контроллеров. Контроллеры отличаются друг от дру­
га по широте и комплексности решения при их создании вопросов
обеспечения надежности их функционирования. В целом надежность
контроллеров характеризуется наработкой на отказ, которая определя­
ется как отношение суммарного времени работоспособного состояния
контроллера к математическому ожиданию числа его отказов в течение
этого времени (ГОСТ 27.002-89) или наработкой до отказа — временем
от начала эксплуатации до первого отказа. Надежность контроллеров
обеспечивается целым комплексом мер.
В контроллерах для ответственных применений могут быть пред­
усмотрены функции самодиагностики:
• обнаружение ошибок центрального процессора;
• сигнализация о срабатывании сторожевого таймера;
• обнаружение отказа батареи или источника питания;
• обнаружение сбоя памяти;
• проверка программы пользователя;
• обнаружение выхода из строя предохранителя;
• обнаружение обрыва или короткого замыкания в цепи датчика
и нагрузки.
Для сведения к минимуму нежелательных последствий, возника­
ющих при сбое программного обеспечения, используется сторожевой
таймер.
В целях повышения безопасности систем автоматизации в контрол­
лерах предусматривается возможность установки начального состоя­
ния выходов сразу после подачи питания или в аварийном режиме. Эти
состояния выбираются таким образом, чтобы после восстановления
напряжения питания при случайном его прерывании или в аварийном
режиме системы исполнительные устройства находились в безопасном
для персонала или системы состоянии. Например, в системах с нагре­
45
вом безопасным будет состояние отключенного нагревателя, в подъем­
ных механизмах — состояние торможения. Способность контроллера
переводить свои выходы в заранее определенное состояние сразу после
обнаружения снижения напряжения питания или после внутренне­
го отказа называется отказоустойчивым отключением. Функциями
перевода своих выходов в заданное безопасное состояние обладают
и многие интерфейсные модули. К выполнению этих функций они
могут переходить самостоятельно без участия в этом центрального
процессорного модуля. Необходимость перехода к их выполнению
определяется ими по отсутствию обращения к ним центрального про­
цессорного модуля по системной шине или по сети в течение заданного
времени (наступление тайм-аута).
Понятие надежности логически связывается и с существующими
возможностями возвращения контроллера к нормальной работе после
прерывания питания, при обнаружении критических ситуаций, после
восстановления работоспособного состояния. Переход к нормальной
работе осуществляется в результате ручного или автоматического ре­
старта, который может проводиться по-разному.
Если повторный запуск ПЛК выполняется после того, как все ди­
намические данные (переменные входов-выходов, состояние внут­
ренних регистров, таймеров, счетчиков, программные контексты)
были возвращены в заранее определенное состояние (переменные
принимают предварительно заданные значения из загрузочной па­
мяти), то такой запуск называется холодным рестартом. Холодный
рестарт может быть автоматическим (например, после пропадания
питания, потери информации, хранящейся в оперативной памяти) или
ручным (например, с помощью кнопки перезапуска). При холодном
рестарте рабочий цикл ПЛ К начинается с опроса входов контроллера.
Горячий рестарт определяется как повторный запуск после про­
падания питания в течение максимально допустимого промежутка
времени, при котором происходит восстановление работоспособности
ПЛК, как если бы пропадания питания не было. При горячем рестарте
выполнение программы возобновляется в точке останова программы.
Возможность горячего рестарта требует наличия автономно питае­
мого таймера для определения времени отсутствия питания, а также
наличия доступных пользователю средств для задания максимального
времени отсутствия питания. Горячий рестарт поддерживается далеко
не всеми контроллерами.
Теплый рестарт — это повторный запуск, который выполняется
вручную после перехода в состояние «останов» в случае появления
критического события (неисправности), обработка которого не опи­
сана в программе контроллера (например, срабатывание сторожевого
таймера). При теплом рестарте рабочий цикл ПЛК начинается с оп­
46
роса входов контроллера при текущих значениях всех внутренних
переменных программы.
В контроллерах могут быть предусмотрены различные варианты
резервирования как отдельных компонентов, так и всего контроллера
в целом. Можно отметить следующие распространенные варианты
резервирования:
• горячий резерв контроллера в целом и (или) его компонентов. В по­
следнем случае резервируемым компонентом чаще всего являет­
ся его процессорный блок. При использовании такого варианта
резервирования два процессорных блока синхронно формируют
управляющие воздействия, но эти воздействия выдаются через об­
щие модули вывода только из ведущего блока. В случае возникно­
вения отказа ведущего блока все функции управления принимает
на себя второй (исправный) процессорный блок контроллера. Для
гарантированного безударного включения резерва между процес­
сорными блоками контроллера необходима надежная скоростная
связь. Функции связи выполняются автоматически операционной
системой контроллера и обычно не требуют программирования со
стороны пользователя;
• троирование основных компонентов и (или) контроллера в целом
с «голосованием» результатов обработки сигналов всех контролле­
ров (принимается тот выходной сигнал, который дало большинство,
а контроллер, давший другой результат, объявляется неисправным);
• работа по принципу «пара и пара в резерве» — параллельно работает
пара контроллеров со сравнением результатов, а аналогичная пара
находится в горячем резерве. При выявлении разности результатов
работы первой пары управление переходит ко второй; первая пара
тестируется и либо выявляется наличие случайного сбоя, тогда
управление возвращается к ней, либо выявляется неисправность
и управление остается у второй.
Горячее резервирования используется для автоматизации:
• процессов с высокими затратами на перезапуск системы в резуль­
тате отказа контроллера;
° процессов с высокой стоимостью простоя;
• процессов, в которых используются дорогостоящие материалы;
• необслуживаемых процессов.
В ряде случаев предусматривается возможность горячей замены
элементов системы (т.е. без отключения питания), что достигается
одновременно аппаратными и программными средствами. Аппаратно
предусматривается независимость начального состояния устройства
от очередности подачи сигналов на его клеммы в процессе замены,
а программно обеспечивается возможность временного отсутствия
компонента системы без ее зависания или перехода в аварийные ре­
жимы.
47
Надежность контроллера с точки зрения его помехоустойчивости
обычно оценивается по его соответствию комплексу стандартов по
электромагнитной совместимости.
Промышленные контроллеры используют гальваническую изо­
ляцию для устранения паразитных связей по общему проводу, земле
и для защиты оборудования от высоких напряжений.
Степень защиты от воздействия окружающей среды, обеспечи­
ваемая корпусом контроллера, как и для промышленных компью­
теров, классифицируется международным стандартом МЭК 60529
(DIN 40050, ГОСТ 14254-96) — так называемая IP-классификация.
Надежность контроллеров также связана с допустимыми механи­
ческими перегрузками — амплитудой вибрации в требуемом диапазоне
частот, допустимым ускорением при ударе.
Контроллеры, учитывающие и не учитывающие российскую специ­
фику эксплуатации. Лишь несколько лет назад окончательно исчезло
разделение контроллеров на отечественные и зарубежные. Считалось,
что отечественные контроллеры существенно уступают по техниче­
ским характеристикам и по надежности, но зато они значительно
дешевле зарубежных контроллеров того же класса. На данный момент
у конкурентных контроллеров отечественных производителей эти
отличия становятся все менее заметными. Этому способствует то, что
все они собираются из современных электронных компонентов, ис­
пользуют близкое по свойствам системное и прикладное программное
обеспечение, соответствуют одинаковым международным стандартам.
Сегодня продукция отечественного производства оказывается впол­
не конкурентоспособной по сравнению с импортными аналогами.
К сожалению, при этом ее стоимость также становится сопоставимой
с зарубежными изделиями.
В настоящее время, когда говорят о контроллерах, учитывающих
российскую специфику эксплуатации, обычно понимают:
• значительно более высокий, чем на зарубежных предприятиях,
уровень промышленных помех;
• более широкий диапазон изменения параметров атмосферной
и промышленной сред;
• возможность информационной связи с рядом морально устарев­
ших, но еще находящихся в эксплуатации средств автоматизации,
выпущенных российскими предприятиями в 1980-х гг.;
• недостаточную квалификацию обслуживающего персонала;
• низкую культуру оперативного персонала в части общения с вы­
числительными системами и дисплейными рабочими станциями.
Представляется, что эта специфика имеет тенденцию к исчезнове­
нию. В частности, следует отметить, что зарубежные производители
предлагают модификации контроллеров под разные виды и диапазоны
помех и климатических характеристик (в том числе охватывающие все
48
возможные условия работы контроллеров на российских предприяти­
ях), а с точки зрения вандалоустойчивости российские и зарубежные
контроллеры практически не различаются.
При недостаточной квалификации персонала любой специально­
сти и при нарушениях технологической дисциплины на производстве
следует уделять внимание исключению этих недостатков, а не при­
способлению к ним средств управления.
В заключение классификации контроллеров отметим, что, несмо­
тря на огромное разнообразие контроллеров, в их развитии заметны
следующие общие тенденции:
• уменьшение габаритных размеров;
• расширение функциональных возможностей;
• увеличение числа поддерживаемых интерфейсов и сетей;
• использование идеологии «открытых систем»;
• использование языков программирования стандарта МЭК 61131-3;
• снижение цены.
В качестве еще одной тенденции развития контроллеров и фак­
торов их классификации можно отметить появление в некоторых из
них отдельных признаков компьютера (наличие мыши, клавиатуры,
монитора, возможности подключения жесткого диска).
2.
2.1.
ПРОГРАММИРОВАНИЕ
КОНТРОЛЛЕРОВ
ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ
КОНТРОЛЛЕРОВ
2.1.1. Требования к языкам программирования.
Стандарт МЭК 61131-3
Использование типовой аппаратной базы универсальных програм­
мируемых контроллеров избавляет проектировщика систем управле­
ния от необходимости их схемотехнического проектирования и изго­
товления. Поэтому можно сказать, что сегодня проекты с применением
ПЛ К на 90% являются программным продуктом. При использовании
универсального контроллера главная задача проектировщика системы
управления — создание программы.
Сфера программирования контроллеров, как и сфера их аппарат­
ной части, прошла свой путь развития. Первоначально появились
ПЛК, которые можно было программировать на машинно-ориентиро­
ванных языках — ассемблерах. Такие контроллеры были максимально
просты с архитектурной точки зрения. Но работа с ними требовала
участия специально обученного программиста для внесения даже не­
значительных изменений в алгоритм управления.
Началась борьба за упрощение процесса программирования ПЛК,
которая привела сначала к использованию универсальных языков
программирования высокого уровня, изначально созданных для ЭВМ
общего назначения. Однако в конце концов такое направление, от­
лично зарекомендовавшее себя в области создания программного
обеспечения ЭВМ общего назначения, показало свою низкую эффек­
тивность в области промышленной автоматизации. Дело в том, что
в работах по внедрению элементов вычислительной техники в реаль­
ное производство участвуют программист, электронщик и технолог,
досконально знающий автоматизируемый процесс. Однако затраты
времени и средств на эту работу, как правило, находятся в прямой
зависимости от способностей программиста.
При создании АСУТП любой сложности всегда существовала тя­
жело решаемая проблема по взаимопониманию программистов и тех­
нологов. К сожалению, практика показывает, как трудно добиться от
главного производственного специалиста формализованного описа­
ния алгоритма. Успешнее всего работы по созданию АСУТП шли там,
где программисты вникали во все тонкости конкретного технологиче­
ского процесса. Но при таком подходе программист часто оставался
50
единственным человеком, способным разобраться в своем творении,
со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Разработка промышленной системы должна главным образом
выполняться не программистами, а специалистами той предметной
области, которая нуждается в автоматизации, т.е. технологами, а так­
же системными интеграторами, которые осуществляют комплексное
внедрение системы. Подход, при котором конечный программный
модуль готовится специалистами в области автоматики и техноло­
гии конкретного производства, позволяет большую часть ресурсов
и времени направить в область технологической настройки системы
на реальном объекте с целью достижения наилучших качественных
характеристик управления. Понимание такой ситуации породило
стремление создать некие технологические языки программирования,
доступные инженерам и технологам, и максимально упрощающие
процесс программирования.
Постепенно складывались представления о требованиях к таким
языкам. Прежде всего они должны были обеспечивать наглядное опи­
сание автоматизируемых технологических процессов при создании
программы и проведение ее отладки в терминах исходного описания.
Требование наглядности должно присутствовать при решении круга
типовых задач управления объектом. К. ним можно отнести следующие.
1. Задачи параллельной обработки большого числа логических
контуров с обработкой исполнительных действий при наступлении
тех или иных событий. В основе логического контура лежит проверка
истинности логической функции от нескольких переменных, а собы­
тие равнозначно истинности этой функции. Такие задачи адекватно
и наглядно описываются системами булевых уравнений. Поэтому
языки ПЛК должны подходить для описания подобных задач — они
должны содержать средства представления булевых функций (анали­
тической или графической формы их отображения).
2. Задачи управления процессом, проходящим в своем развитии
через ряд состояний (шагов, стадий). Переход от одного состояния
к другому происходит по событиям, формируемым по сигналам дат­
чиков процесса. Таким образом, языки ПЛК должны иметь возмож­
ность осуществлять разметку состояний процесса, представлять логику
управления, описывать действия, связанные с текущим состоянием
и событиями, предшествовавшими смене состояний.
3. Задачи автоматического регулирования (ПИД-законы, нечеткое
управление и т.д.) встречаются практически везде. Языки ПЛК долж­
ны максимально просто описывать типовые процессы управления,
в том числе позволяя использовать библиотеки заранее разработанных
компонентов.
4. Задачи управления распределенными технологическими объек­
тами, оптимизационные, а также задачи, связанные с интеллектуаль51
ным анализом данных. При решении таких задач удобны операторы
языков типа Си, Паскаль, Visual Basic.
Долгое время считалось, что наглядность описания операторами
языка решаемых задач определяется формой представления его тексто­
вых конструкций. Это справедливо и по сей день. Однако со временем
появилась возможность представлять операторы языка и их взаимо­
связь еще и в графической форме. Языки графического программиро­
вания произвели настоящую революцию в программировании систем
автоматизации. Одним из первых в этом классе был графический язык
среды Simulink, входящей в состав MATLAB (MathWorks Inc), а также
языки Lab VIEW (National Instruments) и HP-VEE (Hewlett Packard).
Они предназначены и успешно используются для сбора данных, мо­
делирования систем автоматизации, автоматического управления,
обработки собранных данных и их визуального представления в виде
графиков, таблиц, звука, с помощью компьютерной анимации. Гра­
фические языки настолько просты и естественны, что для их освоения
часто достаточно метода проб и ошибок без использования учебников
и консультаций. Человек, не знакомый с программированием на алго­
ритмических языках, пользуясь только логикой и понимая постановку
прикладной задачи, собирает работающее приложение из готовых
компонентов, набрасывая их мышкой на экран монитора и проводя
графические связи для указания потоков информации.
Кроме наглядности описания задачи, языки ПЛКдолжны обеспе­
чивать мобильность — способность к переносу программы на различ­
ные аппаратные и операционные платформы, а также эффективное
исполнение программы в реальном масштабе времени.
По возможности учитывая все эти требования, некоторые компа­
нии стали предлагать языки, ориентированные на программирование
именно ПЛК. Но сначала складывалась ситуация, свойственная на­
чальному этапу становления любого нового крупного класса техни­
ческих средств, связанная с отсутствием договоренностей об общих
спецификациях и стандартах. Каждый изготовитель ПЛК предлагал
собственный язык программирования. В результате ПЛК разных про­
изводителей были программно несовместимы, кроме того, существо­
вала проблема аппаратной несовместимости. Замена ПЛК на продукт
другого изготовителя превратилась в огромную проблему. Покупатель
ПЛК был вынужден использовать изделия только одной фирмы либо
тратить силы на изучение разных языков и средства на приобретение
соответствующих инструментов.
В итоге, как уже говорилось выше, в рамках МЭК (IEC) был разра­
ботан стандарт МЭК 61131, определяющий общие требования к аппа­
ратным средствам, программному обеспечению, правилам монтажа,
тестированию, документированию и средствам связи ПЛК. Вопросам
52
программирования посвящена третья часть стандарта — МЭК 61131-3
«Языки программирования ПЛК».
Рабочей группой МЭК при создании этого стандарта из всего мно­
гообразия существовавших языков программирования ПЛК были вы­
делены пять, получившие на тот момент наибольшее распространение.
Спецификации языков были доработаны так, что стало возможным
использовать в программах, написанных на любом из этих языков,
стандартизованный набор элементов и типов данных.
Первоначальными целями стандарта МЭК61131-Збыли унифика­
ция языков программирования ПЛ К и предоставление разработчикам
ряда аппаратно-независимых языков, что, по замыслу его создателей,
обеспечило бы простую переносимость программ между различными
аппаратными платформами и снимало бы необходимость изучения но­
вых языков и средств программирования при переходе разработчика на
новый ПЛК. Этот стандарт требует от различных изготовителей ПЛК
предлагать команды, являющиеся одинаковыми и по внешнему виду,
и по действию. В части описания языков программирования стандарт
МЭК 61131 остается чрезвычайно актуальным, являясь ориентиром
для большинства разработчиков ПЛК. По разным оценкам, до 80%
ПЛК-рынка обслуживается программными продуктами, реализую­
щими в той или иной мере этот стандарт.
Можно выделить следующие общие принципы построения языков
стандартаМЭК61131-3:
• программа, написанная для одного контроллера, может быть
перенесена на любой контроллер, совместимый со стандартом
МЭК61131-3;
• стандарт требует строгой типизации данных, указание их типов
позволяет легко обнаруживать множество ошибок в программе
до ее исполнения;
• стандарт поддерживает структуры для описания разнородных дан­
ных, набор которых можно описать с помощью единой структу­
ры и передавать ее внутрь программы как единый элемент (блок)
данных;
• вся программа разбивается на множество функциональных элемен­
тов — Program Organization Units (POU), каждый из которых может
состоять из функций, функциональных блоков и программ, любой
элемент программы может быть сконструирован иерархически из
более простых элементов;
° имеются средства для исполнения разных фрагментов программы
в разное время, с разной скоростью, а также параллельно, напри­
мер один фрагмент программы может сканировать один датчик
с частотой 100 раз в секунду, в то время как второй фрагмент будет
сканировать другой датчик с частотой один раз в 10 секунд;
53
• стандарт обеспечивает совместное использование нескольких язы­
ков и для каждого фрагмента задачи может быть выбран любой
наиболее удобный язык;
• для выполнения отдельных фрагментов программы в определенной
последовательности, которая задается моментами времени или
событиями, используется специальный язык последовательных
функциональных блоков (SFC).
В настоящее время стандарт МЭК 61131-3 поддерживает пять язы­
ков технологического программирования:
• Sequential Function Chart (SFC) — язык последовательных функ­
циональных блоков;
• Function Block Diagram (FBD) — язык функциональных блоковых
диаграмм;
• Ladder Diagrams (LD) — язык релейных диаграмм;
• Statement List (ST) — язык структурированного текста;
• Instruction List (IL) — язык инструкций.
• SFC, FBD, LD являются графическими языками, языки IL и ST —
текстовые.
Некоторые компании и в настоящее время по-прежнему пред­
лагают свои собственные языки программирования. Это в первую
очередь большие и мощные компании — производители контролле­
ров. Многие из них не хотят отказываться от огромных наработок,
уже сделанных ими в этой области, и могут себе это позволить в силу
широкого распространения их продукции на данном рынке. Хотя,
надо отметить, что сама логика появления и языков стандарта МЭК
61131-Зи фирменных языков делает их все крайне похожими друг на
друга. Языки, отличные от языков стандарта МЭК 61131-3, предла­
гают порой компании, производящие пакеты разработки программ
для универсальных контроллеров, но такие языки, как правило, яв­
ляются лишь некоторым «усовершенствованием» или расширением
стандартных. К ним, например, можно отнести язык CFC.
2.1.2. Особенности программирования ПЛК
Подходы к прикладному программированию для ПЛК существенно
отличаются от традиционных подходов, применяемых при работе на
языках высокого уровня, например при создании программ для ПК.
Рассмотрим в качестве иллюстрации простейшую задачу: необходимо
запрограммировать мерцающий световой индикатор. Разработаем
алгоритм этой задачи в привычной для нас форме:
1) включить выход контроллера, ккоторомуподключениндикатор;
2) выдержать паузу;
3) выключить этот выход;
4) выдержать паузу;
5) переход к шагу 1 (начало программы).
54
Так строилась бы программа, написанная для ПК или однокрис­
тальных микроконтроллеров, но реализованная по этому алгоритму
программа для ПЛК работать не будет.
Во-первых, вспомним, что прикладная программа ПЛКвыполняется циклически — так ее заставляет работать системное программное
обеспечение контроллера. Поэтому 5-й шаг нашего алгоритма в про­
грамме для ПЛК не нужен.
Во-вторых, в реальных практических случаях контроллер должен
выполнять и другую работу. Но если контроллер занят ожиданием, то
применение данного алгоритма означает, что ничего иного одновре­
менно он делать не сможет. Но тогда выдержку времени необходимо
организовать иначе. Достаточно засечь время и заняться другими де­
лами, контролируя периодически часы. Так поступает обычно боль­
шинство людей в ожидании назначенного часа. Для того чтобы засечь
время и следить за ним, нам нужен таймер, работающий независимо
от прикладной программы. Организацию работы таких таймеров берет
на себя в ПЛК системное программное обеспечение, пользователь же
в прикладной программе должн запустить такой таймер (предвари­
тельно установив время его работы) и реагировать только на изменение
его управляющих выходов.
В-третьих, вспомним о том, что системное программное обеспе­
чение ПЛК, перед тем как вызвать в очередной раз выполнение при­
кладной программы, само считывает состояние всех входов контрол­
лера, фиксируя их в его памяти. Прикладная программа ПЛК работает
с этим «снимком» входов. Если в процессе выполнения прикладной
программы она меняет состояния переменных, определяющих со­
стояние выходов, то они тоже сразу не передаются на физические
выходы ПЛК, а сначала фиксируются в его памяти. Выдачу состояний
выходных переменных на физические выходы осуществляет систем­
ное программное обеспечение после окончания работы прикладной
программы. С одной стороны, все это избавляет пользователя от раз­
бирательства в том, как организовывать считывание и запись данных
с входов и выходов. С другой стороны, это позволяет максимально
просто разбираться в работе программы. В нашем примере алгоритма
применение такого подхода будет означать, что индикатор загораться
никогда не будет. Выход всегда будет оставаться в выключенном со­
стоянии, поскольку физически установка значений выходов произ­
водится по окончании прикладной программы один раз, а последнее
действие по управлению соответствующим выходом — установка его
в выключенное состояние. Промежуточные изменения значений вы­
ходов не отображаются на аппаратные средства. Конечно, значение
переменной в процессе выполнения программы будет изменяться
многократно, но определяющим состояние выхода станет только по­
следнее ее значение.
55
Все, что мы рассмотрели выше, в целом определяет главное.
Чтобы писать программы для ПЛК, нужно научиться думать опре­
деленным образом — представлять себе контроллер не как машину,
последовательно выполняющую команды программы, а как конечный
автомат.
В любом автомате существует множество входов, множество вы­
ходов и множество возможных состояний. В нашем случае это конеч­
ные множества, поскольку число входов-выходов ПЛК ограничено,
так же как и объем памяти переменных (определяющих возможные
состояния). Начальное состояние однозначно определено. Аналогия
в работе автомата и ПЛК почти полная. Автомат работает по тактам,
для ПЛК это рабочий цикл. В каждом такте (цикле) значения входов
известны. Значения выходов определяются (функция выходов) зна­
чениями входов и текущим состоянием. Реакция автомата зависит
только от текущего состояния, т.е. неважно, как он пришел в данное
состояние. Вместе с тем текущее состояние также изменяется по так­
там, автомат переходит в новое состояние (функция переходов).
Классическая сфера применения ПЛК—это программная реали­
зация автоматов. Именно это и обусловило описанный подход к про­
граммированию ПЛК. Контроллер вычисляет программно заданную
функцию выходов и функцию переходов. В каждом рабочем цикле
ПЛК выполняет расчет новых значений для выходов, которые необ­
ходимо изменить. В итоге классическая прикладная программа ПЛК
оказывается более похожей на вычисление по формуле, выполняемое
в каждом цикле.
Типовым примером дискретных автоматов с памятью является
блок управления стиральной машиной. Базовые механизмы маши­
ны включают: клапан подачи воды, нагреватель, привод барабана,
помпу слива воды и таймер. Каждому механизму можно сопоста­
вить логическую переменную. Все возможные состояния машины
определяются, таким образом, множеством значений переменных.
Переход из одного состояния в другое происходит под воздействием
входных сигналов. Заметьте, что таймер здесь является самостоя­
тельным блоком. Сигнал окончания выдержки времени является
обычной переменной.
Несколько расширив понятие автомата, мы можем рассматривать
переходы как функции событий. События не обязательно должны
быть связаны с входами. Например, окончание времени срабатывания
таймера будем понимать как событие, причем совершенно неважно,
как конкретно реализован сам таймер.
Техническая база для построения автоматов весьма широка. Это
механические узлы, пневматические элементы, реле или логические
микросхемы и т.д. Но, в отличие от любых других реализаций обычных
автоматов, технология ПЛК обеспечивает быстрое и исключительно
56
гибкое решение. Возможности ПЛ К существенно превышают возмож­
ности конечных автоматов. Далеко не все, что можно сделать на ПЛ К,
вписывается в рамки конечных автоматов. Это функции управления
по времени, математическая обработка данных, регулирование и т.д.
Тем не менее применение формализма конечных автоматов в любом
случае позволяет значительно упростить понимание общих принципов
их программирования.
2.1.3. Общие элементы языков стандарта МЭК 61131-3
Прежде чем переходить к непосредственному изучению языков
стандарта МЭК 61131-3, необходимо познакомиться с их общими
элементами. Общие элементы служат фундаментом, объединяющим
эти языки в одну группу. Именно наличие такой основы позволяет
в одном программном проекте использовать компоненты, написанные
на любом из этих языков, создавать эти разноязыкие компоненты,
работая в одной системе программирования, переводить программу,
написанную на одном языке, на другой и т.д.
Как и в любых языках высокого уровня, в рассматриваемых язы­
ках прежде всего оговариваются типы данных, с которыми можно
работать.
Тип данных переменной определяет род информации, диапазон
представления и множество допустимых операций. Языки стандарта
используют идеологию строгой проверки типов данных. Это озна­
чает, что любую переменную можно использовать только после ее
объявления.
Типы данных МЭК разделяются на две категории — элементарные
и составные. Элементарные или базовые типы являются основой для
построения составных типов. К составным типам относятся перечис­
ления, массивы, структуры, массивы структур и т.д. В большинстве
случаев приходится иметь дело с элементарными типами данных,
поэтому в основном далее будут рассматриваться только они.
Целочисленные переменные отличаются различным диапазоном со­
храняемых данных и, естественно, различными требованиями к па­
мяти. Подробно данные характеристики представлены в табл. 2.1.1.
Нижний предел диапазона целых без знака равен 0, верхний предел
определяется как (2П — 1), где п — число разрядов числа. Для чисел со
знаком нижний предел составляет —2П-1, верхний предел — (2П~! -1).
Наименования целых типов данных образуются с применением
префиксов, выражающих отношение разрядности представления
данных к 16-разрядным словам: S — «short, короткое» (16 х 1/2), D —
«double, двойное» (16 х 2), L—«long, длинное» (16 х 4). Префикс U (un­
signed) указывает на представление целых без знака.
Применение широкого спектра типов целочисленных переменных
позволяет программисту оптимизировать код программы — добиться
57
меньшего времени ее выполнения и (или) меньшего объема требуемого
ОЗУ при соблюдении требований по точности вычислений. Скорость
вычислений зависит от того, как микропроцессор оперирует с перемен­
ными того или иного типа. Так, вполне очевидно, что 16-разрядный
процессор выполняет сложение двух 16-разрядных значений одной
командой. Сложение же двух значений 32-разрядных переменных будет
выполняться уже подпрограммой из нескольких команд. Дополни­
тельные задержки могут образовываться за счет мультиплексирования
шины данных, связывающих процессор и память, особенностей мик­
росхем памяти и т.д. В общем случае меньшие по диапазону представ­
ляемых значений типы переменных требуют меньше памяти, меньше
кода, и вычисления с их участием выполняются значительно быстрее.
Таблица 2.1.1
Типы переменных языков стандарта МЭК 61131-3,
пределы их величин и размер в байтах
Тип
Нижний предел
Верхний предел
Размер в байтах
SINT
-128
127
1
INT
-32 768
32 767
2
DINT
-231
231-1
4
LINT
-263
263-1
8
USINT
0
255
1
UINT
UDINT
0
65 535
0
232-1
2
4
ULINT
0
264-1
8
8 бит
1
WORD
16 бит
2
DWORD
32 бит
4
LWORD
64 бит
8
BYTE
Переменные типов BYTE, WORD, DWORD и LWORD определяются
стандартом как битовые строки. Они представляют собой последова­
тельности из 8,16 и 32 битсоответственно. Помимо обращения с таки­
ми переменными как с единым целым, их можно использовать побитно.
Целые числа могут быть представлены в двоичной, восьмеричной,
десятичной или шестнадцатеричной системе счисления. Числовые
константы, отличные от десятичных, требуют указания основания
системы счисления перед знаком «#». Например:
двоичное
восьмеричное
шестнадцатеричное
десятичное
58
2#01101 101
8#36
16#1F
24
При начальной инициализации целочисленные переменные по­
лучают нулевые значения. Если необходимо задать другие начальные
значения, это можно сделать при объявлении переменной.
Логические переменные объявляются ключевым словом BOOL. Они
могут принимать только значение логического нуля (FALSE — ложь)
или логической единицы (TRUE — истина). При начальной иници­
ализации по умолчанию значения этих переменных принимаются
равными логическому нулю.
Действительные типы переменных представляются как числа
с плавающей запятой, т.е. с помощью мантиссы и порядка. Пере­
менные типа REAL представляют действительные числа в диапазо­
не ±10±38. Из 32 бит, занимаемых числом, мантисса занимает 23 бит.
В результате точность представления будет приблизительно на уровне
6-7 десятичных разрядов после запятой. Длинный формат LREAL при
представлении действительных чисел занимает 64 бита. Число содер­
жит 52-битовую мантиссу. Точность представления чисел при этом
будет на уровне 15—16 десятичных разрядов после запятой. Диапазон
чисел длинного действительного ± 1 О±307. Числа с плавающей запятой
записываются в формате с точкой: 14.0, —120.2,0.33 или в экспонен­
циальной форме: —1.2Е10или 3.1е7.
Интервал времени отражается переменными типа TIME. Числа, вы­
ражающие временной интервал, должны начинаться с ключевого слова
TIME# или в сокращенной форме Т#. В общем случае представление
времени составляется из полей дней (d), часов (h), минут (ш), секунд
(s) и миллисекунд (ms). Порядок представления должен быть именно
такой, хотя ненужные элементы можно опускать. Нужное значение
интервала времени можно выразить через любые приведенные единицы.
Время суток и дата. Типы переменных, выражающие время дня
или дату, представляются в соответствии с ISO 8601. Дата записыва­
ется в формате «год — месяц — число». Время записывается в формате
«часы:минуты:секунды.сотые». Дата определяется ключевым словом
DATE# (сокращенно D#), время дня — TIMEOFDAY# (сокращен­
но TOD#), дата и время — DATEANDTIME# (сокращенно DT#).
Переменные типа время суток (TIMEOFDAY), в отличие от вре­
менного интервала, ограничены максимальным значением в 24 часа.
Строки. Этот тип данных объявляются ключевым словом STRING
и определяет переменные, содержащие текстовую информацию. Раз­
мер строки задается при объявлении.
Преобразование типов. Присваивать значение одной переменной
другой можно, только если они обе одного типа. Если происходит
присваивание значения переменной одного типа переменной другого
типа, то происходит преобразование типов, меняющее физическое
представление значения переменной в памяти данных, но не изме­
няющее само значение.
59
Допускается присваивание значения переменной совместимого
типа, имеющей более широкое множество допустимых значений.
В этом случае происходит неявное преобразование типа без потерь.
Неявные преобразования типов данных с потерями запрещены. Так,
например, логическую переменную, способную принимать только два
значения (логические 0 и 1), можно присвоить переменной типа SINT
(-128...+127), но не наоборот. При трансляции программы все подоб­
ные попытки отслеживаются и считаются грубыми ошибками. Если
же это действительно необходимо, то выполнить присваивание с по­
терями возможно, но только при помощи специальных операторов.
Операторы преобразования выполняют также и более сложные
операции, например преобразование числа или календарной даты
в текстовую строку и наоборот.
Стандарт только определяет совместимые типы данных, но не
требует обязательной поддержки всех типов в реализациях систем
программирования.
Переменные. Сущность переменной может быть различной, но
каждая переменная, прежде чем она будет применяться, должна быть
определена, т.е. должны быть объявлены ее имя и тип. На физическом
уровне объя вление переменной означает выделение ей определенного
(постоянного или временного) места в памяти контроллера.
Имя переменной (ее идентификатор) выделяет каждую переменную
среди других. Имя должно быть составлено из печатных символов
и цифр. Существуют ограничения на выбор имен переменных.
Имя может быть однобуквенным (X, Z и т.д.), иметь цифровые
индексы (XI, Х2 и т.п.), вписываемые без пробела. Если есть необ­
ходимость в таком пробеле, например при написании двух или бо­
лее слов, то в пробел ставится символ подчеркивания. Этот символ
является значимым, т.е. имена X_l, XI, _Х1 и _Х_1 воспринимаются
программой как самостоятельные. Но цифру на первое место ставить
нельзя: имена IX, 2Х недопустимы.
Нельзя применять в качестве имен операторы языков, например
операторы языка IL: LD, ST, S, R, AND, MUL, JMP и др., а с индексами,
символами подчеркивания или другими буквами — можно, например
SI, RU, AND_, MULTI и т.д. Даже не зная весь список операторов,
легко установить ошибку — в процессе присваивания имени перемен­
ной при создании программы в том или ином пакете запрещенный
идентификатор выделится (обычно цветом). Его необходимо удалить
и вписать другое имя.
Регистр букв не влияет на работу ПЛК. Так, имена «SET» и «Set»
воспринимаются одинаково.
В сложных программах трудно запомнить назначение того или
иного элемента при упрощенной системе идентификации. Поэтому
имя переменной (т.е. идентификатор) можно записать в развернутом
60
виде (к сожалению, не все системы программирования позволяют
использовать буквы русского языка). Например, можно присвоить
имена «Dvigatel», «pusk», «BLOKIROVKA» ит.д.
Области переменных и их адресация. Любая программа работает
с определенным набором переменных, отражающих значения тех
или иных величин. В программе контроллера, кроме «обычных» те­
кущих переменных, которые рассчитываются или определяются по
ходу программы, а также переменных, значения которых определя­
ются сигналами на его физических входах, есть переменные, которые
своими значениями определяют значения сигналов на выходах. Же­
лательно иметь в своем распоряжении переменные (хотя бы на уровне
флагов), являющиеся общими и для системного, и для прикладного
программного обеспечения для осуществления иногда необходимой
их взаимозависимой работы.
Все это отразилось на том, что область памяти переменных кон­
троллера всегда представляют в виде набора следующих областей.
1. Область входов ПЛК.
2. Область выходов ПЛК.
3. Область прямо адресуемой памяти.
4. Оперативная память пользователя (ОЗУ).
Размещение переменной в одной из трех первых областей приво­
дит к ее связи с определенными аппаратными ресурсами — входами,
выходами или переменными системы исполнения. Распределение пе­
ременных в этих областях определяется изготовителем ПЛ К. Привязка
к конкретным адресам задается при помощи прямой адресации, когда
пользователь явно указывает, по какому адресу размещается перемен­
ная, относящаяся к этим трем областям. Распределение переменных
в памяти пользователя транслятор осуществляет автоматически.
Наименования разделов объявления переменных могут содержать
дополнительные ключевые слова, уточняющие способ применения:
Ключевое слово
Применение переменной
RETAIN
Переменная должна быть размещена в энергонезависимой памяти.
При выключении питания значение этой переменной сохраняется.
(Такая память присутствует не во всех ПЛК.)
CONSTANT
Константы, доступные только для чтения
Прямая адресация. Для создания прямо адресуемой переменной
используется следующее объявление:
имя переменной АТ% прямой адрес тип;.
Объявление начинается с задания имени (идентификатора пере­
менной).
Прямой адрес начинается с буквы, определяющей область памяти:
61
Символ
1
Область памяти
0
Область входов
Область выходов
М
Область прямо адресуемых переменных (меркеров)
Входы ПЛК — это переменные с прямыми адресами в обла­
сти I. Они доступны в прикладных программах только для чтения.
Выходы ПЛК—это переменные с прямыми адресами в области Q, они
доступны только для записи. В области М размещаются переменные,
которые по каким-то причинам удобно разместить именно в обла­
сти прямо адресуемых переменных. Переменные в области М могут
быть доступны и для чтения, и для записи. В некоторых контроллерах
в области М определяются адреса переменных, которые в рамках при­
кладной программы защищены от записи. В эти ячейки информацию
заносит система исполнения (системное программное обеспечение),
а прикладная программа может пользоваться этой информацией. На­
пример, это могут быть переменные, которые отражают результаты
диагностирования модулей, информация о том, что данный цикл кон­
троллера является первым после его включения (этим можно восполь­
зоваться, если в системе нужно программно осуществить действия
по начальной инициализации периферийного оборудования), и т.п.
И наоборот, устанавливая в прикладной программе значения пере­
менных в специально оговоренных адресах, можно менять некоторые
условия работы контроллера (приоритеты прерываний и т.д.).
После указания области памяти следует символ, определяющий
тип прямого адреса:
Символ
Область памяти к обращению
X
Бит
В
Байт
W
Слово
0
Двойное слово
L
Длинное слово
Завершает прямой адрес число — составной иерархический адрес,
поля которого разделены точкой. В простейшем случае используются
два поля адреса: номер элемента и номер бита.
В конце объявления необходимо указать тип переменной.
Поразрядная адресация предоставляет удобную форму работы с от­
дельными битами переменных типа битовых строк. Необходимый бит
указывается через точку после имени (идентификатора). Аналогичным
образом можно использовать отдельные биты прямо адресуемой памяти.
Младшему биту соответствует нулевой номер. Поразрядная нумерация
не должна превышать границы соответствующего типа числа.
62
Подход к формированию адресов для различных областей памяти
показан на рис. 2.1.1 на примере формирования адресов в области
отображения цифровых входов и выходов для контроллеров Simatic
серии S7-200, выпускаемых компанией Siemens.
12.7
\
Идентификатор области
памяти CPU (I- цифровой вход)
Рис. 2.1.1. Области входов и выходов в S7-200 и адресация к ним
Для идентификации в программе переменных, связанных с дис­
кретными входами и выходами, в памяти контроллера выделены
области с идентификаторами I (input — вход) и Q (quit — выход).
Контроллеры S7-200 имеют встроенные входы (выходы), которые
отображаются как битовые переменные в нулевом байте области дис­
кретных входов (выходов). Количество дискретных входов (выходов)
может увеличиваться за счет подключения к базовой части контрол­
лера периферийных модулей. При этом после идентификатора будет
стоять цифра, отражающая номер байта в области ввода (вывода).
Например, для первого восьмиканального модуля дискретного вво­
да байт будет первым, для второго — вторым и т.д. При этом сам по
себе конкретный модуль дискретного ввода может стоять в любом
месте среди других периферийных модулей, будет считаться, какой
он по счету от контроллера, только среди аналогичных модулей. Для
аналоговых входов выделена область памяти с идентификатором AI,
63
для аналоговых выходов — AQ. Для таких переменных в области па­
мяти контроллера будут выделяться цифровые слова. Так как адрес
входа-выхода при подобной системе адресации определяется местом
модуля при его установке в их общую стойку (рэк) или номером слота
периферийной секции, ее часто называют рэк-слотовой.
Для удобства работы с программой в пакетах программирования
любой переменной можно дать символьное имя. Например, в паке­
тах компании Siemens это делается с помощью символьной таблицы.
Такую адресацию называют тэговой.
При создании программы можно пользоваться любой, в том числе
смешанной, системой адресации переменных.
Компоненты организации программ (англ. Program Organization Unit —
POU) являются базовыми элементами, из которых строится код про­
екта. Совместимость языков стандарта МЭК реализуется именно на
уровне компонентов.
Каждый компонент программы имеет собственное наименование,
определенный интерфейс и создается на одном из языков стандарта.
Один компонент может вызвать другие компоненты. Вызов само­
го себя (рекурсия) в стандарте МЭК не разрешена. Комбинировать
различные языки в одном проекте можно при написании различных
компонентов, но отдельный компонент целиком реализуется на одном
языке МЭК. При вызове компонента язык его реализации значения
не имеет.
К компонентам организации программ в стандарте относятся
функции, функциональные блоки и программы. Все они во многом
похожи, но имеют определенные особенности и различное назначение.
Компонент обладает свойством инкапсуляции — работает как
«черный ящик», скрывая детали внутренней реализации. Для работы
с компонентом достаточно знать его интерфейс, включающий опи­
сание входов и выходов. Внутреннее его устройство знать можно, но
необязательно. Локальные (внутренние) переменные компонента
извне недоступны.
Благодаря инкапсуляции компоненты успешно решают задачу
структурной декомпозиции проекта. На верхнем уровне представления
мы работаем с крупными компонентами. Каждый из них выполняет
значительную для данного проекта задачу. Лишние подробности на
этом уровне только мешают пониманию проблемы. Раскрывая вло­
женные компоненты один за другим, мы можем добраться до самого
детального представления. Готовый компонент всегда можно вскрыть,
изучить и поправить. Это, конечно, относится только к пользователь­
ским компонентам и открытым библиотекам. Некоторые стандартные
компоненты включены в транслятор системы разработки проекта
и недоступны для просмотра и изменения. Это относится и к внешним
библиотекам. Внешние библиотеки реализуются в виде объектного
64
кода при помощи внешних средств, например компилятора С или
ассемблера. Возможно даже, что компонент реализован не только
программно, а использует вспомогательные аппаратные средства,
например часы реального времени или математический сопроцессор.
Еще одной задачей, решаемой компонентами, является локализация
имен переменных. Переменные делятся на глобальные и локальные.
Глобальные переменные определяются на уровне проекта и доступны
для всех его программных компонентов. Так, переменные, связан­
ные со входами или выходами (переменные, размещенные в областях
I и Q), всегда являются глобальными. Область видимости локальных
переменных определяется рамками одного компонента. Это означает,
что в различных компонентах можно использовать повторяющиеся
имена. Несмотря на то что идентификаторы переменных будут оди­
наковы, в различных компонентах это будет новая переменная.
Функция — это программный компонент, отображающий множе­
ство значений входных параметров на выход. Функция всегда возвра­
щает только одно значение. При объявлении функции указывается
тип возвращаемого значения, имя функции и список входных пара­
метров. Вызов функции производится по имени с указанием значений
входных параметров. Функция может использоваться в математиче­
ских выражениях, наряду с операторами и переменными. Функция не
имеет внутренней памяти. Это означает, что функция с одними и теми
же значениями входных параметров всегда возвращает одно и то же
значение. Функция — это чистый код. Многократное использование
функции не приводит к повторному включению кода функции при
компоновке. Реализация функции присутствует в коде проекта толь­
ко один раз. Всякий раз при вызове функции процессор исполняет
один и тот же поименованный код. Функция может иметь локальные
(временные) переменные, но при окончании своей работы она осво­
бождает локальную память, которая может использоваться в других
функциях. Тип функций (тип возвращаемого значения) может быть
любым из числа стандартных типов данных или типов, созданных
пользователем. Тело функции может быть описано на языках IL, ST,
LD или FBD. Использовать SFC нельзя. Из функции можно вызывать
библиотечные функции и другие функции текущего проекта. Вызывать
функциональные блоки и программы из функций нельзя.
Функциональный блок — программный компонент, отображающий
множество значений входных параметров на множество выходных.
После выполнения экземпляра функционального блока все его пе­
ременные сохраняются до следующего выполнения. Следовательно,
функциональный блок, вызываемый с одними и теми же входными
параметрами, может производить различные выходные значения.
Сохраняются все переменные, включая входные и выходные. Так,
если мы вызовем экземпляр функционального блока, не определяя
65
значения некоторых входных параметров, он будет использовать ранее
установленные значения. Возможность задания переменного числа
входных значений заложена по определению и не требует каких-ли­
бо дополнительных усилий. Извне доступны только входы и выходы
функционального блока, получить доступ к внутренним переменным
блока нельзя. С позиций объектно-ориентированного программи­
рования функциональные блоки — это объекты, реализующие ин­
капсуляцию, т.е. сокрытие деталей реализации. Объединение кода
и данных в единых рамках роднит функциональные блоки с классами
объектно-ориентированных языков.
Прежде чем использовать функциональный блок, необходимо со­
здать его экземпляр. Эта операция аналогична по смыслу объявлению
переменной. Описав новый блок, мы фактически создали новый тип
данных, подобный структуре. Каждый функциональный блок может
иметь любое количество экземпляров. Так, различные экземпляры блока
«таймер» совершенно независимы друг от друга. Каждый из них имеет
собственные настройки и в программе «живет» собственной жизнью.
Каждый экземпляр функционального блока имеет свой собственный
уникальный идентификатор и свою область в статической памяти данных.
Объявление еще одного экземпляра блока приводит к выделению еще
одной области в памяти данных. Но код, очевидно, как и для функции,
остается для всех экземпляров общим. Экземпляр функционального
блока создается в разделе объявлений переменных функционального
блока, программы или в разделе глобальных переменных проекта.
Программа — глобальный программный элемент, отображающий
множество значений входных параметров на множество выходных.
Программа очень похожа на функциональный блок. Из всех про­
граммных компонентов это самый крупный элемент, так как при их
помощи определяется верхний уровень проекта. Программы являются
глобальными компонентами и объявляются на уровне ресурсов.
В программах и экземплярах функциональных блоков переменные
сохраняют свои значения между вызовами программ и экземпляров.
Экземпляры функциональных блоков, объявленные внутри других
компонентов, обладают локальной областью видимости. Программы
всегда определены глобально.
2.1.4. Язык релейных диаграмм
Язык релейных диаграмм (LD, LAD, Ladder, язык контактного пла­
на) является графическим языком программирования. При создании
программы в форме контактного плана используются графические
компоненты, с помощью которых строятся логические сети, сходные
с электрическими релейными схемами. По идее авторов стандарта,
такая форма представления программы должна облегчить переход
инженеров из области релейной автоматики на ПЛК.
66
С середины прошлого века в промышленности широко исполь­
зовались релейные системы автоматики. В начале 1970-х гг. релей­
ные автоматы начали постепенно вытесняться программируемыми
контроллерами. Некоторое время те и другие работали одновременно
и обслуживались одними и теми же людьми. Так появилась задача
«переноса» релейных схем в ПЛК. Различные варианты программной
реализации релейных схем создавались практически всеми ведущими
производителями ПЛК. Благодаря простоте представления LD обрел
заслуженную популярность, что и стало основной причиной включе­
ния его в стандарт МЭК.
Слова «релейная логика» звучат сегодня достаточно архаично,
почти как «ламповый компьютер». Но релейная техника строится не
только на электромагнитных реле. Сегодня созданы многочисленные
быстродействующие и надежные бесконтактные (в частности, опто­
электронные) реле и мощные переключающие приборы, такие как
мощные полевые транзисторы, управляемые тиристоры и приборы
IGBT Старая проверенная релейная техника, вобравшая все новое
в области использования современных релейных элементов, широко
используется, значит, есть те, кто хорошо с ней знаком. Этот язык
позволит им применять навыки и наработки, полученные при работе
с ней, в использовании более современной техники.
В любом случае графическое представление элементов программы
воспринимается более легко, чем текстовое, поэтомуданныйязыкиему
подобные максимально наглядны (особенно для тех, кто привык рабо­
тать с электрическими схемами), позволяетисключить многие ошибки
программирования, свойственные «обычным» языкам. Этотязык можно
рекомендовать для использования начинающим программистам.
Простейшие элементы языка. Зрительное восприятие LD-диаграмм
для специалиста, знакомого с релейными схемами автоматики, должно
быть интуитивно понятным. В России этому несколько мешает при­
нятая система условных графических обозначений элементов язы­
ка, базирующаяся на американском стандарте NEMA (для стандарта
МЭК 61131 -3 были использованы программные наработки в этой обла­
сти некоторых американских компаний). Ранее преимущество таких
обозначений состояло и в возможности применения для построения
LD-диаграмм символов псевдографики. Сопоставление некоторых
обозначений базовых элементов LD и обозначений, применяемых
в российской системе конструкторской документации (ЕСКД), при­
ведено на рис. 2.1.2.
Релейная схема состоит из цепей, образованных контактами и об­
мотками реле, которые включены между шиной питания и земляной
шиной. Графически LD-диаграмма также представлена в виде двух
вертикальных шин питания. Между ними расположены цепи, образо­
ванные соединением контактов. Нагрузкой каждой цепи служит реле.
67
Каждое реле имеет контакты, которые можно использовать в других
цепях.
1Л>
|_
ЕСКД
.
Обозначение
Нормально разомкнутый контакт
Нормально замкнутый контакт
-( ь
4ZH
Обмотка реле
Рис. 2.1.2. Сопоставление обозначений базовых компонентов LD-языка
и элементов электрических схем в ЕСКД
В LD-программах, как и в схемах релейной автоматики, говорят
о распространении тока (потока) по цепям. Нормально разомкну­
тый контакт обозначается знаком -| |-. Количество контактов в цепи
произвольно. Каждая цепь заканчивается «катушкой» реле —(). Если
последовательно соединенные контакты замкнуты, ток идет по цепи
и реле включается. При необходимости можно включить параллельно
несколько реле, последовательное включение не допускается. Если
реальное реле имеет ограниченное количество замыкающих, размы­
кающих и переключающих контактов, то в IAD таких ограничений
нет, и виртуальные контакты могут применяться в любой цепи в любом
количестве.
В большинстве пакетов по созданию программ на LD одна ветвь
программы (которая соответствовала бы одной цепи релейной схемы)
отделяется от другой заголовком «Network».
В LD каждому контакту и реле ставятся в соответствие логические
переменные, определяющие их состояние. Если контакт замкнут, то
переменная имеет значение ИСТИНА, если разомкнут — ЛОЖЬ.
Имя переменной пишется над контактом и фактически служит его
названием. Во всех цепях одной схемы имя логической переменной
контактов одного и того же реле должно сохраняться.
Контакт может быть нормально замкнутым. Такой контакт обознача­
ется с помощью символа-] / [-и замыкается, если значение переменной
ЛОЖЬ. Инверсный контакт равнозначен логической операции НЕ.
Обмотки реле также могут быть инверсными, что обозначается
символом —( / ). Если обмотка инверсная, то в соответствующую
логическую переменную копируется инверсное значение состояния
цепи, т.е. логика их действия противоположна поведению контактов
обычного реле: при отсутствии тока в -(/ ) замыкающий контакт
■] [- замкнут, размыкающий контакт -| / ]- разомкнут.
Существуют контакты, инвертирующие значение потока в цепи.
Обозначаются они символом-] NOT |-. Если до него в цепи значение
потока ИСТИНА, то после него — ЛОЖЬ, и наоборот.
68
В наборе программных компонентов имеются также специальные
обмотки SET и RESET, обозначаемые —( S) и -( R). С их помощью
можно фиксировать условия управления исполнительным механиз­
мом.
Последовательное соединение контактов или цепей в LD равно­
ценно логической операции И. Параллельное соединение образует
монтажное ИЛИ.
Рассмотрим составление программы с помощью релейных диа­
грамм на нескольких небольших примерах. На рис. 2.1.3 показаны
последовательно включенные контакт (вход) 10.1 и катушка реле (вы­
ход) Q0.1. Выход Q0.1 активизируется, как только появится сигнал
на входе 10.1.
Рис. 2.1.3. Пример представления одной логический цепи в языке LD
Выход Q0.1 в программе на рис. 2.1.4 активизируется тогда, когда
появится сигнал на входе 10.3 и сигналы хотя бы на одном из входов
10.1 или 10.2.
Рис. 2.1.4. Пример представления в языке LD цепи,
реализующей логическую функцию 2ИЛИ-И
На рис. 2.1.5 показана более сложная цепь, где в качестве обозна­
чений ее элементов используются символьные имена, выбранные
программистом так, чтобы легче соотносить элементы программы
и физические элементы цепи, стоящие за ними.
Рис. 2.1.5. Пример представления в языке LD цепи с символьными именами
Переключающий контакт образуется комбинацией прямого и ин­
версного контактов (рис. 2.1.6).
Идеология релейных схем подразумевает параллельную работу
всех цепей, ток в которые подается одновременно.
69
Рис. 2.1 .Б. Переключающий контакт реле в схеме и в цепи LD
В LD решение диаграммы выполняется последовательно слева
направо и сверху вниз. В каждом рабочем цикле однократно выпол­
няются все цепи диаграммы, что и создает эффект параллельности
работы цепей. Любая переменная в рамках одной цепи всегда имеет
одно и то же значение. Если реле в цепи даже изменит переменную, то
цепи, расположенные ниже, получат новое значение переменной сразу,
а цепи, расположенные выше, — только в следующем цикле. Строгий
порядок выполнения схемы очень важен. Случайный или даже истин­
но параллельный порядок выполнения цепей мог бы приводить к эф­
фекту «гонок», встречающемуся в электронных схемах с триггерами.
Благодаря жесткому порядку выполнения LD-диаграммы сохраняют
устойчивость при наличии обратных связей.
В приведенной на рис. 2.1.7 схеме включение Key вызовет мгно­
венное (в том же цикле) включение Р2 и отключение РЗ. Реле Р1 будет
включено только в следующем цикле, причем даже если контакт Key
будет к тому времени разомкнут (ЛОЖЬ).
Рис. 2.1.7. LD-программа с обратной связью
Используя вышеописанный принцип цикличности выполнения
LD-диаграмм, очень легко построить генератор единичных импуль­
сов. Пример такого построения дан на рис. 2.1.8. Период импульсов
на реле Р1 будет равен удвоенной длительности рабочего цикла ПЛ К.
pi
pi
Рис. 2.1.8. Генератор единичных импульсов
Схема на рис. 2.1.9 работает как классический RS-триггер: при
кратковременном нажатии кнопки PUSK срабатывает катушка S, ко­
торой присвоим имя Y1, и своим контактом Y1 включает нагрузку70
катушку реле Y2. Выключить реле Y2 можно только нажатием кнопки
STOP. Одновременное нажатие на PUSK и STOP, как и в классическом
RS-триггере, недопустимо. Следует заметить, что катушкам R и S при­
своено одно и то же имя Y1.
Рис. 2.1.9. Схема фиксации включения катушки реле Y2 с помощью обмоток S и R
В ряде случаев необходимо выполнить задачу самофиксации ко­
го-то кратковременного действия. Эту задачу можно выполнить на
обычном реле (рис. 2.1.10).
При кратковременном нажатии на кнопку S1 происходит срабаты­
вание реле X, которое своим контактом X фиксирует это состояние.
Отключение реле X возможно только нажатием на кнопку R1.
Оператор может нажать сразу две кнопки S1 и R1. Что происхо­
дит в этом случае? В схеме на рис. 2.1.10, а катушка X отключится
(если она была включена) или останется невключенной. В схеме на
рис. 2.1.10, б катушка X включится (если она была отключена) или
останется включенной.
Рис. 2.1.10. Схемы управления катушкой X (а) с самофиксацией состояния (б)
Использование функциональных блоков. Большинство фирм, вы­
пускающих ПЛК, допускают завершение цепи не катушкой, а функ­
циональным блоком (FB), например счетчиком, таймером. Их вир­
туальные контакты, имеющие тот же идентификатор, что и сам FB,
могут использоваться в цепях LD.
Рассмотрение функциональных блоков начнем с блоков, реали­
зующих триггерные функции. Прежде для реализации этих целей мы
использовали несложные схемы, рассмотренные выше. Однако эти
функции можно реализовывать, используя специальные блоки.
Работу триггеров SR и RS легче всего понять по аналогии с элект­
рическими устройствами. Представьте себе электрический пускатель.
71
Для переключения ему нужны две кнопки — «ПУСК» и «СТОП», не
имеющие механической фиксации. Переключение выполняется ко­
ротким нажатием кнопок. Пускатель сам фиксирует свое состояние.
Именно так работают триггеры SR и RS. Их поведение отличается
только при одновременном нажатии обеих кнопок.
SR — переключатель с доминантой включения. Изображение этого
функционального блока, а также входные и выходные переменные, ис­
пользуемые в нем, представлены на рис. 2.1.11.
Блок SR имеет два устойчивых состояния — Q=TRUEh Q = FALSE.
Вход SET включает выход, вход RESET — выключает. При одновре­
менном воздействии обоих входов вход SET является доминантным.
-----
s"“”sk
Q --------- R
SR
Выходные переменные
Входные переменные
ИМЯ
ТИП
имя
тип
SET
BOOL
Q
BOOL
RESET
BOOL
Рис. 2.1.11. Функциональный блок SR-триггер и переменные, используемые в нем
RS — переключатель с доминантой выключения. Изображение этого
функционального блока, а также входные и выходные переменные,
о
—
ъ
используемые в нем, представлены на рис. 2.1.12.
RS
Входные переменные
Выходные переменные
имя
ТИП
ИМЯ
тип
SET
BOOL
Q
BOOL
RESET
BOOL
Рис. 2.1.12. Функциональный блок RS-триггер и переменные, используемые в нем
Блок RS имеет два устойчивых состояния — Q=TRUE и Q = FALSE.
Вход SET включает выход, вход RESET — выключает. При одновре­
менном воздействии обоих входов вход RESET является доминантным.
В рассмотренных нами ранее примерах схема на рис. 2.1.10, а яв­
ляется аналогом RS-триггера с доминантой выключения, а схема на
рис. 2.1.10, б— SR-триггера.
72
Детекторы импульсов предназначены для применения в случае,
когда требуется реакция не на состояние дискретного сигнала, а на
его изменение.
R TRIG — детектор переднего фронта. Изображение этого функцио­
нального блока, а также входные и выходные переменные, используемые
в нем, представлены на рис. 2.1.13.
___ с R_TRIG q
___
RJRIG
Входные переменные
Выходные переменные
ИМЯ
тип
имя
тип
CLK
BOOL
0
BOOL
Рис. 2.1.13. Функциональный блок детектор R_TRIG и переменные, используемые в нем
Функциональный блок R_TRIG генерирует единичный импульс
по переднему фронту входного сигнала. Реализация блока требует
одной внутренней булевой переменной М.
Выход Q устанавливается в TRUE, если в предыдущем цикле вход
CLK был равен FALSE, а в текущем цикле он уже имеет значение
TRUE. При следующем вызове функционального блока выход сбра­
сывается в FALSE. Переменная М запоминает значение CLK в пре­
дыдущем цикле.
В зависимости оттого, какое первоначальное значение переменной
М при ее описании установлено в программе, и оттого, как построена
программа, при перезапуске ПЛ К на выходе Q может быть сформиро­
ван ложный единичный импульс. В случае когда это явление нежела­
тельно, можно создать собственный безопасный детектор фронта или
применить пустой вызов экземпляра при начальной инициализации.
Такое поведение детекторов фронтов не является ошибкой, поскольку
во многих случаях начальный импульс оказывается желательным.
FTRIG — детектор заднего фронта. Изображение этого функцио­
нального блока, а также входные и выходные переменные, используемые
в нем, представлены на рис. 2.1.14.
___ с FTRIG q
___
FJRIG
Входные переменные
Выходные переменные
ИМЯ
ТИП
имя
тип
CLK
BOOL
Q
BOOL
Рис. 2.1.14. Функциональный блок F TRIG и переменные, используемые в нем
73
Функциональный блок F_TRIG генерирует единичный импульс
по заднему фронту входного сигнала. Реализация блока требует одной
внутренней булевой переменной М.
Из сравнения двух реализаций очевидно, что блок F_TRIG пре­
вращается в R TR1G включением на входе инвертора NOT. Блок
F_TRIG также обладает свойством формировать ложный импульс
при перезапуске.
Таймеры ПЛК принципиально отличаются от таймеров, приме­
няемых в языках общего применения. Для реализации временных
задержек в языках общего назначения используются циклы, количе­
ство повторений которых и определяет нужное время. Таймера, спо­
собного приостановить работу ПЛК, в стандарте МЭК нет. Временная
задержка влияет только на формирование их выходных сигналов и не
вызывает никакого замедления в программе. При этом для работы
таймеров в ПЛК необходима аппаратная поддержка. Все экземпляры
функциональных блоков таймеров засекают время, пользуясь общими
часами. Такими часами является аппаратный таймер-счетчик, показа­
ния которого увеличиваются с постоянной частотой. Он осуществляет
отсчет циклов работы процессора в CPU и должен иметь достаточную
разрядность, чтобы исключить возможность переполнения за один
рабочий цикл ПЛК. Значения программных таймеров могут обнов­
ляться при вызове экземпляра функционального блока или синхронно
с обновлением входов. Это зависит от реализации системы исполне­
ния. Поэтому старайтесь не использовать в своих программах циклы
с условием окончания итераций по таймеру.
Рассмотрим стандартные таймеры, используемые в стандарте МЭК,
и то, как они реализуются в LD.
Функциональный блок «таймер» работаете несколькими входными
и выходными переменными (рис. 2.1.15). Вход IN управляет работой
таймера. Выход Q определяет его состояние (ИСТИНА или ЛОЖЬ).
Названные переменные имеют тип BOOL. С помощью переменной
РТ задается временная уставка. Она имеет тип TIM Е. Уставку задают
в миллисекундах (ms), секундах (s), минутах (т) или часах (h) в формате
Т#_ h _m_s_ms. Выходная переменная ЕТ определяет информацию
о текущем значении уставки РТ с момента срабатывания таймера. Она
также имеет тип TIME.
TP, TON, TOF
Выходные переменные
Входные переменные
ИМЯ
ТИП
ИМЯ
ТИП
IN
BOOL
0
BOOL
РТ
TIME
ЕТ
TIME
Рис. 2.1.15. Переменные, используемые таймерами
74
TP — генератор импульса. Запуск таймера происходит по фронту
импульса на входе IN. Вход РТ задает длительность формируемого
импульса. После запуска таймер не реагирует на изменение значения
входа IN. Выход ЕТ отсчитывает прошедшее время. При достижении
ЕТ значения РТ отсчет времени останавливается и выход Q сбрасы­
вается в 0. Изображение этого функционального блока и временная
диаграмма его работы показаны на рис. 2.1.16.
Рис. 2.1.16. Изображение и временная диаграмма работы таймера ТР
TOF — таймер с задержкой выключения. По фронту входа IN вы­
ход Q устанавливается в TRUE. Сброс счетчика ЕТ и начало отсче­
та времени происходят по каждому спаду входа IN. Выход Q будет
сброшен через заданное РТ время после спада входного сигнала.
Если во время отсчета вход IN будет установлен в TRUE, то отсчет
приостанавливается. Таким образом, выход Q включается по фронту,
а выключается логическим нулем продолжительностью не менее РТ.
Временная диаграмма работы таймера TOF показана на рис. 2.1.17.
IN TOF q
РТ
ЕТ
Рис. 2.1.17. Изображение и временная диаграмма работы таймера TOF
TON — таймер с задержкой включения. По фронту входа IN выпол­
няется обнуление счетчика и начинается новый отсчет времени. Выход
75
Q будет установлен в TRUE через заданное РТ время, если IN будет
оставаться в состоянии TRUE. Спад входа IN останавливает отсчет
и сбрасывает выход Q в FALSE. Таким образом, выход Q включается
логической единицей продолжительностью не менее РТ, а выключа­
ется по спаду входа IN. Временная диаграмма работы таймера TON
показана на рис. 2.1.18.
Рис. 2.1.18. Изображение и временная диаграмма работы таймера TON
В некоторых пакетах программирования предлагаются таймеры,
в которых выходные управляющие контакты (имеющие тот же иден­
тификатор, что и сам таймер) могут располагаться в других цепях.
На рис. 2.1.19 представлена программа, включающая функциональ­
ный блок такого таймера и иллюстрирующая общий принцип его
использования: после того как таймер Т32 сработает, его контакты
Т32 замкнутся и реле Q0.1 сработает.
ю.1
Т32
----- 1 |----- ду
300— РТ
Т32
Q0.1
Рис. 2.1.18. Пример представления в языке LD программы с таймером
На рис. 2.1.20 показано простейшее применение блока ТР в каче­
стве генератора коротких прямоугольных импульсов. Длительность
паузы задается таймером. Начальное состояние Ьх=0. В первом цикле
Ьх получит значение 1 благодаря инвертору NOT. Так формируется
фронт запуска, который поступает на вход IN таймера в третьем цикле.
Инвертор формирует фронт запуска по каждому спаду выхода таймера.
76
PULSE
Рис. 2.1.20. Генератор коротких прямоугольных импульсов
Генератор прямоугольных импульсов с заданными длительностями
импульса и паузы показан на рис. 2.1.21.
Рис. 2.1.21. Генератор прямоугольных импульсов
с заданными длительностями импульса и паузы
Таймер Impulse запускается по переднему фронту х и сбрасывает
х по окончании заданного времени, запуская, таким образом, таймер
Pause. Конец паузы взводит переменную х, которая и запускает но­
вый импульс (в следующем рабочем цикле). Переменная х является
выходом генератора.
Задачу формирования прямоугольных импульсов можно решить
с применением единственного таймера (применяя стандартные блоки
ШИМ или BUNK). Путем доработки цепей данного примера можно
формировать импульсы, зависящие от более сложных условий, чем
одиночные выходы таймеров. Выходы ЕТ-таймеров дают линейно
нарастающие значения времени. Если преобразовать их к целому типу,
то получится генератор треугольных импульсов.
Используя блоки таймеров, несложно организовать последователь­
ное переключение выходов с фазами заданной продолжительности
и произвольным фазовым сдвигом. Программа, формирующая три
последовательных интервала по 1 секунде, показана на рис. 2.1.22.
По фронту входа GO одновременно запускаются все три таймера
Т1 —ТЗ. Каждый таймер отмеряет момент окончания соответствующей
фазы. Три нижние цепи выделяют выходы Yl—Y3, соответствующие
фазам управления. Все переменные программы должны быть объяв­
лены как BOOL. Процесс работы схемы показан на рис. 2.1.23.
В данную схему несложно добавить цепь автоматического переза­
пуска (рис. 2.1.24). Тогда схема будет работать циклически, как «бе­
гущие огни».
77
Рис. 2.1.22. Последовательное управление по времени в LD
Y2
t
Y3
Рис. 2.1.23. Порядок изменения переменных в программе, представленной на рис. 2.1.22
хз
GO
О
Рис. 2.1.24. Цепь автоматического перезапуска
Можно привести немало технологических процессов, для управ­
ления которыми необходимо вести подсчет чего-либо. Например,
изделий, перемещаемых конвейером. Для решения подобных задач
78
в языках ПЛК применяются различные виды счетчиков: CTU — ин­
крементный, CTD — декрементный и CTUD — инкрементный/декрементный.
CTU — инкрементный счетчик. Ниже (рис. 2.1.25) показаны вход­
ные и выходные переменные, используемые счетчиком CTU.
сти
Входные переменные
ИМЯ
ТИП
си
BOOL
BOOL
WORD
RESET
PV
Выходные переменные
тип
BOOL
О
WORD
CV
ИМЯ
Рис. 2.1.25. Переменные, используемые счетчиком CTU
По каждому фронту на входе CU значение счетчика (выход CV)
увеличивается на 1. Выход Q устанавливается в TRUE, когда счетчик
достигнет или превысит заданный PV порог. Логическая единица на
входе сброса (RESET = TRUE) останавливает счет и обнуляет счетчик
(CV:= 0). С выхода CV можно снимать значение накопленных сигна­
лов. Для этого нужно активизировать выход CV — дать имя соответ­
ствующей переменной и описать ее (задать тип WORD).
Создадим программу с CTU-счетчиком (рис. 2.1.26).
Рис. 2.1.26. Пример программы с CTU-счетчиком
В программе счетчику присвоено имя W, входу RESET — имя реле h,
выходу CV — L и принята уставка PV — 100. Само реле h находится
в третьей цепи и управляется кнопкой U. Первая цепь содержит кнопку
PUSK и генератор импульсов на реле X.
По каждому фронту сигнала, поступающему на вход CU, значение
выхода CVвозрастает на 1, и как только их сумма достигнет значения
PV, выход Q переходит в TRUE, срабатывает реле Y. Обратите вни­
мание, что счет при этом не останавливается. Для остановки счета
и обнуления CV необходимо нажать кнопку U.
Можно оценить время прогона программы. Достаточно секун­
домером замерить время от момента пуска генератора до момента
срабатывания реле Y. Период импульсов генератора равен удвоенной
79
длительности рабочего цикла. Количество же циклов известно и рав­
но уставке PV. Вместо секундомера можно воспользоваться любым
таймером с активированным выходом ЕТ и уставкой РТ, заведомо
превышающей предполагаемое время накопления импульсов, ко­
личество которых задано по входу PV. Для этого следует создать до­
полнительную четвертую цепь (рис. 2.1.27) и в момент срабатывания
реле Y снять показания на выходе ЕТ.
Рис. 2.1.27. Дополнительная цепь к рис. 2.1.26
CTD—декрементный счетчик. Ниже (рис. 2.1.28) показаны входные
и выходные переменные, используемые счетчиком CTD.
По каждому фронту на входе CD значение выхода CVуменьшается
на 1. Выход Q устанавливается в TRUE, когда счетчик достигнет нуля.
Счетчик CV загружается начальным значением, равным PV, по входу
LOAD = TRUE.
CTD
Входные переменные
Выходные переменные
ИМЯ
ТИП
ИМЯ
ТИП
CD
LOAD
PV
BOOL
BOOL
WORD
Q
CV
BOOL
WORD
Рис. 2.1.2В. Переменные, используемые счетчиком СТО
Можно собрать схему с CTD-счетчиком (рис. 2.1.29).
PUSK
Рис. 2.1.2Э. Схема с СТО-счетчиком
Кнопка PUSK запускает генератор X (для разнообразия собран по
схеме, отображенной на рис. 2.1.8). Счетчику присвоили имя Q, входу
LOAD — h, входу CV — N.
По умолчанию принято, что реле, управляющие счетчиками CTU
и CTD, имеют на входах RESET и LOAD соответственно замыкающий
80
контакт. В схемах (см. рис. 2.1.26 и 2.1.29) это реле h. Учитывая отличие
счетчика CTD, в схеме (см. рис. 2.1.29) лучше установить размыкаю­
щую кнопку U. Тогда при включении схемы сразу сработает реле h и
подаст сигнал TRUE на вход LOAD, что обеспечит загрузку выхода
CV начальным значением PV (в нашем примере 50).
Нажимаем кнопку PUSK, начинает работать генератор X, на вход
CD поступают импульсы. Но счетчик не активирован. На выходе Q
имеем FALSE.
Размыкаем кнопку U. Реле h отключается, на вход LOAD приходит
сигнал FALSE, активируется счетчик, и начинается обратный отсчет
на выходе CV. Как только CV= 0, счетчик остановится, на выходе Q
сигнал становится TRUE, срабатывает реле Y.
Новый отсчет начнется после повторного замыкания и размыкания
кнопки U.
Для простых логических систем применение рассмотренных счет­
чиков практически равноценно. Дело вкуса проектировщика в выборе
того или иного FB. Кроме того, после срабатывания CTU-счетчика
(Q = 1) счет импульсов по входу CU будет продолжаться, и это можно
проконтролировать по выходу CV. В счетчике CTD после обнуления
выхода CV все поступающие на вход CD сигналы будут потеряны.
CTUD — инкрементный/декрементный счетчик. Ниже (рис. 2.1.30)
показаны входные и выходные переменные, используемые счетчиком
CTUD.
CTUD
Входные переменные
Выходные переменные
ИМЯ
ТИП
ИМЯ
ТИП
си
BOOL
BOOL
BOOL
BOOL
WORD
QU
QD
CV
BOOL
BOOL
WORD
CD
LOAD
RESET
PV
Рис. 2.1.30. Переменные, используемые счетчиком CTUD
По значению входа RESET = TRUE счетчик CV сбрасывается в 0.
По значению входа LOAD = TRUE счетчик CV загружается значением,
равным PV.
По фронту на входе CU значение на выходе счетчика увеличивается
на 1, по фронту на входе CD — уменьшается на 1 (до 0).
Выход QU равен TRUE, если CV >= PV, иначе FALSE.
Выход QD равен TRUE, если CV= 0, иначе FALSE.
Кроме таймеров и счетчиков — типовых элементов релейных схем,
в LD входят функциональные блоки, позволяющие осуществлять
арифметические операции.
81
Программа, представленная на рис. 2.1.31, будет по очереди выпол­
нять сложение, умножение и деление соответствующих переменных
после поступления сигнала на вход 10.1.
К недостаткам данного языка можно отнести то, что язык, постро­
енный по аналогии с релейными схемами, по-настоящему эффективно
может быть использован только для описания процессов, имеющих
дискретный (двоичный) характер. Для выполнения арифметических
функций в язык LD были добавлены функциональные блоки, кото­
рые выполняют операции умножения, вычисления среднего и т.д. Но
сложные вычисления в этом языке выполнять неудобно. Вместе с тем
благодаря возможности включения в LD функций и функциональных
блоков, выполненных на других языках, сфера применения языка
практически не ограничена.
В заключение надо заметить, что на рисунках, демонстрирующих
примеры создания LD-программ, использовались изображения функ­
циональных блоков, которые могут отличаться от изображений, используемыхв конкретных пакетах программирования. Однако разница
заключается только в стиле изображения.
Рис. 2.1.31. Пример представления в языке LD программы
для выполнения арифметических операций
2.1.5. Язык функциональных блоковых диаграмм
Язык функциональных блоковых диаграмм (FBD, functional block
diagram, диаграмма функциональных блоков) является, так же как
и LD, языком графического программирования, использующим ана­
логию с электрической (электронной) схемой. Программа на языке
FBD представляет собой совокупность функциональных блоков (func­
tional blocks, FBs), входы и выходы которых соединены линиями связи
(connections). Эти связи, соединяющие выходы одних блоков со входа­
82
ми других, являются по сути дела переменными программы и служат
для пересылки данных между блоками. Каждый блок представляет
собой математическую операцию (сложение, умножение, триггер,
логическое «или» и т.д.) и может иметь в общем случае произволь­
ное количество входов и выходов. Начальные значения переменных
задаются с помощью специальных блоков — входов или констант,
выходные цепи могут быть связаны либо с физическими выходами
контроллера, либо с переменными программы.
Графически в программе каждый функциональный блок представ­
ляется обычно прямоугольником с входными и выходными перемен­
ными (рис. 2.1.32), внутри которого имеется обозначение функции,
выполняемой блоком.
Приведем основные формальные правила языка FBD:
• функциональные блоки могут располагаться в поле программы
произвольно;
• не может быть свободных (несоединенных) входов и выходов фун­
кционального блока;
• любая связь (NET) может иметь имя переменной;
’ входы и выходы функциональных блоков, присоединенные к свя­
зям, имеющим одинаковые имена, считаются соединенными;
• очередность выполнения блоков в программе: слева направо, свер-
Рис. 2.1.32. Функциональный блок языка FBD
На входе FBD-блока может быть:
• константное выражение;
- любая внутренняя или входная переменная;
• выходная переменная.
На выходе FBD-блока может быть любая внутренняя или выходная
переменная.
Логика программы выводится из соединений между блоками. Ины­
ми словами, выход одного блока (одной команды) может использо­
ваться для того, чтобы разрешить другому блоку (другой команде)
создать необходимую логику управления.
Программы на языке FBD напоминают электрические принци­
пиальные схемы логических устройств и формально соблюдают алго­
ритмы их работы. На рис. 2.1.33 для сравнения показан один и тот же
83
элемент программы, созданный при помощи языков LD и FBD для
реализации логической функции нескольких переменных.
Рис. 2.1.33. Элемент программы, созданной при помощи языка LD и FBD
Язык FBD содержит таймеры, счетчики, триггеры и другие элемен­
ты, которые были рассмотрены при описании языка LD. Изображение
их в программе на FBD в целом повторяет то, как они выглядят в LD.
Несмотря на всю схожесть с электрическими схемами, язык FBD со­
держит метки, операторы условного и безусловного переходов, которые
свойственны традиционным процедурным языкам программирования.
В качестве библиотечных блоков используются не только элементарные
функции, но и алгоритмы П-, ПИ-, ПИД-регулирования, фильтрации
сигналов, стабилизации заданныхпараметров. Набор из математических
и статистических функциональных блоков позволяет просто органи­
зовать необходимые вычисления и обработку сигналов.
В табл. 2.1.2 приведены примеры базовых функций языка FBD.
Таблица 2.1.2
Примеры базовых функций языка FBD
Функции двоичного типа
NOT, AND, OR, XOR, SET, RESET
Функции управления программой
RETURN, GOTO, CALL, TSTART, TSTOP, GSTART, GSTOP
Арифметические функции
ADD, SUB, DIV, MUL
Функции сравнения
=. <>. >. <. = >. < =
Математические функции
ABS, EXPT, LOG, SORT
Тригонометрические функции
ACOS, ASIN, ATAN, COS, SIN, TAN
Графический стиль представления программы в форме логических
элементов позволяет удобно переходить от программы к ее блок-схеме
и наоборот.
Работая с FBD, нельзя не заметить и некоторые его недостатки.
Хотя FBD обеспечивает легкое представление функций обработки
как «непрерывных» сигналов, в частности функций регулирования,
так и логических функций, в нем неудобным и неочевидным образом
реализуются те участки программы, которые было бы удобно пред­
ставить в виде конечного автомата.
2.1.6. Язык инструкций
Язык инструкций (IL, Instruction List, список команд) представляет
собой ассемблероподобный язык, достаточно несложный по замыс­
84
лу авторов стандарта, для его практического применения в задачах
промышленной автоматизации пользователем, не имеющим, с одной
стороны, профессиональной подготовки в области программирова­
ния, с другой стороны, являющимся специалистом в той или иной
области производства.
Текст на IL — это текстовый список последовательных инструкций.
Каждая инструкция записывается на отдельной строке. Инструкция
может включать четыре поля, разделенные пробелами или знаками
табуляции:
Метка: Оператор Операнд Комментарий
Метка инструкции не является обязательной, она ставится только
там, где нужно. Оператор присутствует обязательно. Операнд необходим
почти всегда. Комментарий — необязательное поле, записывается в кон­
це строки. Ставить комментарии между полями инструкции нельзя.
Д ля лучшего восприятия строки 1L выравнивают обычно в колонки
по полям. Некоторые редакторы выравнивает текст автоматически.
Помимо этого, редакторы всегда «налету» выполняют синтаксический
контроль и выделение ошибок (например, цветом).
Стандартные операторы IL с допустимыми модификаторами пред­
ставлены в табл. 2.1.3. Приведенный список содержит операторы,
поддерживаемые в обязательном порядке. Некоторые трансляторы
для различных аппаратных платформ реализуют различные подмно­
жества дополнительных операторов.
Если инструкция IL выполняет действия над двумя операторами, то
один из нихдолжен находиться в аккумуляторе, результат выполнения
инструкции также помещается в аккумулятор. Например, инструкцияЗиВ 10 отнимает число 10 от значения аккумулятора и помещает
результат в аккумулятор. Команды сравнения сравнивают значение
операнда и аккумулятора, результат сравнения (ИСТИНА или ЛОЖЬ)
помещается в аккумулятор. Команды перехода на метку способны
анализировать аккумулятор и принимать решение — выполнять пе­
реход или нет.
Аккумулятор Появляется универсальным контейнером, способным
сохранять значения переменных любого типа. В аккумулятор можно
поместить значение типа BOOL, затем INT или REAL, транслятор не
будет считать это ошибкой. Такая гибкость не означает, что аккумулятор
способен одновременно содержать несколько значений разных типов.
Только одно, причем тип значения также фиксируется в аккумуляторе.
Если операция требует значения другого типа, транслятор выдаст ошибку.
В стандарте МЭК вместо термина «аккумулятор» используется «ре­
зультат» (result). В терминах стандарта инструкция берет «текущий
результат» и формирует «новый результат». Но, видимо, из-за того что
IL очень похож на ассемблер, а там такую роль выполняет аккумуля­
85
тор, почти все руководства по программированию различных фирм
широко используют термин «аккумулятор».
Таблица 2.1.3
Стандартные операторы IL с допустимыми модификаторами
Оператор
Модификатор
LD
N
Загрузить значение операнда в аккумулятор
ST
N
Присвоить значение аккумулятора операнду
Описание
S
Если аккумулятор ИСТИНА, установить логический операнд
в «ИСТИНА» (только для операндов типа BOOL)
R
Если аккумулятор ИСТИНА, сбросить логический операнд
в «ЛОЖЬ» (только для операндов тапа BOOL)
AND
N,C
Поразрядное И
OR
N,C
Поразрядное ИЛИ
XOR
N.C
Поразрядное ИЛИ
NOT
Поразрядная инверсия аккумулятора
ADD
C
Сложение
SUB
MUL
c
c
Вычитание
Умножение
DIV
0
Деление
MOD
Деление по модулю
>
LT
c
c
c
c
c
c
c
JMP
CN
Переход к метке
CAL
CN
Вызов функционального блока
RET
CN
Выход из POU и возврат в вызывающую программу.
GT
GE
QE
NE
LE
>=
=
< >
<=
<
Добавление к мнемонике некоторых операторов символов-мо­
дификаторов С и N модифицирует смысл инструкции. Символ
N (negation) вызывает инверсию значения операнда до выполнения
инструкции. Операнд должен быть типов BOOL, BYTE, WORD или
DWORD. Символ С (condition) добавляет проверку условий к командам
перехода, вызова и возврата. Команды JMPC, CALC, RETC будут вы­
полняться только при значении аккумулятора ИСТИНА. Добавление
символа N приводит к сравнению условия с инверсным значением
аккумулятора. Команды JMPCN, CALCN, RETCN будут выполняться
только при значении аккумулятора ЛОЖЬ. Модификатор N без С не
имеет смысла в данных операциях и не применяется.
86
Ниже продемонстрированы простейшие примеры, иллюстриру­
ющие создание программ на языке IL. Так как многое легче позна­
ется в сравнении, на рис. 2.1.34, а показана цепь LD-программы, а на
рис. 2.1.34,5—то, как эта программа выглядит на языке инструкций IL.
LD х
AND Y
AND (V
OR W
)
ST Q
6)
Рис. 2.1.34. Сопоставление программы, созданной на языках LD (а) и IL (б)
Последовательный порядок выполнения команд IL можно изме­
нять при помощи скобок. Открывающая скобка ставится в инструкции
после операции. Закрывающая скобка ставится в отдельной строке.
Инструкции, заключенные в скобки, выполняются в первую очередь.
Результат вычисления инструкций в скобках помещается в дополни­
тельный аккумулятор, после чего выполняется команда, содержащая
открывающую скобку. Скобки могут быть вложенными. Каждое вло­
жение требует организации некоего временного аккумулятора. Это
вызывает неоднозначность при выходе из блока скобок командами
JMP, RET, CAL и LD. Применять эти команды в скобках нельзя.
Программа на IL выполняется подряд, сверху вниз. Для изменения
порядка выполнения и организации циклов применяется переход
на метку. Он может быть безусловным — JMP выполняется всегда,
независимо от чего-либо и условным — переход JMPC выполняется
только при значении аккумулятора ИСТИНА. Переход можно вы­
полнять как вверх, так и вниз. Метки являются локальными, другими
словами, переход на метку в другом POU не допускается.
Язык IL позволяет работать с любыми типами данных, вызывать
функции и функциональные блоки, реализованные на любом языке.
Таким образом, на IL можно реализовать алгоритм любой сложности,
хотя текст будет достаточно громоздким.
Программа может содержать комментарии. Некоторые транслято­
ры IL (например, CoDeSys) допускают многострочные комментарии.
Целостное пояснение всегда воспринимается лучше, чем короткие
обрывочные комментарии в строках инструкций.
Ввиду ненаглядности IL практически не используется для програм­
мирования комплексных алгоритмов автоматизированного управ­
ления, но часто применяется для кодирования отдельных функцио­
нальных блоков, из которых впоследствии складываются схемы FBD
или CFC. При этом IL позволяет достичь высокой оптимальности
кода: программные блоки, написанные на IL, имеют высокую ско­
рость исполнения и наименее требовательны кресурсам контроллера.
87
В составе МЭК-языков IL применяется при создании компактных
компонентов, требующих тщательной проработки, на которую не
жалко времени. При работе с IL гораздо адекватнее, чем с другими
языками, можно представить, как будет выглядеть оттранслированный
код, благодаря чему IL выигрывает там, где нужно достичь наивысшей
эффективности.
Язык IL имеет все недостатки, которые присущи низкоуровне­
вым языкам программирования: сложность и высокая трудоемкость
программирования, трудность модификации написанных на нем
программ, малая степень «видимого» соответствия исходного текста
программы и решаемой задачи.
К).O
[2.0
J 1____
1 1
II
LD
LD
LD
QC У
)
12.1
II
10.0
10.1
12.0
A
12.1
OLD
ALD
=
QO.O
10.1
—IIa)
6)
Команды
Stack
LD
I0.0
LD
10.1
LD
12.0
A
SO
I0.0
10.1
12.0
I2.0AND
12.1
I0.0
10.1
I0.0
10.1
I0.0
S1
S2
S3
OLD
ALD
(12.0 AND
12.1)
OR 10.1
I0.0
I0.0 AND
[(I2.0 AND 12.1)
OR 10.1]
S8
в)
Рис. 2.1.35. Сопоставление программ,
созданных на языке LD (а) и IL-подобном языке компании Siemens (б),
состояние логического стека при ее выполнении (в)
Некоторые компании используют свои собственные наработки по
языкам программирования. Общие принципы и подходы програм­
мирования ПЛК во многом были предопределены ходом развитием
техники управления, и предлагаемые теми или иными фирмами соб­
ственные подходы обычно очень похожи на те, которые определя­
ются стандартом МЭК. Во многом создание похожих, но отличных от
МЭК-стандарта языков часто вызвано или своим видением вопроса
или, например, желанием создать максимально простой транслятор.
Поскольку IL — самый простой в реализации язык, он получил
очень широкое распространение до принятия стандарта МЭК. Точ­
88
нее, не сам IL, а очень похожие на него реализации. Практически все
производители ПЛК Европы создавали системы программирования,
похожие на современный язык IL. Существуют примеры реализации
команд и на основе русскоязычных аббревиатур. Наибольшее влияние
на формирование современного IL оказал язык программирования
STEP контроллеров фирмы Siemens.
В пакете STEP7 mikroWIN компании Siemens для программирова­
ния контроллеров серии S-200 с целью организации логики управле­
ния используют логический стек. На рис. 2.1.35, а представлена цепь
LD- программы, а на рис. 2. L35, б — то, как выглядит эта программа
на языке инструкций в пакете, предлагаемом этой компанией. На
рис. 2.1.35,в продемонстрировано, что происходит в логическом стеке
при выполнении представленного примера программы.
2.1.7. Язык структурированного текста
Язык структурированного текста (ST, Structured Text) представляет
собой язык высокого уровня, имеющий черты языков Pascal и Basic.
Для специалистов, знакомых с языком С, освоение ST также не вызо­
вет никаких сложностей. Конечно, вместо процедур этих языков в ST
используются компоненты программ стандарта МЭК.
Хотя язык ST хоть чем-то и похож на указанные языки, но раз­
работан он специально для программирования ПЛК. Он содержит
множество конструкций для присвоения значений переменным, для
вызова функций и функциональных блоков, для написания выраже­
ний условных переходов, выбора операторов, для построения итераци­
онных процессов. Этот язык предназначен в основном для выполнения
сложных математических вычислений, описания сложных функций,
функциональных блоков и программ.
С помощью ST можно легко реализовывать арифметические и ло­
гические операции (втом числе побитовые), безусловные и условные
переходы, циклические вычисления; возможно использование как
библиотечных, так и пользовательских функций. Язык интерпретирует
более 16 типов данных.
Основой ST-программы служат выражения. Результат вычисления
выражения присваивается переменной при помощи оператора «:=»,
как и в Паскале. Каждое выражение обязательно заканчивается точкой
с запятой. Выражение состоит из переменных констант и функций,
разделенных операторами. Стандартные операторы в выражениях ST
имеют символьное представление, например математические дей­
ствия: +,*,/, операции сравнения и т.д.
Помимо операторов, элементы выражения можно отделять про­
белами и табуляциями для лучшего восприятия. В текст могут быть
введены комментарии. Везде, где допустимы пассивные разделители,
можно вставлять и комментарии.
89
Несколько выражений можно записать подряд в одну строку, но хо­
рошим стилем считается запись в строке одного выражения. Длинные
выражения можно перенести на следующую строку. Перенос строки
равноценен пассивному разделителю. Выражение может включать
другое выражение, заключенное в скобки. Выражение, заключенное
в скобки, вычисляется в первую очередь. Тип выражения определяется
типом результата вычислений.
Вычисление выражения происходит в соответствии с правилами
приоритета операций. Первыми выполняются операции с наивысшим
приоритетом. В порядке уменьшения приоритета операции располага­
ются так: выражение в скобках; вызов функции; степень; замена знака
(-); отрицание NOT, умножение, деление и деление по модулю MOD;
сложение и вычитание (+, -); операции сравнения (<, >, <=, >=);
равенство (=); неравенство (о); логические операции AND,XORh OR.
При составлении выражений обязательно необходимо учитывать
возможный диапазон изменения значений и типы переменных. Ошиб­
ки, связанные с переполнением, возникают в процессе выполнения
и не могут быть обнаружены транслятором.
Для достаточной полноты представлений о представляемом языке
рассмотрим некоторые его операторы.
Оператор выбора IF позволяет выполнить различные группы выра­
жений в зависимости отусловий, определенныхлогическими выраже­
ниями. Полный синтаксис оператора IF (если) выглядит следующим
образом:
IF Логическое выражение IF>
THEN
<выражения IF>
[
ELSIF Логическое выражение ELSIF1 >
THEN
<выражения ELSIF1 >;
ELSIF Логическое выражение ELSIFn>
THEN
<выражения ELSIFn>;
ELSE
<выражения ELSE>;
]
END IF
Если Слогическое выражение IF> ИСТИНА, то выполняются
выражения первой группы — выражения IF>. Прочие выражения
пропускаются, альтернативные условия не проверяются. Часть кон­
струкции в квадратных скобках является необязательной и может
отсутствовать.
90
Если Логическое выражение IF> ЛОЖЬ, то одно за другим про­
веряются условия ELSIE Первое истинное условие приведет к выпол­
нению соответствующей группы выражений. Прочие условия ELSIF
анализироваться не будут. Групп ELSIF может быть несколько или
не быть совсем.
Если все логические выражения дали ложный результат, то выпол­
няются выражения группы ELSE, если она есть. Если группы ELSE
нет, то не выполняется ничего.
В простейшем случае оператор IF содержит только одно условие.
Оператор множественного выбора CASE позволяет выполнить раз­
личные группы выражений в зависимости от значения одной цело­
численной переменной или выражения. Синтаксис оператора CASE
выглядит так:
CASE <целочисленное значение> OF
< значение 1>:
< выражения 1>;
<значение 2>, <значение 3>:
<выражения 3>
<значение 4>, <значение 5>:
<выражения 4>
[
ELSE
<выражения ELSE>;
]
END CASE
Если значение выражения совпадает с заданной константой, то
выполняется соответствующая группа выражений. Прочие условия
не анализируются.
Если несколько значений констант должны соответствовать одной
группе выражений, их можно перечислить через запятую: ^значе­
ние 2>, <значение 3> <выражения 3> ;).
Диапазон значений можно определить через две точки: (<значение
4>..<значение 5> <выражения 4> ;).
Группа выражений ELSE является необязательной. Она выполня­
ется при несовпадении ни одного из условий (<выражения ELSE>;).
Значениями выбора CASE могут быть только целые константы,
переменные использовать нельзя. Одинаковые значения в альтерна­
тивах выбора задавать нельзя, даже в диапазонах.
Циклы WHILE и REPEAT обеспечивают повторение группы вы­
ражений, пока верно условное логическое выражение. Если условное
выражение всегда истинно, то цикл становится бесконечным. Син­
таксис оператора WHILE показан ниже:
WHILE <Условное логическое выражение> DO
< Выражение — тело цикла>
END WHILE
91
Условие в цикле WHILE проверяется до начала цикла. Если логи­
ческое выражение изначально имеет значение ЛОЖЬ, тело цикла не
будет выполнено ни разу.
Синтаксис оператора REPEAT:
REPEAT
< Выражение — тело цикла>
UNTIL <Условное логическое выражение>
END REPEAT
Условие в цикле REPEAT проверяется после выполнения тела цик­
ла. Если логическое выражение изначально имеет значение ЛОЖЬ,
тело цикла будет выполнено один раз.
Правильно построенный цикл WHILE или REPEAT обязатель­
но должен изменять переменные, составляющие условие окончания
в теле цикла, постепенно приближаясь к условию завершения. Если
этого не сделать, цикл не закончится никогда.
Цикл FOR обеспечивает заданное количество повторений группы
выражений. Его синтаксис следующий:
FOR СЦелый счетчик> := СНачальное значение>
ТО < Конечное значение>
[BY<HIar>]DO
< Выражение — тело цикла>
END FOR
Перед выполнением цикла счетчик получает начальное значение.
Далее тело цикла повторяется, пока значение счетчика не превысит
конечного значения. Счетчик увеличивается в каждом цикле. На­
чальное и конечное значения и шаг могут быть как константами, так
и выражениями.
Счетчик изменяется после выполнения тела цикла. Поэтому если
задать конечное значение, не превышающее начального, то при поло­
жительном приращении цикл не будет выполнен ни разу. При одина­
ковых начальном и конечном значениях тело цикла будет выполнено
один раз.
Часть конструкции BY в скобках необязательна, она определяет
шаг приращения счетчика. По умолчанию значение счетчика увели­
чивается на единицу в каждой итерации. В качестве счетчика можно
использовать переменную любого целого типа.
Шаг изменения счетчика итераций может быть и отрицательным.
Начальное условие в этом случае должно быть больше конечного. Цикл
будет закончен, когда значение счетчика станет меньше конечного
значения.
Прерывание итераций операторами EXIT и RETURN. Оператор
EXIT, помещенный в теле циклов WHILE, REPEAT и FOR, приводит
к немедленному окончанию цикла. Хороший стиль программирова­
ния призывает избегать такого приема, но иногда он весьма удобен.
92
Например, можно создать безусловный цикл, а условия выхода фор­
мировать в теле цикла с использованием EXIT
Оператор RETURN осуществляет немедленный возврат из POU.
Это единственный способ прервать вложенные итерации без введения
дополнительных проверок условий.
В большинстве комплексов программирования ПЛК язык ST по
умолчанию предлагается для описания действий и условий переходов
SFC. Это действительно максимально мощный тандем, позволяющий
эффективно решать любые задачи.
Текстовая форма представления программ при использовании
языка ST служит сдерживающим фактором при разработке сложных
систем, так как не дает такого наглядного представления о структу­
ре программы и о происходящих в ней процессах, как это делается
в графических языках. Данный язык имеет те же недостатки, что и IL,
однако они выражены в меньшей степени.
2.1.8. Язык последовательных функциональных блоков
Язык последовательных функциональных блоков (SFC, Sequential
Function Chart) используется совместно с другими языками (обычно
с ST и IL), является графическим языком, в котором программа описы­
вается в виде схематической последовательности шагов, объединенных
переходами. Пример программы на языке SFC приведен на рис. 2.1.36.
Рис. 2.1.36. Язык последовательных функциональных схем SFC
93
SFC называют языком программирования, хотя по сути это не
язык, а вспомогательное средство для структурирования программ.
Он предназначен специально для программирования последователь­
ности выполнения действий системой управления, когда эти дей­
ствия должны быть выполнены в заданные моменты времени или
при наступлении некоторых событий. Язык SFC построен по прин­
ципу, близкому к концепции конечного автомата. В его основе лежит
представление системы управления с помощью понятий состояний
и переходов между ними.
Наиболее простым и естественным образом на языке SFC описы­
ваются технологические процессы, состоящие из последовательно вы­
полняемых шагов, с возможностью описания нескольких параллельно
выполняющихся процессов, для чего в языке имеются специальные
символы разветвления и слияния потоков (дивергенции и конверген­
ции, в терминах стандарта МЭК 61131-3). Шаги последовательности
располагаются вертикально сверху вниз. На каждом шаге выполняется
определенный перечень действий (операций). При этом для описа­
ния самой операции используются другие языки программирования,
такие как IL или ST.
Действия (операции) в шагах имеют специальные классификато­
ры, определяющие способ их выполнения внутри шага: циклическое
выполнение, однократное выполнение, однократное выполнение при
входе в шаг и т.д. В сумме таких классификаторов насчитывается де­
вять, причем среди них есть, например, классификаторы так называ­
емых сохраняемых и отложенных действий, заставляющие действие
выполняться даже после выхода программы из шага.
После того как шаг выполнен, управление передается следующему
за ним шагу. Переход между шагами может быть условным и без­
условным. Условный переход требует выполнения определенного
логического условия для передачи управления на следующий шаг;
пока это условие не выполнено, программа будет оставаться внутри
текущего шага, даже если все операции внутри шага уже выполнены.
Безусловный переход происходит всегда после полного выполнения
всех операций на данном шаге. С помощью переходов можно осуще­
ствлять разделение и слияние ветвей последовательности, организо­
вать параллельную обработку нескольких ветвей или заставить одну
выполненную ветвь ждать завершения другой.
Как и любому другому языку, SFC свойственны некоторые недо­
статки. Хотя SFC может быть использован для моделирования конеч­
ных автоматов, его программная модель не совсем удобна для этого.
Это связано с тем, что текущее состояние программы определяется не
переменной состояния, а набором флагов активности каждого шага,
в связи с чем при недостаточном контроле со стороны программиста
94
могут оказаться одновременно активными несколько шагов, не на­
ходящихся в параллельных потоках.
Еще одно неудобство языка связано с тем, что шаги графически рас­
полагаются сверху вниз, и переход, идущий в обратном направлении,
изображается в неявной форме, в виде стрелки с номером состояния,
в которое осуществляется переход.
2.1.9. Язык непрерывной потоковой схемы
Многие производители инструментальных средств, опирающиеся
на стандарт МЭК, не ограничиваются поддержкой рассмотренных
выше пяти языков стандарта.
Язык CFC (Continuous Flow Chart — непрерывная потоковая схе­
ма) — еще один высокоуровневый язык визуального программиро­
вания. Этот язык был специально создан для проектирования систем
управления непрерывными технологическими процессами. Он не
включен в стандарт МЭК 61131-3, но, по сути, CFC —- это дальнейшее
развитие языка FBD, которое разрабатывается и используется рядом
крупных компаний, создающих аппаратные и программные продукты
в области промышленной автоматизации. Практически это те же стан­
дартные функциональные блоки FBD, но с возможностью создания
больших схем со свободным размещением элементов и обратными
связями. CFC позволяет произвольно задавать порядок выполнения
блоков, дает программисту большую свободу действий, но платой
за это является несколько большая вероятность допустить ошибку
и более объемный код.
Проектирование программы на этом языке сводится к выбору
из библиотек готовых функциональных блоков, их позициониро­
ванию на экране, установке соединений между их входами и выхо­
дами, а также настройке параметров выбранных блоков. В отличие
от FBD функциональные блоки языка CFC выполняют не только
простые математические операции, они ориентированы на управле­
ние целыми технологическими единицами. Так, в типовой библио­
теке CFC-блоков находятся комплексные функциональные блоки,
реализующие управление клапанами, моторами, насосами; блоки,
генерирующие аварийные сигнализации; блоки PID-регулирования
и т.д. Вместе с тем доступны и стандартные блоки FBD. Унаследовав
от FBD саму концепцию программирования, язык CFC в наибольшей
степени ориентирован на технологический процесс, позволяя разра­
ботчику абстрагироваться от сложного математического аппарата.
CFC прост в освоении и при этом позволяет разрабатывать слож­
нейшие алгоритмы автоматизированного управления без каких-либо
специфических знаний других языков программирования.
95
2.2.
ФУНКЦИИ И СТРУКТУРА СИСТЕМ ПОДГОТОВКИ ПРОЕКТОВ
Приступая к разработке специализированного прикладного про­
граммного обеспечения для создания системы управления , разработ­
чик может выбрать один из двух следующих путей:
1) программирование с использованием «традиционных» средств
(классические языки программирования, стандартные средства от­
ладки);
2) применение существующих, готовых инструментальных про­
блемно-ориентированных средств (COTS — commercial of the shelf).
В условиях все более возрастающей доли прикладного программ­
ного обеспечения в затратах на создание конечной системы и все более
ужесточающихся требований к интенсификации труда программистов
вариант с использованием классических языков и средств програм­
мирования привлекателен лишь при создании простых систем или
небольших фрагментов большой системы, для которых нет стандарт­
ных решений (не написан, например, подходящий драйвер). Логи­
ка развития современного бизнеса в части разработки прикладных
программ для систем управления заставляет идти по второму пути,
приобретая, осваивая и адаптируя какой-либо готовый, уже апробиро­
ванный, универсальный инструментарий. Он разработан для создания
программного обеспечения всех уровней систем автоматизации. Такие
инструменты существуют для создания программ рабочих и диспет­
черских станций (SCADA-системы), а также более высоких уровней
управления производством (ERP и MES). И конечно, прежде всего
такие инструменты были созданы для тех средств, которые составляют
основу цехового уровня автоматизации, — более простых, но приме­
няемых по-настоящему массово — программируемых контроллеров.
Определяя итоговый продукт, получаемый в процессе работы с эти­
ми пакетами, обычно говорят, что создана не программа — пользуются
более емким понятием — ведут речь о создании проекта. Этим хотят
подчеркнуть, что программа создается с учетом конкретного набора
аппаратных ресурсов контроллера, средств организации человекомашинного интерфейса, для работы в рамках определенной сетевой
конфигурации и т.д. Один проект может состоять из нескольких час­
тей, файлов — прикладной программы контроллера, блоков данных,
системы визуализации, конфигураций модулей ввода-вывода и т.д.
Необходимость появления интегрированныхпрограммныхпакетов,
ориентированных на комплексную подготовку проектов от выбора эле­
ментной базы и конфигурации системы до создания и отладки программ,
предназначенных специально для систем автоматизации на базе уни­
версальных контроллеров, была обусловлена следующими причинами.
1. Стремлением использовать специальные технологические языки
программирования.
96
2. Требованием надежности программного обеспечения, которая
обеспечивается тем, что программы для ПЛ К создаются с помощью
специально предназначенной для этого среды разработки, содержащей
все необходимые средства для написания, тестирования и отладки
программ с помощью эмуляторов и реальных ПЛК, а также множество
готовых фрагментов программного кода.
3. Сжатыми сроками внедрения системы и ограниченной стои­
мостью работ. Для создания системы в короткий срок при ограни­
ченном бюджете требовалось большое количество готовых универ­
сальных программных компонентов, уже написанных и тщательно
оттестированных.
4. Необходимостью модификации системы в процессе ее эксплуата­
ции. Внести изменения в специализированную программу мог только
написавший ее программист, который к этому времени обычно работал
уже на другом предприятии. Поэтому вместо того чтобы модифициро­
вать программное обеспечение, его приходилось переписывать заново.
5. Требованиями совместимости с другими системами автома­
тизации, работающими на том же предприятии. Были необходимы
стандартные интерфейсы между программами, созданными разными
производителями на разных аппаратно-программных платформах.
6. Высокими требованиями к качеству пользовательского интер­
фейса. Ограниченный бюджет времени и финансовых ресурсов не
позволял разработать достаточно хороший программный интерфейс
на универсальных алгоритмических языках.
Современные средства разработки чрезвычайно функциональны
и предлагают разработчику множество возможностей:
• разнообразные программные библиотеки, функциональные блоки,
готовые процедуры и шаблоны;
• инструменты для отладки, тестирования и симуляции прикладной
программы;
• инструменты для автоматизированного документирования разра­
ботанной программы в соответствии с принятыми стандартами.
В итоге при выборе того или иного инструмента пользователь оце­
нивает некоторые основные потребительские характеристики про­
дукта, к которым могут быть отнесены:
• удобство интерфейса оператора и разработчика;
• эффективность разработки, т.е. возможный выигрыш во времени
и экономия ресурсов, достигаемые в процессе разработки;
• надежность функционирования ПО при разработке и особенно
при решении задач управления на объекте;
• доступность и качество технической поддержки, динамичная адап­
тация к запросам пользователей;
• качество сопроводительной документации;
97
• конечная стоимость как инструментальной среды, так и испол­
няемых модулей.
Пакеты по созданию программных проектов для контроллеров
создаются разными компаниями — и теми, которые выпускают эти
контроллеры, и теми, кто специализируется только на выпуске данного
инструментария. Но общность целей пакетов привела к тому, что все
они имеют сходную архитектуру — близкий по составу и функциям
набор составных компонентов. Охарактеризуем назначение и прин­
ципы построения таких систем в целом и их составных частей.
Прежде всего эти системы предназначены для разработки программ
промышленных контроллеров с помощью простых инструменталь­
ных средств. Простота в данном случае достигается применением
методов объектного визуального программирования, выражающихся
в использовании специальных технологических языков.
Системы подготовки программ представляют собой интегрирован­
ные комплексы программ в операционной среде Windows (все реже
в DOS) и включают графические средства создания программ (редак­
торы), компиляторы, средства интерактивного диалога, настройки
и отладки проектов. Они функционируют на персональном компью­
тере, с помощью которого может производиться и отладка программы
непосредственно на объекте. Назначение кнопок и порядок работы
с объектами совпадают с общепринятыми в Windows соглашениями. Все
действия производятся в режиме интерактивного диалога пугем выбора
соответствующих опций из последовательно возникающих окон. Все
манипуляции с объектами осуществляются с помощью мыши.
Система программирования содержит средства подготовки проек­
тов — менеджер проектов и средства их отладки и загрузки (рис. 2.2.1).
Системы подготовки проектов тесно взаимодействуют с системой
исполнения, которая является частью системного программного обес­
печения контроллеров.
Работа в системе подготовки проектов начинается в менеджере
проекта, объединяющем:
• конфигуратор контроллера;
• редактор переменных;
• менеджер программ;
• компиляторы.
В конфигураторе контроллера последовательно осуществляются
следующие действия:
• выбирается аппаратная платформа контроллера (семейство кон­
троллеров);
• выбирается тип вычислительного (процессорного) модуля внутри
платформы;
• указываются системные установки, такие как наличие сети, сторо­
жевого таймера, время цикла контроллера, настройки компилятора;
98
• выбираются типы используемых модулей ввода-вывода контрол­
лера.
После определения состава периферийных блоков система авто­
матически устанавливает адреса аналоговых и дискретных входоввыходов этих блоков и в дальнейшем, при создании собственно про­
граммы, можно использовать лишь допустимые диапазоны адресов.
Кроме этого, указание процессорного модуля позволит при компи­
ляции программы создавать загружаемый код с учетом конкретного
распределения памяти, допустимых диапазонов переменных и других
ресурсов.
Рис. 2.2.1. Типовая архитектура системы подготовки программ
Редактор переменных служит для описания (объявления) пере­
менных и способов доступа к ним. Абсолютное большинство паке­
тов подготовки проектов в работе с переменными придерживается
рекомендаций стандарта МЭК 61113-3. Это касается ограничений
на задание имен (идентификаторов) переменных, их типов, форма­
тов и т.д. Стандарт МЭК 61113-3 эти вопросы определяет в основном
в качестве рекомендаций, поэтому редакторы переменных в разных
пакетах могут иметь те или иные отличия, заключающиеся в основном
в ограниченном числе типов и форматов переменных. Так, например,
пакет CoDeSys среди других пакетов имеет наиболее полную под­
держку стандартных типов. Но и ондо недавнего время не поддерживал
64-разрядные целые и текстовые строки Unicode.
Как уже отмечалось, в стандарте МЭК 61131 -3 не регламентируется
способ привязки переменных программы к физическим входам-выхо­
99
дам. Поэтому в каждой системе программирования это осуществляется
несколько по-разному. В одних пакетах соответствие между именем
переменной и физическим ресурсом (соответствующим входом или
выходом) контроллера устанавливается заданием имен в дереве конфи­
гурации, которое в удобной графической форме описываетвсе ресурсы,
доступные программисту, в других—составлением символьных таблиц.
М енеджер программ содержит листы программ, выполняет обыч­
ные операции над их файлами. Создание программ осуществляется
в редакторах, которых в составе пакета по созданию проекта может
быть несколько в зависимости от числа поддерживаемых языков. Если
используются графические языки, то программирование осущест­
вляется с помощью специального графического редактора. При этом
пользователь с помощью мыши устанавливает элементы программы
в поле программы, соединяет их связями, присваивает связям имена
переменных. Имена могут непосредственно назначаться в поле про­
граммы или вызываться из списков символьной таблицы. Все шаги по
составлению программы записываются в файл-сценарий, благодаря
чему можно производить откат к предыдущему состоянию (Undo)
и возврат к правкам (Redo). Редактор может включать разметку поля,
масштабировать изображение, автоматически изменяет изображение
указателя мыши в зависимости от типа операции.
Если в пакете можно работать с несколькими языками, то, как
правило, существует возможность «перевести» программу с одного
языка на другой.
Обычно редакторы построены так, чтобы подталкивать програм­
миста использовать принцип структурного проектирования — созда­
вать программы в виде отдельных функциональных блоков (модулей).
Программа (основной или организующий блок) может состоять из
множества модулей (функциональных блоков), находящихся друг
с другом в определенных отношениях и образующих иерархическое
дерево. Модули могут активизироваться при запуске системы, вы­
полняться в каждом цикле работы контроллера или активизировать­
ся лишь при выполнении тех или иных условий (в заданное время,
с определенной строгой периодичностью, по прерываниям).
Этот механизм является инструментом и для облегчен ия разработки
больших программ, и для улучшения «читабельности» программ, когда
конкретный модуль (функциональный блок) полностью описывает
функции и условия управления выделенной частью технологического
процесса.
В редакторах может быть предусмотрен механизм вызова внешних
процедур, написанных на других языках, таких как Ассемблер, Си,
Паскаль.
Готовый проект компилируется, после чего полученный код сис­
темы исполнения загружается в контроллер. Многие системы про­
юо
граммирования являются независимыми по отношению к аппаратной
платформе целевого контроллера, поэтому в своем составе они содер­
жат специальный ин вариантный компилятор, который использует ин­
формацию об аппаратной платформе контроллера и его конфигурации.
Система отладки. После создания программы ее необходимо отла­
дить. Для этого блок отладки системы подготовки проекта содержит:
• загрузчик программ;
° сетевой драйвер;
• средства осциллографирования;
• средства удаленной отладки.
В процессе отладки можно осуществлять оперативный мониторинг
процесса, осциллографирование (наблюдение на экране монитора)
любых переменных в реальном времени, подбор параметров регу­
лирования, исправление и мгновенную перекомпиляцию проекта,
доступ к любой справочной информации об объекте.
В одних случаях программа в контроллер может загружаться по
каналу последовательной связи, в других — с помощью внешне про­
граммируемого блока памяти. В загружаемый код автоматически
встраивается драйвер сетевого обмена, который обеспечивает мони­
торинг и отладку.
2.3.
ПАКЕТЫ СОЗДАНИЯ ПРОЕКТОВ РАЗЛИЧНЫХ КОМПАНИЙ
Приведем несколько примеров пакетов для создания программ­
ного обеспечения контроллеров, уделяя основное внимание пакетам,
созданным для программирования контроллеров на языках стандарта
МЭК 61131-3. Но сначала сделаем несколько замечаний.
Очень естественно выглядитто, что компания, выпускающая конт­
роллеры, разрабатывает и пакеты для их программирования. Конечно,
у такой компании должно быть достаточно сил, причем не только на
разработку, но и на поддержку своего пакета. Это, как правило, мощ­
ные компании, давно укоренившиеся на рынке. Такой подход дает им
возможность создавать инструментарий, рассчитанный только на их
продукцию и учитывающий все ее особенности, позволяет отходить от
общепринятых стандартов и соглашений, внедряя свои собственные
приемы и ноу-хау. В результате они предлагают пакеты, не имеющие
«ничего лишнего», простые в настройке и работе, позволяющие со­
здавать максимально надежное программное обеспечение.
С другой стороны, существование стандартов по языкам, по ап­
паратным и программным интерфейсам позволяет создавать систе­
мы подготовки проектов, в рамках которых можно разрабатывать
программы для контроллеров различных производителей. Эти па­
кеты представляют собой среду разработки, которая прежде всего
включает в себя функции, инвариантные к архитектуре конкретных
101
контроллеров, — функции редакторов и системы отладки. Однако
для работы с конкретными контроллерами они должны дополняться
так называемыми целевыми файлами (target files), которые включают
описание архитектуры (целевой платформы) контроллера. Прежде
всего эти файлы содержат информацию о числе дискретных и анало­
говых входов-выходов, о количестве и типах имеющихся интерфейсов,
возможности подключения периферийных модулей, наличии часов
реального времени. Кроме этого, системе программирования необхо­
димо учитывать тип процессора, под который необходимо создавать
программный код, объем доступной для использования оператив­
ной памяти ПЛК и т.д. Компания — производитель контроллеров
заключает соответствующие соглашения с компанией, разработавшей
среду создания проектов, и поставляет пользователям свои контрол­
леры вместе с целевыми файлами. После установки целевых файлов
в систему проектирования пользователь может пользоваться ею для
программирования конкретных контроллеров.
Рассматривая пакеты программирования ПЛК, надо иметь в виду,
что существует их явное разделение на системы разного уровня. Не­
которые компании выпускают серии контроллеров, существенно от­
личающиеся друг от друга функциональными возможностями. Часто
при этом считается, что создавать лишь один, но сложный продукт,
предназначенный для программирования всех серий контроллеров,
смысла нет. Тогда появляется несколько продуктов, разных по функ­
циональной насыщенности и сложности. Для молодых компаний,
только выходящих на рынок контроллеров, но одновременно создаю­
щих и свои системы программирования в соответствии с МЭК 61131-3,
также характерен выпуск весьма упрощенного инструмента програм­
мирования. Это связано, с одной стороны, с относительно большими
людскими и финансовыми затратами на создание «представительного»
программного продукта, которые они себе порой просто не могут
позволить; с другой стороны, с тем, что обязательных требований
в стандарте немного, и поэтому можно создать весьма упрощенный
инструмент, поддерживающий ограниченный набор элементов, при­
сущих только их контроллерам.
В результате профессиональных высококлассных инструментов
программирования для ПЛК, целиком соответствующих стандарту
МЭК61131-3, существует не так уж много. Список инструментальных
программных систем, реализующих стандарт МЭК 61131-3, приведен
в табл. 2.3.1.
Проведем обзор систем разработки проектов для контроллеров.
Сначала остановимся на пакетах, которые ориентированы на работу
с контроллерами различных производителей. В основном они разра­
ботаны компаниями, специализирующимися на разработке только
программных продуктов.
102
Таблица 2.3.1
Список инструментальных программных систем,
реализующих стандарт МЭК 61131-3
Название инструментальной системы
Фирма-производитель
CoDeSys
Smart Software Solutions (Германия)
ACCON-ProSys
Deltalogic (Германия)
OpenDK
Infoteam Software (Германия)
PUMA
КЕВА (Австрия)
SUCOsoft S340
Klokner-Moeller (Германия)
NAIS CONTROL
Matsushita AC (Германия)
PDS7
Philips (Нидерланды)
SELECONTROL
Selectron Lyss (Швейцария)
Soft Control
ISaGRAF
Softing (Германия)
Concept
Schneider Electric (Франция)
UltraLogik
Прософт (Россия)
CJ International (Франция)
Пакет CoDeSys (Controller Development System) немецкой компа­
нии 3S — Smart Software Solutions GmbH представляет собой комплекс
программ для проектирования прикладного программного обеспече­
ния, отладки в режиме эмуляции и загрузки программы в ПЛК.
CoDeSys как средство программирования промышленных ком­
пьютеров и контроллеров представляет собой согласованный и вза­
имно дополняющий набор элементов и делится на две части: среду
программирования и систему исполнения.
В среду программирования CoDeSys входят графические и тексто­
вые редакторы для всех пяти языков МЭК 61131-3, кроме этого, она
дополнена языком CFC. Редакторы поддержаны большим числом
вспомогательных инструментов, ускоряющих ввод программ. Это
ассистент ввода, автоматическое объявление переменных, интел­
лектуальная коррекция ввода, цветовое выделение и синтаксический
контроль при вводе, масштабирование, автоматическое размещение
и соединение графических элементов.
В проекте можно совмещать программы, написанные на несколь­
ких языках, либо использовать один из них. В одном проекте может
быть использовано несколько контроллеров разных производителей.
Каждый из них может программироваться как независимое устрой­
ство или с учетом их взаимодействия в промышленной сети. Проект
состоит из нескольких приложений, распределенных по нескольким
контроллерам. В одном ПЛК может существовать несколько незави­
симых приложений.
Среда программирования CoDeSys работает на персональном ком­
пьютере под Windows. Код созданной в ней прикладной программы
юз
может работать на разных аппаратных платформах. Для работы с кон­
кретным устройством среде программирования CoDeSys необходим
так называемый целевой (target) файл. В нем записаны тип процессора,
распределение памяти и другие необходимые сведения об аппаратуре.
Помимо этого, изготовитель оборудования может наделить CoDeSys
значительным числом специфических функций. Это конфигураторы
модулей системы и сети, дополнительные инструменты, фирменные
библиотеки и многое другое. Все это включается в комплект кон­
фигурации целевой платформы. Многие фирмы — производители
контроллеров на этапе их разработки принимают решение о том,
что для программирования их контроллеров должна использоваться
среда CoDeSys. Тогда в дальнейшем вместе с контроллерами они по­
ставляют пользователям и целевые файлы. Если контроллер может
работать с модулями ввода-вывода, обмениваться данными в сети,
то изготовитель аналогично обеспечивает поддержку всех модулей
ПЛК и сетевых подключений. В результате программа, написанная
на языках МЭК, компилируется системой CoDeSys в машинный код,
оптимизированный для заданной аппаратной платформы.
Компилятор выдает диагностические сообщения как на этапе ввода
операторов языка, так и на этапе компиляции.
Машинный код, сгенерированный компилятором CoDeSys, загру­
жается в ПЛК, после чего разработчик имеет возможность использо­
вать широкий набор функций для быстрой и эффективной отладки
приложения. Текущие значения переменных видны непосредственно
в редакторах программ. Программу можно выполнять по шагам или по
контроллерным циклам. Можно задавать точки останова программы,
просматривать стек вызовов, подготавливать связные наборы значений
переменных и загружать их одной командой. При отсутствии реаль­
ного контроллера отладку программы можно выполнять с помощью
встроенного программного эмулятора.
Система отладки имеет встроенный многоканальный программный
трассировщик (графический самописец) значений переменных. Он
позволяет наглядно представить динамически изменяющиеся данные
проекта. Данные аккумулируются в памяти ПЛК и могут синхрони­
зироваться с определенными событиями. Трассировщик полезен не
только при отладке, но и при анализе нештатных ситуаций в процессе
эксплуатации оборудования.
Для непрерывных технологических процессов CoDeSys дает воз­
можность исправить работающую программу на ходу. После изменения
программы во время отладки перекомпилируются только измененные
части программы. Их можно подгружать в контроллер без остановки
выполнения прикладной программы, и система исполнения мгно­
венно подключает новый код. Эта возможность системы называется
«горячим обновлением» кода.
104
Программируемое устройство соединяется с CoDeSys через вспомо­
гательный программный компонент — шлюз связи, который исполь­
зует протокол TCP/IP. Шлюз работает на компьютере программиста
или удаленно, например через Интернет или сеть Ethernet. Контроллер
подключается к компьютеру через любой последовательный канал
или сеть. Добавив драйвер, изготовитель ПЛ К может поддержать свой
оригинальный протокол связи.
Система исполнения CoDeSys SP — это часть CoDeSys, распо­
ложенная в оборудовании. Установку системы выполняет изготови­
тель контроллера. На выходе среды программирования прикладная
программа преобразуется в машинный код конкретного процессора.
Система исполнения выполняет загрузку кода в память процессора,
управление задачами, функции мониторинга, просмотр и фиксацию
переменных, аккумулирование данных трассировки и трендов, со­
держит оптимизированный код стандартных библиотек и т.д. Боль­
шая по объему часть кода системы исполнения работает только при
подготовке (в частности, отладке) программы. Ядро, управляющее
прикладными задачами, исключительно компактно, чем достигается
быстрое выполнение прикладной программы.
Особый интерес представляет встроенный в CoDeSys инструмент
визуализации, приближающийся по своим возможностям к коммер­
ческим SCADA-системам. В редакторы системы визуализации вклю­
чен набор графических элементов — простых геометрических фигур
и растровых рисунков. Их размеры, положение, текстовые подписи,
цвет и угол можно связывать с переменными программы. Также суще­
ствуют стрелочные и столбчатые индикаторы, гистограммы, тренды
и таблицы тревог. Готовую визуализацию можно использовать не­
сколькими способами: непосредственно в системе программирования,
в контроллере, оснащенном дисплеем и хотя бы несколькими клави­
шами, на любом персональном компьютере с помощью отдельного
Win32 приложения CoDeSys HMI, через Web-браузер в сетях TCP/IP.
Благодаря своим отличным функциональным возможностям, на­
дежности и открытым интерфейсам CoDeSys стал одним из лидеров
в области автоматизации программирования промышленных ком­
пьютеров и контроллеров. Не случайно он выбран в качестве базового
инструмента многими ведущими мировыми поставщиками аппарат­
ных решений для промышленной автоматизации, особенно в Европе.
Система UltraLogik предназначена для разработки программ про­
мышленных контроллеров с помощью простых инструментальных
средств. Она представляет собой интегрированный комплекс программ
в операционной среде DOS или Windows и включает графические сред­
ства, компиляторы, средства интерактивного диалога, настройки и от­
ладки проектов. UltraLogik функционирует на IBM РС-совместимом
компьютере, с помощью которого может производиться и отладка
105
программы на объекте. Пакет позволяет осуществлять оперативный
мониторинг процесса, осциллографирование любых переменных в ре­
альном времени, простой подбор параметров регулирования, быстрое
исправление и мгновенную перекомпиляцию проекта, удаленную от­
ладку, доступ к любой справочной информации об объекте.
Система UltraLogik ориентирована на разработку программного
обеспечения для систем сбора данных и управления, исполняемого
на PC-совместимых контроллерах и промышленных компьютерах
с открытой архитектурой. В качестве основного языка программиро­
вания используется язык FBD. Кроме этого, UltraLogik предоставляет
возможность выполнять программные модули, написанные на Си,
Паскале или Ассемблере. При этом внешне такая программа выглядит
как обычный функциональный блок, назначение входов и выходов
которого определяет пользователь.
Система состоит из подсистемы программирования, работающей
в среде MS Windows, и подсистемы исполнения, работающей в среде
MS DOS версий 3.3 и выше.
Базовая программная концепция предполагает построение про­
екта как иерархического дерева программ, состоящих друг с другом
в определенных отношениях. Система содержит широкий выбор функ­
циональных блоков, демонстрационных проектов и моделей объек­
тов регулирования, что позволит даже начинающему пользователю
создавать с помощью UltraLogik изящные и оптимальные программы.
Разработчики ориентировали свой продукт на применение с номен­
клатурой процессоров и модулей ввода-вывода фирм Octagon Sys­
tems, Fastwel и контроллеров серии ADAM, однако имеются средства
настройки системы на некоторые другие типы микропроцессорных
устройств. Встроенные функции отладки программных модулей позво­
ляют осуществлять как предварительную эмуляцию в среде редактора,
так и удаленную сетевую отладку программы в целевом контроллере.
Контроллеры и промышленные компьютеры, программируемые на
UltraLogik, могут объединяться в сети передачи данных на базе ин­
терфейса RS-485 и Ethernet. При этом обеспечивается возможность
организации обмена данными между контроллерами в многоточечном
мультимастерном режиме.
Состав специализированных библиотек функциональных блоков
может быть дополнен пользователем и содержит обширную подбор­
ку регуляторов, алгоритмы эмуляции различных объектов, а также
обработку частотных сигналов и временные операции. Специаль­
ные режимы отладчика позволяют просматривать ход выполнения
программы либо через списки переменных, либо в графическом виде
(режим осциллографа).
ISaGRAF — инструмент разработки прикладных программ для
программируемых логических контроллеров на языках стандарта
106
МЭК61131-3 и МЭК61499, который позволяет создавать локальные
или распределенные системы управления. Основа технологии — среда
разработки приложений (ISaGRAF Workbench) и адаптируемая под
различные аппаратно-программные платформы исполнительная сис­
тема (ISaGRAF Runtime). В настоящее время ISaGRAF производится
и распространяется компанией ICS Triplex ISaGRAF.
В настоящее время многие производители контроллеров и другого
оборудования систем автоматизации поддерживают эту платформу
программирования (среди них Komatsy, Grayhill, Motorola, ОРТО 22,
PEP, Philips и др.).
Пакет ISaGRAF фирмы ICS Triplex состоит из среды разработки
и среды исполнения. Среда исполнения может функционировать
практически на любой операционной системе и любой аппаратной
платформе, включая персональный компьютер. Среда разработки
поддерживает все пять языков МЭК 61131 - Зи функциональные бло­
ки МЭК 61499, имеет средства для редактирования, компиляции,
документирования, управления библиотеками, архивирования,
моделирования системы при отсутствии реального ПЛК и отладки
с подключенным ПЛК.
Среда разработки имеет знакомый по Windows-приложениям ин­
терфейс с подсказками, панелями инструментов, окнами, с функциями
вставки и замены и т.п. Код, полученный на выходе среды разработки,
может исполняться на любой аппаратно-программной платформе без
изменений, если на ней предварительно установлена среда исполнения.
ISaGRAF содержит редакторы всех пяти стандартных языков про­
граммирования. Кроме того, пакет включает в себя еще один графи­
ческий язык — CFC, описывающий последовательные логические
преобразования и визуально повторяющий метод графического пред­
ставления блок-схем алгоритмов. Проект представлен в виде иерар­
хического дерева программ и подпрограмм, разбитых на логические
секции по цикличности исполнения. Каждая из программ описыва­
ется только на одном языке, который выбирается при ее создании и в
дальнейшем не может быть изменен. Чаще всего язык SFC является
основным в проекте, так как он используется для описания операций
последовательности выполнения шагов, остальные языки обычно опи­
сывают действия внутри шагов и логические условия для переходов.
Связь между отдельными секциями программ осуществляется через
переменные трех уровней: общие—доступные любой программе лю­
бого проекта, глобальные—доступные любой программе выбранного
проекта, локальные — доступные выбранной программе выбранного
проекта.
Возможности программирования не ограничиваются использо­
ванием только языков программирования PLC, но дополняются воз­
можностями прямого вызова Си-функций, а также возможностями
107
дополнять стандартные библиотеки пакета функциональными бло­
ками, написанными на Си.
Наличие полного обширного набора инструментов редактирова­
ния, проверки синтаксиса, различных режимов отладки, в том числе
с возможностью графического представления данных, функций ре­
зервного дублирования и генерации документов делает работу с па­
кетом удобным и практичным. Подготовка проекта в среде ISaGRAF
включает процедуру оптимизации исполняемого кода конечной про­
граммы под выбранную целевую систему.
Основная особенность пакета состоит в том, что пользователь име­
ет возможность описывать алгоритм исполнения проекта в удобном
для себя виде. То есть в зависимости от типа решаемых задач набор
программ одного контроллера может содержать секции, написанные
на графических языках и (или) подготовленные в текстовом виде.
В дальнейшем инструментальная среда компилирует все программы,
составляющие проект, в один исполняемый файл.
Представим фирменные пакеты, которые компании разрабатывали
для программирования выпускаемых ими контроллеров.
Программирование контроллеров серии S-200 SIMATIC фирмы
Siemens осуществляется с помощью программного пакета STEP7-Micro/WIN. Построенный на базе «оконной» технологии, он существенно
облегчает процесс программирования в формах представления STL
или LD. STEP7-Micro/Win позволяет выполнять все операции по кон­
фигурированию и параметрированию контроллеров, а также решать
вопросы конфигурирования и программирования сетей, устройств
человеко-машинного интерфейса. Применяется стандартизирован­
ная система команд. Для программирования контроллеров SIMATIC
S-300 и S-400 фирма Siemens предлагает пакет STEP 7.
Результатом многолетних усилий и значительных инвестиций
компании Siemens стал ее новый программный продукт, получивший
название Totally Integrated Automation Portal, или TIA Portal.
Программный пакет TIA Portal объединяет все необходимые ин­
струменты для разработки систем автоматизации в одну среду раз­
работки и, пожалуй, является первым продуктом, предназначенным
для интеграции такого широкого круга задач автоматизации в одном
программном проекте. С точки зрения существовавших ранее пакетов
TIA Portal это унифицированный инжиниринговый инструмент, объ­
единяющий в себе SIMATIC STEP 7, SIMATIC WinCC и SINAMICS
StartDrive. Данное программное обеспечение позволяет достигать
высокого уровеня эффективности разработки любых проектов ав­
томатизации, базирующихся на использовании программируемых
контроллеров SIMATIC, приборов и систем человеко-машинного
интерфейса SIMATIC HMI и преобразователей частоты SINAMICS
(рис. 2.3.1).
108
TIA Portal V11
SIMATIC WinAC V11
SIMATIC STEP 7 V11
Языки программирования
LD, FBD, SCL для всех контроллеров S7/WinAC
STL и S7-GRAPH Professional для
S7-300/ S7-400/WinAC
WinAC,
включая F-системы
S7-400,
включая F-системы
S7-300
IM-CPU для ET200,
Professional
включая F-системы
HMI уровня производственных машин SCADA системы
SCADA системы
Одноместные компьют. станции
Professional
Advanced
Панели SI MATIC серий 70/ 177/
277/ 377/ Comfort Panel
Comfort
S7-1200
Basic
Basic
Промышленная сеть PROFINET, PROFIBUS, AS, Ю-Link, ET-200
Рис. 2.3.1. Функциональность пакета TIA Portal
Панели SIMATIC серии Basic
Panel
Программное обеспечение TIA Portal предназначено для решения
задач комплексной автоматизации на базе контроллеров SIMATIC
S7-1200/1500/300/400/WinAC (включая failsafe-приложения). Под­
держивается оборудование последнего и предпоследнего поколения.
Для программирования этих контроллеров в TIA Portal используются
следующие языки: LD, FBD, STL, SCL, GRAPH (для S7-1200 только
LD, FBD и SCL). Человеко-машинный интерфейс в TIA Portal может
быть реализован на базе операторных панелей SIMATIC Panel серий
70,170,270,370, КР, КТ, и КТР, а также в виде Runtime систем на базе
PC, вплоть до клиент-серверных SCADA-архитектур.
Существует «легкая» версия TIA Portal, предназначенная толь­
ко для программирования SIMATIC S7-1200 и «базовых» панелей
оператора, ориентированных на работу с S7-1200. Активация той
или иной функциональности TIA Portal происходит установкой
лицензии.
В среде пакета обеспечивается поддержка функций навигации про­
ектов, единой концепции использования библиотек, централизован­
ного управления данными и обеспечения их полной согласованности,
запуска необходимых редакторов, сохранения проектов, диагностики
и множества других функций.
TIA Portal работает как единое программное обеспечение с одним
стандартным пользовательским интерфейсом. Все инструменты про­
ектирования с самого начала разработки доступны с общего единого
графического интерфейса.
Разрабатывая комплексные автоматизированные системы, инже­
нерам приходится одновременно работать в нескольких редакторах.
Каждый программный редактор в TIA Portal разработан в соответ­
ствии с единой схемой и органами управления. Конфигурируется ли
аппаратная часть, выполняется ли логическое программирование или
проектирование экрана HMI — все они используют единую форму
редактора, экономя время и затраты.
Пакет значительно сокращает затраты на конфигурирование
и организацию взаимодействия между контроллерами, приводами,
приборами и системами человеко-машинного интерфейса. Пакеты
программ, интегрированные в TIA Portal, используют единую базу
данных проекта. Поэтому все параметры настройки контроллеров,
программные блоки, тэги и сообщения могут вводиться только один
раз и сразу становятся доступными всем инструментальным средствам
без повторного ввода. При конфигурировании различных устройств
обмен данными между различными редакторами выполняется мыш­
кой по технологии «drag and drop». Все необходимые соединения между
устройствами формируются автоматически в фоновом режиме. Мето­
дика «drag and drop» используется и при конфигурировании систем­
но
ных коммуникаций при организации для контроллеров взаимного
доступа данных.
Фирма Omron представляет пакет автоматизации СХ, который
содержит программные средства настройки, программирования,
запуска, наблюдения и обслуживания для всех своих контроллеров.
Для работы с контроллерами Quantum фирмой «Шнайдер Элект­
рик» создан программный пакет Concept. Это современный инстру­
мент для ОС Windows, предоставляющий единую многоязыковую сре­
ду для программирования систем управления. Используя знакомые
стандартные редакторы в одном приложении, пользователи могут
создавать и интегрировать подпрограммы управления, коммуникаций
и диагностики.
Concept дает программисту возможность создавать библиотеки
производных функциональных блоков, или DFB, которые можно
многократно использовать в прикладной программе. Эти блоки могут
создаваться при помощи языков функциональных блок-схем (FBD),
релейной логики (LD), структурированного текста (STL) или списка
инструкций (IL). В случае если какой-то алгоритм или участок логики,
например логики запуска двигателя, нужно изменить, то программисту
нужно будет сделать изменение только один раз.
К основным характеристикам пакета Concept можно отнести сле­
дующее:
• легкодоступные интерфейсы, возможность повторного использо­
вания программ, мощные функции поиска, продвинутые графи­
ческие редакторы и контекстная помощь, упрощающие програм­
мирование, документирование и поддержку системы;
• наличие обширнейших библиотек функциональных блоков, сгруп­
пированных по типам; помимо групп блоков, соответствующих
стандарту МЭК, таких как элементы логики, таймеры, счетчики
и т.д., существуют группы элементов для регулирования, нечеткого
управления, системной конфигурации, диагностики, коммуни­
каций и т.д.;
• мощные функции поиска, позволяющие искать переменные, об­
наруживать ошибки и определять неиспользованные переменные;
• возможность создания элементарных функциональных блоков,
или EFB, при помощи языка Си для наиболее сложных алгоритмов
и приложений;
• программный эмулятор работы контроллера, позволяющий про­
изводить отладку программ без подключения к реальному конт­
роллеру;
• поддержка языка релейной логики 984 и наличие конвертера для
импорта программ, написанных на языке Modsoft — основного
средства разработки программ для контроллеров предыдущего
поколения;
111
• возможность локального и удаленного программирования с ис­
пользованием интерфейсов Modbus, Modbus Plus и TCP/IP Eth­
ernet.
Необходимо выделить возможности программного обеспечения
Concept в режиме горячего резервирования:
• программирование в режиме онлайн без останова контроллера;
• внесение изменений в программу основного контроллера без ос­
тановки;
• возможность обновления операционной системы в основном и ре­
зервном контроллерах без прерывания процесса.
Для контроллеров серии WAGO-I/O-SYSTEM фирма WAGO пре­
доставляет созданный ею инструмент для программирования WAGOI/O-PRO. С помощью него осуществляется и отладка системы — он
позволяет визуализировать состояния входов и выходов. Программ ное
обеспечение просто в установке и не требует для своей работы под­
ключения к промышленной сети. Пакет работает в ОРС-стандарте.
Для программирования своих контроллеров серии FX компанией
Mitsubishi Electric разработан пакет GX МЭК Developer, работающий
под Windows и поддерживающий языки стандарта МЭК 61131-3.
Пользователь может выбрать любой из пяти языков этого стандарта.
Существуют более дешевые, упрощенные версии GX Developer и GX
Developer FX, которые поддерживают только 4 языка из указанного
стандарта, а версия с расширением FX доступна и с русскоязычным
интерфейсом.
2.4.
ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ СТАНДАРТА МЭК 61131-3
Время существования стандарта МЭК 61131-3 показало оправ­
данность его принятия — абсолютное большинство производителей
контроллеров и систем их программирования придерживаются боль­
шей части изложенных в нем рекомендаций.
Безусловно, любой стандарт со временем отстает от жизни, но если
не закрепиться на взятых рубежах, то и движение вперед окажется не­
возможным. Стандарт способствует тому, чтобы технические средства
систем промышленной автоматизации развивались как максимально
открытые системы. Вместе с тем время показало не только плюсы,
но и некоторые его минусы. Попробуем сделать некоторые выводы
и обобщения.
Как видно из описания языков стандарта, они появились не как
теоретическая разработка, а как результат анализа множества языков,
уже используемых на практике и предлагаемых рынку производителя­
ми ПЛ К. В стандарт были введены несколько языков, для того чтобы
каждый пользователь мог применить наиболее понятный ему язык.
Программисты чаще выбирают язык IL (похожий на Ассемблер) или ST
112
(похожий на язык высокого уровня Паскаль); специалисты, имеющие
опыт работы с релейной логикой, выбирают язык LD, специалисты
по схемотехнике — привычный для них язык FBD.
Выбор одного из пяти языков определяется не только предпочте­
ниями пользователя, но и смыслом решаемой задачи. Если исходная
задача формулируется в терминах последовательной обработки и пе­
редачи сигналов, то для нее проще и нагляднее использовать язык
FBD. Если задача описывается как последовательность срабатываний
некоторых ключей и реле, то для нее нагляднее всего будет язык LD.
Для задач, которые изначально формулируются в виде сложного раз­
ветвленного алгоритма, удобнее будет язык ST.
Хотя внедрение рассматриваемых языков программирования и не
позволило полностью отказаться от услуг профессиональных про­
граммистов, но зато позволило снизить требования к квалификации
и, соответственно, затраты на оплату труда программистов ПЛК.
Стандартизация языков позволила (по крайней мере частично)
решить проблему зависимости пользователя ПЛК от их конкретного
изготовителя. Большинство современных ПЛК оснащаются сред­
ствами программирования на этих языках, что упрощает работу поль­
зователям контроллеров (можно использовать ПЛ К различных фирм
без затрат на переучивание) и одновременно снимает ряд проблем
для производителей ПЛК (можно использовать компоненты ПЛК
других изготовителей).
Стандарт существенно расширил возможности на рынке труда спе­
циалиста, занимающегося программированием ПЛК. Специалист,
изучивший языки МЭК 61131-3, сможет разобраться с программой
любого современного ПЛК. Это позволило уменьшить как зависи­
мость фирмы от специалиста по программированию ПЛК, так и спе­
циалиста от фирмы.
Еще одним важным положительным результатом стандартизации
языков явилась возможность специализации компаний, работающих
в этой сфере, либо в производстве аппаратных средств ПЛК, либо
в производстве средств их программирования. Результаты такой
специализации хорошо видны на примере индустрии персональных
компьютеров. Существуют компании, выпускающие высококлас­
сные аппаратные средства, они умеют делать это лучше других и не
испытывают необходимости выпускать программное обеспечение.
В то же время на рынке программных средств тоже есть свои лиде­
ры, вооруженные соответствующим опытом и технологиями. В итоге
пользователь может более свободно выбрать лучшие продукты как из
аппаратных, так и из программных средств. Такая же ситуация сло­
жилась и на рынке средств автоматизации. Существуют компании,
специализирующиеся на выпуске аппаратных средств, и на рынке
контроллеров много производителей контроллеров, которые про­
113
граммируются в среде, являющейся общей для контроллеров целого
ряда различных производителей.
В связи с тем что способ программирования является наиболее
существенным классифицирующим признаком контроллера, поня­
тие «ПЛК», пожалуй, все реже используется для обозначения про­
мышленных управляющих контроллеров, которые не поддерживают
технологические языки программирования стандарта МЭК 61131-3
или подобные им. Вместе с тем считать, что для программирования
ПЛК допускается применять только эти языки, будет неверно. Для
программирования многих ПЛК могут по-прежнему применяться
иные языки, адекватные решаемой задаче. Многие ПЛК программи­
руются и языками класса FSM (языки машин конечных состояний),
и на языках Си/Си++.
Решив многие задачи, стандарт МЭК 61131-3 оставил открытыми
некоторые важные проблемы. В нем, например, не рассматривается
вопрос привязки алгоритма к интерфейсной аппаратуре, которая с не­
обходимостью присутствует в любой системе управления. Поэтому
привязка переменных программы к физическим входам-выходам реа­
лизуется в каждой системе программирования несколько по-разному.
За последние годы существенно изменились требования к промыш­
ленным управляющим системам и их инструментальной поддержке.
Наиболее важным изменением стал переход к распределенным сис­
темам. Однако стандарт не распространяется на автоматизированные
системы, в которых промышленные контроллеры выступают лишь
одним из ее основных компонентов.
Разработка и представление языков в рамках одного стандарта,
проработка в нем некоторых основ единых для всех языков может при­
вести к выводу, что большинство существующих систем программиро­
вания должны обеспечивать возможность создания программ на всех
пяти языках. Это неверно. Во-первых, языки стандарта независимы,
и хотя существует возможность компоновать программу из модулей,
созданных на разных языках, языковая неоднородность программ, как
правило, всегда вынуждена и просто отражает ограничения, присущие
отдельным языкам МЭК 61131-3. Во-вторых, разработчиками стан­
дарта предполагалось, что каждая система программирования должна
поддерживать только один язык из набора. Более того, мультиязыковые системы разработки программы стандартом расцениваются как
потенциально ненадежные и затратные в сопровождении.
Знакомство со стандартом МЭК 61131-3 заставляет некоторых ду­
мать, что его существование обеспечивает кроссбрендовую и кроссплатформенную переносимость пользовательских программ. Однако
стандарт специфицирует лишь внешний вид, синтаксис языков, что
для графических языков (в отличие от текстовых) недостаточно для
переносимости. Исключение из стандарта вопросов унифицирован­
774
ного представления графических языков автоматически обусловило
проблемы совместимости продуктов разных производителей. Более
того, стандарт допускает создание несовместимых вариаций и регла­
ментирует лишь наличие списка несоответствий стандарту.
С одной стороны, на это все можно посмотреть как на некоторую
гибкость стандарта, которая позволяет учитывать особенности постро­
ения конкретных контроллеров или средств их программирования,
позволяет компаниям изобретать свои «фишки». Очевидно ли, что
самое хорошее решение должно строиться на стандартных компо­
нентах? В жизни так не бывает — в любой конкретный момент всегда
существует решение, не охваченное какими-либо спецификациями.
Важно, чтобы закладываемые решения были современными и соот­
ветствовали основным направлениям развития.
С другой стороны, все это в совокупности на руку крупным про­
изводителям контроллеров, так как позволяет им, уйдя в мелочах от
основной канвы стандарта, привязать к себе потребителей, сделавших
один раз выбор в пользу их крупного бренда.
Для сохранения жизнеспособности стандарты должны быть всегда
готовы к изменениям в соответствии с текущим технологическим
уровнем и требованиями рынка автоматизации. Вот почему периоди­
чески встает вопрос о внесении изменений и дополнений в стандарт
МЭК 61131. При этом важной задачей является обеспечение совмес­
тимости всех изменений.
Примером развития стандарта можно рассматривать следующий
факт. Первая версия стандарта МЭК 61131-3 «Программируемые
контроллеры. Языки программирования» (Programmable controllers.
Programming languages) была опубликована в 1992 г. Уже в первой по­
ловине 1998 г. специальной международной комиссией были рассмот­
рены поправки и изменения, которые были закреплены в его второй
редакции в 2000 г. В 2010 г. вышла новая — третья версия стандарта.
Но как бы то ни было, обеспечение кроссбрендовой переносимости
и реальная стандартизация языков программирования ПЛК весьма
актуальны для индустрии и поныне. Функции развития стандарта
и сертификации взяла на себя независимая организация PLCopen.
Она объединила в первую очередь средних и мелких игроков на рын­
ке ПЛК, системных интеграторов и пользователей. Внутри PLCopen
долгое время действовала группа по разработке независимого формата,
обеспечивающего кроссбрендовую переносимость пользовательских
программ. Была развернута активность по формированию и продвиже­
нию корректировок стандарта, отвечающих нуждам сообщества. Была
разработана процедура и организована работа экспертных комиссий
по сертификации CASE-средств, ориентированных на стандарт.
К сожалению, базовые подходы, использованные при разработке
исходного стандарта, оказали серьезное сопротивление деятельности
115
PLCopen. Как следствие, работы по созданию переносимых программ
были практически прекращены, независимый формат FxF (File-eXchange-Format) не получил поддержки. Сертификация CASE-средств
ограничивается языками ST и IL.
Особый интерес вызывает работа над стандартом МЭК 61499, в ко­
тором разработчики предприняли попытку преодолеть ограничения
языков МЭК 61131-3 и скомбинировать в одном языковом средстве
поддержку и логического параллелизма, и событийности. Цель стан­
дарта — предоставить методологию разработки сложных алгоритмов.
Программные компоненты представлены функциональными бло­
ками специального вида: кроме обычных для языка FBD входных
и выходных данных, интерфейс функционального блока стандарта
МЭК 61499 предполагает событийные входы-выходы. Несомненно,
это нововведение частично решает проблему событийности для клас­
сических функциональных блоков. К сожалению, этот, несомненно,
прогрессивный стандарт не поддержан ведущими производителями
ПЛК, и известные в настоящий момент его реализации носят скорее
исследовательский характер. В силу перечисленных обстоятельств
проблема переносимости программ на языках МЭК61131-3 остается
по-прежнему нерешенной.
ПРОМЫШЛЕННЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ
НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ
3.1.
ЗАРУБЕЖНЫЕ И ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ПРОИЗВОДИТЕЛИ
КОНТРОЛЛЕРОВ И ИХ ПРОДУКЦИЯ
Расширение сферы применения универсальных контроллеров за­
ставляет проектировщика систем управления четко ориентироваться
в многообразии контроллеров, которые сейчас предлагают ему раз­
личные производители.
Основные производители данной продукции—АВВ (распростра­
няющая также контроллерные средства фирм Baily Controls и Gartman
&Braun), Beckhoff, Foxboro, Groupe Schneider, Emerson, General Electric
Fanuc Automation, Honeywell, Koyo Electronics, Tornado, Triconex, PEP,
Trey, Control Microsystems, GF Power Controls Metso Automation, Moore
Products, Omron, Rockwell Automation, Siemens, Yokogava, VIPA, ICP
DAS, Schneider Electric, Mitsubishi и др.
С зарубежными производителями в разных классах контроллер­
ных средств конкурирует большое число российских предприятий:
«Автоматика», ВЕГА, «Волмаг», ДЭП, Завод электроники и механи­
ки, «ЗЭИМ Инжиниринг», «Интеравтоматика», «НВТ Автомати­
ка», ОВЕН, ПИК «ЗЕБРА», РИУС, «Реалтайм», «Системотехника»,
«Трей», «Эмикон», «Импульс», «Инсист Автоматика», «Интеравто­
матика», «Квантор», НИИтеплоприбор, «НВТ-Автоматика», ПИК
«Прогресс», «Саргон», «Системотехника», ТЕКОН, «Электромеха­
ника», ЭМИКОН и др.).
Доля российского рынка контроллеров, занятая отечественной
продукцией, сегодня возрастает. Это объясняется следующими фак­
торами:
• отечественные контроллеры в настоящее время не уступают зару­
бежным по функционалу;
• благодаря использованию современных технологических линий
и материалов в последние годы отечественное производство кон­
троллеров организовано так, что их качество не уступает качеству
изготовления зарубежных контроллеров; при этом российские
контроллеры, как правило, выигрывают в цене и полностью со­
ответствуют отечественным стандартам;
• оказывается своевременная квалифицированная техническая под­
держка, предоставляется русскоязычная документация;
• обеспечивается приемлемый срок поставки при территориальной
близости производителя к потребителю.
117
Большое число производителей делает невозможным проведение
достаточно представительного обзора. Во многом это и не нужно —
контроллеры, выпускаемые различными фирмами, в подавляющем
большинстве случаев весьма похожи друг на друга по характеристикам
и даже по внешнему виду. Отчасти это может быть связано с тем, что
каждый производитель старается перенять любое удачное решение
фирмы-конкурента. Но главной и основной причиной такой схожести
является понимание производителей, что работать они должны в рамках
общепринятых стандартов и соглашений. Поэтому в рассмотрении оста­
новимся только на контроллерах, наиболее широко распространенных
на нашем рынке. Главная цель представляемого обзора — выделить
общие подходы к их построению, типовые параметры и характеристики.
Контроллеры серии SIMATIC фирмы Siemens
SIMATIC S7-300 — это модульный контроллер для решения задач
автоматизации средней степени сложности. Модульная конструкция,
работа с естественным охлаждением, возможность построения распре­
деленных структур управления, удобство обслуживания обеспечивают
экономичность применения SIMATIC S7-300 при решении широкого
круга задач автоматизации. Данная серия выпускается уже чуть ли не
двадцать лет и, несмотря на появление новых, является на настоящий
момент самой востребованной среди контроллеров SIMATIC.
На рис. 3.1.1 показан внешний вид контроллера, включающего
базовый модуль и два периферийных. На периферийных модулях
винтовые клеммные соединители спереди закрываются пластиковой
дверцей, на которую могут быть нанесены обозначения соответству­
ющих клемм. Сами клеммные соединители при монтаже могут легко
отсоединяться от модулей. Состояние дискретных входов и выходов
отражается с помощью светодиодов, установленных на передних па­
нелях модулей.
Рис. 3.1.1. Внешний вид контроллера семейства 87-300
118
На рис. 3.1.2демонстрируетсяподход, применяющийся для объеди­
нения модулей контроллеров этой серии в единое целое. Соединение
системной шины осуществляется с помощью специального двойного
разъема, вставляемого в соединяемые модули сзади, питание подается
через жгутовые соединения на клеммниках. Объединенные между со­
бой модули жестко фиксируются на специальной профильной рейке.
Рис. 3.1.2. Принцип конструктивного объединения модулей
контроллера семейства S7-300
SIMATIC S7-400 предназначены для решения сложных задач ав­
томатизации (рис. 3.1.3).
Рис. 3.1.3. Внешний вид контроллера семейства 87-400
119
До недавнего времени это были самые мощные контроллеры се­
мейства S7. Высокие требования потребовали применения соответ­
ствующих подходов к объединению модулей. Контроллеры способны
обслуживать до 32 модулей, устанавливаемых в стойках расширения.
Все модули могут работать с естественным охлаждением.
Эффективной эксплуатации контроллеров SIMATIC S7-300
и S7-400 способствует возможность использования нескольких типов
центральных процессоров различной производительности, наличие
широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сиг­
налов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.
В состав периферийных модулей семейства S7-300 и S7-400 входят:
• модули центрального процессора, для решения задач различно­
го уровня сложности может использоваться несколько типов
центральных процессоров различной производительности, вклю­
чая модели со встроенными входами-выходами и соответству­
ющими функциями, а также модели со встроенным интерфейсом
PROFIBUS-DP;
• сигнальные модули, используемые для ввода и вывода дискретных
и аналоговых сигналов;
• коммуникационные процессоры для подключения к сетям и PPI-coединений;
• функциональные модули для решения задач счета, позициониро­
вания и автоматического регулирования.
• модули блоков питания (PS) для питания аппаратуры;
• интерфейсные модули (IM) для обеспечения связи между цент­
ральным контроллером и стойками расширения в многорядной
конфигурации.
SIMATIC SI-1200 — модульный контроллер компании Siemens.
Несколько лет назад он пришел на смену контроллерам SIMATIC
S7-200, выпуск которых был недавно прекращен, и контроллеров
S7-300. Имеет современный дизайн, высокую производительность,
широкий набор возможностей и предназначен для решения задач
с числом дискретных входов-выходов до 284 и аналоговых — до 51.
В состав серии входит несколько процессорных модулей, кроме всего
прочего, отличающихся друг от друга числом встроенных входов-вы­
ходов. Максимальная конфигурация по числу входов-выходов воз­
можна при подключении к модулю центрального процессора (CPU)
дополнительных модулей расширения (модулей SM). В зависимости
от модели центрального процессора таких модулей можно использоватьдо 8 единиц (самая младшая модель CPU 1221 представляет собой
монолитный конструктив — подключение модулей входов-выходов
этот контроллер не поддерживает). Характеристики моделей CPU
S7-1200 приведены в табл. 3.1.1.
120
Таблица 3.1.1
Характеристики базовых модулей контроллеров SIMATIC S7-1200
Центральный
процессор
CPU1211С
CPU1212С
CPU 12140
Встроенная загружае­
мая память, Мб
1
1
2
Расширение, Мб
Встроенная рабочая
память, Кб .
Картой памяти Memory Card емкостью до 24
25
25
50
Энергонезависимая
память дпя сохранения
данных, Кб
2
Адресное пространство
ввода-вывода
1 024 байт на ввод /1 024 байт на вывод
Время выполнения,
мкс:
логической операции
операции со словами
мат. операции с пла­
вающей запятой
0,1
12
18
Поддерживается до 16 контуров
ПИД-регулирование
Скоростные счетчики,
кГц
Импульсные выходы,
кГц
3 х 100 + 3 х 30
3x100 + 1 хЗО
3x100
2 х 100 (в моделях с транзисторными выходами)
Встроенные, аппаратные, запас хода 240 ч
Часы
1 X RJ45,10/100 Мбит/с
Интерфейс Ethernet
1x88 + ЗхСМ + Зх8М 1x8В + ЗхСМ + 8х8М
Макс, конфигурация
1xSB + 3xCM
Встроенные входывыходы
2AI+6DI +4D0
2AI+8DI +6D0
2AI+14DI + 10D0
8/6
2/1
42/40
10/5
144/140
34/17
Число каналов систе­
мы локального вводавывода, ед.:
дискретных сигналов
аналоговых сигналов
Конструктивно модули объединяются на обычной 35-миллимет­
ровой DIN -рейке. Соединение системной шины осуществляется с по­
мощью ножевых разъемов, выдвигаемых из одного модуля в другой
(рис. 3.1.4).
Одной из самых важных особенностей контроллера является встро­
енный коммуникационный порт с интерфейсом Ethernet. Этот интер­
фейс, получивший широкое применение в системах промышленной
автоматизации, дает несомненное преимущество при организации
связи как между контроллерами данной серии, так и при подключении
121
других устройств, которые также имеют данный вид коммуникаций.
Для повышения функциональности и более тесной интеграции S7-1200
с другими сериями контроллеров SIMATIC для данного коммуни­
кационного интерфейса разработчиками предусмотрена поддержка
протокола PROFINET. Помимо того, существует возможность исполь­
зования дополнительных коммуникационных модулей с интерфей­
сами RS-485/232 для коммуникаций «точка-к-точке» и поддержки
различных протоколов, таких как Modbus и USS.
Рис. 3.1.4. Внешний вид контроллера семейства S7-1200 (а), модули с выдвинутыми
ножевыми разъемами (б)
Отличительной чертой контроллеров SIMATIC S7-1200 можно
назвать наличие двух встроенных в каждую модель CPU аналоговых
входов. Другой особенностью этих контроллеров является возмож­
ность подключения к CPU специальной сигнальной платы (одного из
модулей типа SB), которая монтируется непосредственно на переднюю
панель контроллера (рис. 3.1.5) и может содержать либо дополни­
тельные дискретные входы-выходы, либо аналоговый выход, либо
аналоговый вход. Это дает возможность формировать максимально
компактную и недорогую конфигурацию.
В будущем планируется появление более мощных версий CPU
с дополнительными возможностями. Из приведенных в табл. 3.1.1
характеристик следует отметить достаточно большой объем памяти
для контроллеров данного класса, наличие встроенных скоростных
входов и импульсных выходов.
122
Рис. 3.1.5. Сменная специальная плата Signal Board для монтажа
на переднюю панель контроллера SIMATIC S7-1200
Организация памяти S7-1200 позволяет использовать широкий
набор программных блоков различного назначения. Помимо стан­
дартных блоков обработки команд, имеются специальные технологи­
ческие блоки. Одной из встроенных технологических функций явля­
ется точное управление приводами с поддержкой стандарта PLCopen
и возможностью быстрой настройки и диагностики с помощью ин­
струмента Drive Control Panel. Другой встроенной функцией является
ПИД-регулирование с поддержкой работы 16 контуров одновременно
и удобной панелью автонастройки.
Для начала работы с S7-1200 достаточно иметь стандартную сетевую
карту на ПК и ПО STEP7 Basic. Среда разработки SIMATIC STEP7
Basic объединяет все необходимое для конфигурирования, програм­
мирования и диагностики не только контроллера, но и серии панелей
оператора Basic Line. Интеграция разработки проекта для всех компо­
нентов системы в одном программном пакете позволяет значительно
повысить удобство и эффективность работы по параметрированию
и программированию. С помощью встроенных конфигураторов можно
легко создать и изменить любую часть проекта, проверить правиль­
ность работы программы и осуществить диагностику в режиме онлайн.
SIMATIC S7-1500. Программируемые контроллеры S7-1500
(рис. 3.1.6, а) приходят на смену контроллеров S7-300 и S7-400.
Увеличенная производительность системы, встроенная поддержка
стандартных функций управления перемещением, обмен данными
через PROFINET в режиме 1RT (Isochronous Real Time), языковые
расширения пакета STEP 7, а также поддержка проверенных време­
нем функций S7-300 и S7-400 гарантируют получение неоспоримых
преимуществ при использовании этого контроллера.
Конструкция контроллера отличается высокой гибкостью и удоб­
ством обслуживания. Системная шина и шина питания, объединя­
ющие между собой процессорный модуль и модули ввода-вывода,
123
образуются за счет использования специального соединителя. Соеди­
нитель устанавливается в объединяемые модули с их задней стороны
(рис. 3.1.6, б). После этого модули устанавливаются на специальную
профильную шину S7-1500 и фиксируются в рабочих положениях вин­
тами. В одну монтажную стойку может устанавливаться до 32 модулей
контроллера. Порядок размещения модулей может быть произволь­
ным. Дополнительный набор модулей может устанавливаться в стой­
ки расширения, подключаемые к контроллеру через интерфейсные
модули станции ЕТ 200МР и сеть PROFINET.
Рис. 3.1.6. Внешний вид контроллера семейства S7-1500 (а),
вид спереди модуля с установленным в него соединителем (б)
В составе S7-1500 используется несколько типов модулей цент­
рального процессора. Стандартным интерфейсом для них является
интерфейс PROFINET. Он используется для программирования,
конфигурирования, диагностики и обслуживания контроллера,
коммуникационного обмена данными, а также обслуживания сис­
тем распределенного ввода-вывода с поддержкой обмена данными
в режимах RT и IRTV2.2, а также общих и интеллектуальных приборов
ввода-вывода. CPU 1516-3 PN/DP дополнительно оснащен вторым
интерфейсом Ethernet с собственным IP-адресом, а также интерфей­
сом PROFIBUS DP.
Все центральные процессоры оснащены встроенным Web-сер­
вером, который позволяет:
• получать доступ к системным и оперативным сообщениям, а также
к идентификационным данным;
• выполнять системную диагностику всех модулей, используемых
в проекте;
• выполнять диагностику коммуникационных соединений, отоб­
ражать параметры настройки, получать статистические данные
о работе сети;
124
• получать доступ к производственным данным с использованием
таблиц переменных и свободно конфигурируемых списков пере­
менных;
• использовать конфигурируемые пользователем Web-страницы.
Все центральные процессоры S7-1500 комплектуются съемными
дисплеями, существенно повышающими эксплуатационные харак­
теристики контроллера. Они позволяют:
• выполнять установку/изменение параметров настройки (1Р-адресов, имени станции и т.д.) без использования программатора;
• отображать диагностическую информацию и аварийные сообще­
ния;
• отображать состояния модулей в системе локального и распреде­
ленного ввода-вывода;
• отображать идентификационные данные: заказные и серийные
номера, а также версии встроенного программного обеспечения
модулей системы локального и распределенного ввода-вывода.
Установку и удаление дисплея допускается выполнять во время
работы контроллера. Доступ к выполнению необходимых операций
защищается паролем.
Центральные процессоры S7-1500 оснащены рабочей памятью до­
статочно большого объема. В качестве загружаемой памяти использу­
ются карты памяти SIMATIC Memory Card емкостью от 2 Мб до 2 Гб.
Дополнительно карта памяти находит применение для необслужива­
емого сохранения данных при перебоях в питании контроллера без
использования буферных батарей, а также для сохранения всего про­
екта STEP 7. За счет считывания этой информации сервисные работы
могут выполняться без наличия на программаторе исходного проекта.
В настоящее время производительность процессорных модулей
контроллеров серии S7-1500 превосходит по этому показателю боль­
шинство модулей серии S7-300 и S7-1200, но не всех модулей S7-400.
Будущие модели сделают серию S7-1500 самой высокопроизводитель­
ной. Высокая производительность центральных процессоров допол­
няется скоростной межмодульной внутренней шиной контроллера.
Скорость обмена данными через эту шину равна 400 Мбит/с. Сочета­
ние этих факторов позволяет получать малое время циклов выполне­
ния программы, а также малое время реакции на внешние события.
Все центральные процессоры S7-1500 обеспечивают встроенную
поддержку технологических функций управления перемещением,
трассировки и ПИД-регулирования.
Для программирования, конфигурирования, диагностики и об­
служивания программируемых контроллеров S7-1500 используют­
ся инструментальные средства пакета STEP 7 Professional VI2 (TIA
Portal). Введена поддержка 64-разрядных типов данных во всех языках
МЭК 61131 -3. В программах S7-1500 могут использоваться блоки дан­
725
ных объемом до 16 Мб. Размер организационных блоков, функций
и функциональных блоков увеличен до 512 Мб.
Программируемые контроллеры S7-1500 обеспечивают поддержку
комплексной системы технической диагностики. Она позволяет вы­
полнять однородное отображение диагностической информации на
экранах дисплея центрального процессора и приборов человеко-ма­
шинного интерфейса, в Web-сервере, SCADA-системах и в системе
проектирования.
Контроллеры серии ADAM-5000 фирмы ADVANTACH
Изделия серий ADAM-5000 предназначены для создания террито­
риально распределенных систем сбора данных и управления.
Контроллер состоит из блока процессора и модулей ввода-вы­
вода, устанавливаемых в локальную магистраль блока процессора
(рис. 3.1.7).
Рис. 3.1.7. Внешний вид контроллеров серии ADAM-5000
Каждый блок процессора может объединять на локальной магис­
трали до 64 каналов аналогового и (или) дискретного ввода-вывода.
В настоящее время блок процессора может комплектоваться различ­
ными коммуникационными модулями для работы в сетях RS-485,
CAN, Ethernet и т.д.
Изделия серии ADAM-5000 имеют трехуровневую гальваническую
изоляцию — по входным-выходным цепям, цепям питания и по лини­
ям портов последовательной связи. Наличие гальванической развязки
позволяет снизить влияние на систему электромагнитных помех, ус­
транить гальваническую связь с электрооборудованием контролиру­
емого объекта, а также предотвратить неисправности, которые могут
быть вызваны случайными выбросами напряжения питания, а также
переходными процессами при коммутации силового оборудования.
Сторожевой таймер предназначен для автоматического сброса
процессора базового блока в случае непредвиденной остановки ис­
полнения встроенного программного обеспечения. Данная функция
726
реализована для сокращения общих временныхи материальных затрат
на техническое обслуживание системы.
В изделиях серий ADAM-5000 реализованы автоматическое аппа­
ратное тестирование и программное выявление неисправностей. Су­
ществует возможность удаленной настройки системных параметров —
каждый модуль аналогового ввода-вывода может быть сконфигури­
рован для работы с различными типами и диапазонами сигналов
с помощью единой сервисной программы. Программным способом
можно настраивать параметры обмена по последовательному каналу
связи, за исключением сетевого идентификатора. Кроме того, имеется
возможность настройки аварийных уставок и калибровочных пара­
метров шкалы измерительных каналов. Такая гибкость исполнения
модулей позволяет существенно уменьшить их номенклатуру, а также
сократить затраты на их обслуживание в процессе эксплуатации.
В изделиях серии ADAM-5000 реализована возможность настрой­
ки каналов дискретного вывода в качестве выходов управления по
достижении значениями измеряемых параметров предварительно за­
данных величин. Каждому каналу модулей аналогового ввода могут
быть программно поставлены в соответствие верхняя и нижняя устав­
ки. После каждого очередного аналого-цифрового преобразования
измеренное значение сравнивается с верхней и нижней уставками.
Изменение логического состояния назначенного канала дискретного
вывода производится в зависимости от результата сравнения. Таким
образом, в системах на базе ADAM-5000 имеется возможность ло­
кального двухпозиционного управления, выполняемого независимо
от центрального компьютера.
Внешний вид модулей показан на рис. 3.1.8. Состав комплекта
периферийных модулей ADAM-5000 иллюстрирует табл. 3.1.2.
Рис. 3.1.8. Внешний вид модулей ADAM-5000
127
Таблица 3.1.2
Состав комплекта периферийных модулей ADAM-5000
ADAM-5013
3-канальный модуль ввода сигналов термометров сопротивления
ADAM-5017
8-канальный модуль аналогового ввода
ADAM-5011Н
8-канальный быстродействующий модуль аналогового ввода
ADAM-5018
7-канальный модуль ввода сигналов термопар
ADAM-5024
4-канальный модуль аналогового вывода
ADAM-5050
16-канальный универсальный модуль дискретного ввода-вывода
ADAM-5051
16-канальный модуль дискретного ввода
ADAM-5051 D
16-канальный модуль дискретного ввода
ADAM-5052
8-канальный модуль дискретного ввода с гальванической изоляцией
ADAM-50558
16-канальный модуль дискретного ввода-вывода с гальванической изоляци­
ей и светодиодной индикацией
ADAM-5056
16-канальный модуль дискретного вывода
ADAM-50560
16-канальный модуль дискретного вывода
ADAM-50568
16-канальный модуль дискретного вывода с гальванической изоляцией
и светодиодной индикацией
ADAM-5060
6-канальный модуль релейной коммутации
ADAM-5068;
8-канапьный модуль релейной коммутации
ADAM-5080;
4-канальный модуль ввода частотных/импульсных сигналов
ADAM-5090
4-канальный коммуникационный модуль с RS-232
Компания Advantech начала поставки устройств серии
ADAM-5550KW, представляющих собой программируемые контрол­
леры класса РАС (Programmable Automation Controller). Контроллеры
предназначены для решения задач управления, требующих сочетания
возможностей промышленного компьютера с надежностью ПЛК.
Контроллеры ADAM-5550KW, выполненные на базе процессо­
ра AMD Geode GX533, работают под управлением Windows СЕ 5.0.
Они имеют 2 порта Ethernet, 2 порта USB, порт VGA и 4 СОМ-порта
(RS-232/485). В составе подсистемы ввода-вывода могутбыть исполь­
зованы модули расширения серии ADAM-5000, а также специали­
зированные модули управления перемещением и хранения данных.
Для программирования контроллеров используется пакет KW
MULTI-PROG с поддержкой 5 языков стандарта МЭК 61131-3. Сис­
тема исполнения базируется на ОС РВ ProConOs, что обеспечивает
детерминированное время реакции контроллера не более 1 мс.
Контроллеры серии WAGO-I/O-SYSTEM фирмы WAGO
Контроллеры системы WAGO I/O состоят из блока процессора
и модулей ввода-вывода (рис. 3.1.9, а). Все его узлы устанавливаются
на несущую рейку DIN35. Конструктивно каждый следующий модуль
вставляется в пазы предыдущего. Внутренняя шина — плотное, устой­
728
чивое к вибрации и не нуждающееся в обслуживании соединение —
образуется пружинящими позолоченными контактами, шина распре­
деления питания — за счет автоматического соединения с помощью
луженых самоочищающихся скользящих контактов (рис. 3.1.9, 6).
Первым в линейке модулей всегда располагается процессорный мо­
дуль, имеющий в своем составе адаптер сети, например Ethernet, Ргоfibus, Interbus, DeviceNet, CANopen, CAL, SDS, Modbus, LONWorks®,
CC-Link, Peer-to-Peer, Lightbus или FireWire™.
Рис. 3.1.8. Внешний вид контроллера WAG0-I/0 с установленными
модулями ввода-вывода (а), установка модулей и элементы их соединения (б)
Существует большое количество модулей ввода-вывода специаль­
ного назначения для решения отдельных задач, например инкременталь-энткодеры, счетчики, модули обмена данными, модули размно­
жения потенциала и др. Комбинирование аналоговых и цифровых
модулей вводов-выводов, а также специальных модулей, имеющих
различные потенциалы и другие характеристики, делает возможным
построение весьма специфических узлов сети.
Контроллеры фирмы OMRON
Блочный программируемый контроллер SYSMAC СРМ1А/2А. По­
зволяет построить систему управления емкостью до 100/120 точек
входов-выходов. К ЦПУ (рис. 3.1.10) можно подключить до трех бло­
ков расширения, в том числе аналоговые и температурные блоки.
729
Применение блока расширения CompoBus/S позволяет использовать
контроллер как интеллектуальный сетевой терминал ввода-вывода.
Модели СРМ2А поддерживают команду ПИД-регулирования и име­
ют часы реального времени и календарь. Время выполнения базовых
инструкций — 0,64 мкс, специальных — 7,8 мкс. Объем программы
до 4 кСлов. Объем памяти данных — 2 кСлова. 199 выполняемых ин­
струкций. Имеется 256 программных таймеров/счетчиков. Индикация
состояния входов-выходов. Высокоскоростные счетчики работают
с частотой до 20 кГц. Программирование контроллера возможно как
при помощи программатора, так и с персонального компьютера. Все
модификации контроллера имеют периферийный порт, СРМ2Атакже
имеет RS-232C. Поддерживаются следующие конфигурации связи:
Host Link, l:NHost Link, 1:1 Link, NT Link. Поддерживает графические
терминалы. Монтаж на DIN-рейку или панель.
Рис. 3.1.1D. Внешний вид контроллера SYSMAC СРМ1А/2А
Программируемый контроллер SYSMACСРЛ/2С позволяет постро­
ить систему управления емкостью до 140 дискретных входов-выходов
путем подключения к ЦПУ до пяти блоков расширения (рис. 3.1.11).
Возможно подключение блоков расширения для аналоговых входныхвыходных сигналов и датчиков температуры. Контроллер выполняет
199 инструкций, включая ПИД-регулирование, имеет часы и календарь
реального времени. Время выполнения базовых инструкций — 0,64 мкс,
специальных — 7,8 мкс. Объем программы до 4 Келов. Объем памяти
данных—2 кСлова. 256 программныхтаймеров/счетчиков. Высокоско­
ростные счетчики работают с частотой до 20 кГц. Доступны модифика­
ции ЦПУ, поддерживающие сети Device Net, CompoBus/S. Контроллер
имеет периферийный и RS-232C-nopTbi. Поддерживаются следующие
конфигурации связи: Host Link, 1 :N Host Link, 1:1 Link, NT Link. Про­
граммирование возможно как при помощи программатора, так и с
персонального компьютера. Размеры — 90 х 133 мм.
130
Рис. 3.1.11. Программируемый контроллер SYSMAC СРМ2С
Программируемый контроллер СП. Предназначен для высокоско­
ростных задач, требующих высокой точности, надежности и много­
функциональности (рис. 3.1.12). Широкий набор стандартных модулей
ввода-вывода (8, 16, 32 и 64 точки) и незаурядный набор специальных
модулей (аналоговые, температурные, сетевые, модули позициониро­
вания и др.) позволяют оптимально решить задачи автоматизации как
локальных объектов, так и распределенных систем. Общее число точек
ввода-вывода — 1280. Время выполнения базовой инструкции—0,08мкс.
Рис. 3.1.12. Программируемый контроллер CJ1
СП поддерживает наиболее распространенные сети и позволяет
обрабатывать данные с панелей оператора, температурных контрол­
леров, частотных регуляторов и других устройств. При использовании
Ethernet или Controller Link можно передавать большие потоки инфор­
мации на верхний уровень и в другие сети. Использование протокола
MACRO позволит обеспечить связь с 32 устройствами на каждый порт.
131
Наличие PC Card (Flash-карты) обеспечивает хранение больших
объемов информации любого типа и возможность удобной обработки
записанных данных. Поддержка FINS-протокола обеспечит прозрач­
ную связь с узлами разного уровня, находящимися в многоуровневой
сети.
Контроллер достаточно компактный (высота 90 мм, глубина 65 мм).
Высокопроизводительный программируемый контроллер CS1. Имеет
большее быстродействие по сравнению с другими моделями. Могут
брать на себя дополнительные, не свойственные контроллерам пре­
дыдущего поколения функции, выполнять расширенную обработку
данных и архивирование. Новые инструкции позволяют обрабатывать
файловую память, текстовые строки, индексные регистры и многое
другое.
В качестве базовой концепции предложено структурное много­
задачное программирование (Task Programming). В настоящее время
выпускается 9 моделей модулей центрального процессора (рис. 3.1.13).
Возможность удаления реек расширения до 50 м и обработка более 5000
точек ввода-вывода, широкий набор сетевых модулей и сверхнизкое
время выполнения базовых инструкций (0,04 мкс). Более 100 типов
различных модулей.
Рис. 3.1.13. Программируемый контроллер CS1
Энергонезависимая память данных (DM) 448 кСлов. Все типы про­
цессоров имеют разъем для установки карты Flash-памяти (до 48 МВ),
периферийный и RS-232C порты, а также место для установки допол­
нительных коммуникационных плат. В номенклатуру входят модули
высокой плотности на 96 точек ввода-вывода, аналоговые модули вводавывода с изолированными каналами, модули ввода сигналов термопар
и термосопротивлений и большое количество специальных модулей.
Работает в сетях Ethernet (FTP,TCP/IP, UDP/IP); Controller Link;
DeviceNet; ProfiBus DP, CompoBus/S; Host Link; NT Link; Protocol
Macro; ToolBus.
В табл. 3.1.3 представлены сравнительные характеристики различ­
ных моделей контроллера CS1.
732
Таблица 3.1.3
Сравнительные характеристики различных моделей контроллера CS1
Технические
данные
CS1
GS1G-CPU42-EV2
CS1G-CPU44-EV2
GS1H-CPU64-EV2
CS1H-CPU67-EV2
Число вхо­
дов-выходов
960
1 230
5120
5120
Память
программы,
кШагов
10
30
30
250
Выполнение
базовой
инструкции,
мкс
0,08
0,06
0,04
0,04
Число ин­
струкций
400
400
400
400
Область
DM, кСлов
32
32
32
32
Счетчики /
таймеры
4 096/4 096
4 096/4 096
4 096/4 096
4 096/4 096
Сравнительные характеристики различных моделей контроллеров
фирмы OMRON сведены в табл. 3.1.4.
Таблица 3.1.4
Характеристики различных моделей контроллеров фирмы OMRON
СРМ1/СРМ2
CJ1
CS1
Цифровой
вход-выход
10-60
0-16
Входы счет­
чиков
5-20 кГц
100 кГц
Импульсные
входы
2-10 кГц
100 кГц
10-192
320-2560
960-5120
Время выполнения
(битовые команды),
мкс
0,72-0,64
0,10-0,02
0,04-0,02
Память команд
2000-4000
слов
10 000-120 000
шагов
10 000-250 000
шагов
Память данных
1000-2000
слов
32 000-256 000
слов
32 000-448 000
слов
нет
До 64 Мб
До 64 Мб
Встроенные
Макс, количество
точек цифрового
ввода-вывода
Карта памяти Com­
pactFlash
133
Окончание табл. 3.1.4
Аналоговый вводвывод
СРМ1/СРМ2
CJ1
CS1
Макс. 4x3
точек; разре­
шение 8 бит,
12 бит; U, I,
ТС, Pt100
Макс. 40 x 8 точек;
разрешение 12/13 бит;
U, I, ТС, Pt100
Макс. 80 x 8 точек; раз­
решение 12/13 бит; U, I,
ТС, Pt100
Регулирование темпера­
туры, высокоскоростные
счетчики (500 кГц),
управление по положе­
нию, макрос реализации
протокола
Регулирование темпера­
туры, высокоскоростные
счетчики (500 кГц), вход
блока кодирования SSI,
управление по положению,
координатное управление,
управление техпроцессом,
макрос реализации прото­
кола, свободно програм­
мируемые модули
Регулирование темпера­
туры, высокоскоростные
счетчики (500 кГц),
управление по положе­
нию, макрос реализации
протокола
Регулирование темпера­
туры, высокоскоростные
счетчики (50D кГц), вход
блока кодирования SSI,
управление по положению,
координатное управление,
управление техпроцессом,
макрос реализации прото­
кола, свободно програм­
мируемые модули
Модули специальных
функций
Модули специальных
функций
Промышленные сети
Ethernet
Последова­
Controller Link
тельные линии
Последовательные линии
связи
связи
Ethernet
Controller Link
Последовательные линии
связи
Главное устройство
промышленной шины
Fieldbus
CompoBus/Si
DeviceNet CcmpoBus’S
PROFIBUS-DP
DevfcsNet CompoBus/S
PROFIBUS-DP
CAN/CANopen
Канал ввода-вывода
промышленной шины
DevfceNet
CompoBus/S
PROFIBUSDP
DeMceNet
PROFIBUS-DP
DevteNet
PROFIBUS-DP CAN/
CANopen
PC-совместимые контроллеры фирмы ICP DAS
В производстве контроллеров компания ICP DAS представлена
сериями 1-8000 и WinCon-8000. Эти контроллеры строятся на основе
открытых архитектур на базе PC-совместимой платформы.
Серия РС-совмеспншых контроллеров1-8000. Основная модель кон­
троллера серии 1-8000 имеет процессор AMD 188ES с тактовой частотой
40 МГц, до 512 Кб оперативной памяти с возможностью питания от от­
дельной батареи, до 512 Кб Flash-памяти, встроенные часы реального
времени и сторожевой таймер. Объем Flash-памяти можно наращивать
до 32 Мб. Встроенный сторожевой таймер представляет собой аппа­
134
ратно реализованную схему сброса, контролирующую рабочее состо­
яние контроллера. Для связи с модулями расширения используется
высокоскоростная последовательно-параллельная локальная шина,
сочетающая в себе шину, подобную шине ISA, и последовательный
интерфейс RS-485. Контроллеры имеют также встроенные аппаратные
и программные средства самодиагностики. В ПЗУ встроена операци­
онная система MiniOS7, аналогичная MS DOS.
Все контроллеры этой серии выполнены в едином конструктивном
блоке (рис. 3.1.14). В его состав входят центральный процессор, источ­
ник питания, панель управления, коммуникационные порты и от 4 до
8 слотов расширения. Модули ввода-вывода устанавливаются непо­
средственно в корзину контроллера. Для расширения системы можно
использовать специальные корзины расширения, подключаемые по
шине RS-485, или отдельные модули ввода-вывода серии 1-7000.
Для удобства контроля за работой контроллера имеется встроенная
панель управления. На ней расположены пятиразрядный 7-сегментный индикатор, три светодиода и кнопки управления. На индикатор
может выводится информация о статусе работы 1-8000 и состоянии
аналоговых входных или выходных каналов (информация о состоя­
нии дискретных каналов выводится на светодиоды, расположенные
на модулях расширения). Четыре кнопки позволяют просматривать
необходимые данные на дисплее и управлять работой контроллера.
Питание контроллера может осуществляться постоянным нестабилизированным напряжением в диапазоне от 10 до 30 В.
Контроллер обеспечивает трехуровневую гальваническую изоля­
цию до 3000 В.
Фирма ICP DAS специально для применения в контроллерах серий
1-8000 разработала операционную систему MiniOS7. Ее отличитель­
ными особенностями являются:
• быстрая загрузка (0,1...0,2 с);
• компактное ядро (примерно 23 Кб);
• возможность программной загрузки новой версии ядра;
135
поддержка скоростной внутренней шины;
прямой контроль модулей серий 1-8000;
поддержка работы с Flash-памятью;
встроенные функции диагностики контроллера.
Операционная система работает не с жесткого, а с ROM-диска, за­
щищенного от записи. Платой за встроенность в контроллер операци­
онной системы явилось некоторое уменьшение объема пространства
на Flash-диске, доступного для программ пользователя (на 23 Кб).
Но зато сразу после включения питания начинается автоматическая
загрузка операционной системы, и контроллер готов к работе.
Разрабатывать программы для контроллера можно на обычном
компьютере. Можно использовать обычные языки программирования,
такие как Си, Паскаль, BASIC, т.е. всето, что используется для созда­
ния программ под DOS. Однако в контроллере используется процес­
сор AMD 188, поэтому в программе нельзя использовать инструкции
процессора 286 и выше. Скомпилированную программу загружают во
Flash-диск контроллера. Это делается после подключения контроллера
через выделенный для этой цели COM-порт к любому последователь­
ному порту обычного компьютера при помощи специальной утилиты,
поставляемой в комплекте с контроллером.
Отладку программ на контроллере можно производить и без пе­
резаписи содержимого Flash-диска. Для этого можно использовать
виртуальный диск, создаваемый в ОЗУ контроллера с помощью спе­
циального драйвера, поддерживаемого MiniOS7.
Серия контроллеров WinCon-8000. Является дальнейшим развитием
серии 1-8000. Они разработаны на базе процессора Intel Strong ARM 206
МГц, имеют встроенный видеоконтроллер с портом VGA, разъемы USB,
PS/2 для манипулятора и клавиатуры, а также возможность подключе­
ния накопителей стандарта Compact Flash. Все это дает возможность
использовать этот контроллер как полноценный промышленный ком­
пьютер. В то же время WinCon сохраняет аппаратную преемственность
и полностью совместим со всеми модулями ввода-вывода серии 1-8000.
Операционная система реального времени Windows CE.NET позволяет
программировать WinCon, используя Visual Basic.NET, Visual С#, Em­
bedded Visual C++, а также современные SCADA-системы.
В качестве примера кратко приведем характеристики контроллера
W-8741-G: PC-совместимый промышленный контроллер, Intel Strong
ARM 206 МГц, 32 Мб Flash, 64 Мб SRAM, 1 х RS-232, 1 х RS-485,
2 х Ethernet, Windows CE.NET, 7 слотов расширения (рис. 3.1.15).
Модули ввода-вывода серии1-8000. Могут устанавливаться как в кон­
троллеры 1-8000, так и в контроллеры WinCon-8000. На сегодняшний
день насчитывается более 50 моделей модулей ввода-вывода, которые
могут обеспечить связь контроллера фактически с любыми объектами,
использующими стандартные промышленные сигналы.
•
•
•
•
136
Рис. 3.1.15. Промышленный контроллер W-8741-G
Модули расширения серии 1-8000 делятся на два типа: параллель­
ные и последовательные. Модули параллельного типа — высокоско­
ростные устройства ввода-вывода, которые могут быть установлены
только в контроллеры серии 1-8000 и WinCon-8000. Модули после­
довательного типа обладают более низкой скоростью обмена и могут
устанавливаться как в слоты расширения контроллеров, так и в слоты
корзин расширения 87к4,87к5,87к8,87к9, обеспечивая таким образом
расширение контроллеров или работая в качестве станции удаленного
ввода-вывода с интерфейсом RS-485.
Контроллеры фирмы Schneider Electric
Программируемые логические контроллеры Twido. Имеютсядве мо­
дели контроллера Twido: компактная и модульная.
Каждая компактная модель контроллера имеет фиксированный
набор функций, который расширить нельзя. Компактные контроллеры
имеет модификации с 10,16 и 24 входами-выходами.
Модульная модель контроллера включает базовый модуль и модули
расширения. Базовые модули имеют модификации с 20 и 40 входамивыходами . Имеется 14 модулей для расширения числа цифровых или
релейных входов-выходов и 4 модуля аналоговых входов-выходов.
К контроллерам также могут быть добавлены: картриджи памяти,
картридж часов реального времени, коммуникационные адаптеры,
коммуникационные модули расширения, модуль дисплея оператора,
симуляторы входного сигнала, кабели для программирования, кабели
цифровых входов-выходов, кабельные комплекты TeleFast с интер­
фейсами входов-выходов. Внешний вид элементов семейства конт­
роллеров Twido показан на рис. 3.1.16.
Контроллеры Quantum. Серия этих контроллеров является наиболее
мощной платформой для решения в области промышленной автома­
тизации среди контроллеров Schneider Electric. Благодаря модульной
архитектуре контроллера Quantum, масштабируемой от одиночного
контроллера до глобальной системы автоматизации, он может решать
137
задачи на уровне целого предприятия. Контроллеры Quantum про­
граммно, а также на сетевом уровне совместимы с младшими сериями
контроллеров Compact и Momentum, что позволяет строить еще более
гибкие и эффективные архитектуры управления.
Рис. 3.1.16. Внешний вид элементов семейства контроллеров Twido
Общий вид контроллеров Quantum показан на рис. 3.1.17.
Рис. 3.1.17. Общий вид контроллеров Quantum
В серии Quantum есть четыре типа процессоров, которые закрывают
широкий диапазон приложений. Они отличаются друг от друга ко­
личеством сигналов ввода-вывода, объемом прикладной программы,
производительностью, интерфейсами связи.
Контроллеры реализованы на достаточно мощных микропроцес­
сорах Intel и AMD. Это позволяет применять контроллеры даже для
наиболее сложных задач дискретного управления и аналогового ре­
гулирования.
738
В каждом контроллере имеются стандартный порт Modbus и высо­
коскоростной порт Modbus Plus. Контроллеры Quantum поддерживают
дополнительные интерфейсные модули для добавления интерфейсов
Modbus, Modbus Plus, TCP/IP Ethernet и различных других сетей.
Перечислим характеристики, общие для всех процессоров Quan­
tum:
• память SRAM с батарейной поддержкой для хранения программы
и данных при отключении питания;
• переключатель защиты памяти для предотвращения случайных
изменений прикладной программы в процессе эксплуатации;
° энергонезависимая Flash-память, в которой находится операцион­
ная система, позволяющая производить ее обновление на площадке
простой загрузкой файла через порт Modbus или Modbus Plus без
какой-либо замены микросхем;
• текстовые светодиодные индикаторы, показывающие состояние
процессора и коммуникационных портов, упрощающие диагно­
стику неисправностей.
Контроллеры, реализованные на процессорах 486 и 586, имеют
дополнительные расширенные характеристики:
• поддержка математического сопроцессора, обеспечивающая вы­
сокую производительность и точность, для алгоритмов регулиро­
вания и математических вычислений;
° совмещение в операционной системе поддержки языков релей­
ной логики 984 и языков по стандарту МЭК61131-3, упрощающее
конфигурацию;
• оптимизация обработки программ на языках МЭК61131-Зза счет
32-разрядной операционной системы реального времени и под­
держки кэш-памяти;
• поддержка программирования на языках МЭК 61131-3 в системах
с горячим резервированием;
• ключ для локального запуска, останова и защиты памяти про­
цессора.
Quantum позволяет выбрать наиболее подходящий язык
МЭК 61131-3 для решения конкретной задачи.
Серия Quantum включает широкий диапазон модулей ввода-выво­
да, предназначенных для подключения различных полевых устройств.
Все модули ввода-вывода программно адресуются и включают­
ся в карту ввода-вывода при помощи пакетов Concept, Modsoft или
Proworks. При этом каждый модуль может быть установлен в любое
установочное место или слот.
После того как модуль сконфигурирован, системное программное
обеспечение может обнаруживать его отсутствие или неисправность
и сигнализировать об этом. Светодиодные индикаторы на каждом
модуле также облегчают диагностику и отладку. Возможностьдополни139
тельной механической кодировки соответствия модулей своим клем­
мным колодкам позволяет гарантировать правильность подключения
полевых сигналов.
Программная конфигурация обеспечивает гибкость аналоговых
модулей ввода-вывода. Для конфигурации аналоговых модулей, к при­
меру термопарного модуля, необходимо всего лишь внести его в карту
ввода-вывода и затем, открыв окно параметризации, установить:
• необходимое температурное разрешение 1 или О, Г;
♦ показания в градусах Цельсия и Фаренгейта;
• внешнюю или внутреннюю компенсацию холодного спая;
• тип подключенной термопары для каждого канала.
Поскольку каждый процессор Quantum имеет порт Modbus Plus, то
не требуется установка дополнительного головного сетевого модуля.
Экономичные адаптеры распределенного ввода-вывода со встроенным
блоком питания, а также комбинированные дискретные и аналоговые
модули ввода-вывода еще более сокращают стоимость системы и за­
нимаемое пространство без ухудшения производительности.
Перечислим стандартные функции обеспечения надежности в каж­
дом процессоре:
• модули ввода-вывода Quantum можно заменять «на ходу», т.е. без
отключения питания, таким образом, не влияя на работу остальной
части системы;
• в случае обрыва связи все дискретные и аналоговые выходные сиг­
налы могут быть приведены в одно из следующих состояний: все
выходы выключены, поддержка последнего значения или предус­
тановленное значение, таким образом обеспечивается предсказуе­
мость поведения системы даже в случае непредсказуемого обрыва
коммуникаций;
• память данных процессора может быть разделена на области, до­
ступные для чтения и записи и только для чтения, для исключения
возможности изменения внутренних данных через сетевой обмен;
• программное обеспечение Concept, а также Proworx и Modsoft
поддерживают многоуровневое ограничение доступа к програм­
ме и данным.
Следующие функции обеспечения надежности можно добавить
по мере необходимости:
• резервирование источников питания обеспечивает бесперебой­
ность подачи тока в случае отказа одиночного блока питания;
• резервирование кабелей для сетей удаленного ввода-вывода, а так­
же Modbus Plus защищают систему от одиночных обрывов кабеля
или повреждения соединений;
• оптоволоконные повторители для сетей удаленного ввода-выво­
да и Modbus Plus позволяют увеличить расстояние между узлами
и повысить помехозащищенность;
140
• для повышения надежности коммуникаций на больших расстояни­
ях оптоволоконные компоненты сети можно объединять в кольце­
вые сетевые топологии с функциями самовосстановления в случае
одиночных обрывов;
• защитное покрытие может быть нанесено на большинство модулей
Quantum для увеличения срока эксплуатации и надежности систем,
функционирующих в жестких условиях окружающей среды.
Если задача управления требует повышенной отказоустойчивости
и высокой эксплуатационной готовности, возможен вариант примене­
ния резервного контроллера. Простая по конфигурации и в установке
система горячего резервирования обеспечит безударный переход на
резервное управление в случае отказа одного из компонентов или сбоя
питания. Один из контроллеров при такой конфигурации является
основным, а другой работает как горячий резерв, готовый принять
на себя управление сетью удаленного ввода-вывода в случае отказа
основного контроллера. Циклы обработки программы в основном
и резервном контроллерах синхронизированы, что позволяет про­
изводить управляемое переключение и обеспечивает максимально
возможную целостность системы управления.
Контроллеры компании Mitsubishi Electric
Компания является одним из лидеров мирового рынка контрол­
леров. Ею выпускается широкая гамма таких устройств, поэтому ос­
тановимся лишь на одном из примеров. Недавно компания Mitsubishi
Electric сообщила о том, что ею был произведен и продан десятимил­
лионный ПЛ К MELSEC FX. Серия контроллеров FX (первоначально
серия F) появилась еще в 1981 г. Одним из последних представителей
семейства MELSEC ЕХявляется контроллер FX3G. Он занимает про­
межуточное положение между высокопроизводительными контрол­
лерами FX3U и достаточно простыми, компактными FX1S. Внешний
вид контроллера FX3G показан на рис. 3.1.18.
К базовому модулю контроллера можно добавлять модули расши­
рения семейства FX. Количество модулей ограничивается, с одной
стороны, адресным пространством (до 128), с другой стороны, нагру­
зочной способностью внутренней шины базового модуля. С правой
стороны контроллера подключаются обычные модули расширения
линейки контроллеров MELSEC FX, позволяющие увеличить ко­
личество входов-выходов до 128 (при прямой адресации), а с левой
стороны — высокоскоростные адаптерные модули линейки FX3G,
позволяющие расширять возможности контроллера при работе с ана­
логовыми сигналами и (или) увеличить количество дополнительных
коммуникационных интерфейсов (RS-232/422/485). Модификация
контроллера может осуществляться с помощью опциональных моду­
лей расширения, которые устанавливаются непосредственно в тело
747
контроллера, не занимая дополнительного пространства. Для того
чтобы при проектировании избежать ошибок и наглядно представить
свою будущую систему, рекомендуется использовать специальный кон­
фигуратор FX_Selection_Tool. Интерфейс конфигуратора позволяет
легко добавлять/удалять имеющиеся в списке модули расширения,
учитывая возможности контроллера. Для программирования FX3G
можно использовать пакет GX Developer версии 8.72Аи выше или GX
МЭК Developer версии 7.04 и выше. Программировать FX3G можно
и с более ранними версиями GX Developer, однако в этом случае есть
ряд ограничений, указанных в инструкции по эксплуатации.
Рис. 3.1.18. Внешний вид контроллера FX3G компании Mitsubishi Electric
Для сравнения контроллера FX3G с контроллерами других произ­
водителей приведем их некоторые характеристики:
• использование современного высокоскоростного процессора;
• увеличенный объем EEPROM памяти на 32 000 шагов программы;
• наличие встроенного mini-USB-порта для программирования
и мониторинга;
• возможность подключения текстового ЖК-дисплея (опция);
• встроенные высокоскоростные счетчики;
• большая линейка базовых модулей (максимальное количество
входов-выходов в одном блоке равно 60), модели с релейными
и транзисторными выходами;
• наличие высокоскоростной шины и специальных коммуникаци­
онных модулей позволяет упростить программирование;
• хорошие коммуникационные возможности с сетями CC-Link,
CANopen, Profibus-DP и Ethernet;
• встроенные ч асы реального времени;
• светодиодная индикация входов и выходов;
• имеются модели с напряжением питания 220 В переменного тока
и 24 В постоянного тока;
• крепление контроллера осуществляется на DIN-рейку.
Контроллеры компании Delta Electronics
Копания Delta Electronics Inc. основана в 1971 г. в Тайване. Кроме
контроллеров, компания выпускает преобразователи частоты, сер­
142
водвигатели, панели операторов, энкодеры и другие элементы систем
промышленной автоматики.
Программируемые логические контроллеры серии DVP производ­
ства Delta Electronics являются средством для построения высокоэф­
фективных систем автоматического управления. К общим особенно­
стям контроллеров Delta Electronics можно отнести:
• высокую производительность — до 0,24 мкс на базовую команду,
до 512 физических точек ввода-вывода;
• наличие богатого функционала для построения систем управления
движением и ЧПУ, включающего высокоскоростные счетчики,
высокочастотный вывод до 500 кГц, встроенные команды линейной
и круговой многоосевой интерполяции и даже прямое исполнения
G- и М-кодов;
• широкую номенклатуру модулей расширения, включающую ввод
сигналов от термопар, термометров сопротивлений, унифициро­
ванных токовых и аналоговых сигналов с разрешением до 14 бит,
модулей позиционирования, скоростных входов и выходов;
• наличие операций с плавающей точкой;
• наличие в некоторых моделях функции автонастройки ПИД-контуров регулирования.
Контроллеры способны работать в реальном масштабе времени
и могут быть использованы для построения как узлов локальной авто­
матики, так и систем распределенного ввода-вывода с организацией
обмена данными по RS-485 (Modbus), DeviceNet, CANopen, Profibus, Ethernet интерфейсам. Контроллеры Delta Electronics прекрасно
сочетаются с панелями оператора, частотными преобразователями
и сервоприводами как собственного производства, так и третьих
производителей.
Delta Electronics предоставляет для программирования своих кон­
троллеров пакет WPLSoft. Он позволяет использовать языки IL, LD,
SFC. Ддя программирования некоторых последних моделей выпущено
новое программное обеспечение ISPSoft 1.0, которое дополнительно
к уже имеющимся возможностям WPLSoft поддерживает язык функ­
циональных блоков.
Приведем некоторые примеры контроллеров данной компании.
Delta Electronics DVP-PM (рис. 3.1.19) — многофункциональный
ПЛ К блочного типа для высокоскоростных задач. Имеет следующие
основные характеристики:
• 2-осевое позиционирование с линейной/круговой интерполяцией;
• частота выходных импульсов до 500 кГц;
• совместимость с G-Code/M-Code;
• 16 точек ввода-вывода с расширением до 512;
• память программы: 64 кШагов;
• память данных: 10 000 слов;
743
• встроенные RS-232 и RS-485, совместимые с Modbus ASCII/RTU;
• полная совместимость с модулями расширения DVP-EH2.
Рис. 3.1.13. Контроллер Delta Electronics DVP-PM
Контроллер серии DVP-20PM00M способен управлять тремя
сервоприводами по трем осям. С его помощью можно реализовать
трехкоординатный станок с числовым программным управлением
на одном модуле.
Контроллер для цикловой автоматики DVP-ES2/EX1 (рис. 3.1.20).
Рис. 3.1.20. Контроллер Delta Electronics DVP-ES2/EX2
•
•
•
•
•
•
744
Имеет следующие основные характеристики:
ЦПУ: 16/20/24/32/40/60 точек дискретного ввода-вывода;
память программы: 16 к Шагов;
встроенные 3 СОМ порта: 1 порт RS-232, 2 порта RS-485, все не­
зависимые (master/slave);
максимальное расширение: 256 входов + 16 выходов или 256 вы­
ходов + 16 входов;
встроенные аналоговые входы-выходы в ЦПУ DVP-EX2: 12-разрядные 4AD/2DA и температурные модули с разрешением 14 бит;
8 каналов высокоскоростного счета (2 входа по 100 кГц, 6 входов по
10 кГц), поддержка счетных режимов: U/D, U/D Dir, А/В;
• инструкции управления движением: управление в замкнутом
контуре, метка соосности, экранирование, прямая регулировка
скорости, S-кривая разгона/торможения;
• эксклюзивные инструкции и функциональные блоки для некото­
рых новых областей промышленности (солнечной энергетики);
• инструкции управления преобразователями частоты Delta VFD и др.;
• защита паролем: пароль для подпрограммы, идентификация поль­
зователя, ограничение пробной эксплуатации;
• высокое быстродействие выполнения инструкций.
Контроллеры компании ОВЕН
Российская компания ОВЕН разрабатывает и продает свободно
программируемые логические контроллеры под маркой ОВЕН ПЛ К.
Широкий модельный ряд выпускаемых контроллеров, обладающих
большим диапазоном аппаратных и программных возможностей, по­
зволяет применять ОВЕН ПЛ К на всех уровнях автоматизации. Конт­
роллеры построены на современной цифровой элементной базе. В них
изначально заложены достаточно мощные аппаратные ресурсы: про­
цессор с широкими вычислительными возможностями, большое коли­
чество памяти. Контроллеры в зависимости от линейки поддерживают
следующие типы интерфейсов: RS-232, RS-485, Ethernet, USB Device,
а также протоколы Modbus ASCII/RTU/CP; ОВЕЙ; DCON; Gateway.
Возможна настройка обмена по любому нестандартному протоколу.
ОВЕНПЛК63/73 (рис. 3.1.21). Небольшие контроллеры для ав­
томатизации малых объектов и установок. Основные направления
применения: насосные станции, малые станки по упаковке и пере­
работке. Отличительными особенностями контроллеров являются
дисплей и кнопки управления, позволяющие организовать управление
установкой прямо с лицевой панели контроллера.
Рис. 3.1.21. Контроллеры компании ОВЕН ПЛК 63/73
ОВЕН ПЛК100/150/154 (рис. 3.1.22). Основное применение кон­
троллеры получили в сферах ЖКХ, в создании и модернизации кот­
лов и котельных комплексов, построении распределенных систем
145
управления и диспетчеризации, с использованием как проводных, так
и беспроводных технологий. Отличительной особенностью данной
линейки является небольшое количество входов-выходов и расши­
ренное количество интерфейсов «на борту» контроллеров.
Рис. 3.1.22. Контроллеры компании ОВЕН ПЛК100/150/154
ОВЕНПЛК304/308/323(рис. 3.1.23). PC-совместимые контроллеры
для создания распределенных систем управления и диспетчеризации.
Данные контроллеры находят широкое применение в системах сбора
и диспетчеризации информации за счет большого количества встро­
енных последовательных портов RS-232/RS-485 и наличия интерфей­
са Ethernet. Отличительными особенностями данных контроллеров
являются наличие операционной системы Linux, что позволяет про­
граммировать контроллеры из широкого ряда специальных приложе­
ний, и наличие портов для подключения накопителей информации
(SD Card и USB Host).
Рис. 3.1.23. Контроллеры компании ОВЕН ПЛК304/308
146
Самым совершенным в этой линейке является контроллер ПЛК323
(рис. 3.1.24).
Рис. 3.1.24. Контроллеры компании ОВЕН ПЛК323
Отличительные особенности этого контроллера:
встроенная ОС;
встроенный GSM/GPRS-модем;
1 порт Ethernet;
1 порт RS-232;
2 встроенных последовательных интерфейса RS-485;
наличие встроенного карт-ридера для подключения карт — Micro­
SD, объемом до 32 Гб;
• наличие встроенных часов реального времени;
• программирование в среде разработки CoDeSys V.3;
• возможность встраивания в вертикально интегрированные SCADAи softlogic-системы (например, с MasterSCADA, Энтек, Каскад,
Круг2000идр.).
Основные характеристики контроллеров ОВЕН серий 63/73,
100/150/154,304/308 приведены в табл. 3.1.5.
Таблица. 3.1.5
•
•
•
•
•
•
Сводная таблица характеристик контроллеров ОВЕН
серий 63/73,100/150/154,304/308
ПЛК100/150/154
ПЛК63/73
ПЛК304/308
Процессор
RISC-архитектура,
32-разрядный
ARMS, 50 МГц
RISC-архитектура,
32-разрядный ARM9,
200 МГц
RISC-архитектура,
32-разрядный ARM9,
200 МГц
ОС
нет
нет
Linux 2.6
147
Окончание табл. 3.1.5
ПЛК63/73
ПЛК100/150/154
ПЛК304/308
Объем ОЗУ для
хранения перемен­
ных программ
10 кб
8 Мб, max размер про­
граммны 1Мб
32 Мб
Тип, объем памяти
хранения программ
280 кб
4 Мб, Flash, доступно
пользователю 3 МВ
16 Мб
Объем энергонеза­
висимой памяти
448 6
4 кб (до 16 кб)
Время цикла ПЛК
1 мс при логической
обработке 50 дис­
кретных сигналов
при отсутствии
обмена по сети
1 мс при логической об­
работке 50 дискретных
сигналов при отсутствии
обмена по сети
зависит от системы
исполнения
Конструктивное
исполнение
Моноблок,
на DIN-рейку
Моноблок,
на DIN-рейку
Моноблок, на DINрейку и на стену
Климатическое
исполнение
IP20,
(0... +55) °C
IP20, (-20... +70) °C
IP20, (0...+50)°C
Человеко-машин­
ный интерфейс
Светодиодная индикация
Знакосинтези­
состояния контроллера
рующий дисплей
и дискретных входови кнопки управления
выходов
Светодиодная ин­
дикация состояния
контроллера и интер­
фейсных портов
Интерфейсы
До 3 последовательных
2 последовательных
портов (RS-232, RS485),
порта (RS-232,
Ethernet, USB Device для
RS-485)
программирования
До 8 последователь­
ных портов
(RS-232, RS485), до
2 Ethernet, до 2 USB
Дискретные входы
на борту, развязка
8, развязка группо­
вая, 1500 В
Для ПЛК 308-21
дискретный входвыход
Дискретные выходы
на борту, тип, раз­
вязка
6 выходов, из них
6 реле/12 транзистора,
одно реле, другие
развязка групповая,
по выбору аналого­
1500 В
вые или дискретные
Аналоговые выходы
на борту
Нет
до 4, ток, напряжение,
ток/напряжение
Нет
Аналоговые входы
на борту, развязка,
частота опроса
Нет
до 4, универсальные
для подключения ТС,
ТП, унифицированных
сигналов
Нет
Возможности рас­
ширения
Внешними модуля­
ми ввода-вывода
Внешними модулями
ввода-вывода
Внешними модулями
ввода-вывода
Встроенный аккумуля­
тор, архиватор на Flash
контроллера,часы реал,
времени
Встроенный аккуму­
лятор, архиватор на
Flash контроллера,
часы реал, времени
Встроенный аккуму­
Поддержка дополни­ лятор, архиватор на
тельных сервисов
Flash контроллера,
часы реал, времени
148
8,развязка групповая,
1500 В
ОВЕНПЛК110/160 предназначены для создания систем автома­
тизированного управления технологическим оборудованием в энер­
гетике, на транспорте, в том числе железнодорожном, в различных
областях промышленности, жилищно-коммунального и сельского
хозяйства.
Контроллер ПЛ К110 может быть использован как:
• специализированное устройство управления выделенным лока­
лизованным объектом;
’ устройство мониторинга локализованного объекта в составе ком­
плексной информационной сети;
• специализированное устройство управления и мониторинга груп­
пы локализованных объектов в составе комплексной информаци­
онной сети.
Контроллер ПЛК110 выпускается в различных исполнениях, от­
личающихся типом встроенных дискретных выходных элементов,
напряжением питания и количеством точек ввода-вывода. Основные
технические характеристики приведены в табл. 3.1.6.
Таблица. 3.1.6
Сводная таблица характеристик контроллеров ОВЕН серий 110
Параметр
ПЛК110-30
ПЛК110-32
ПЛК110-60
Общие характеристики
Габаритные размеры, мм
IP20
IP прибора
Климатическое исполнение, °C
Напряжение питания
Встроенный источник питания
209x114x75
140x114x75
от-20 до +55
от 22 до 28 В постоянного тока
от 90 до 264 В переменного тока
есть, 24 В, 600 мА
Вычислительные ресурсы
Центральный процессор, МГц
400
Объем оперативной памяти, Мб
16
Объем Flash-памяти, Мб
128
Retain-память (тип, объем), кб
Система программирования
Время выполнения цикла ПЛК:
по умолчанию, мс
по прерыванию, мкс
Дополнительное оборудование:
встроенные RTC, время работы,
тип батарейки
16, MRAM, энергонезависмая
C0DESYSV2.3
от 1
от 20
есть, время работы зависит от заряда батареи Li, CR2 032
149
Окончание табл. 3.1.6
Параметр
ПЛК110-30
ПЛК110-32
|
ПЛК110-60
Дискретные входы
Количествово дискретных вхо­
дов:
обычных
быстрых
18
2
18
2
Частота срабатывания быстрых
дискретных входов, Гц
36
4
100000
Тип подключаемых датчиков
n-p-n, p-n-p, 24 В
Гальваническая развязка, В
есть, групповая, 1500
Дискретные выходы
Количество дискретных выходов:
обычных
быстрых
Ток коммутации
12
4
14
4
24
4
ЗА — для реле, 400 мА — для транзисторных выходов
Гальваническая развязка, В
есть, групповая, 1 500
Интерфейсы
Ethernet
1x10/100 МБ. Modbus TCP, UDP.IP
RS-232
lxRS-232 Debug, для программирования и обмена по
Modbus, lxRS-232, для обмена по Modbus или по нестан­
дартным протоколам
RS-485, шт.
2
1
2
Modbus, ОВЕН, DCon, работа по нестандартным протоко­
лам
USB Device
1 для программирования и отладки
USB Host
1 для подключения USB Flash
Внешний вид контроллеров ПЛК110-32 показан на рис. 3.1.25.
Рис. 3.1.25. Внешний вид контроллеров ПЛК110-32
150
Контроллер имеет эргономичный корпус из современного него­
рючего пластика ABS с удобной и надежной системой крепления на
DIN-рейку или на стену шкафа. Удобство монтажа обеспечивается за
счет установленных съемных клеммников, оснащенных невыпадаю­
щими винтами для крепления проводов от разных устройств.
Внутри конструктивно контроллер реализован из нескольких пе­
чатных плат. Процессор RISC-архитектуры с частотой 600 МГц с со­
процессорами, микросхемы памяти большой емкости (16 Мб опера­
тивной и 6 Мб встроенной Flash-памяти) размещены на отдельной
(процессорной) плате. Это позволяет без лишних затрат производить
изменение вычислительных ресурсов, не затрагивая остальные функ­
циональные узлы. За счет использования в контроллере специальной
памяти (типа MRAM) сохранение Retain-переменных (значение ко­
торых должно сохраняться при пропадании питания) происходит без
дополнительного источника питания.
Все интерфейсные разъемы выведены на лицевую панель корпуса
и логически разнесены: три разъема для подключения к интерфей­
сам Ethernet и RS-232 расположены с левой стороны, стандартные
USB-разъемы для программирования (Туре В) и для подключения
Flash-карт (Туре А) — с правой стороны. Для удобства подключения
используются одинаковые интерфейсные разъемы стандарта RJ45
для портов RS-232, RS-232 Debug и Ethernet.
Для индикации состояния (связь/передача данных) разъема Ether­
net установлены светодиоды красного и зеленого цвета. В интерфей­
сных разъемах RS-232 и RS-232 Debug, помимо сигнальных линий,
выведено питание (+5 В), что позволяет подключать устройства типа
считывателей штрихкодов, счетчиков и расходомеров без установки
дополнительного блока питания.
Интерфейс USB Host позволяет создавать архивы и логи работы,
записывать их на внешнюю память, размер которой исчисляется ги­
габайтами.
Основой системного программного обеспечения является про­
фессиональная, специализированная мини-операционная система
с встроенным планировщиком задач, разработанная специально для
устройств данного класса.
Перед использованием контроллер ПЛК.110 необходимо запрог­
раммировать, т.е. создать пользовательскую программу (прикладное
программное обеспечение). После создания пользовательская про­
грамма может быть сохранена в энергонезависимой Flash-памяти
контроллера и запускаться на выполнение после включения питания
или перезагрузки. Контроллер программируется в профессиональной
среде CoDeSys. Записать программу в контроллер можно по любому
из трех интерфейсов: Ethernet USB Device, RS-232 Debug.
151
ПЛК110 содержит цифровые (дискретные) входы, количество ко­
торых различно в разных исполнениях контроллера. Обработка зна­
чений с входов осуществляется пользовательской программой ПЛК.
Некоторые входы могут быть запрограммированы на работу в каче­
стве счетчиков импульсов, на работу с энкодерами, или переведены
в режим обработки по прерыванию высокочастотного таймера. Все
«быстродействующие» входы объединяются в общую электрическую
группу и одновременно работают в одном из перечисленных режимов.
В контроллере ПЛК110 были учтены запросы современного про­
изводства. Входы контроллера воспринимают сигналы от первичных
датчиков с частотой до 100 кГц. Выходы контроллера могут генериро­
вать импульсы с частотой до 50 кГц. При этом работа входов и выходов
с сигналами такой частоты никак не влияет на основную работу конт­
роллера, поскольку обработка осуществляется сопроцессорами. Время
реакции (в основном цикле ПЛК) на внешние события по умолчанию
составляет 1 мс. При необходимости можно организовать обработку
задачи в пределах 20 мкс.
В корпусе контроллера расположен маломощный звуковой излу­
чатель, управляемый пользовательской программой как специальный
дискретный выход. Излучатель может быть использован, например,
для аварийной сигнализации или при отладке программы. Частота
и громкость звукового сигнала фиксированы и не подлежат изменению.
ПЛК110 оснащен встроенными часами реального времени, питание
которых может осуществляться от автономного источника питания —
аккумулятора. Энергии полностью заряженного аккумулятора хватает
на непрерывную работу часов реального времени в течение 6 месяцев.
Аккумулятор, используемый для питания часов реального времени,
дополнительно является источником аварийного питания микропро­
цессора контроллера. При отключении питания контроллер переходит
на аварийное питание и сохраняет промежуточные результаты вычис­
лений и работоспособность портов Ethernet и RS-232 на время от 2 до
30 с. При этом питание на входные и выходные элементы контрол­
лера не поступает, и они переводятся в выключенное состояние. По
истечении времени работы от аварийного источника питания и при
отсутствии основного питания контроллер автоматически записывает
Retain-переменные в энергонезависимую память и отключается.
При включении контроллера после длительного пропадания пи­
тания его выходы переводятся в заранее заданное «безопасное состо­
яние», в которых находятся до запуска пользовательской программы.
Это состояние выходов контроллера, при котором подключенные
к ним исполнительные механизмы находятся в состоянии, наиболее
безопасном для объекта управления, не приводящим к его поломке.
Значение «безопасного состояния» выходов задается при конфигу­
рировании области ввода-вывода.
152
Программирование контроллеров осуществляется в среде разра­
ботки CoDeSys V.3.
Контроллеры компании ОВЕН выполняются и проходят ис­
пытания в полном соответствии со стандартом МЭК 61131-2
и ГОСТ Р 51840-2001, что обеспечивает их высокую аппаратную на­
дежность. По электромагнитной совместимости они соответствуют
классу А по ГОСТ Р 51522-99 (МЭК 61326-1 -97) и ГОСТ Р 51841-2001,
имеют расширенный климатический диапазон: от—20 до +70 °C (в за­
висимости от линейки). Программируются контроллеры ОВЕН ПЛК
с помощью профессиональной среды CoDeSys.
3.2.
КРИТЕРИИ ВЫБОРА КОНТРОЛЛЕРОВ
РАЗЛИЧНЫМИ ПОТРЕБИТЕЛЯМИ
Выбор рационального для каждого конкретного применения ПЛК
из всех имеющихся на рынке является далеко не однозначной и не
простой задачей. Неоднозначность и сложность выбора определяется
не только широтой рынка предложений, но и теми конечными целями,
которые преследует потребитель ПЛК, а они существенно разнятся
в зависимости оттого, кто он: OEM-производитель, системный ин­
тегратор, дистрибьютор, дилер или конечный пользователь.
OEM-производитель (англ, original equipment manufacturer — ори­
гинальный производитель оборудования) — это производитель, кото­
рый под своим брендом продает продукт, который получается путем
сборки типовых комплектующих, и (или) их типовую конфигурацию.
Наиболее близкий для нас пример — производитель технологический
линии, скомпонованной из различных отдельных готовых узлов, в том
числе система управления линией, собранная на основе приобретен­
ных контроллеров и модулей.
Для OEM-производителя при выборе контроллеров, как и боль­
шинства прочих составных компонентов, важны:
• затраты на установку, эксплуатацию и обслуживание;
• простота тиражирования своего изделия;
• простота организации сервисного обслуживания во всем мире;
• простота использования;
• встроенные технологические функции;
• высокая производительность;
• согласованная линейка продуктов от низкого до высокого уровня
про изводительности;
• модульная конструкция;
• быстрый доступ к диагностической/статусной информации;
• минимальные затраты на обучение;
• зашита инвестиций;
• зашита ноу-хау;
753
• быстрый ввод в эксплуатацию;
• международная поддержка (языки, дистанционное обслуживание).
Системный интегратор в рассматриваемой нами области — это
тот, кто, разобравшись с задачей заказчика, знает, как построить для
него автоматизированную систему управления так, чтобы она решала
производственную задачу требуемым заказчику образом при мини­
мальных затратах. Он знает круг необходимых для этого аппаратных
и программных средств и понимает, как их интегрировать в единый
проект. Он берет на себя выполнение соответствующих работ.
Для системных интеграторов при выборе контроллеров важны:
• простота использования;
• эффективность;
• открытость;
• минимальные затраты на обучение;
• защита инвестиций;
• быстрый ввод в эксплуатацию;
• быстрый доступ к диагностической/статусной информации;
• защита ноу-хау.
Дистрибьютор (англ, distributor — распространитель) — фирма,
осуществляющая оптовую закупку у крупных промышленных фирмпроизводителей с целью последующего сбыта товаров дилерам на
региональных рынках.
Дилер (распространитель, продавец) — это физическое или юриди­
ческое лицо, которое закупает продукцию какой-то компании оптом,
а продает ее в розницу или мелким оптом. Особенностью дилерской
торговли являются дополнительные обязательства, которые берет на
себя дилер путем публичного объявления цен покупки и (или) продажи
с обязательством исполнения сделок по этим ценам в оговоренный
промежуток времени.
Дистрибьюторы и дилеры могут осуществлять свою деятельность
как от своего, так и не от своего имени, но за свой счет. Им важны:
• высокие прибыли;
• высокое признание на рынке;
• «продажи без усилий»;
• минимальные затраты на обучение;
• локальная поддержка.
Конечных пользователей оборудования с контроллерами инте­
ресует:
• низкая общая стоимость владения;
• концепция обслуживания;
• высокая производительность;
• простая диагностика;
• минимальное время простоев;
• высокая надежность;
154
•
•
•
•
•
•
защита инвестиций;
минимальный набор запасных частей;
локальная поддержка;
быстрый доступ к диагностической/статусной информации;
защита ноу-хау;
длительная доступность запасных частей.
Для оценки эффективности эксплуатации того или иного контрол­
лера конечным пользователям удобно использовать такой параметр,
как совокупная стоимость владения (Total Cost of Ownership — TCO).
Этот параметр важен для конечного пользователя, а обеспечить его
должен системный интегратор или OEM-производитель. Он подсчи­
тывается на основе калькуляции всех затрат, связанных с эксплуа­
тацией устройства на протяжении определенного отрезка времени
(затраты на покупку, ввод в эксплуатацию, обслуживание, ремонт).
Этот метод используется в информационных технологиях, телеком­
муникациях, военных технологиях и других ответственных областях
для выявления наиболее надежного и выгодного варианта. Наиболее
точные оценки этот метод дает при сравнении уже эксплуатируемых
в одинаковых условиях контроллеров. При выборе контроллеров для
нового применения можно пользоваться подобными оценками его
работы в уже существующих вариантах эксплуатации.
Если конечный потребитель (заказчик работ по автоматизации)
участвует в выборе контроллеров, ему хочется максимально учиты­
вать все свойства автоматизируемого объекта, наилучшим образом
удовлетворять поставленным требованиям к контрольно-управляющей системе и находить некий рациональный компромисс между
различными противоречивыми критериями (мощность, надежность,
открытость, стоимость и т.д.). При этом большинству потребителей
требуется не превосходство одной какой-то характеристики, а некая
интегральная оценка, позволяющая сравнить ПЛК по совокупности
характеристик и свойств. Рассмотрим пример методики формирова­
ния такой оценки.
Учитывая специфику рассматриваемого класса устройств, критерии
оценки можно разделить на три группы (рис. 3.2.1):
• технические характеристики;
• эксплуатационные характеристики;
• потребительские свойства.
При этом критериями выбора выступают потребительские свой­
ства, т.е. соотношение показателей затраты/производительность/надежность, а технические и эксплуатационные характеристики явля­
ются ограничениями для процедуры выбора. Кроме того, необходимо
разделить характеристики на прямые, для которых положительным
результатом является ее увеличение (на рисунке обозначены «*»),
155
и обратные, — для которых положительным результатом является ее
уменьшение (на рисунке обозначены «**»),
Так как характеристики между собой конфликтны, т.е. улучшение
одной характеристики почти всегда приводит к ухудшению другой,
необходимо для каждой характеристики К;. определить весовой коэф­
фициент а-, учитывающий степень влияния данной характеристики
на полезность устройства.
КРИТЕРИЙ ОЦЕНКИ
Технические характеристки
■НИМ Количество каналов ввода/вывода
■FT] Быстродействие
Н
I Уровни напряжений входов/выходов
■f't £t| Напряжение изоляции
Эксплуатационные характеристики
■{
■{
”'[ Диапазон рабочих температур
| Относительная влажность воздуха
Потребительские свойства
Р
Производительность
Ц
—-ISlhal Время выполнения операции
—{Д=Д Функциональность
пг*
П2*
Надежность
Н
-|
Н
I Наработка на отказ
[ Среднее время восстановления
НГ
Н2”“
3
Стоимость приобретения
ЧЩЦ Стоимость оборудования
—|
■йвягр
' ill
* | Потребляемая мощность
| Гарантийный срок
Зд *
Зд*
Массогабаритные характеристики
........ ГТД Масса
______ |
[ Габариты
Рис. 3.2.1. Классификация критериев выбора ПЛК
156
з<*
32*
Стоимость эксплуатации
I---------- 1 "
I---------- 1
г1'
| Стоимость монтажа
$5
Зд’*
Выбор аппаратуры производится в четыре этапа:
• определение соответствия технических характеристик предъяв­
ленным требованиям;
• определение соответствия эксплуатационных характеристик предъ­
явленным требованиям;
• оценка потребительских свойств выбираемой аппаратуры;
• ранжирование изделий.
На первом этапе каждая техническая характеристика анализи­
руемого изделия сравнивается с предъявленными к проектируемой
системе требованиями, и если та или иная характеристика им не удо­
влетворяет, изделие снимается с рассмотрения.
Такой же анализ проводится на втором этапе с эксплуатационными
характеристиками, и только если технические и эксплуатационные
характеристики соответствуют поставленной задаче и предъявленным
требованиям, проводится оценка потребительских свойств ПЛК. Для
этого используется аддитивный метод оценки, когда суммарная оценка
каждого свойства вычисляется по формуле
£К,
™ К,-
мК,-
к,
где К(, К. — прямая и обратная характеристики выбираемого изделия;
К„ Ку — соответствующие характеристики аналога; а., а.. — ве­
совые коэффициенты характеристик; п,т — количество прямых
и обратных характеристик.
Безусловно, в рассмотренной методике в определении суммарной
оценки многое зависит от выбираемых значений весовых коэффици­
ентов, что может привести к известной субъективности результатов.
Даже если не пользоваться рассмотренной методикой для формиро­
вания количественных оценок критериев выбора, она полезна пред­
ложенной структуризацией и классификацией параметров ПЛК,
участвующих в их выборе.
4.
4.1.
ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
НА БАЗЕ УНИВЕРСАЛЬНЫХ
КОНТРОЛЛЕРОВ
РОЛЬ И МЕСТО КОНТРОЛЛЕРОВ
В СТРУКТУРЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Ведущим направлением развития промышленных систем автома­
тизации в последние 50 лет, безусловно, является все более широкое
внедрение в них элементов вычислительной техники. Исследования
показывают, что для каждого периода времени, соответствующего
определенному уровню ее развития, и для суммарного потока задач,
возникающих на объекте, существуют оптимальный уровень децент­
рализации вычислительных ресурсов и определенный подход к струк­
турной реализации системы управления.
До появления средств вычислительной техники в промышленности
(до 1960-х гг.) технологические процессы оснащались локальными
системами логического управления и аналогового регулирования
так, что каждый технологический параметр обеспечивался своим
аналоговым или цифровым одноконтурным регулятором и цифро­
вым устройством логического управления. Таким образом на этом
этапе использовались децентрализованные системы регулирования
и управления. Аналоговые и цифровые одноконтурные регуляторы
и дискретные цифровые устройства логического управления в них ре­
ализовывались на основе схем с жесткой структурой. Такие структуры
систем управления на практике характеризуются прежде всего высо­
кой живучестью. Однако главными недостатками систем с жесткой
структурой являются большое время проектирования, изготовления
и значительные трудности модернизации при изменении функций.
Это вызвано тем, что децентрализованные системы управления с жест­
кой структурой создаются каждый раз для конкретного оборудования
или технологического процесса и при изменении последних необхо­
димо каждый раз создавать новые системы, что увеличивает затраты
и сроки на разработку и изготовление, а также на аппаратуру, щиты
управления и линии связи.
На следующем этапе (конец 1960-х гг.) автоматизированные сис­
темы управления строились на основе управляющих вычислительных
комплексов на базе ЭВМ. Внедрение их в практику управления техно­
логическими процессами определило новый подход к построению сис­
тем регулирования и управления. Внедрение больших ЭВМ привело
к централизации сбора и обработки данных, а также к централизации
158
значительного числа приборов регулирования, индикации и регис­
трации на пультах и постах управления. Данные системы управления
получили название централизованных. Таковыми являются любые
системы с единственным интеллектуальным вычислительным ядром.
Долгое время это был единственный подход к построению систем
управления с использованием вычислительной техники. Несмотря
на все достоинства, связанные с цифровой программной обработкой
сигналов и данных, эти системы всегда имели весьма существенные
недостатки, особенно очевидные при большом потоке решаемых задач:
• малая живучесть системы ввиду того, что при отказе единственного
вывода вычислительного узла теряется функционирование всей
системы управления; чтобы обеспечить надежную работу, необ­
ходимо прибегать к полному двойному или тройному резервиро­
ванию, что дорого и сложно;
• сложность программного обеспечения, связанная с организацией
многозадачного режима функционирования системы, с учетом
приоритетов различных задач и распределением ресурсов для их
решения, а также с многообразием форматов данных и процедур
обмена данными по линиям связи;
• сложное управление в реальном времени из-за большого времени
реакции единственного вычислительного узла централизованной
системы;
• большое число проводников, образующих каналы ввода-вывода
вычислительного узла;
• сложность масштабирования системы при расширении круга ре­
шаемых ею задач, необходимость применения для этого принципа
избыточности при выборе производительности вычислительного
узла;
• высокие начальные инвестиции при проектировании, связанные
с тем, что в таких системах трудно использовать значительные час­
ти наработанных ранее технических решений.
С появлением микропроцессоров появляется возможность реализа­
ции вычислительного ядра системы в форме компактных устройств —
рабочих промышленных станций и контроллеров. В терминологии
систем управления, реализованных с использованием средств вычис­
лительной техники, появляется понятие «устройство связи с объектом»
(УСО). В зависимости от структуры системы, общей идеологии ее
построения функции УСО различны. Чаще всего понятие УСО трак­
туется как узел, стоящий на границе интеллектуальной среды систе­
мы и отвечающий за организацию взаимосвязи объекта управления
с управляющими узлами. Централизованная одноуровневая структура
системы управления, включающая перечисленные компоненты —
контроллер и УСО, представлена на рис. 4.1.1.
159
Рис. 4.1.1. Централизованная одноуровневая система автоматизации
с применением локальных УСО
Функции ввода-вывода и обработки сигналов выполняет един­
ственный «интеллект» в этой структуре — узел управления, который
может быть представлен одной рабочей станцией или ПЛ К. В данной
структуре каждый сигнал с любого датчика на узел управления и с узла
управления на исполнительный механизм поступает по отдельному
каналу. Количество таких проводных линий связи может быть очень
большим. Отдельные каналы через многочисленные клеммные ко­
лодки конструктивно собираются в кросс-секции и кабели. На управ­
ляющий узел, помимо функций сбора данных, обработки и выдачи
управляющих воздействий, также должны возлагаться функции визу­
ализации (отображения) параметров хода технологического процесса,
архивации, документирования и т.п. Формирование управляющих
сигналов и считывание сигналов с датчиков осуществляются локаль­
ными УСО, установленными на шине узла управления.
Развитие сетевых технологий позволило создавать централизован­
ные системы автоматизации с применением цифровых промышлен­
ных сетей и распределенных УСО (рис. 4.1.2).
В данной структуре построения систем автоматизации все сиг­
налы с датчиков и на исполнительные механизмы поступают через
распределенные УСО, которые устанавливаются в непосредственной
близости от объекта управления и выполняют функции ввода-вывода.
УСО в свою очередь общаются по сети с узлом управления. Функции
обработки этих сигналов и управления несет узел управления, который
представлен одной рабочей станцией или ПЛК. Помимо вышеупо­
мянутых функций, на управляющий узел также должны возлагаться
160
функции визуализации (отображения) параметров хода технологиче­
ского процесса, архивации, документирования и др.
с применением промышленной сети и распределенных УСО
Такая конфигурация управляющей системы является, как и пре­
дыдущая, централизованной — все задачи решаются одним управля­
ющим узлом. Однако внедрение цифровых сетей и распределенных
УСО определяют совершенно новые ее качественные характеристики.
Для АСУТП, создаваемых на базе цифровых промышленных сетей,
следует прежде всего отметить информационные возможности циф­
рового канала передачи данных. Если ранее по одной паре проводов
можно было получить только одно-единственное текущее значение
измеряемой величины или, напротив, передать исполнительному меха­
низму одну команду, то теперь количество передаваемых данных зависит
только от «интеллектуальных» возможностей оконечных устройств. Что
особенно важно, информационный канал становится двунаправлен­
ным. Наиболее важным практическим следствием этого обстоятель­
ства является возможность осуществления удаленной параметризации
и калибровки оконечных устройств. Быстрая установка предельных
уровней и режимов работы дает возможность гибко управлять произ­
водственным процессом, перенастраивать его согласно меняющимся
условиям и задачам. Только применение цифровых методов передачи
данных позволяет использовать на полную мощность возможности
современных датчиков и исполнительных механизмов.
Такие системы легко расширяемы. Стандартные протоколы верх­
него и нижнего уровней позволяют строить системы с автоконфи­
гурацией, а также обеспечивают совместимость с оборудованием,
производимым многими фирмами.
Одним из основных критериев оценки систем АСУТП является
надежность. По надежности цифровой метод передачи данных на­
161
много превосходит аналоговый. Передача в цифровом виде малочувс­
твительна к помехам и гарантирует доставку информации благодаря
встроенным в протоколы цифровых сетей механизмам контрольных
сумм, квитирования и повтора искаженных пакетов данных.
Особенно очевидными эти факторы становятся при необходимо­
сти передачи аналоговых сигналов. Современным направлением при
построении систем управления является идея вынесения преобразо­
вателей формы представления информации (АЦП и ЦАП) к объекту
сканирования. С применением УСО, вынесенных к объекту управле­
ния, длина аналоговых каналов сводится к минимуму.
Для построения промышленных сетей используются последова­
тельные методы передачи данных. При этом высокая надежность сис­
темы обеспечивается и тем, что для подключения любого устройства
к сетевому промышленному интерфейсу требуется небольшое коли­
чество проводов и используются разъемы с небольшим количеством
контактов. Например, для подключения к сети CAN или Profibus не­
обходимы три провода — два сигнальных и один общий. При таком
количестве сигналов легко обеспечивается гальваническая развязка
элементов системы. Ряд сетевых интерфейсов осуществляет коррек­
цию ошибок на аппаратном уровне, для передачи и приема исполь­
зуются дифференциальные приемопередатчики, которые подавляют
синфазные помехи.
Важной проблемой надежности является зашита от повреждения
кабельной сети, особенно в том случае, если ее топология имеет вид
шины. Однако для критически важных технологических участков
эта задача может легко решаться дублированием линий связи или
наличием нескольких альтернативных путей передачи информации.
Применение систем на базе цифровых сетей определяет значи­
тельное сокращение общих затрат на кабельную сеть, включающих
стоимость как самих подключающих кабелей, так и монтажных работ.
При использовании цифровых сетей фактически исключаются ошиб­
ки монтажа. Максимально просто происходит включение в систему
дополнительных УСО.
Развитие техники построения систем автоматизации позволило
постепенно отказаться от централизации управляющих функций.
В первую очередь это выразилось в выделении в отдельные узлы управ­
ляющего контроллера и диспетчерского пульта (рис. 4.1.3).
По сравнению с централизованной системой на базе распределен­
ных УСО в системе теперь присутствуют три типа устройств: ведущий
контроллер, пульт оператора и необходимое количество распреде­
ленных по территории цеха или предприятия устройств ввода-выво­
да. Управляющий контроллер работает в режиме реального времени
и осуществляет основной цикл управления. В качестве аргументов при
расчете управляющего вектора берутся значения с входных каналов
762
УСО и дополнительные переменные, передаваемые с пульта опера­
тора. В качестве результата расчетов в цикле управления получается
управляющий вектор, направляемый на каналы ввода-вывода УСО,
и допол нительный кадр данных. Этими данными может быть полный
набор участвующих в процессе переменных, включая входные, вы­
ходные и расчетные. Передавать в систему отображения желательно
только то, что непосредственно должно быть видно оператору и со­
храняться в архивах.
Узел управления: :
рабочая станция .■ контроллер
(master)
Пульт
опер ятор а/диспетчера
(slave 5)
Промышленная сеть: ProfiBus, CAN, EtherNet...
У
Распределенные УСО
(slave 1)
Распределенные УСО
; (slave 2)
Участок lj: I.Участок 2
Обкекг 1
У
Распр.УСО Pa<riq>.¥CO
(slave 3)
(slave 4)
Участок!: Участок2
Об:.via 2
ОбьёкгЗ
Рис. 4.1.3. Распределенная система АСУ на базе промышленной сети
с выделенным управляющим контроллером и распределенными УСО
Следующий этап развития систем промышленной автоматизации
начинается с момента массированного внедрения микропроцессор­
ной техники. Главной отличительной особенностью этого этапа (он
продолжается и в настоящее время) является гибкое распределение
задач между иерархическими уровнями управления — передача цен­
тральным управляющим узлом части функций управления локаль­
ным средствам более низкого уровня иерархии, в том числе функций
предварительной обработки массивов данных, функций по принятию
логических решений. На этом этапе локальные устройства реализуются
уже как контроллеры.
В многоуровневой структуре локальные управляющие устройства
(контроллеры) решают, как правило, следующие основные задачи:
• регистрацию данных, при которой осуществляются опрос мед­
ленно и быстро меняющихся аналоговых сигналов с различной
частотой, периодическая калибровка сигналов и исключение заве­
домо ложных показаний; при этом контроллер управляет частотой
опроса и числом входных переменных;
163
• обработку данных, связанную с преобразованием данных в фор­
му, удобную для представления оператору или для регистрации;
сигналы могут усредняться, коррелироваться, масштабироваться,
подвергаться цифровой фильтрации или другой предварительной
обработке;
• индикацию данных, при которой данные или логические условия
могут выдаваться на индикаторе устройства в удобной для опе­
ратора форме, можно наблюдать течение процесса по данным,
зафиксированным в памяти контроллера;
• управление контактными или бесконтактными переключателями
по выходным сигналам контроллера, вырабатываемым заданной
программой работы.
Центральная управляющая ЭВМ или контроллер в многоуровневой
структуре верхнего уровня, как правило, решает три основные задачи:
• опрос, при котором периферийные контроллеры опрашиваются
с некоторой скоростью, чтобы получить подлежащие дальнейшей
обработке или регистрации данные; оператор с пульта может изме­
нить последовательность и частоту опроса, от центральной ЭВМ
могут передаваться команды об изменении установок, аварийных
ограничений, дистанционного включения и выключения испол­
нительных устройств;
• обработку данных, полученных от периферийных контроллеров;
• взаимодействие с оператором, при котором он может выбрать для
идентификации любой периферийный пункт, любую переменную,
дистанционно менять параметры управляемых процессоров, вы­
давать на печать интересующие его данные и т.д.
С ростом «интеллектуальности» средств локальной автоматизации
функции принятия решений все больше переходили на нижний уро­
вень. Наконец стали говорить о системах с распределенным интел­
лектом, в которых деление на «главных» и «подчиненных» фактически
теряет смысл.
Структура распределенной системы автоматического управления
на базе промышленных сетей, удаленных контроллеров и локальных
УСО представлена на рис. 4.1.4. Все функциональные возможности
системы разделены между контроллерами с локальными УСО, рабо­
тающими на шине конкретного контроллера, и пультом оператора.
Все устройства ввода-вывода в данном случае являются локаль­
ными. Контроллеры, с одной стороны, выполняют ввод-вывод из ло­
кальных устройств, производят необходимые расчеты, осуществляют
управление исполнительными устройствами, а с другой — публикуют
все необходимые данные в сети. Пульту оператора остается собрать
данные с контроллеров, передать им необходимые управляющие воз­
действия и организовать взаимодействие с оператором и архивом.
164
Рис. 4.1.4. Распределенная система АСУ на базе промышленных сетей,
удаленных контроллеров и локальных УСО
Контур управления, таким образом, замыкается на одном уровне.
Сеть позволяет контроллерам в качестве аргументов для вычисле­
ния управляющего вектора использовать переменные других кон­
троллеров, обеспечивая связанность системы управления в целом.
В автоматизированных системах управления окончательные и глав­
ные решения остаются за человеком — только с этой точки зрения
пульт оператора часто выступает как главное устройство. Понятия
«ведущий» и «ведомый» в таких системах применяются в основном
только с точки зрения организации доступа отдельных контроллеров
и операторных панелей к общей передающей среде. Данная структура
сохраняет все положительные качества рассмотренных ранее сетевых
систем. «Распределенный интеллект» добавляет к ним новые поло­
жительные свойства.
В распределенной системе управления архитектуры детерминиро­
ванный поток задач решается не одним, а несколькими вычислитель­
ными узлами. Поэтому очевидно, что при решении одного и того же
потока задач в распределенных системах по сравнению с централизо­
ванными системами можно использовать менее производительные,
более простые и, как следствие, более надежные управляющие кон­
троллеры. Кроме того, если в централизованной системе использо­
вание принципа резервирования для повышения живучести системы
требовало дублировать единственное в системе мощное вычисли­
тельное ядро, то в распределенных системах резервировать можно
лишь некоторые локальные контроллеры, обслуживающие отдельные
критически важные участки технологических процессов.
При реализации распределенных систем в них можно заложить
возможность перераспределения задач между вычислительными
165
узлами, что уменьшает вероятность выхода из строя всей системы
в целом из-за неисправности одного управляющего узла, тем самым
дополнительно повышая общую живучесть системы.
Общий перечень задач управления распределяется по отдельным
локальным вычислительным элементам системы, и программное
обеспечение каждого из них будет относительно простым и требу­
ющим меньших ресурсов. Поскольку при решении общего потока
задач используется несколько контроллеров, каждый из них может
иметь относительно небольшую производительность, т.е. обеспечение
работы в реальном масштабе времени будет обеспечиваться с помощью
более простых средств. Экономия ресурсов по производительности
может использоваться для расширения функциональных возможно­
стей системы.
Такие системы легки в тестировании и отладке. Поскольку все эле­
менты системы активны, легко обеспечить самодиагностику и поиск
неисправностей. Стоимость работ по установке, тестированию, вводу
в эксплуатацию и сопровождению такой системы гораздо ниже, чем
у других. Внедрение рассматриваемых систем характеризуется малыми
сроками. Наибольший выигрыш достигается при разработке крупных
систем, поскольку большую часть аппаратных средств и программного
обеспечения стараются унифицировать.
Общая стоимость оборудования при реализации систем с «рас­
пределенным интеллектом», включающих несколько контроллеров
и элементы организации связи между ними, не всегда меньше стои­
мости оборудования централизованной системы, реализующей тот же
перечень (поток) задач. Но, как правило, указанные выше преимуще­
ства распределенных систем сокращают прочие статьи формирования
совокупной стоимости владения системой управления.
Выполняемые по классическим канонам расчеты надежности
распределенных систем как систем, включающих большее число
вычислительных узлов по сравнению с централизованными, также
не всегда дают для них лучшие оценки. Однако вероятность отказа,
гарантируемая производителями для вычислительных элементов сис­
тем управления, сегодня настолько мала, что в формировании каче­
ственных показателей сравнения распределенных и централизованных
систем управления все большее место занимают факторы, связанные
именно с простотой ввода их в эксплуатацию, обслуживания и мас­
штабирования.
Сложность анализа качественных показателей распределенных
систем управления состоит в необходимости учета ограничений, ко­
торые накладываются организацией сетевого взаимодействия вы­
числительных узлов.
Появление возможностей применения новых принципов реали­
зации систем управления, конечно, не означает отказа от тех из них,
166
которые преимущественно применялись ранее. В целом анализ струк­
турных подходов к реализации систем управления показывает, что
рациональность выбора тех или иных из них обязательно определяется
объемом и требованиями к общему потоку задач, решаемых системой,
а также теми показателями качества ее функционирования, которые
играют в каждом конкретном случае главенствующую роль, исходя
из сферы применения и условий эксплуатации. Более того , развитие
технических средств обязательно будет сопровождаться появлением
в дальнейшем новых подходов к реализации промышленных систем
управления.
Проводя рассмотрение вариантов реализации АСУТП, мы гово­
рим, конечно, не просто о структурах построения систем управле­
ния, а об их архитектуре. «Архитектура» — более широкое понятие
чем «структура». Когда мы говорим об архитектуре системы, мы не
ограничиваемся рассмотрением состава и порядка включения в нее
компонентов, а обязательно определяем еще и принципы их взаи­
модействия в выполнении общего комплекса задач. В этом смысле
централизованная и распределенная архитектуры являются крайними,
диаметрально противоположными архитектурными решениями, когда
в одном случае все задачи системы решаются одним вычислительным
средством, а в другом — распределены между отдельными средствами
на не связанные или слабо связанные между собой подзадачи. Каждый
из подходов имеет свои достоинства, но и не избавлен от недостатков.
Причем их анализ показывает, что во многом достоинства одного под­
хода являются недостатками другого и наоборот. Кроме этого, рассмот­
рение перечня и сложности задач, ставящихся перед современными
АСУТП, неминуемо покажет, что ни тот ни другой архитектурный
подход не сможет сегодня однозначно обеспечить оптимальности их
совокупного решения. Многогранность реализации многих задач,
поиск оптимальных подходов к их реализации и взаимоувязке обыч­
но показывают, что наилучшим архитектурным решением является
некоторый промежуточный вариант, в рамках которого некоторые
контроллеры в распределенной системе берут на себя некоторые об­
щие функции. Подходы к реализации таких решений можно описать,
используя терминологию, применяемую в вычислительных системах
с архитектурой «клиент-сервер». Проиллюстрируем это несколькими
простыми примерами.
Очевидно, что если в системе ставится задача формирования базы
данных, необходимой для составления общесистемных отчетов, то
она должна быть сосредоточена в памяти одного из контроллеров
и составление отчета должно осуществляться в одном месте — этим
контроллером.
Если предусматривается возможность оперативного перераспре­
деления между контроллерами задач, решаемых в системе, то один
167
из контроллеров должен брать на себя принятие соответствующих
решений, а может и хранить в своей памяти необходимые для этого
пакеты программ и данных.
Если реализуемая система должна передавать данные в другие сис­
темы (в том числе на более высокие уровни производства), то очевидно,
что решение, когда делать это будет несколько контроллеров распре­
деленной системы, рациональным являться в большинстве случаев не
будет. Скорее всего, более разумным решением будет делать это через
один шлюз, который реализуется конкретным контроллером. Причем
при необходимости он может играть роль шлюза с сетью не только
более высокого, но и более низкого уровня, например, связывающей
датчики, распределенные УСО и (или) исполнительные механизмы.
В описанных случаях при решении определенной задачи один из
контроллеров выступает как сервер, причем в двух первых примерах
он играет роль файлового сервера, а в третьем — сетевого. Очевидно,
что разные контроллеры в системе могут выступать как серверы при
решении одних задач и быть клиентами при решении других.
Другими распространенными примерами «группировки функций
с различных контроллеров в «одно место» можно считать сведение на
один контроллер (операторную панель) функций организации че­
ловеко-машинного интерфейса, диспетчеризации, архивирования.
Рассматривая современный подход к созданию управляющих сис­
тем, мы приходим к общему выводу, что сегодня речь идет не столько
о распределении отдельных узлов системы в пространстве (что в из­
вестном смысле существовало всегда), а прежде всего о рациональном
распределении задач, о распределении задач между периферийными
узлами и цифровым управляющим контроллером, между контрол­
лером конкретного рабочего места и узлами более высокого уровня
иерархической управляющей системы, о разделении комплекса за­
дач по обработке и управлению между несколькими контроллерами
и центральной микроЭВМ.
Определение состава узлов, образующих систему, перечня функ­
ций (задач), решаемых каждым из них, состава информационных по­
токов между узлами — все это составляет главный этап системного
проектирования распределенной системы управления. Основным
узлом современной распределенной системы управления является
микропроцессорный контроллер. Таким образом, в целом речь идет
о распределении задач между контроллерами, выборе контроллеров,
которые будут способны решать с нужным быстродействием весь пе­
речень (поток) возлагаемых на них задач, и одновременно об органи­
зации сети обмена данными между этими контроллерами.
Проведение децентрализации систем управления основывается
на функциональных и топологических принципах.
168
Целью функциональной децентрализации системы контроля
и управления является снижение сложности системы путем расчле­
нения функций системы на более мелкие, т.е. разделение сложного
и большого процесса на меньшие части — подпроцессы. При этом
расчленение функций осуществляется так, чтобы обеспечить необ­
ходимую надежность и экономичность системы.
В ряде случаев технический процесс легко разбивается на несколько
слабо взаимосвязанныхподпроцессов, каждый из которых может быть
реализован на отдельном контроллере или микроЭВМ, благодаря
чему значительно снижается сложность вычислительной системы.
Однако другие технические процессы более сложны, и их разбие­
ние порождает сильно взаимосвязанные подпроцессы. При этом для
упрощения решения задач в целом следует искать способы разбиения
на подпроцессы, при которых будут обеспечены четко определенные
и минимальные интерфейсы.
Расчленение функций должно осуществляться по:
• технологическому тракту, когда расчлененные конкретные функ­
ции относятся к конкретному мелкому агрегату или технологи­
ческому участку (например, станку или транспортному конвей­
еру);
• режимам работы оборудования или фазам технологического про­
цесса, когда расчлененные конкретные функции относятся к бо­
лее или менее самостоятельному режиму, являющемуся частью
общего режима (например, аварийный режим или режим пуска
и останова);
• продолжительности интервала времени, необходимого для выпол­
нения конкретной функции.
Топологическая децентрализация предполагает пространствен­
ное распределение датчиков, регуляторов и других исполнительных
устройств, а также контроллеров (микроЭВМ) или другой аппаратуры
обработки данных. Для обеспечения оптимальной топологической
децентрализации число и места установки узлов системы выбираются
так, чтобы минимизировать суммарную длину линий связи, достичь
заданных показателей по надежности, скорости обмена и т.д.
Наиболее распространенный тип пространственной топологии —
это общая шина. Основное преимущество — простота и дешевизна,
легкость переконфигурирования. Не боится отключения или под­
ключения устройств во время работы, хорошо подходит для сильно
распределенных объектов, но имеет и ряд «генетических» недостатков,
а именно: присутствие в каждой точке сети общего трафика, опасность
потери связи при одиночном обрыве канала связи или фатальном
выходе из строя одного узла.
Очень популярна топология типа «кольцо». Использование про­
токола с циклической передачей маркера позволяет сетям с такой
169
топологией обеспечить абсолютную предсказуемость и хорошую про­
пускную способность. Основными недостатками топологии являют­
ся высокая стоимость организации канала связи, нерациональное
(в большинстве случаев) использование сетевого трафика и потеря
всей синхронизации сети в случае сбоя и отключения хотя бы одного
из узлов.
Топология «звезда», являясь логическим продолжением монока­
нала, обеспечивает дополнительную защиту всей сети от выхода из
строя или отключения узлов, позволяет существенно оптимизировать
трафик, передавая пакеты только в те «лучи», где находятся их получа­
тели. Это особенно существенно для сетей, где допускаются коллизии.
4.2.
ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ
На рубеже 1980-1990-хгг. ведущие мировые производители средств
автоматизации подошли к этапу их выпуска в рамках программно­
технических комплексов (ПТК), основными признаками которых
являются совместимость отдельных компонентов, способность функ­
ционировать в единой системе, а также стандартизация интерфейсов,
функциональная полнота, позволяющая строить систему управления
целиком из средств только данного комплекса. За рубежом вместо
понятия «программно-технические комплексы» прижился другой
термин — «интегрированная система (среда) проектирования».
В настоящее время на рынке промышленной автоматизации при­
сутствует несколько десятков самых разнообразных ПТК как отече­
ственных, так и зарубежных производителей. Все они отличаются
своей структурой, информационной мощностью, эксплуатационными
характеристиками (диапазон температур, влажности, возможность
использования во взрыво- и пожароопасных производствах), стои­
мостью и др.
Несмотря на многообразие существующих ПТК, можно выделить
несколько функциональных элементов, присущих большинству из них:
• программируемые логические контроллеры;
• интеллектуальные устройства связи с объектом;
• устройства связи с оператором (дисплеи, панели операторов и т.д.);
• промышленные сети;
• рабочие станции и серверы различного назначения;
• системное (встраиваемое) программное обеспечение;
• системы (пакеты) для разработки прикладного программного
обеспечения.
4.2.1. Характеристики ПТК
В последние годы рынок средств автоматизации в России изменился
коренным образом — потребителям стала доступна практически вся
170
гамма продукции данного сектора рынка, выпускаемая как отечествен­
ными, так и зарубежными производителями. Это привело, с одной сто­
роны, к достаточно жесткой конкуренции производителей, а с другой
стороны — к некоторой растерянности потенциальных заказчиков,
оказавшихся перед огромным числом различных предложений.
Ввиду этого представляется важным рассмотреть те свойства ПТК,
которые отличают их с точки зрения использования, позволяют потен­
циальным пользователям лучше понять разницумежду отдельными ком­
плексами, связать определенные свойства объектаи требования ксистеме
его автоматизации с характеристиками и параметрами конкретных ПТК.
1. Структура ПТК. Она определяется средствами и характеристи­
ками взаимосвязи отдельных компонентов комплекса (контроллеров,
пультов оператора, удаленных блоков ввода-вывода), т.е. его сетевыми
возможностями. Гибкость и разнообразие возможных структур ПТК
зависят от числа имеющихся сетевых уровней, возможных типов свя­
зи на каждом уровне сети (шина, звезда, кольцо), параметров сети
каждого уровня: возможных типов кабеля, максимально возможных
расстояний, максимального числа узлов (компонентов комплекса),
подключаемых к каждой сети, скорости передачи информации при
разных типах кабеля, методе доступа компонентов к сети (случай­
ный по времени доставки сообщений или гарантирующий время их
доставки).
Указанные свойства ПТК характеризуют: возможность распреде­
ления аппаратуры в производственных цехах; объем производства,
который может быть охвачен системой автоматизации, реализованной
на данном ПТК; предельную динамику передачи оперативной ин­
формации через любую из имеющихся сетей, возможность переноса
блоков ввода-вывода непосредственно к датчикам и исполнительным
механизмам, что позволяет существенно сэкономить затраты на кабель
и уменьшить помехи из-за передачи низковольтных аналоговых сиг­
налов на большие расстояния. Для компенсации аварийных ситуаций,
требующих согласованной во времени работы ряда контроллеров,
важно обеспечение требуемого времени передачи приоритетных сиг­
налов по сети. Наличие информационной сети для передачи больших
массивов информации между пультами операторов и между ними
и сервером корпоративной сети предприятия, а также характеристики
этой сети (включая ее протоколы) позволяют судить о возможностях
связей рассматриваемой системы автоматизации с другими более вы­
сокими уровнями управления производства.
2. Стандартизация, типизация и открытость ПТК. Современной
тенденцией развития микропроцессорных комплексов контроля
и управления является стандартизация и типизация их отдельных
блоков и компонентов и частично, как следствие этого, все более рас­
ширяющаяся открытость систем.
171
Определение открытой системы уже давалось ранее при классифи­
кации контроллеров. Аналогично понятие открытости определяется
и для комплекса средств ПТК—соответствие современным промыш­
ленным стандартам, которое обеспечивает возможность интеграции
компонентов ПТК с другими открытыми системами или с их состав­
ными компонентами.
Закрытые системы разрабатываются по внутренним стандартам
отдельных предприятий. При закрытой (фирменной) архитектуре
изменения (модификации) контроллера возможны только компо­
нентами конкретного производителя. Сами изменения достаточно
ограниченны и заранее оговорены производителем. Заказчик, однаж­
ды применив закрытую систему, навсегда оказывается привязанным
к ее разработчику. Система, зависящая от одного производителя, пре­
кращает свое развитие в случаях, когда фирма-производитель вне­
запно уходит с рынка, увеличивает стоимость продукта или снимает
его с производства.
Надо иметь в виду, что в этих определениях под компонентами
понимаются не только аппаратные, но и программные средства.
Выше было дано самое распространенное определение открытых
систем, которое, однако, обычно должно трактоваться шире: оно
должно подразумевать, что система не только удовлетворяет стан­
дартам, но стандарт является общепризнанным, а в свободной про­
даже имеются аналогичные системы (модули, компоненты) других
производителей по конкурентоспособным ценам.
Понятие открытости достаточно многогранно и не стандартизо­
вано. Поэтому практически можно говорить только о степени откры­
тости системы, указывая, что именно понимается под открытостью
в каждом конкретном случае. Степень открытости можно оценить
количеством ее реализованных признаков. Ее можно рассматривать
на разных уровнях иерархии программного и аппаратного обеспе­
чения системы или ее составных частей. Открытыми, например,
могут быть:
• физические интерфейсы, протоколы обмена, методы контроля
ошибок, системы адресации, форматы данных, типы организа­
ции сети, интерфейсы между программами, диапазоны изменения
аналоговых сигналов;
• пользовательские интерфейсы, языки программирования конт­
роллеров, управляющие команды модулей ввода-вывода, языки
управления базами данных, операционные системы, средства связи
аппаратуры с программным обеспечением;
• конструкционные элементы (шкафы, стойки, корпуса, разъемы,
крепежные элементы).
Открытость системы обусловливает наличие у них некоторых
свойств:
172
модульность;
платформенная независимость;
взаимозаменяемость с компонентами других производителей;
интероперабельность (возможность совместной работы) с компо­
нентами других производителей;
» масштабируемость.
Модульность — это способность аппаратного или программного
обеспечения к модификации путем добавления, удаления или заме­
ны отдельных модулей (компонентов системы) без воздействия на
оставшуюся ее часть.
Платформенная независимость — возможность выполнения про­
грамм на разных аппаратно-программных платформах.
Взаимозаменяемость — это возможность замены любого модуля
(компонента) системы на аналогичный компонент другого произво­
дителя, имеющийся в свободной продаже, и возможность обратной
замены. Это свойство позволяет ускорить замену отказавшего модуля,
улучшить качество уже работающей системы, исключить ценовую
зависимость от поставщика.
Интероперабельность (аппаратно-программная совместимость) —
это способность открытых систем использовать программы, выпол­
няющиеся одновременно на различных платформах в общей сети,
с возможностью обмена информацией между ними. Иначе говоря,
программные компоненты системы, расположенные на разных ап­
паратных платформах в общей сети, должны быть способны работать
как часть единой системы. Интересным и важным шагом на пути
обеспечения интероперабельности явилось применение в автомати­
зации интернет-технологий, когда передача информации к рабочей
станции или к оператору от контроллера осуществляется с помощью
Web-технологий (в том числе удаленно), а ее представление пользо­
вателю выполняется с помощью Web-браузера.
Масштабируемость (наращиваемость) — это возможность приме­
нения одного и того же аппаратного (контроллеры, операторные пане­
ли, модули ввода-вывода) и программного обеспечения (баз данных,
пользовательских интерфейсов, средств коммуникации) для систем
разного размера—больших и малых. Масштабируемая система должна
обеспечивать возможность простого наращивания функциональных
возможностей и размеров путем включения новых компонентов как
в аппаратную так и в программную часть системы без модификации
старых, опробованных программных и аппаратных модулей.
Отметим, что закрытые системы тоже могут быть модульными,
интероперабельными, масштабируемыми. Отличие открытых систем
состоит в том, что все перечисленные свойства должны выполняться
для компонентов, изготовленных разными производителями по еди­
ным стандартам и имеющихся в свободной продаже.
•
•
•
•
173
По мнению многих специалистов, понятие открытости не под­
разумевает открытость программного кода, хотя открытость кода
позволяет добавлять в систему модули других производителей, и это
является признаком открытости. Однако открытость исходного кода
существенно снижает надежность системы вследствие потенциальной
возможности появления в ней дополнительных ошибок, внесенных во
время модификации и компиляции. Поэтому открытость программ­
ного кода является по крайней мере спорным признаком открытости
системы.
Разновидностью и предельным случаем открытых систем являются
системы, удовлетворяющие идеологии «Plug&Play» («вставил — и за­
играло»), когда вообще не требуется усилий для конфигурирования
или настройки модулей после их подключения или замены на модули
других производителей. Идеология «Plug&Play» существенно снижает
требования к квалификации системных интеграторов, сокращает срок
ввода системы в эксплуатацию, а также издержки потребителей на
техническую поддержку и эксплуатацию.
Применение открытых систем обеспечивает следующие преиму­
щества и качества:
• снижение вложений на проектирование системы и предпроектные
изыскания благодаря наличию на рынке большого выбора готовых
компонентов открытых систем; особенно большой экономический
эффект достигается при создании крупных систем в единичных
экземплярах, когда экономия пропорциональна размеру системы;
• упрощение процесса интеграции — открытость подразумевает воз­
можность простой интеграции разнородных систем;
• экономия финансовых средств благодаря низкой стоимости жиз­
ненного цикла (в основном вследствие конкуренции независимых
производителей и отсутствия диктата цен монопольным постав­
щиком);
• увеличенное время безотказной работы — благодаря выбору наи­
более надежных модулей из имеющихся на рынке;
• минимизированное время вынужденного простоя; благодаря боль­
шому выбору взаимозаменяемых модулей всегда можно найти по­
ставщика, имеющего нужные модули на складе;
• минимальные усилия на ввод в действие как аппаратуры, так
и программного обеспечения благодаря исключению времени на
дополнительное обучение, как монтажной организации, так и экс­
плуатирующего персонала;
• простое изменение конфигурации системы для работы с новыми
технологическими процессами, вытекающее из свойств модуль­
ности и расширяемости открытых систем;
• минимальный объем дополнительного обучения персонала и, как
следствие, простота обслуживания;
174
• применение новейших технологий и технических решений бла­
годаря широкому выбору наилучших решений и специализации
производителей;
• увеличение времени жизни системы — благодаря взаимозаменяе­
мости отработавшего ресурс и нового оборудования, а также воз­
можности наращивания функциональных возможностей;
• уменьшение сроков создания системы в результате применения
имеющихся в продаже компонентов;
• уменьшение риска получения системы, не удовлетворяющей
техническому заданию, поскольку большой выбор совместимых
между собой изделий, имеющихся в продаже, всегда позволяет
подобрать компоненты с нужными характеристиками.
Недостатки открытых систем видны не сразу. И все же они имеются.
При создании автоматизированной системы на базе открытых
решений ответственность за работоспособность системы в целом
ложится на системного интегратора, а не на производителя системы.
Поэтому при появлении в системе невоспроизводимых отказов некому
предъявить претензии, поскольку поставщиков много, а системный
интегратор отвечает только за монтаж и пусконаладку системы.
Универсальность всегда находится в противоречии с простотой.
Протоколы, интерфейсы, сети и программное обеспечение, чтобы
быть универсальными, должны быть достаточно сложными, следо­
вательно, дорогими и ненадежными, хотя снижение надежности,
вызванное сложностью, компенсируется ее повышением благодаря
большому тиражу и, следовательно, продолжением отладки после
начала продаж.
Эффект снижения надежности программного обеспечения, части
которого пишутся разными производителями. Когда оно пишется
внутри одной фирмы, можно предвидеть почти все ситуации, которые
могут возникнуть на границе между ПО и пользователем или аппа­
ратурой. Если же в этом участвуют несколько разных команд в раз­
ных фирмах, между которыми нет взаимодействия, то становится
непонятно, кто отвечает за надежность всего комплекса. Кроме того,
с ростом числа программистов, участвующих в создании программ­
ного обеспечения, по законам статистики увеличивается вероятность
того, что появится хотя бы один программист, не умеющий писать
надежные программы. А этого достаточно, чтобы сделать всю систему
ненадежной. Надежность и безопасность открытых систем остаются
темами, требующими решения.
Иногда к признакам открытости относят открытость исходных
кодов. Однако наличие открытых кодов снижает надежность про­
граммной системы, поскольку нарушается принцип инкапсуляции,
необходимость которого обоснована в идеологии объектно-ориен­
тированного программирования.
175
Конечно, не надо думать, что мы везде и всюду будем использо­
вать только открытые системы. Иногда недостатки открытых систем
выступают в качестве плюсов систем закрытых. Например, закрытые
системы могут отличаться от открытых проработанностью решений,
которые принимались в рамках тесного взаимодействия четко очер­
ченного круга специалистов конкретной компании, достижением
высоких показателей по каким-то отдельным параметрам (быстро­
действия, надежности, габаритам и т.д.), которых было трудно достичь,
принимая типовые решения.
Как и любая стандартизация, открытость накладывает ограничения
на диапазон возможных технических решений, затрудняя творчество
и снижая вероятность появления новых и плодотворных технических
решений. В качестве ограничений для принятия открытых решений
могут служить ограничения по применяемым микропроцессорам,
операционным системам и т.п.
При создании систем автоматизации достаточно замкнутых, поч­
ти не взаимодействующих с внешним миром объектов вопросы ти­
пизации и открытости закупаемых ПТК имеют малое значение, но
при автоматизации участков производства, имеющих взаимосвязи
с другими агрегатами и цехами, с другими сетями на разных уровнях
управления, при учете будущих модернизаций и расширений системы
автоматизации, при необходимости ввода нового ПТК в уже суще­
ствующую систему автоматизации вопросы типизации и открытости
во всех или в отдельных вышеперечисленных аспектах могут играть
существенную роль и даже быть одним из важнейших критериев при
выборе наилучшего варианта ПТК.
3. Характеристики контроллеров. Свойства и параметры основного
компонента ПТК — контроллера — уже рассматривались в данной
книге. Если еще раз кратко выделить важнейшие для пользователей
показатели, то к ним можно отнести тип основной вычислительной
платы, разрядность, рабочую частоту, наличие и объем различных
видов памяти: ОЗУ, энергонезависимой, ПЗУ (небезынтересно также
знать, каков объем памяти, предназначенный для программ пользо­
вателя), операционная система контроллера, максимальное число
различных входов и выходов (аналоговых, дискретных, импульсных),
которые можно подключить к контроллеру. Важным обстоятельством
является наличие в конкретном ПТК ряда модификаций контролле­
ров, отличающихся друг от друга мощностью, памятью, условиями
работы, резервируемостью и различными другими параметрами.
Знание вышеуказанных характеристик позволит создать систему
управления, оптимально соответствующую требованиям процесса,
не допуская применения излишне мощной и дорогой аппаратуры.
Наличие ряда модификаций контроллеров позволит к решению этой
176
задачи подойти максимально гибко для различных участков автома­
тизируемого объекта.
4. Характеристики блоков ввода-вывода. Блоки ввода-вывода мо­
гут быть встроены в конструктив контроллера либо располагаться
в отдельных выносных конструктивах. В первую очередь важно их
разнообразие в части числа сигналов, с которым работаеттот или иной
блок, и параметров этих сигналов. Существенные свойства блоков —
разрядность и точность преобразователей блоков; наличие, варианты
и параметры гальванической развязки; наличие искробезопасных бло­
ков; наличие блоков с предварительной вычислительной обработкой
поступающих сигналов.
При анализе этих компонентов ПТКследуетточно согласовывать их
с имеющимся и проектируемым набором датчиков и исполнительных
механизмов автоматизируемого объекта. Для объектов пожаро- и взры­
воопасных необходимо наличие искробезопасных блоков. Важно знать
метрологическую точность преобразования измеряемых сигналов.
5. Характеристики пультов оператора. Поскольку для разных объ­
ектов и разных классов задач могут потребоваться кнопочные пульты
управления и элементы визуализации, предпочтительно выбирать
ПТК, у которого существует ряд модификаций пультов оператора или
в их качестве могут использоваться различные модификации персо­
нальных ЭВМ. Возможность выбора варианта пульта оператора по
размеру их экранов, типу клавиатур обеспечивает его экономичное
согласование с требуемыми параметрами, влияет на удобство и ком­
фортность работы операторов.
6. Динамика работы ПТК. Важными для многих применений яв­
ляются динамические параметры ПТК, определяющие возможное
быстродействие разрабатываемых цепей контроля и управления. От­
дельными показателями динамики являются:
— минимальный цикл опроса датчиков и минимальное время
реакции на аварийные сигналы при их обработке в цепях ава­
рийной защиты: внутри одного контроллера, при передаче
управляющих сигналов через системную сеть, при прохождении
сигнала через пульт оператора;
— минимальный цикл смены динамических данных в кадре на
пульте оператора и смены самих кадров, а также минимальное
время реакции на команду оператора с пульта;
— минимальное время перезапуска как всей системы, так и только
отдельных контроллеров после перерывов питания.
Указанные показатели имеюттем более важное значение, чем более
быстро протекают технологические процессы в автоматизируемом
объекте.
7. Надежность работы ПТК. Основные характеристики надежно­
сти не могут достаточно точно определяться для ПТК такой удобной
177
и привычной характеристикой, как число часов наработки на отказ.
Это обусловлено тем, что ввиду высокой надежности современных
вычислительных элементов и плат да еще и сквозного контроля блоков
и конструктивов в процессе их изготовления отказы в работе ком­
понентов ПТК весьма редки и провести достаточно чистый экспе­
римент, чтобы набрать необходимую статистику для расчета числа
часов наработки на отказ, хотя бы по средней по объему выборке,
производители обычно не могут, тем более что сами вычислительные
элементы модифицируются быстрее, чем мог бы закончиться ука­
занный эксперимент. По этой причине характеристики надежности
правильнее оценивать косвенными показателями и возможностями
ПТК, которые перечислены ниже:
— глубина и полнота имеющихся диагностических тестов опреде­
ления неисправностей в отдельных компонентах ПТК;
— возможности, варианты и полнота резервирования отдельных
компонентов ПТК: сетей, контроллеров, блоков ввода-вывода,
пультов оператора;
- наличие встроенных в систему блоков бесперебойного питания
(аккумуляторов) и время их работы при прекращении питания
системы от сети, а также возможность и длительность перерыва
питания без нарушения функций управления.
Поскольку использование резервирования и его полнота напрямую
связаны со стоимостью системы, важно правильно оценить необ­
ходимость и желательный вид резервирования разных частей ПТК
в разрабатываемой системе автоматизации: частей для аварийных
контуров, для блокировочных зависимостей, для контуров регулиро­
вания, для цепей контроля, а уже после этого оценивать подходящие
для данного объекта возможности резервирования различных ПТК.
Надежность той или иной ПТК косвенно определяется ее прести­
жем на рынке, наконец, поведением ПТК в работающих системах
автомазизации по отзывам персонала, эксплуатирующего эти системы.
8. Условия окружающей среды. Эти свойства в основном характери­
зуют варианты конструктивного исполнения отдельных компонентов
ПТК. Они определяют особенности наружной среды, в которой может
устанавливаться система и (или) ее отдельные части:
— диапазон температур и влажности окружающей среды;
— имеющаяся защита от влажности и пыли (этот показатель боль­
шей частью указывается по значению европейского стандар­
та IP);
- максимальное содержание в среде различных агрессивных газов;
- максимальные вибрация и ударные нагрузки, которым может
подвергаться система;
- максимальные электрические и магнитные помехи, допускае­
мые при работе системы;
178
— возможность работы системы при отсутствии качественного
заземления ее компонентов.
В зависимости от отрасли промышленности, особенностей про­
изводства, климата в каждом конкретном случае выдвигаются на
первый план те или иные свойства окружающей среды, являющиеся
важнейшими ограничениями при выборе ПТК. Следует отметить,
что почти всегда существует возможность обойти неблагоприятные
свойства окружающей среды путем помещения аппаратуры в специ­
альные помещения, достаточно изолированные от неблагоприятных
внешних воздействий, но обычно этот вариант оказывается доста­
точно дорогим, так как требует создания и эксплуатации помещений
с кондиционированием, очисткой воздуха, созданием в помещении
избыточного давления, экранированием помещения и т.п.; кроме того,
отказ от распределения по производству компонентов ПТК приводит
к значительному увеличению кабельных линий системы, что также
сказывается на стоимости ПТК.
9. Программное обеспечение ПТК. Неотъемлемой частью ПТКявляется программное обеспечение, которое подразделяется на следу­
ющие части:
— системное программное обеспечение контроллеров;
— системы подготовки программ для контроллеров;
— программное обеспечение для визуализации информации на
пультах операторов;
— сервисные программы параметризации отдельных модулей;
— прилагаемые к ПТК программы САПР и прикладные пакеты.
Полнота, простота, удобство программного обеспечения опреде­
ляют важнейшие показатели проектирования и эксплуатации системы
автоматизации: время разработки системы и необходимую квалифи­
кацию разработчиков, эффективность эксплуатации системы и ком­
фортность работы с ней операторов и обслуживающего персонала,
возможности и легкость расширения и модернизации системы.
В связи с многогранностью этого вопроса и его важностью рассмот­
рение составных частей программного обеспечения ПТК вынесено
в отдельный раздел этой книги.
10. Организационно-экономические факторы внедрения ПТК. Эко­
номические и организационные показатели заказа, внедрения, сопро­
вождения ПТК можно подразделить на следующие группы:
— сопоставительная стоимость ПТК, хотя ее анализ является
довольно неопределенным — продавцы меняют стоимость
в зависимости от конкурентных условий, объема заказа, своей
политики на данном секторе рынка, в связи с чем целесообраз­
но знать хотя бы одну ориентировочную косвенную характе­
ристику стоимости ПТК — стоимость базовых контроллеров
и основных пакетов программного обеспечения;
179
— имеющийся опыт реализации данного ПТК в промышленности,
который определяется общим числом предприятий, работа­
ющих с этим ПТК, числом внедрений на агрегатах, аналогичных
автоматизируемому объекту;
- особенности работы реализатора ПТК по его внедрению и со­
провождению на предприятии заказчика: сроки поставки
и внедрения; формы оплаты; наличие технических и ремонт­
ных центров по сопровождению системы; гарантийные обя­
зательства; варианты обучения персонала заказчика; наличие
и полнота документации на русском.
4.2.2. Классификация ПТК
В зависимости от того как сочетаются в рамках конкретного ком­
плекса перечисленные выше характеристики, ПТК подразделяют­
ся на классы, каждый из которых ориентируется на определенную
сферу применения или набор функций. В относительно устоявшейся
классификации их подразделяют, начиная с класса, минимального по
функциям и объему автоматизируемого объекта, и заканчивая клас­
сом, который может охватывать задачи планирования и технического
управления на всем предприятии:
1) ПТК на базе локальных ПЛ К;
2) ПТК для создания сетевого комплекса контроллеров;
3) ПТК для создания распределенных систем.
Приведенная классификация помогает охватить всю гамму со­
временных ПТК и выделить основные черты и отличия отдельных
классов этих средств. Однако данная классификация носит прибли­
женный характер. Четких границ между классами ПТК не существует,
а в последние годы они тем более размываются, так как открытость
и стандартность отдельных компонентов таких комплексов позволяет
компоновать их из разных средств, соединять различными типовыми
сетями и создавать систему управления из отдельных компонентов,
выпускаемых разными фирмами и относящихся к разным классам.
ПТК на базе локальных ПЛК (Local PIC). Единичный локальный
контроллер выполняет все необходимые функции системы автомати­
зации на достаточно изолированном небольшом производственном
узле, при этом не требуется его связь с другими средствами автомати­
зации. Он либо является автономным конструктивом, подсоединяе­
мым к автоматизируемому объекту, либо встраивается в оборудование
и является его неотъемлемой частью.
Контроллеры обычно рассчитаны на десятки входов-выходов
от датчиков и исполнительных механизмов; их вычислительная
мощность невелика; они реализуют простейшие типовые функции
обработки измерительной информации, логического управления,
регулирования.
180
ПТКдля создания сетевого комплекса контроллеров (РИСNetWork).
Этот класс микропроцессорных средств наиболее широко исполь­
зуется во всех отраслях промышленности. Обычный состав сетевого
комплекса контроллеров:
• несколько одно- или разнотипных контроллеров, обычно одной
серии;
• одна или несколько дисплейных рабочих станций операторов;
• промышленная сеть, соединяющая контроллеры и рабочие стан­
ции между собой;
• полевая сеть, позволяющая выносить блоки ввода-вывода конт­
роллера к отдельным датчикам и исполнительным механизмам.
Контроллеры определенной серии обычно содержат ряд модифи­
каций, отличающихся друг от друга мощностью, быстродействием,
объемом памяти, возможностями резервирования, приспособлением
к разным условиям окружающей среды, максимальным числом кана­
лов входов-выходов. Это облегчает использование сетевого комплекса
для разнообразных технологических объектов, поскольку позволяет
наиболее точно подобрать контроллеры требуемых характеристик
под отдельные узлы автоматизируемого агрегата и разные функции
контроля и управления.
В качестве дисплейных пультов почти всегда используются те или
иные ПК в обычном или промышленном исполнении с клавиатура­
ми — обычной алфавитно-цифровой и специальной функциональной,
с одним или несколькими мониторами, имеющими большой экран.
Промышленная сеть может иметь различную структуру: шину,
кольцо, звезду; она часто подразделяется на сегменты, связанные
между собой маршрутизаторами. Информация, передаваемая по сети,
достаточно специфична — это ряд как периодических, так и случайных
во времени коротких сообщений. К их передаче предъявляются тре­
бования: сообщения ни в коем случае не могут быть утеряны (должна
быть гарантия их доставки адресату); для сообщений высшего при­
оритета (например, об авариях) должен быть гарантирован интервал
времени их передачи.
Наличие в ряде контроллеров выносных блоков ввода-вывода, свя­
занных с самим контроллером полевой сетью, позволяет расширить
число обрабатываемых каждым контроллером датчиков, снизить по­
мехи в цепях измерения, уменьшить кабельную сеть на производстве.
Прикладное программное обеспечение сетевых комплексов конт­
роллеров состоит из двух взаимосвязанных частей, ориентированных
на специалистов по автоматике, а не на квалифицированных програм­
мистов, что существенно упрощает внедрение комплексов. Одна часть
программного обеспечения — это SCADA-программа, реализующая
построение и функционирование рабочих станций операторов. Дру­
гая часть — специализированные технологические языки контроля
787
и управления и наборы типовых программных модулей, с помощью
которых реализуются почти все конкретные функции контроллеров.
Большинство сетевых комплексов контроллеров имеет ограниче­
ния как по сложности выполняемых функций (обычно они реализуют
типовые функции измерения, контроля, учета, регулирования, блоки­
ровки) , так и по объему самого автоматизируемого объекта в пределах
десятков тысяч измеряемых и контролируемых величин (обычно они
реализуют управление отдельным технологическим агрегатом).
Большинство зарубежных фирм поставляет сетевые комплексы
контроллеров (порядка сотен входов-выходов на контроллер): DL205,
DL305 фирмы Koyo Electronics; TSX Micro фирмы Schneider Automa­
tion; SLC-500 фирмы Rockwell Automation; CQM1 фирмы Omron, S-300
фирмы Siemens. Среди российских производителей, выпускающих
такие ПТК, можно выделить компанию ОВЕН.
ПТК для создания распределенных систем управления (Distributed
Control Systems — DCS). Это наиболее мощный по возможностям и по
охвату производства класс взаимосвязанных контроллеров, практи­
чески не имеющий границ ни по выполняемым производственным
функциям, ни по объему автоматизируемого производственного
объекта. Нередки примеры использования одной такой системы для
автоматизации производственной деятельности целого крупномас­
штабного предприятия или холдинга.
Такие ПТК имеют несколько уровней промышленных сетей, со­
единяющих контроллеры между собой и с рабочими станциями опе­
раторов (например, нижний уровень, используемый для связи конт­
роллеров и рабочей станции отдельного компактно расположенного
технологического узла, и высший уровень, реализующий связи средств
управления отдельных узлов друг с другом и с рабочими станциями
операторов всего автоматизируемого участка производства). В ряде
случаев развитие сетевой структуры идет в направлении создания ряда
быстродействующих полевых сетей, соединяющих отдельные контрол­
леры как с удаленными от них блоками ввода-вывода, так и с интеллек­
туальными приборами (датчиками и исполнительными устройствами).
Отметим ряд свойств, присущих данному классу контроллерных
средств:
• наличие мощных по вычислительным возможностям модифика­
ций контроллеров, что позволяет реализовать в них многие совре­
менные высокоэффективные, но сложные и объемные алгоритмы
контроля, диагностики, управления;
• использование контроллеров различных серий;
• использование протяженных промышленных сетей, позволяющих
подсоединять к одной шине сотни узлов (контроллеров и рабочих
станций) и распределять эти узлы на значительные расстояния
(десятки километров);
182
• работа взаимодействующих рабочих станций в клиент-серверном
режиме и в структуре Интранета;
• достаточно проработанное включение в систему информацион­
ных сетей для связи рабочих станций операторов друг с другом,
их связи с серверами баз данных, взаимодействия данной системы
с корпоративной сетью предприятия, возможности построения
необходимой иерархии управляющих центров планирования, дис­
петчеризации и оперативного управления, вывода нужной инфор­
мации за пределы данного предприятия с помощью глобальной
сети Интернет;
• наличие в составе системы ряда прикладных пакетов программ,
реализующих функции эффективного управления отдельными
агрегатами (многосвязное регулирование, оптимизация и т.д.),
функции диспетчерского управления участками производства
(компьютерная поддержка принятия управленческих решений),
функции технического и экономического учета и оперативного
планирования производства в целом.
В некоторых источниках распределенные системы управления
подразделяют на системы малого масштаба (DCS Smoller Scale) и пол­
номасштабные системы (DCS Full Scale). С помощью такой класси­
фикации хотят показать степень проникновения элементов ПТК на
различные уровни производства и отразить определенные количе­
ственные масштабы их применения (по удаленности элементов друг от
друга, количеству этих элементов и т.д.). Однако такое деление весьма
условно — точных критериев и границ не существует. Условно оно уже
и в силу того, что ПТК развиваются, сферы их применения расширя­
ются. Элементы даже развитых ПТК могут применяться в конкрет­
ных случаях ограниченно, что также может создавать неправильное
суждение о ПТК с рассматриваемой точки зрения.
Приведем следующие примеры маломасштабных ПТК: СопtrolLogix — Rockwell Automation; Simatic S7-400 — Siemens;
TSX Quantum — Schneider Automation и следующие примеры пол­
номасштабных: Symphony — ABB; TPC и PlantScape — Honeywell;
Damatic XDi — Valmet; Centum CS — Yokogava, I/A Series — Foxboro,
Delta-V Fisher — Rosemount.
Сегодня создание распределенных систем является ведущим на­
правлением в области проектирования сложных систем автоматиза­
ции. Далее этому направлению, составным компонентам соответству­
ющих ПТК в книге будет уделено отдельное внимание.
4.2.3. Особенности выбора ПТК для конкретного объекта
Задача выбора рациональной системы управления является доста­
точно сложной. Во-первых, заказчикхочет добиться наилучших пока­
зателей не по одному, а по ряду критериев: техническим параметрам,
783
надежности, мощности программного обеспечения, удобству работы,
стоимости, простоте внедрения, сопровождения и ремонтов и т.п.;
во-вторых, гибкая политика фирм-продавцов допускает значитель­
ные колебания цены на продукцию и услуги в зависимости от форм
и условий закупки; в-третьих, важно при многочисленности предло­
жений не пропустить при сопоставительном анализе те фирмы и ту их
продукцию, которая может представить наибольший интерес с точки
зрения данного конкретного проекта; наконец, надо еще учитывать
и то, что рынок средств автоматизации является очень подвижным
и динамичным: продукция быстро стареет, часто появляются новые
фирмы и новые типы средств, знание рынка требует непрерывного
обновления и уточнения информации. Все эти факторы обусловливают
определенную целесообразную процедуру выбора рациональной ПТК.
Рассмотрим поэтапно содержание такой процедуры.
1. На основе изучения автоматизируемого объекта, условий его
работы и задач, поставленных перед системой автоматизации, со­
ставляются технические требования на ПТК.
2. Проводится предварительное ознакомление с текущим состо­
янием имеющихся на рынке ПТК на базе изучения их свойств, ха­
рактеристик, параметров с целью выделения нескольких фирм, про­
дукция которых наилучшим образом могла бы подойти для решения
поставленной задачи.
3. Оформляются приглашения выделенным фирмам для участия
в тендере (конкурсе) по заказу ПТК и производится рассылка им тех­
нических требований.
4. После получения от фирм технико-коммерческих предложе­
ний наступает наиболее ответственная и трудоемкая часть работы:
анализ поступивших предложений, их сопоставление и необходимая
корректировка, проводимая совместно с каждой отдельной фирмой,
участвующей в тендере, с целью правильного и однотипного учета
ими всех пунктов технических требований и получения полностью
сравнимых по всем пунктам технико-коммерческих предложений.
5. Определяется и обосновывается совокупность критериев, по
которым должны сопоставляться полученные предложения фирм,
и производится их ранжировка. Как правило, такими критериями
выступают:
- технический уровень оборудования и программного обеспе­
чения;
- уровень обеспечения требуемой надежности;
— уровень полноты программных средств и простота конфигу­
рирования;
— степень защиты от проникновения в систему;
- опыт применения данного оборудования на аналогичных объ­
ектах;
184
- уровень доверия к поставщику оборудования и программного
обеспечения;
- способность поставщика оборудования взять на себя роль раз­
работчика, т.е. выполнить весь спектр работ по созданию систем
управления — от обследования технологического объекта до
внедрения;
- адекватность цены и предлагаемых средств и услуг.
6. В полученных технико-коммерческих предложениях выделя­
ются характеристики, соответствующие выбранным на предыдущем
этапе критериям, составляются сводные документы, позволяющие
экспертам провести сопоставление представленных на тендер ПТК.
7. О гбираются высококвалифицированные специалисты в области
решаемой задачи, и из них формируется группа экспертов, которая
должна на базе рассмотрения сводных документов провести обосно­
ванный сопоставительный анализ представленных предложений по
каждому из заданных критериев.
8. Проводится заседание группы экспертов: изучение ими сводных
документов и оценка каждым экспертом группы каждого предложе­
ния по каждому заданному критерию. Полученная математически
формализованная задача многокритериального выбора решается на
ЭВМ; результат — обобщенная по всем критериям ранжировка всех
представленных предложений.
9. Группа экспертов утверждает полученный результат и передает
его на рассмотрение руководства предприятия для принятия решения
о заказе ПТК у фирмы, предложившей наилучший вариант (победив­
шей в тендере).
Рассмотренная процедура, конечно, являетсялишьпримеромтого,
что может собой представлять такая последовательность действий.
В каком-то конкретном случае рассматриваемая процедура может не
содержать тех или иных действий или, напротив, дополняться теми,
которые не нашли места в рассмотренном примере. При этом надо
иметь в виду, что для российских предприятий выбор ПТК будет иметь
свои особенности.
Выбор ПТК на отечественном рынке представляется достаточно
сложной задачей. Сложность заключается не только в том, что требу­
ется сопоставить по разным критериям большое число многообраз­
ных свойств, характеристик, параметров различных сравниваемых
систем и затем найти некий разумный компромисс, обеспечивающий
выбор рациональной системы для заданного конкретного объекта.
Дело в том, что почти вся информация, имеющаяся у потенциальных
заказчиков, носит рекламный характер. К сожалению, в стране прак­
тически отсутствует объективная и полная информация об имеющихся
на рынке средствах автоматизации разных классов, их свойствах, ха­
рактеристиках, отличияхдруг от другаввиде каталогов, справочников,
785
независимых обзоров, экспертных сопоставлений. У нас крайне мало
настоящих консалтинговых организаций, имеющих высококвалифи­
цированных, полностью независимых экспертов, которые могут дать
объективную экспертизу предложений разных фирм, помочь в выбо­
ре, определить с учетом имеющихся средств наиболее рациональную
стратегию автоматизации. В стране пока отсутствует опыт заказа и при­
обретения средств автоматизации в условиях рынка предложений.
Ознакомление с текущим состоянием на рынке, местом на нем тех
или иных компаний и их продукции осуществляется, как правило, на
основе рейтингов. Аккумулируя многочисленные мнения и оценки
объекта, рейтинг является показателем его популярности, значимости,
качества и т.д., выраженным числовым значением или номером места
в ряду аналогичных объектов. Это довольно емкий и красноречивый
показатель, поэтому он широко используется в качестве аргумента
при обосновании применения определенной технической политики
(выборе аппаратной и программной базы, ПТК). Однако не всякому
рейтингу следует доверять. Надо иметь в виду, что рейтинги, как пра­
вило, опираются на статистически обработанную совокупность субъ­
ективных оценок, что оставляет их авторам возможность для влияния
на конечные результаты в целях реализации или особой рыночной
политики, или маркетингового продвижения и рекламы конкретной
продукции. Кроме того, искаженные оценки могут быть результатом
просто некорректно проведенных рейтингов, использующих недо­
статочное количество компетентных и независимых респондентов
на фоне ограниченного множества номинантов.
Для оценки степени доверия тому или иному рейтингу нужно уста­
новить его источник и проанализировать доступные данные о нем.
Чтобы источник мог рассматриваться как достоверный, он должен
быть признан авторитетным и непредвзятым, обладающим широ­
кой интерактивностью, опираться на оценки проверенных экспертов
и (или) мнение достаточно большой выборки из числа квалифициро­
ванных специалистов в рассматриваемой области. Сами же рейтинги
из такого источника должны обнародоваться на регулярной основе
и иметь долгую историю, чтобы успело сложиться и устояться пред­
ставление о степени их достоверности на основе ранее выданных ими
рейтинговых оценок.
В той или иной мере удовлетворяя перечисленным требовани­
ям, в роли источников рейтингов чаще всего выступают различные
аналитические структуры — информационно-статистические и экс­
пертные учреждения, частные компании, рейтинговые агентства,
аналитические центры и т.п., занимающиеся обработкой информации
в интересах различных ведомств или в коммерческих целях, и специ­
ализированные издания. Рейтинги, формируемые аналитическими
структурами, как правило, или имеют закрытый статус, или является
786
платной услугой. Основными источниками достаточно объективных
и при этом общедоступных рейтингов остаются специализированные
издания.
Используя рейтинги специализированных изданий, следует учи­
тывать ряд положений.
Специализация каждого издания имеет свои границы и особенно­
сти, которые неизбежно отражаются на рейтинге. Об этом полезно
вспомнить, если обнаружится, например, полное несовпадение в рей­
тингах контроллеров, опубликованных в двух изданиях по автомати­
зации, но ориентированных одно — на металлургию, а другое — на
коммунальное хозяйство.
При всем уважении к интернет-технологиям более высокого до­
верия в большинстве случаев заслуживает информация из «бумаж­
ных» источников (хотя бы потому, что ее преподнесение существенно
дороже, и это отсекает случайные источники, а материализованная
форма контента задает более высокий уровень ответственности за
опубликованное).
Рассматривая рейтинговые оценки, нужно делать поправки с уче­
том национальной и территориальной принадлежности изданий и их
респондентов.
4.3.
СРЕДСТВА ОРГАНИЗАЦИИ ЧЕЛОВЕКО-МАШИННОГО
ИНТЕРФЕЙСА
Безусловно, современные системы управления не обходятся без раз­
витых интерактивных средств. Индикаторная панель и клавиатура —
вот те компоненты, с помощью которых оператор может наблюдать
за технологическим процессом и управлять его ходом. Широкая рас­
пространенность (если не сказать — обязательность) этих функций
в системах управления привела к тому, что производители унифици­
рованных средств автоматизации сделали их обязательными компо­
нентами выпускаемых ими ПТК.
В первую очередь устройства HMI (от англ, human-machine inter­
face — «человеко-машинный интерфейс») предназначены для взаи­
модействия с оператором, однако в настоящее время они все шире
принимают на себя функции и устройств обработки информации
с повышенными коммуникационными возможностями.
Главной особенностью современных средств HMI является их
интеллектуализация — они становятся равноправными элементами
распределенных систем управления. В их состав включается процес­
сор, который выполняет свою программу работы. Таким образом,
устройство HMI превращается в специализированный контроллер,
основной функцией которого является получение от человека и вы­
дача ему управляющей информации с помощью встроенных кнопок,
187
индикаторов и т.п. Общение с другими элементами распределенной
системы осуществляется современными устройствами HMI по цифро­
вой сети. Широкий выпуск устройств HMI и их унификация обеспе­
чивают минимальные сроки разработки систем управления, простоту
их модернизации.
Современная техника предоставляет различные возможности ре­
ализации интерактивных средств. Это могут быть простые и сложные
устройства с небольшими возможностями и с огромным функцио­
нальным потенциалом. В состав ПТК каждая компания включает, как
правило, несколько разновидностей интерактивных устройств. Но
наравне с проблемой выпуска устройств, оптимально соответствующих
конкретным запросам пользователей, перед производителями стоит
задача обеспечения проектировщику возможности их максимально
простой и быстрой интеграции в состав аппаратных и программных
средств разрабатываемой системы управления.
Среди интерактивных устройств, выпускаемых для области авто­
матизации, выделяется большая группа устройств, ориентированных
для использования с промышленными контроллерами.
4.3.1. Операторные панели
В простейшем случае для управления технологическим оборудо­
ванием нужна клавиатура, содержащая некоторое определенное чис­
ло клавиш. В свое время проектировщику приходилось кнопочную
панель разрабатывать самому на основе стандартных кнопок, пере­
ключателей и т.п. Оценив распространенность кнопочных панелей,
производители сделали их элементами ПТК.
Например, фирма Siemens выпускает кнопочные панели трех ти­
пов: SIMATIC РР7, PP17-I, PP17-II. Общий вид панелей показан на
рис. 4.3.1.
Рис. 4.3.1. Общий вид панелей SIMATIC РР7, PP17-I, PP17-II фирмы Siemens
Перечислим основные свойства этих кнопочных панелей:
• управление с помощью меню параметризации через задний дис­
плей с мини-клавиатурой;
788
• цветные режимы для светодиодов;
♦ встроенный режим мигания, 0,5 Гц и 2 Гц для всех дополнительных
выходов;
• кнопки и цифровые выходы могут быть также параметрированы
индивидуально, как переключатели;
• все параметры сохраняются на заменяемой карте памяти;
• простота эксплуатации;
• могут быть соединены в единое целое благодаря одинаковому ди­
зайну.
С развитием сенсорных графических панелей применение кно­
почных панелей уходит в прошлое.
Компании, выпускающие интерактивные средства для ПЛК, не
могли не создавать и не включать в соответствующие ПТК устройства
для тех случаев, когда развитый человеко-машинный интерфейс не
нужен, — устройства, включающие нескольких кнопок управления
и небольшой текстовой дисплей. Примерами таких устройств являются
текстовые панели оператора ОРЗ/ОР7/ОР17 фирмы Siemens.
Функции промышленного применения этих панелей заключаются
в следующем:
• визуализация значений машинных данных;
• управление и обработка сообщений, регистрация времени и даты
генерации сообщений;
• функции программных клавиш;
• линейные преобразования;
• функции программатора.
Панель ОРЗ (рис. 4.3.2) разработана для самых простых приложе­
ний. Возможно использование этой панели в качестве переносного
устройства визуализации и контроля.
Рис. 4.3.2. Панель оператора ОРЗ
Панель ОР7 (рис. 4.3.3) — компактное устройство с большим ко­
личеством разнообразных функций.
Панель ОР17 (рис. 4.3.4) — самое мощное устройство в семействе
текстовых панелей оператора Siemens.
Представленные панели совершенствовались по используемым при
их изготовлении технологиям — так появились панели SIMATIC серий
189
70,177,277 и 377, которые по внешнему виду и внешним параметрам
не отличаются от «младших собратьев».
Рис. 4.3.3. Панель оператора 0Р7
'paw
Г
SIMRTIC 0Р17
■
6 Oder 11 nn
j
fefetahhktaii
kkktahhbli
nnnnnnnn
Рис. 4.3.4. Панель оператора 0P17
SIMATIC HMI Comfort Panel — это новая серия панелей операто­
ров компании Siemens для решения широкого круга задач человекомашинного интерфейса (рис. 4.3.5). Небольшая монтажная глубина,
высокая стойкость к вибрационным и ударным, а также электромаг­
нитным воздействиям, степень защиты фронтальной части корпуса
IP65 позволяют использовать панели этой серии в жестких промыш­
ленных условиях, успешно решать задачи оперативного управления
и мониторинга на уровне производственных машин и установок. По
мере развития панели операторов SIMATIC Comfort Panel будут вы­
теснять все выпускаемые в настоящее время стационарные панели
операторов SIMATIC серий 70,177,277 и 377.
190
Рис. 4.3.5. Внешний вид панелей SIMATIC HMI Comfort Panel
Все панели этой серии оснащены широкоформатными цветны­
ми TFT-дисплеями бриллиантового свечения, позволяющими уве­
личивать площадь отображения информации на 40% по сравнению
с существующими панелями операторов SIMATIC с той же диагона­
лью экрана. Широкий угол обзора, достигающий 170°, существенно
упрощает считывание визуальной информации. Яркость подсветки
экрана может регулироваться в диапазоне от 0 до 100%. Управление
яркостью подсветки может выполняться из проекта панели оператора
или из программы контроллера. Поддержка протокола PROFIenergy
позволяет выполнять централизованное управление яркостью дис­
плеев всех сетевых панелей операторов для реализации алгоритмов
энергосбережения, например для отключения всехпанелей на периоды
пауз в выполнении производственных операций.
Все панели комфортной линии обеспечивают поддержку разви­
того набора функций человеко-машинного интерфейса, одинаково­
го для всех панелей серии. Состав этих функций достаточно широк
и наиболее близок к функциональным возможностям существующих
многофункциональных панелей операторов SIMATIC.
Все панели серии способны отображать интернет-страницы, а так­
же документы Adobe Acrobat, MS Word и MS Excel.
Все панели комфортной линии обеспечивают необслуживаемое
сохранение данных при перебоях в питании без использования блоков
бесперебойного питания. При этом данные из оперативной памяти
панели сохраняются в системной SD-карте, архивы и рецепты — во
второй SD-карте. Дополнительно использование SD-картпозволяет
191
производить замену панели оператора без использования програм­
матора.
Панели комфортной линии обеспечивают поддержку расширен­
ного набора диагностических функций при работе с программируе­
мыми контроллерами SIMATIC S7/WinAC. Эти функции позволяют
выполнять считывание и отображение диагностической информации,
для получения доступа к которой ранее был необходим STEP 7. Для
просмотра диагностических сообщений может быть использован но­
вый элемент управления.
SIMATIC HMI Comfort Panel выпускаются в модификациях:
• с диагоналями экранов 4.3", 7.0", 9.0", 12", 15", 19" и 22";
• с сенсорной и (или) мембранной клавиатурой. На панелях операто­
ров с мембранной клавиатурой все программируемые функциональ­
ные клавиши оснащены встроенными светодиодами. Системные
клавиши таких панелей подобны клавиатуре мобильного телефона.
Все сенсорные панели серии позволяют использовать для отобра­
жения информации портретный или ландшафтный режим.
Все панели комфортной линии оснащены:
• встроенным интерфейсом RS-422/RS-485 с поддержкой протокола
PROFIBUS DP;
• встроенным интерфейсом PROFINET (в панелях операторов с диа­
гональю экрана от 7" и выше этот интерфейс оснащен встроенным
2-канальным коммутатором Ethernet);
• двумя USB-Host-портами и одним USB-портом ведомого прибора;
• двумя отсеками для установки SIMATIC HMI SD-карт;
• аудиовходом и аудиовыходом;
• 2-полюсным съемным терминальным блоком подключения цепи
питания 24 В постоянного тока.
Они могут работать с программируемыми контроллерами:
• S7-200 с подключением через PROFIBUS DP;
• S7-1200 с подключением через PROFINET;
• S7-300/S7-400/WinAC с подключением через PROFIBUS DP или
PROFINET;
• Allen Bradley с подключением через DF1 или Ethernet/IP;
• Mitsubishi с подключением через Fx или МС TCP/IP;
• Modicon с подключением через Modbus RTU или Modbus TCP;
• OMRON с подключением через Host Link или Multi Link.
Дополнительно они способны поддерживать обмен данными:
• с различными приложениями в режиме ОРС UA клиента;
• приборами SIMATIC HMI по протоколу HTTP.
Для конфигурирования панелей необходим пакет программ SI­
MATIC WinCC от VII и выше с лицензией Comfort, Advanced или
Professional. Загрузка проекта производится с использованием стан­
дартного Ethernet или USB-кабеля.
792
Поддержка 32 языков, включая русский, позволяет выполнять
разработку мультиязыковых проектов и снимает ограничения на
возможность использования панелей Comfort Panel во всех регионах
земного шара.
Операторные панели различного класса выпускают многие ком­
пании. Например, фирма VIPA выпускает операторные панели TD03
и ОРОЗ.
Вид операторной панели TD03 показан на рис. 4.3.6. Она имеет
ЖК-дисплей 2 х 20 символов, MPI-интерфейс. Конфигурирование па­
нели осуществляется с помощью программного пакета TD-Wizard VI РА.
Рис. 4.3.6. Панель оператора TD03 VIPA
Операторная панель ОРОЗ (рис. 4.3.7) имеет ЖК-дисплей 2 х 20 сим­
волов, 256 Кб памяти пользователя, MPI-интерфейс. Конфигурирова­
ние осуществляется с помощью OP Manager VIPA или ProToolSiemens.
Примерами операторных панелей, выпускаемых российскими
компаниями, могут являться устройства компании ОВЕН — СМИ1,
ИП320иСП270.
Панель индикации данных ОВЕН СМИ 1 с функциями редактиро­
вания для распределенных систем управления в сети RS-485 и RS-232
(протоколы Modbus ASCII/RTU, ОВЕН) поддерживает совместную
работу с ОВЕН ПЛК, модулями ОВЕН МВА8, МВУ8, Мх110, а также
с контроллерами и модулями других производителей, имеет компак­
тное конструктивное исполнение для удобства размещения в щитах
и пультах управления — щитовой корпус типа Щ2.
Основные функциональные возможности:
• работа в сети RS-485 и RS-232 по протоколам ОВЕН, Modbus
ASCII, Modbus RTU;
193
• работа в режимах MASTER, SLAVE, в том числе с использованием
сетевых входов при работе по протоколу ОВЕН;
• отображение данных, полученных из сети, на цифровых индика­
торах (значения 4 параметров);
• редактирование значений параметров и передача их в сеть;
• 6 дискретных входов для подключения датчиков типа «сухой кон­
такт» или транзисторных ключей n—р—п типа с открытым кол­
лектором;
• напряжение питания ~220 В или 24 В;
• бесплатная программа «Конфигуратор СМИ 1».
Внешний вид панели показан на рис. 4.3.8.
Рис. 4.3.8. Панель оператора ОВЕН CMI/I1
Графическая панель ОВЕН ИП320 (рис. 4.3.9) поддерживает со­
вместную работу с ОВЕН ПЛК, с модулями ОВЕН MxllO, а также
приборами и контроллерами других производителей.
Рис. 4.3.9. Панель оператора ОВЕН ИП320
•
•
•
•
194
Основные функции ОВЕН ИП320:
работа в сети RS-485 и RS-232 в режиме Master, Slave;
совместимость с контроллерами различных фирм-производителей;
поддержка универсального протокола Modbus RTU;
монохромный графический ЖК-дисплей с разрешением 192 х 64 пик­
селя и с подсветкой;
• чтение и редактирование значений параметров и передача их в сеть;
• защита с помощью пароля от несанкционированного изменения
значений параметров и перехода на другой экран;
• напряжение питания — 24 В постоянного тока.
Панель оператора ОВЕН ИП320 выпускается в щитовом корпусе
172 х 94 х 30 мм, степень защиты со стороны передней панели IP65.
Панель конфигурируется с помощью свободно распространяемой
программы «Конфигуратор ИП320».
Панель оператора ОВЕН СП270 имеет следующие основные функ­
циональные возможности:
• графический дисплей с диагональю 7 дюймов и разрешением
480 х 234 пикселя;
• количество цветов — 256, тип дисплея — TFT;
• сенсорное управление экраном;
• два независимых порта RS-232 и RS-485 для связи с внешними
устройствами;
• поддержка распространенных протоколов обмена Modbus RTU,
Modbus ASCII;
• возможность работы одновременно в двух режимах Master и Slave;
• питание от источника напряжения 24 В;
• конфигурируется с помощью свободно распространяемой про­
граммы «Конфигуратор СП200».
Внешний вид панели показан на рис. 4.3.10.
Рис. 4.3.10. Графическая панель оператора с сенсорным управлением ОВЕН СП270
Продемонстрированные примеры выпускаемых операторных пане­
лей показывают, что в зависимости от сложности и функциональной
насыщенности задач, ставящихся перед этими устройствами, про­
ектировщик может выбрать панель, у которой дисплей может быть
текстовым или графическим, клавиатура может содержать то или
иное количество клавиш, представленное одной или несколькими
195
группами. Панели могут отличаться типом и размером экрана. Экран
можетбыть разного разрешения, начиная от миниатюрного —128 х 128
и кончая внушительным — 1024 х 768 (последнее сопоставимо с офис­
ными ПК). Экран можетбыть как монохромным, так и цветным, при­
чем количество отображаемых цветов может варьироваться от 16 до
16 млн. Конечно, все эти параметры влияют на удобство восприятия
информации.
Очевидно, что текстовый формат представления данных недоста­
точно нагляден и информативен, поэтому текстовые панели исполь­
зуются все реже и реже. В графическом режиме визуализация процесса
происходит с помощью интерактивных мнемосхем.
Вариантов организации управления панелью немного: или с по­
мощью прозрачного сенсорного экрана, накладываемого на ЖК-экран,
или с помощью функциональных кнопок и манипуляторов, распо­
ложенных на фронтальной стороне. Возможен и комбинированный
вариант.
Панели отличаются друг от друга производительностью процессора
и объемом встроенной Flash-памяти. Эти характеристики определяют
максимальный объем прикладной программы визуализации, а также
комплексность схем отображения.
Но само по себе конструктивное включение этих средств в состав
одного устройства еще не означает простоту его интеграции в общий
комплекс средств системы автоматизации. Для того чтобы эти вопросы
решались просто и быстро, операторные панели, как уже указывалось
выше, превратились фактически в специализированные контролле­
ры. Как и универсальные контроллеры, они получили собственное
системное программное обеспечение, которое взяло на себя выполне­
ние всех типовых функций по управлению элементами отображения
информации и опроса клавиш. Разработчику специализированных
контроллеров хорошо знаком перечень таких функций — организация
статической или динамической индикации, сканирование клавиш,
осуществление требуемой реакции на нажатие той или иной клавиши
(или их комбинации), соответствующая смена информации на инди­
каторах и т.п. Часто панели содержат группу клавиш со стандартными
функциями, например клавиши перемещения курсора (клавиши со
«стрелками»), подтверждения ввода данных («Enter»), исправления
(«Delete»). Эти стандартные функции не надо программировать —
типовые операции выполняет встроенное программное обеспечение.
Проектировщик должен определить форму, порядок отображе­
ния данных, связать отображение со сменой значений тех или иных
переменных и с нажатием функциональных клавиш. После этого
с помощью клавиатуры операторной панели можно будет задавать
новые значения каких-то переменных, и они автоматически будут
обновляться в памяти контроллеров, значения переменных, кото­
796
рые необходимо отобразить на индикаторах, будут автоматически
извлекаться из памяти контроллеров. Все это обобщается понятием
«создание проекта визуализации».
Проект для операторной панели создается на компьютере, в рам­
ках специализированного программного обеспечения. Несмотря на
то что каждая компания, выпускающая операторные панели, часто
предлагает и свои пакеты для их конфигурирования, по своей структуре
и основному набору функций эти пакеты очень похожи.
Как и в любой другой конкретной области деятельности, в создании
проектов визуализации есть свои определения, понятия и термины.
Прежде всего это понятие «экран». Экран — это одномоментное изоб­
ражение на экране панели оператора. Проект, как правило, состоит
из совокупности экранов, которые образуют его структуру. Создание
и редактирование структуры проекта визуализации состоит в опреде­
лении числа используемых в проекте экранов, порядка их следования
друг за другом и наполнении каждого из них. На экране отображаются
необходимые элементы (объекты), которые настраиваются для вы­
полнения требуемых функций. Многие элементы экранов очевидны
и понятны — кнопки, переключатели (физические или сенсорные),
изображения сигнальных ламп, индикаторы (отображающие уровень
или численное значение величины), пиктограммы. Кроме этого, на
экране в определенные моменты времени могут формироваться окна,
содержащие определенную информацию (например, числовое значе­
ние переменной или текст инструкции по выполнению определенных
процедур в текущем режиме работы).
Структурирование проекта визуализации представляет собой не
всегда простую задачу, решение которой принимается разработчиком
проекта на основании, с одной стороны, анализа работы автоматизи­
руемой системы, с другой — исходя из порядка работы с ней оператора.
Переход от одного экрана к другому в первую очередь может иници­
ироваться оператором. При этом структура экранов (последователь­
ность смены экранов) подчиняется разработанному меню и обычно
является древовидной. Кроме этого, определенные экраны могут
появляться автоматически при выполнении определенных условий.
Исходя из этого экраны (сообщения), появляющиеся на панели,
подразделяяют на два типа — о событиях и о неисправностях. Сообще­
ния о событиях — это данные и указания по управлению для текущих
состояний системы или процесса в нормальном производственном
режиме.
Сообщения о неисправностях, в противоположность сообщениям
о событиях, отображают критические состояния оборудования в ходе
производственного процесса. Этот тип сообщений обладает более
высоким приоритетом при отображении, чем сообщения о событи­
ях. Если появляется сообщение о неисправности, то отображение
197
сообщения о событии или экран заменяется на панели сообщением
о неисправности. В силу их неотложности они должны подтверждаться
оператором, прежде чем станут возможными другие действия.
В любом случае по экрану панели оператор должен без труда иден­
тифицировать текущий режим работы системы, незамедлительно
получать информацию о нештатных значениях параметров системы
и заблаговременно — о приближении значений параметров к не­
штатным. Желательно, чтобы сообщения о нештатных состояниях
сопровождались информацией о способах вывода системы из них.
Для обеспечения этих требований целесообразно, чтобы экраны про­
екта соответствовали режимам работы системы, элементы экранов —
элементам системы, задействованным в соответствующем режиме,
сигнальные окна открывались при приближении контролируемой
системы к нештатным режимам функционирования, а окна содер­
жали требуемую дополнительную информацию (например, тексты
инструкций) и могли быть вызваны (или открывались автоматически)
в необходимые моменты работы.
Каждый экран прежде всего может содержать статическое изобра­
жение. Это могут быть фон, заголовки, мнемосхема технологического
процесса и т.п. Для создания статического изображения используют­
ся или собственные средства пакета конфигурирования панели, или
внешние графические редакторы (тогда готовое изображение импор­
тируется в проект визуализации). Кроме этого, на экранах формиру­
ются динамические объекты. Такое их название определяется тем,
что их изображение (форма, цвет, значение) меняются в соответствии
со значениями привязанных к ним переменных. Как правило, ди­
намические объекты создаются при помощи специализированно­
го графического редактора пакета на основе набора библиотечных
элементов с последующим присвоением параметров. В частности,
для изображения полоскового индикатора нужно будет в простей­
шем случае после выбора такого элемента в библиотеке изобразить
на экране прямоугольник, соответствующий его положению. При
этом каждый объект обладает рядом свойств. Доступ к их просмотру
и редактированию осуществляется в окне программы конфигуратора,
которое открывается при добавлении в проект нового компонента.
При определении свойств динамического объекта прежде всего тем
или иным образом должно быть обязательно установлено соответствие
между ним и одной из переменных в программе работы контроллера.
В этом смысле обычно считают, что контроллер и операторная панель
в процессе совместного функционирования работают с общим полем
памяти, в котором размещены переменные, общие для них. Причем
изменение переменной в программе контроллера приведет к изме­
нению состояния объекта на том или ином экране панели, измене­
ние состояния объекта на панели приведет к изменению переменной
198
в программе контроллера. Например, значение булевой переменной
в программе контроллера может определять один из двух возмож­
ных цветов индикаторной лампы на экране операторной панели. Или
значение числовой величины, измененное для одного из объектов на
операторной панели с помощью ее клавиш, будет тут же присвоено
определенной переменной в контроллере.
Программист, создавая программу контроллера и проект визуали­
зации, работает, как уже указывалось выше, в соответствующих про­
граммных пакетах. Общей задачей, которую он решает, работая в них,
является установление соответствия между переменными программы
и объектами на экране операторной панели. Принцип установления
этого соответствия обычно заключается в представлении того, что кон­
троллер и операторная панель работают с некоторой общей областью
памяти. Обращение к ее элементам осуществляется в рамках сетевого
обмена контроллера и панели. Сначала программист, создавая проект
для контроллера, зная перечень и формат переменных программы,
которые должны использоваться операторной панелью, размещает их
в поле этой общей памяти. Затем, создавая проект для операторной
панели, устанавливает соответствие между структурными элементами
общего поля памяти и конкретными элементами на экране панели.
После создания программы контроллера она загружается в него.
Созданный проект визуализации загружается в операторную панель.
После этого контроллер и панель соединяются предусмотренным обра­
зом и должны функционировать совместно. Общий порядок создания
проекта операторной панели иллюстрируется на рис. 4.3.11.
Программирование операторной панели
Программирование контроллера
Рис. 4.3.11. Общий порядок создания проекта операторной панели
Одной из общих тенденций создания ПО по конфигурированию
панелей является его встраивание в пакет по созданию прикладных
799
программ для контроллеров. При этом связывание и описание пере­
менных, являющихся «общими» для контроллера и панели, произво­
дятся в проекте один раз, это минимизирует количество возможных
ошибок, а в целом уменьшает время разработки проекта в целом.
Большинство компаний стараются использовать стандартные
приемы организации совместной работы элементов систем автома­
тизации, поэтому контроллер и операторная панель чаще всего вы­
ступают сетевыми устройствами, т.е. обмениваются информацией по
протоколам той или иной стандартной промышленной сети.
Большинство панелей поддерживают по меньшей мере два сетевых
протокола: обычно один служит для подключения панели к полевой
шине (Profibus, Modbus, Interbus и т.д.), другой—для интеграции в сеть
верхнего уровня (Industrial Ethernet). Подключенная к шине панель
может выступать и как master, и как slave.
В целом конструктивно операторные панели похожи друг на друга
и в большинстве случаев представляют собой устройства для щитовой
установки. Степень защиты для фронтальной части, как правило, IP65,
для остальной части корпуса — IP20. Наибольшее значение имеет
степень защиты именно фронтальной части, что связанно с особен­
ностью монтажа.
Разные компании придерживаются разной политики по распро­
странению программного обеспечения для конфигурирования пане­
лей . Одни из них поставляют его отдельно, и стоит оно порой немалых
денег. В этом нет ничего удивительного, если данное ПО представляет
собой полноценную среду разработки, подобную тем, что применяют­
ся для конфигурирования HMI на компьютерных рабочих станциях
оператора, но с несколько ограниченными функциями и адаптирован­
ную под несколько другую аппаратную платформу. Другие компании
делают это программное обеспечение свободно распространяемым,
зарабатывая на продаже самих панелей (на самом деле пряча свои из­
держки по его созданию в цене панелей). Третьи компании свободно
его распространяют для панелей низкого уровня, требуя приобретения
лицензий на их полный модельный ряд.
Кроме относительно простых рассмотренных выше операторных
панелей, применяются более сложные архитектурные решения их по­
строения, напоминающие скорее персональные компьютеры. Напри­
мер, панели оператора ОР27/ОР37 компании Siemens (рис. 4.3.12) по­
зволяют создавать графические изображения управляемых установок
или станков и в режиме реального времени отображать протекающие
в них процессы и управлять ими. Машинные данные могут представ­
ляться на этих устройствах визуализации и обслуживания в виде гис­
тограмм и графических объектов, меняющих свой вид в зависимости
от состояния переменных программы управления.
200
Рис. 4.3.12. Панели оператора ОР27/ОР37 Siemens
Они имеют следующие функции промышленного применения:
управление рецептурами;
отображение статуса управляемой установки;
резервное копирование и восстановление данных проекта/рецептур;
интегрированный порт подключения принтера;
функции программатора.
Среди элементов организации человеко-машинного интерфейса
можно выделить и терминалы фирмы Omron. Терминалы серии NS
этой компании (рис. 4.3.13) поддерживают такие функциональные
возможности, как мощная встроенная обработки данных и удобный
интуитивно понятный программируемый интерфейс, что позволяет
создавать сложные операторские интерфейсы, которые раньше со­
здавались только с помощью мощного персонального компьютера.
•
•
•
•
•
Рис. 4.3.13. Терминалы серии NS фирмы Omron
207
Терминалы используются в качестве панелей оператора для эф­
фективного контроля и управления технологическим оборудованием
в режиме реального времени, позволяют отображать информацию как
в графическом, так и в символьном виде, а также вводить требуемые
данные, обеспечивают высокую вычислительную мощность и рас­
ширенные функции передачи данных.
Конструкция и электрические параметры программируемых тер­
миналов Omron обеспечивают их продолжительную работу в суровых
промышленных условиях. Терминалы, предназначенные для панель­
ного монтажа или монтажа в стойку, имеют степень защиты лицевой
панели IP65.
В серии NS представлены терминалы с диагональю 7,Юи 12дюймов. Жидкокристаллические мониторы на 32 000 цветов имеют вы­
сокую яркость и широкий угол обзора. Шрифты в формате Unicode
обеспечивают удобную многоязычную поддержку и отображение
различных шрифтов на одной экранной странице. Предусмотрено
управление анимацией, автоматической передачей данных и другими
процессами с помощью макропрограмм.
Пользовательские программы и рабочие данные можно передать
на персональный компьютер по сети или с помощью карт памяти.
Объем встроенной памяти протоколов l:N,NT-LinkN:N и FINS со­
ставляет 4 Мб и может быть увеличен с помощью набора микросхем
или карты памяти.
В качестве еще одного примера рассмотрим операторные панели
серии Touch 500 компании IPC DAS (рис. 4.3.14).
Рис. 4.3.14. Операторные панели серии Touch 500 компании IPC DAS
Устройства серии Touch 500 представляют собой классическую
панель оператора с сенсорным экраном. Имея небольшие габариты
и массу, они прекрасно вписываются в большинство пультов управ­
ления и шкафов, а такие возможности, как защита IP65 по передней
панели, позволяют использовать их в местах, где возможно попадание
воды, а также значительно облегчают уход за панелями.
Компания ICP DAS выпускает панели с диагоналями экранов 5,7
и 10,4 дюйма, которые могут быть монохромными, цветными STN
202
или TFT, иметь поддержку Ethernet и позволять подключать принтер
непосредственно к панели. Все панели серии Touch 500 могут работать
с контроллерами различных производителей, таких как Siemens, Allen
Bradley, Mitsubishi Electric, Omron, Yokogava Electric, Sharp, Fuji. Также
панели могут быть интегрированы в сеть Modbus RTU и RS-485 с про­
токолом ASCII и таким образом взаимодействовать с контроллерами
и периферийными устройствами этих сетей.
Связь с контроллером или управляющим компьютером осущест­
вляется по интерфейсу RS-485 или RS-232, программирование же
осуществляется только по RS-232 при помощи удобного программного
пакета Easy Builder.
Панели оператора Touch 500 обладают высокой виброустойчи­
востью, выдерживая виброускорения до 2g в диапазоне от 10 до 25 Гц,
имеют твердость экрана 4Н, защиту по передней панели IP65 и рабочий
диапазон температур от 0 до 45 °C.
Выше рассматривались операторные панели и терминалы, пред­
назначенные для стационарной установки в оборудование системы
автоматизации. В ряде же случаев удобны в применении мобильные
панели. Они могут применяться при работе с движущимися объектами,
они незаменимы при выполнении ремонтных и профилактических
работ. Компания Siemens выпускает серию SIMATIC Mobil Panel по­
добных устройств (рис. 4.3.15).
Рис. 4.3.15. Внешний вид мобильных панелей серии SIMATIC Mobil Panel 177
и Mobil Panel 277-10
По большинству технических характеристик и функциональных
возможностей Mobil Panel 177 соответствует обычной операторной
панели ТР177В, a Mobil Panel 277 — панели ТР277-8. К отличительным
чертам переносных панелей можно отнести:
• эргономичный круглый пластиковый корпус, любое рабочее по­
ложение, допускается свободное падение с высоты 1 м;
• степень защиты IP65 со всех сторон корпуса;
• сенсорная клавиатура в Mobil Panel 277-10, сенсорная и мембран­
ная клавиатура в переносных панелях других типов;
203
• наличие интерфейса для подключения к беспроводной сети IWLAN
в панелях Mobil Panel 277 (F) IWLAN и проводного подключения
к соединительной коробке в остальных типах панелей.
Все эти мобильные панели имеют интерфейс для ММС-карт для
сохранения рецептур, накопления архивныхданных, сохранения сис­
темных данных и параметров конфигурации.
В зависимости от модификации панели с проводным подключением
подсоединяются к программируемым контроллерам через встроенный
интерфейс PROF IBAS DP, MPI, PROFINET или через последователь­
ный интерфейс. Оборудование, обслуживаемое с помощью таких па­
нелей, оснащается специальными соединительными коробками. Они
соединяются с панелями кабелем длиной до 10 м. Соединительные
коробки имеют собственные идентификационные номера, которые
используются для автоматического определения своего местоположе­
ния. Подключение панели оператора к соединительной коробке и от­
ключение выполняются без остановки работающего оборудования.
После подключения переносная панель переходит в рабочее состояние
и выводит на экран соответствующий интерфейс оператора.
Подключение беспроводных панелей к WLAN выполняется с по­
мощью точек доступа SCALANCE W с опционным использованием
специальных приемопередатчиков, каждый из которых имеет свой
идентификационный номер и образует зону покрытия, в преде­
лах которой мобильная панель оператора способна поддерживать
беспроводной обмен данными с системой автоматизации. Обмен
данными соответствует требованиям международных стандартов
IEEE 802.1 La (b/g) и PROFINET, выполняется в диапазонах частот
2,4 или 5 ГГц со скоростью до 54 Мбит/с.
4.3.2. Панельные контроллеры
Существуют технические решения, объединяющие функционал
панели оператора и возможности промышленного контроллера в од­
ном устройстве. Выполнение требований удобства работы с элемен­
тами человеко-машинного интерфейса — индикаторной панелью
и клавишами — обусловливает установку таких устройств на передние
панели или щиты оборудования, на дверцы сборочных электриче­
ских шкафов. Из-за этого за ними закрепилось название панельных
контроллеров. Другое их название, которое используется несколько
реже, — супервизоры (visual supervisors).
Такие устройства позволяют сэкономить пространство, которое
обычно резервируется для ПЛ К, делая такое решение идеальным для
систем с ограниченным пространством установки. Их применение
сокращает объем кабельных соединений. Стоимость панельных кон­
троллеров обычно ниже, чем стоимость обычного решения на базе
стандартной конфигурации «ПЛК + операторная панель».
204
Конечно, сложно сказать, что они представляют собой в первую
очередь — контроллеры или операторные панели, какие функции
считать преимущественными. Видимо, каждый будет отвечать на
этот вопрос по-своему в зависимости от того, какое место в струк­
туре аппаратных средств и функций это устройство будет занимать
в конкретном проекте.
Панельный контроллер Magelis SCU компании Schneider Electric
был создан на базе панели оператора Magelis STU. Контроллер состоит
из двух частей — процессорного модуля и дисплея. Дисплей имеет
механическую систему крепления в отверстие «под кнопку» 0 22 мм,
что упрощает его монтаж на дверь шкафа управления. Процессорный
модуль со встроенными входами-выходами и коммуникационными
портами монтируется на DIN-рейку с помощью специального вынос­
ного кабеля или крепится непосредственно к дисплею через специ­
альный разъем. Внешний вид контроллера Magelis SCU представлен
на рис. 4.3.16.
Рис. 4.3.16. Панельный контроллер Magelis SCU компании Schneider Electric
Контроллер выпускается в двух версиях: HMISCU-A (26 входоввыходов) и HMISCU-B (22 входа-выхода). Коммуникационные воз­
можности у обеих версий одинаковые: CANopen, RS485/232, Ethernet
и два USB-порта. Обе версии доступны для заказа с дисплеем размером
3,5 или 5,7".
SMH 2Gi — мощный свободно программируемый панельный кон­
троллер, выпускаемый отечественным разработчиком современных
программируемых контроллеров компанией Segnetics совместно
с компанией Fiord, являющейся мастер-дистрибьютором ISaGRAF
в России. ПЛК Segnetics SMH 2Gi со встроенной операционной сис­
темой Linux и средой программирования ISaGRAF. ПЛК SMH 2Gi
предназначен для автоматизации инженерных систем зданий и техно­
логических процессов в промышленности. Внешний вид контроллера
Magelis SCU представлен на рис. 4.3.17.
205
Рис. 4.3.17. Панельный контроллер SMH 2Gi компании Segnetics
Можно отметить следующие особенности ПЛК SMH 2Gil.
Высокая степень модульности — кроме встроенных СОМ-портов
RS-485 и RS-232, можно выбрать сетевой модуль Ethernet или LON
(технология NETcard).
При добавлении новых модулей расширения нет необходимости
демонтировать контроллер или разбирать его. Это значительно упро­
щает работу в процессе расширения системы и ее наладки.
Полная программная совместимость с контроллерами SMH 2010
и Pixel, созданными ранее.
Возможность работы в сетях, построенных на Modbus и Ethernet
(Modbus TCP/IP) в роли ведомого (slave) или ведущего (master) устрой­
ства.
Монохромный графический дисплей, позволяющий выводить
различные объекты визуализации, графики процессов и текст раз­
личного размера.
В качестве операционной системы SMH 2Gi использует Linux.
Это позволяет вести программирование не только в пакете SMLogix,
но и на любом другом языке, реализовывать собственные протоко­
лы передачи данных, осуществлять поддержку множества устройств
и максимально использовать все ресурсы современного 32-битного
микроконтроллера. Проектможно переносить в компьютер или с ком­
пьютера в контроллер через Flash-накопитель. Встроенный Ethernet
дает возможность загружать проекты из локальной сети и автомати­
чески обновлять ПО с сервера.
Перечислим основные технические характеристики SMH 2Gi:
• микроконтроллер iMx27 с ядром ARM926EJ-S, разрядность шины
32, рабочая частота микроконтроллера 400 МГц;
206
• операционная система Linux версия 2.6.29;
• размер и тип оперативной памяти 64/128М6 DDR (в зависимости
от исполнения);
• размер и тип Flash-памяти 128 Мб NAND Flash;
• RS-232 — скорость от 2400 до 115 200;
• RS- 485 — скорость от 2400 до 115 200, опторазвязка, Modbus RTU;
• USB Host—• USB типа A;
• USB Device — USB типа miniAB;
• Ethernet - 10/100Мбит, FTP, HTTP;
• дополнительный опциональный модуль LONworks;
• 3—5 гальванически развязанных цифровых входов (из них 3 могут
работать в счетном режиме до 10 кГц, конфигурируется программно);
• в модификации SMH 2GL0XXX-XX-X два транзисторных выхода
(без гальванической развязки) и одно оптореле, в SMH 2GFXXXХХ-Х — два оптореле;
• номинальное входное питающее напряжение 18—36 В, потребля­
емая мощность не более 10 Вт;
• клавиатура — 23 кнопки;
• графический дисплей STN, одноцветный, 192 х 64, диагональ — 4,1";
• звуковая сигнализация — электромагнитный звукоизлучатель.
Компания ОВЕН выпускает несколько серий панельных контрол­
леров с сенсорным экраном. Серии отличаются друг от друга широтой
функциональных возможностей.
ОВЕН CHKlxx — линейка бюджетных панельных контроллеров,
представляющих собой устройства класса «человеко-машинный ин­
терфейс» со встроенными функциями свободного программируемого
контроллера. CHKlxx предназначены для создания автоматизирован­
ных систем управления технологическими процессами в различных
областях промышленности, энергетике, ЖКХ.
Для того чтобы охарактеризовать возможности контроллеров серии
ОВЕН СПК, более детально остановимся на описании контроллера
СПК207.
Панельный программируемый логический контроллер с сенсор­
ным управлением ОВЕН СПК207 предназначен для создания авто­
матизированных систем управления технологическими процессами
в различных областях промышленности, энергетике, ЖКХ и на транс­
порте. СПК207 может использоваться для построения распределенных
систем управления и диспетчеризации с использованием как провод­
ных, так и беспроводных технологий.
Контроллер СПК207 представляет собой устройство класса «че­
ловеко-машинный интерфейс» со встроенными функциями свобод­
ного программируемого контроллера. Расширение количества точек
ввода-вывода осуществляется путем подключения внешних модулей
ввода-вывода по любому из встроенных интерфейсов.
207
Таким образом, панель предназначена для выполнения следующих
функций:
• управление объектом;
• отображение состояния управляемого объекта в режиме реального
времени с использованием графических пиктограмм (индикаторы,
графики, линейки, условные обозначения оборудования и т.д.);
• отображение сенсорных элементов, при помощи которых оператор
осуществляет непосредственное управление функционированием
объекта. Управление аналогично управлению с помощью механи­
ческих клавиш. Активирование управляющих элементов осущест­
вляется прикосновением пальца, карандаша и пр., управляющие
элементы могут быть представлены в диалоговых окнах экрана;
• управление функционированием других приборов посредством
интерфейсов связи; запись и чтение значений других приборов,
к которым подключается панель.
Внешний вид контроллера СПК207 показан на рис. 4.3.18.
Рис. 4.3.18. Внешний вид контроллера СПК207
Основныетехническиеданныеконтроллерапредставленывтабл. 4.3.1.
Таблица 4.3.1
Основные технические данные контроллера СПК207
Значение
Наименование
Системные характеристики
Центральный процессор
ATMEL 600MHz
Встроенная память
SDRAM 64 Мб, NAND Flash 256 Мб, MRAM128 кб
Человеко-машинный интерфейс
Разрешение дисплея, пиксел
Количество отображаемых цветов
800 х 480
262144
Сенсорная панель
есть
Аудиовыход
есть
208
Продолжение табл. 4.3Л
Наименование
Значение
Минимальное сопротивление нагрузки
аудиовыхода, Ом
16
Тип дисплея, диагональ, мм (дюймы):
СПК207
СПК210
цветной TFT, 178 (7)
цветной TFT, 260 (10)
Размер пикселя (ширина х высота), мм:
СПК207
СПК210
0,0630x0,190
0,0925x0,27
Рабочая зона дисплея
(ширина х высота), мм
СПК207
СПК210
152,4x91,40
222,0x132,48
Количество функциональных кнопок:
СПК207-Х.Х.Х0
СПК210-Х.Х.Х0
6
8
Количество функциональных индика­
торов:
СПК2О7-Х.Х.ХО
СПК210-Х.Х.Х0
6
8
Питание
от 90 до 264 В
(номинальные значения 110 В, 220 В)
от 10 до 30 В (номинальное значение 24 В)
СПК2ХХ-220
СПК2ХХ-24
Максимальная потребляемая мощность:
в момент старта, ВА, не более
в установившемся режиме, ВА, не
более
40
15
Поддерживаемые интерфейсы связи
1 х Ethernet 10/100 Мбит/с,
1 х USB-device,
2 х USB-Host (12 Мбит/с),
1 х RS-232
Все модификации
СПК2ХХ-Х.03 (гальванически изолиро­
ванные порты)
2 х RS-232/RS-485
СПК2ХХ-Х.04 (гальванически изолиро­
ванные порты)
1 х RS-232; 1 х CAN; 1 x RS-232/RS-485
Поддерживаемые скорости обмена данными, бит/с
RS-232, RS-485
CAN
2 400, 4 800, 9 600,14 400,19 200, 28 800,
38 400, 57 600,115 200
100 000, 125 000, 250 000, 500 000, 1 000 000
Дополнительные параметры интерфейсов RS-232, RS-485
5, 6, 7,8
Количество бит данных для интерфейсов
Количество стоп-бит
1; 1,5; 2
209
Окончание табл. 4.3.1
Наименование
Значение
Нет (None), Чет (Even), Нечет (Odd), Всегда 1
(Mark), Всегда 0 (Space)
Тип четности
Тип контроля потока:
С0М1
RTS, CTS, DTR, DSR, DCD, RI, XON/XOFF, без конт­
роля потока;
RTS, CTS, XON, XOFF, без контроля потока
COM2, COM3
Дополнительное оборудование
Энергонезависимые часы реального
времени
Время работы энергонезависимых часов
реального времени от резервного источ­
ника питания, суток, не менее
Сторожевой таймер (Watchdog Timer)
есть
15
есть
Массо-габаритные характеристики
Степень защиты корпуса
(со стороны лицевой панели)
Масса, кг, не более
IP20
1
Логика работы панели определяется пользователем в процессе со­
здания проекта на ПК. Программирование контроллеров СП К207 осу­
ществляется в профессиональной распространенной среде CoDeSys v. 3.
Панель выполнена на основе микропроцессора ARM926 EJ-S
с тактовой частотой до 600 МГц и имеет динамическое ОЗУ (SDRAM)
объемом 64 Мб, энергонезависимую память (NAND Flash) объемом
256 Мб, энергонезависимое статическое ОЗУ (MRAM) объемом 128 Кб.
MRAM имеет независимое резервное питание и предназначено для
хранения временных переменных при отключении питания панели.
Проект функционирования панели создается на ПК под конкретную
задачу и загружается в энергонезависимую память панели.
Панель имеет цветной жидкокристаллический TFT-дисплей раз­
решением 800 х 480 точек и способностью отображать 262 144 цвета,
дисплей конструктивно совмещен с резистивной сенсорной панелью.
Панель оснащена функциональными кнопками и функциональ­
ными единичными индикаторами. Функциональные кнопки и инди­
каторы используется как дискретные входы-выходы панели и могут
использоваться для служебных функций проекта. Назначение функ­
циональных кнопок и индикаторов определяет пользователь в про­
цессе создания проекта.
Панель оснащена портом Ethernet 10/100 Мбит/с, двумя портами
USB Host, портом USB Device, интерфейсом для работы с SD-картами
памяти, полномодемным интерфейсом RS-232 (СОМ1).
270
Последовательные порты COM2 и COM3 предназначены для под­
ключения внешних приборов по интерфейсам RS-232, RS-485, CAN.
Данные порты гальванически изолированы от аппаратной платформы
панели. СПК2ХХ-Х.03 имеет возможность связи с внешними прибо­
рами по интерфейсам RS-232 или RS-485 при подключении к портам
COM2 и COM3. Тип интерфейса портов COM2 и COM3 возможно вы­
брать из пользовательской программы. Одновременно доступен лишь
один тип интерфейса по каждому порту. СПК2ХХ-Х.04 при подключе­
нии внешних приборов к порту COM2 имеет возможность обмениваться
данными по интерфейсам RS-232 и CAN, а при подключении к порту
COM3 — по интерфейсам RS-232 или RS-485. Интерфейс порта COM3
определяется настройками пользовательского ПО. Интерфейсы порта
COM2 — RS-232 и CAN могут работать одновременно.
Порт Debug представляет собой интерфейс RS-232 с набором сигна­
лов RXD, TXD и GND. Данный порт обычно служит для организации
консоли управления панели с ПК и в режимах отладки и тестирования
встроенного ПО.
Характеристики последовательных интерфейсов связи представ­
лены в табл. 4.3.2.
Таблица 4.3.2
Характеристики последовательных интерфейсов связи
Порт
Модификация
панели
С0М1
03,04
COM2*
Тип
интерфейса
Разъем
Сигналы RS-232
RS-232
DB9M
RxD, TxD, RTS, CTS,
DSR.DTR, DCD, RI, GND
03
RS-232 RS-485
RJ45; RJ45 и разъем­
ный клеммный соеди­
нитель
RxO,TxD,RTS,CTS, GND
COM2
04
RS-232 CAN
RJ45; разъемный клем­
мный соединитель
RxD, TxD, RTS, CTS,
GND
COM3*
03,04
RS-232 RS-485
RJ45; RJ45 и разъем­
ный клеммный соеди­
нитель
RxD, TxD, RTS, CTS,
GND
* Одновременно может работать только один из интерфейсов — либо RS-232, либо RS-485
В панели есть маломощный звуковой излучатель, управляемый
пользовательской программой как специальный дискретный выход.
Он может быть использован, например, для аварийной сигнализации
или при отладке программы. Частота и громкость звукового сигнала
фиксированы и не подлежат изменению.
Аудиовыход предназначен для вывода сигналов звуковой часто­
ты, например при воспроизведении пользовательской программой
звуковых файлов, а также для подключения стандартных наушников
сопротивлением не менее 16 Ом или внешней звуковоспроизводящей
аппаратуры.
211
С помощью интерфейса для работы с SD-картами и USB-Host
интерфейса к панели могут быть подключены внешние накопители
информации, такие как SD-карты, USB-Flash-накопители и прочее.
Панель оснащена энергонезависимыми часами реального времени
с резервным питанием от ионистора. При отключении питания панели
часы реального времени продолжают функционировать. Продолжи­
тельность работы часов реального времени от ионистора составляет
не менее 15 сут. В случае эксплуатации панели при температуре на
границах рабочего диапазона время работы часов сокращается.
Панель имеет двухпозиционный переключатель, предназначенный
для запуска и останова функционирования проекта.
Панель изготавливается в пластмассовом или металлическом кор­
пусе, предназначенном для крепления в щит. Габаритные и установоч­
ные размеры различаются в зависимости от модификации.
Примером постоянного расширения компанией ОВЕН функци­
онала выпускаемых ею устройств является появление контроллеров
СПК1 ххД. Главное отличие их от предыдущих устройств заключается
в появлении «на борту» в зависимости от модификации до 24 дискрет­
ных входов и 48 дискретных выходов. Внешний вид задней панели
контроллера показан на рис. 4.3.19.
Рис. 4.3.19. Внешний вид задней панели контроллера СПК1 ххД
4.4.
ЦИФРОВЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ
4.4.1. Требования к ЦПС, их общая классификация
и принципы построения
Рассмотрение тенденций развития современных промышленных
систем показало, что одним из основных компонентов современных
развитых систем АСУТП является цифровая промышленная сеть
(ЦПС) — среда передачи данных, которая должна отвечать множеству
272
разнообразных, а часто противоречивых требований. Промышленная
сеть — это набор стандартных протоколов обмена данными, позво­
ляющий связать воедино оборудование систем автоматики, а также
обеспечить взаимодействие нижнего и верхнего уровней АСУ.
В связи с тем что технологический процесс идет непрерывно и ход
его развития детерминирован по времени его состоянием и внешними
условиями, необходимо гарантировать работу в режиме жесткого ре­
ального времени всех компонентов автоматизированной системы,
в том числе применяемых сетей. Это свойство, называемое детермини­
рованностью, является важнейшим атрибутом промышленных сетей.
Кроме детерминированности, к промышленным сетям предъявля­
ются и другие, не менее важные требования по надежности (помехоус­
тойчивость, способность обнаруживать ошибки передачи и исправлять
их и др.), скоростным параметрам (скорость передачи, гарантиро­
ванное время доставки), физическим характеристикам (топология,
максимальная длина физической линии, допустимое количество уз­
лов, среда передачи). Можно назвать целый ряд других параметров
и характеристик, которые нам в большинстве случаев также хочется
обеспечить при использовании промышленных сетей:
1) доступность и простота организации физического канала пе­
редачи данных;
2) минимальная стоимость устройств аппаратной реализации,
особенно на уровне контроллеров;
3) возможность получения «распределенного интеллекта» путем
представления максимального доступа к каналу нескольким веду­
щим узлам;
4) управляемость и самовосстановление в случае возникновения
нештатных ситуаций.
В получившемся общем перечне одно требование может противо­
речить другому. Таким образом, можно считать, что промышленная
сеть — всегда большой компромисс. И от того, как расставлены ак­
центы в этом компромиссе, зависит успешность решения задач, сто­
ящих перед конкретной сетевой архитектурой в рамках конкретного
проекта автоматизации.
К промышленным сетям вполне применимы результаты теоре­
тических и практических изысканий в области коммуникационных
сетей общего назначения, поэтому при их рассмотрении становятся
вполне понятными постоянные ссылки на модель взаимодействия
открытых систем. Практика создания и развития телекоммуникаций
привела к необходимости разработки стандартов по всему комплек­
су вопросов организации сетевых систем. В 1978 г. Международная
организация по стандартизации (ISO) предложила семиуровневую
эталонную модель взаимодействия открытых систем (Open System
Interconnection model — OSI), которая получила широкое распростра­
213
нение и признание. Она создает основу для анализа существующих
сетей и определения новых сетей и стандартов. Модель OSI призва­
на разграничить, формализовать и стандартизировать функции, вы­
полняемые различными аппаратными и программными средствами
сетевой структуры. В свою очередь для огромного числа компаний
проектировщиков и разработчиков это обеспечивает независимость
в работе, а для пользователей — широту выбора решений и средств.
В соответствии с эталонной моделью OSI абонентская система
представляется прикладными процессами и процессами взаимодей­
ствия. Последние разбиваются на семь функциональных уровней.
Функции и процедуры, выполняемые в рамках одного функциональ­
ного уровня, составляют соответствующий уровневый протокол.
Нумерация уровневых протоколов идет снизу вверх, а их названия
указаны в табл. 4.4.1.
Таблица 4.4.1
Уровни модели взаимодействия открытых систем
7
Application
Прикладной уровень
6
Presentation
Уровень представления
5
Session
Уровень сессий
4
Transport
Транспортный уровень
3
Network
Сетевой уровень
2
Data Link
Physical
Канальный уровень
Физический уровень
1
Функциональные уровни взаимодействуют на строго иерархиче­
ской основе: каждый уровень пользуется услугами нижнего уровня и в
свою очередь обслуживает уровень, расположенный выше. Стандар­
тизация распространяется на протоколы связи одноименных уровней
взаимодействующих абонентских сетей. Создание сети в соответствии
с эталонной моделью OSI открывает возможность создания открытых
сетей.
Модель OSI строится исходя из наиболее полного охвата функций
и процедур, выполняемых при взаимодействии прикладных процессов
в рамках осуществления им сетевого обмена информацией. Сегодня
это означает, что модель OSI реализуется с учетом принципа пакетной
коммутации, в соответствии с которым перед передачей сообщение
разбивается на блоки — пакеты определенной длины. Каждый пакет
представляет собой независимую единицу передачи информации,
содержащую, кроме собственно данных, служебную информацию
(адреса отправителя и получателя, номер пакета в сообщении, ин­
формацию для контроля правильности принятых данных). Каждый
пакет должен получать доступ к физическому каналу и отправляться
по некоторому маршруту между узлами сети.
214
Функциональные уровни модели рассматриваются как составные,
но независимые части процессов взаимодействия абонентов сети.
Основные функции, реализуемые в рамках уровневых протоколов,
состоят в следующем.
Физический уровень непосредственно связан с каналом передачи
данных, обеспечивает физический путь для сигналов, несущих ин­
формацию. На этом уровне осуществляются установление, поддержка
и расторжение соединения с физическим каналом, определение элект­
рических и функциональных параметров взаимодействия ЭВМ с ком­
муникационной подсетью.
Канальный уровень определяет правила совместного использования
физического уровня узлами связи. Главные его функции: управление
передачей данных по информационному каналу (генерация стартового
сигнала и организация начала передачи информации, передача инфор­
мации по каналу, проверка получаемой информации и исправление
ошибок, отключение канала при его неисправности и восстановле­
ние передачи после ремонта, генерация сигнала окончания передачи
и перевода канала в пассивное состояние) и управление доступом
к передающей среде, т.е. реализация выбранного метода доступа к об­
щесетевым ресурсам. Иными словами, канальный уровень отвечает
за установление логического соединения (Logical Link Control) и дис­
циплину доступа устройства к каналу связи (Medium Access Control).
Сетевой уровень реализует функции буферизации и маршрутизации,
т.е. прокладывает путь между отправителем информации и адреса­
том через всю сеть. Основная задача сетевого протокола — прокладка
в каждом физическом канале совокупности логических каналов. Два
пользователя, соединенные логическим каналом, работают так, как
будто только в их распоряжении имеется физический канал.
Транспортный уровень занимает центральное место в иерархии уров­
ней сети. Он обеспечивает связь между коммуникационной подсетью
и верхними тремя уровнями, отделяет пользователя от физических
и функциональных аспектов сети. Главная его задача — управление
трафиком (данными пользователя) в сети. При этом выполняются
такие функции, как деление длинных сообщений, поступающих от
верхних уровней, на пакеты данных (при передаче информации)
и формирование первоначальных сообщений из набора пакетов, по­
лученных через канальный и сетевой уровни, исключая их потери или
смещение (при приеме информации). Транспортный уровень есть
граница, ниже которой пакет данных является единицей информации,
управляемой сетью. Выше этой границы в качестве единицы инфор­
мации рассматривается только сообщение. Транспортный уровень
обеспечивает также сквозную отчетность в сети.
Сеансовый уровень (уровень сессий) предназначен для организации
и управления сеансами взаимодействия прикладных процессов поль­
275
зователей (сеанс создается по запросу процесса пользователя, пере­
данному через прикладной и представительный уровни). Основные
функции: управление очередностью передачи данных и их приори­
тетом, синхронизация отдельных событий, выбор формы диалога
пользователей (полудуплексная, дуплексная передача).
Представительный уровень (уровень представления данных) пре­
образует информацию к виду, который требуют прикладные процессы
пользователей (например, прием данных в коде ASCII и выдача их на
экран дисплея в виде страницы текста с заданным числом и длиной
строк). Представительный уровень занимается синтаксисом данных.
Выше этого уровня поля данных имеют явную смысловую форму,
а ниже его поля рассматриваются как передаточный груз, и их смыс­
ловое значение не влияет на обработку.
Прикладнойуровень занимается поддержкой прикладного процесса
пользователя и имеет дело с семантикой данных. Он является границей
между процессами сети и прикладными (пользовательскими) процес­
сами. На этом уровне выполняются вычислительные, информаци­
онно-поисковые и справочные работы, осуществляется логическое
преобразование данных пользователя.
Работы по совершенствованию эталонной модели OSI привели кдекомпозиции уровней 1 и 2. Канальный уровень разделен на два поду­
ровня: подуровень управления логическим каналом (передача кадров,
включая исправление ошибок, диагностика работоспособности узлов
сети) и подуровень управления доступом к передающей среде (реали­
зация алгоритма доступа к среде и адресация станций сети). Физическийуровеньделится на триподуровня: передачи физических сигналов,
интерфейса с устройством доступа и подключения к физической среде.
В современных сетях процедуры управления на физическом, ка­
нальном и транспортном уровнях не отличаются сложностью, в связи
с чем эти уровни управления реализуются в основном аппаратными
средствами, называемыми адаптерами сети.
На практике большинство промышленных сетей ограничивается
только зремя уровнями модели OSI, а именно физическим, канальным
и прикладным.
Объемы передаваемой информации в системах автоматики, как
правило, ограничены, и разбивка и пересылка их пакетами не нуж­
на — это исключает необходимость в большинстве стандартов (спе­
цификаций) промышленных сетей транспортного уровня. Простая
топология определяет ненужность решения задач маршругизации.
Каждый контроллер рассматривается как «пользователь», решающий
одну прикладную задачу, и уровень сессий тоже не нужен.
Наиболее «продвинутые» промышленные сети решают оставшуюся
часть задач аппаратно, оставляя программную прослойку только на
седьмом уровне.
216
Рассмотрим типичные для большинства промышленных сетей
подходы к реализации физического и канального уровней.
Функции физического уровня реализуются на всех устройствах,
подключенных к сети. Со стороны компьютера или контроллера функ­
ции физического уровня выполняются сетевым адаптером или после­
довательным портом. К физическому уровню относятся физические,
электрические и механические интерфейсы между двумя системами.
К этому уровню имеют отношение характеристики физической сре­
ды передачи данных (полоса пропускания, помехозащищенность,
волновое сопротивление и др.), здесь определяются характеристики
электрических сигналов и физические топологии сети, стандартизи­
руются типы разъемов и назначение каждого контакта, способы пере­
дачи данных (с цифровым или аналоговым кодированием сигналов),
виды синхронизации передаваемых данных, разделение каналов связи
с использованием частотного и временного мультиплексирования.
Эти общие функции можно сгруппировать следующим образом:
• определение спецификации оборудования;
• кодирование, прием и передача сигналов;
• топология и физическая конфигурация сети.
С физическим уровнем обычно ассоциируется подключение сле­
дующего сетевого оборудования:
• модемов и различных преобразующих устройств, выполняющих
цифровые и аналоговые преобразования;
• концентраторов, хабов и повторителей, регенерирующих элект­
рические сигналы;
• соединительных разъемов среды передачи, обеспечивающих ме­
ханический интерфейс для связи устройства со средой передачи.
Этот уровень модели определяет физические топологии в сети,
которые строятся с использованием базового набора стандартных
топологий (шина, кольцо, дерево).
В зависимости от физической среды передачи данных каналы связи
можно разделить на:
• проводные линии связи без изолирующих и экранирующих оп­
леток;
• кабельные, где для передачи сигналов используются такие линии
связи, как кабели «витая пара», коаксиальные или оптоволокон­
ные кабели;
• беспроводные (радиоканалы наземной и спутниковой связи),
использующие для передачи сигналов электромагнитные волны,
которые распространяются по эфиру.
Пока самыми распространенными являются кабельные линии
связи.
Витая пара (англ, twisted pair) — вид кабеля связи, представляю­
щий собой одну или несколько пар изолированных проводников,
217
скрученных между собой (с небольшим числом витков на единицу
длины), покрытых пластиковой оболочкой. Свивание проводников
производится с целью повышения связи проводников одной пары
(электромагнитная помеха одинаково влияет на оба провода пары)
и последующего уменьшения электромагнитных помех от внешних
источников, а также взаимных наводок при передаче дифференциаль­
ных сигналов. Для снижения связи отдельных пар кабеля (периодиче­
ского сближения проводников различных пар) в кабелях провода пары
свиваются с различным шагом. Витая пара — один из компонентов
современных структурированных кабельных систем. В настоящее
время благодаря дешевизне и легкости в монтаже это самое распро­
страненное решение для локальных сетей.
Коаксиальный кабель (от лат. со — совместно и axis — ось, т.е. соос­
ный) — электрический кабель, состоящий из расположенных соосно
центрального проводника и экрана и служащий для передачи высо­
кочастотных сигналов.
Оптоволоконная связь — вид электросвязи, использующий в каче­
стве носителя информационного сигнала электромагнитное излуче­
ние оптического (ближнего инфракрасного) диапазона, а в качестве
направляющих систем — оптоволоконные кабели. Благодаря высокой
несущей частоте и широким возможностям мультиплексирования
пропускная способность таких линий многократно превышает про­
пускную способность всех других систем связи и может измеряться
терабитами в секунду. Малое затухание света в оптическом волокне
обусловливает возможность применения оптоволоконной связи на
значительных расстояниях без использования усилителей. Оптово­
локонная связь свободна от электромагнитных помех и недоступна
для несанкционированного использования — перехватить сигнал,
передаваемый по оптическому кабелю, невозможно.
Одним из наиболее распространенных стандартов физического
уровня связи является стандарт RS-485 (Recommended Standard 485),
разработанный двумя ассоциациями — EIA (Electronics Industries As­
sociation) и TIA (Telecommunications Industry Association), поэтому для
идентификации его происхождения используется неприжившиеся
обозначение EIA/TIA-485. В силу его распространенности остановим­
ся на нем как на одном из примеров реализации физического уровня
организации обмена более детально.
Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой при­
емопередатчики, соединенные при помощи витой пары. В RS-485
используется принцип дифференциальной (балансной) передачи дан­
ных, при котором сигналы передаются дифференциальными (разно­
стными) перепадами напряжения величиной 0,2-6 В. Иными словами,
сигнал передается по двум проводам — А и В в разной полярности,
278
причем если по одному проводу идет «оригинальный» сигнал, то по
Рассмотренный способ передачи обеспечивает высокую устойчи­
вость к синфазной (действующей на оба провода линии связи оди­
наково) помехе. В самом деле, если два провода пролегают близко
друг к другу, да еще перевиты, то наводка на оба провода, например
за счет воздействия электромагнитной волны, одинакова. Потенциал
обоих входов приемника сигналов с линий А и В от действия помехи
изменяется одинаково, а разность потенциалов между ними, соот­
ветствующая передаваемой информации, остается без изменений.
Скручивание проводов линии дополнительно уменьшает влияние
помехи. Электромагнитное поле (возникающее, например, вокруг
силового кабеля), охватывая линию связи, индуцирует в петлях линии
токи помехи, но направления этих токов, в соседних петлях одного
и того же провода, противоположны, и они компенсируются.
Приемник, получая на дифференциальных входах разность потен­
циалов, переводит их в цифровой сигнал на выходе.
Если в сети передача данных отсутствует, то выходы передатчиков
переводятся в третье (т.е. отключенное) состояние. В результате при­
емники могут регистрировать ложные данные. Для решения данной
проблемы используют защитное смещение. Устанавливают резистор
задания начального высокого уровня (pull-up) на линию А и низкого
уровня (pull-down) — на линию В. Это будет обеспечивать при отсут­
ствии передачи данных в сети на входах всех приемников постоянного
сигнала, соответствующего в протоколах передачи обычно логиче­
скому уровню стоп-бита.
Аппаратная реализация интерфейса — микросхемы приемопере­
датчиков (трансиверов) с дифференциальными входами-выходами
(к линии) и цифровыми портами (к портам контроллера).
RS-485 — полудуплексный интерфейс. Прием и передача идут по
одной паре проводов с разделением по времени. В сети может быть
279
много передатчиков, так как они отключаются в режиме приема. Все
устройства подключаются к одной витой паре одинаково. Входное со­
противление приемника со стороны линии обычно составляет 12 кОм.
Так как мощность передатчика небеспредельна, это создает ограни­
чение на количество приемников, подключенных к линии. Согласно
спецификации RS-485 передатчик может вести до 32 приемников.
Однако есть ряд микросхем с повышенным входным сопротивлением,
что позволяет подключить к линии значительно больше 32 устройств.
Максимальная скорость связи по спецификации RS-485 мо­
жет достигать 12 Мбит/с (при дальности до 120 м). Максимальное
расстояние — до 1200 м (при скорости 185,5 кбит/с). На скоростях
обмена свыше 500 кбит/с рекомендуется использовать экранирован­
ные витые пары. Если необходимо организовать связь на расстоянии
больше 1200 м или подключить больше устройств, чем допускает на­
грузочная способность передатчика, применяют специальные пов­
торители (репитеры).
Рассмотрим некоторые подходы к реализации канального уровня
модели OSI. Сегодня основной тенденцией построения систем управ­
ления является использование «распределенного» интеллекта. Это
означает, что в сети может быть несколько устройств, инициирующих
передачу. При этом для обеспечения детерминированности в промыш­
ленных сетях требуется жесткая регламентация доступа к среде пере­
дачи (иначе в случае одновременного начала передачи двумя узлами
возникает коллизия). Для регулирования доступа к среде передачи
(каналу) на канальном уровне реализации сетевого взаимодействия
в промышленных сетях используют следующие методы:
• централизованный (применяется, например, в сетях Modbus);
• децентрализованный (применяется в CAN, LON);
• комбинированный (применяется в Profibus).
В случае централизованного контроля за доступом к шине выделя­
ется ведущий узел, назначающий и отслеживающий порядок и время
доступа к шине для всех ведомых узлов. Данный способ имеет один
недостаток — большое время реакции на событие, так как в худшем
случае информация об его возникновении поступает только после
полного цикла опроса.
При децентрализованном контроле права ведущего узла назначают­
ся группе или всем узлам в сети, а для определения узла, являющегося
ведущим в данный момент времени, могут использоваться различные
стратегии. Наиболее часто используемыми стратегиями являются:
• передача маркера (в сетях Profibus);
• CSMA/CD (в сетях Ethernet);
• CSMА/СА (в сетях CAN, LON).
В методе с передачей маркера право на доступ к шине (т.е. мар­
кер) передается циклично от устройства к устройству. Таким образом,
220
в шинной топологии реализуются положительные свойства кольцевой
топологии: гарантированное время доставки (легко вычисляемое)
и передача пакетов без потерь. При этом сохраняются такие положи­
тельные свойства шин, как простота расширения и конфигурирова­
ния, но увеличиваются время доставки сообщений и время реакции
на событие, что обычно устраняется за счет увеличения скорости пе­
редачи. А например, в сети Profibus используется комбинированный
подход — передача маркера для арбитража между ведущими устрой­
ствами и опрос ведомых активным ведущим устройством.
Метод случайного доступа к шине CSMA/CD (Carrier Sense Multiple
Access with Collision Detection) предоставляет всем станциям на шине
право начать передавать данные в любой момент, если только шина
уже не занята. Когда терминальное устройство собирается передавать
данные, оно сначала «слушает», не передаются ли по каналу связи
данные другими терминальными устройствами, если нет — оно может
начать передачу. Если же терминальное устройство обнаружило, что
среда передачи уже используется другим устройством, оно должно
дождаться освобождения канала связи. Все терминальные устройства
«слышат» передаваемые данные. Информация об адресе назначения,
содержащаяся в данных, позволяет терминальному устройству рас­
познать, должно оно принимать данные или нет.
Если несколько терминальных устройств собираются передавать
данные и оба они одновременно обнаружили, что канал связи свобо­
ден, они начинают передачу. Спустя короткое время произойдет столк­
новение передаваемых данных. Терминальные устройства снабжены
механизмом, который позволяет им обнаруживать такие коллизии.
Все терминалы, оказавшиеся участниками коллизии, прекращают
передачу и в течение некоторого времени, величина которого случай­
на и рассчитывается для каждого отдельного терминала по-разному,
вновь предпринимают попытку передачи данных. Так повторяется до
тех пор, пока один из терминалов не добьется успешной передачи без
коллизий. Другие терминалы ожидают освобождения канала связи.
При наличии коллизии возникает недетерминированность в поведе­
нии сети, и это ограничивает или порой полностью исключает воз­
можность применения данного метода в промышленных сетях при
работе систем автоматики в реальном масштабе времени.
При применении метода множественного доступа с контролем
несущей и разрешением конфликтов CSMA/CA (Carrier Sense Multiple
Access with Collision Arbitration) разрешение коллизий производится
аппаратурой по принципу побитового сравнения передаваемых дан­
ных. При этом нулевой уровень сигнала является доминирующим,
т.е. если два узла передают «О» и «1» — на шине будет «О». Таким об­
разом, если станция, передавая «1», обнаруживает на шине «О», то
она определяет, что произошла коллизия, прекращает текущую пе­
227
редачу и повторяет ее на следующем цикле. Для того чтобы коллизии
разрешались предсказуемо и в предсказуемое время, в начале пакета
передается поле арбитража, называемое идентификатором, которое
определяет или приоритет передающего устройства, или приоритет
данных (сообщений). Анализируя идентификатор, все узлы в сети
принимают только необходимые им данные.
Применяемый алгоритм разрешения коллизий хотя и не приводит
к потерям фреймов, но вызывает задержки в их доставке. Максималь­
ная задержка может быть оценена как время, необходимое для пере­
дачи всех сообщений с более высокими приоритетами. Приоритеты
сообщений устанавливаются исходя из следующего. Все сообщения
можно разделить на два класса — те, которым требуется доставка в ре­
жиме реального времени, и те, которым этого не требуется. Сообще­
ния, требующие реального времени, обычно используются техноло­
гическими программами для передачи значений каналов, временных
переменных и т.п. Как правило, набор этих сообщений определяется
при создании системы и незначительно меняется во время ее работы.
Сообщения, не требующие реального времени, используются для раз­
личных сервисных функций: передачи файлов, конфигурирования,
удаленной загрузки, отладки и т.п. Очевидно, что сообщения, требу­
ющие реального времени, должны передаваться в первую очередь,
а это значит, что они должны иметь больший приоритет по сравнению
с остальными сообщениями.
Разговор о цифровых промышленных сетях мы начинали с пере­
числения присущих им параметров и характеристик. Очевидно, что
подходы, применяемые при создании сети в конкретном случае, долж­
ны обеспечивать в первую очередь те параметры, которые критичны
для данного применения. Так рождались спецификации (стандарты)
решений построения сетей для определенных сфер применения. Воп­
рос о выборе стандарта сети для конкретной автоматизированной
системы является достаточно сложным и требует глубокого анализа
требований, предъявляемых объектом автоматизации, и всесторон­
него рассмотрения возможностей и ограничений, определяемых той
или иной сетью.
Первый вопрос, на который при этом необходимо получить ответ:
что лучше использовать — частнофирменное решение от одной ком­
пании или решение, опирающееся на стандарты, поддерживаемые
большим числом фирм.
Когда речь идет о построении систем с использованием устройств
различных производителей, то неизбежно встают вопросы их совмес­
тимости. Системы, работающие по уникальным протоколам связи,
производимые и поддерживаемые одной компанией, получили назва­
ние закрытых. Большинство таких систем зародилось в те времена,
когда проблемы интеграции изделий от разных производителей не
222
считались актуальными. Применительно к промышленным сетям
частные решения — это интеллектуальная собственность отдельных
компаний, и использование таких технологий ограничивается необ­
ходимостью получения лицензионного права пользования.
Успешно же интегрировать в единую систему изделия от различ­
ных производителей позволяет использование принципов открытых
систем. Сеть считается открытой, если она удовлетворяет следующим
критериям:
• наличие полных опубликованных спецификаций с возможностью
их приобретения;
• наличие критического минимума доступных компонентов (ин­
терфейсные кристаллы и готовые изделия) от ряда независимых
поставщиков;
• организация хорошо определенного процесса ратификации воз­
можных дополнений к стандартам и спецификациям.
Более коротко это можно сформулировать так: каждый желаю­
щий имеет возможность использовать то, что уже наработано, или
выполнять собственные разработки, в том числе такие, которые могут
использоваться другими.
Периодически повторяются попытки не просто вести речь об от­
крытых сетях, а свести их многообразие к некоторому универсальному
стандарту. Первый раз такие работы были предприняты Международ­
ной электротехнической комиссией (МЭК — IEC) еще в 1984 г. Были
определены требования для открытой промышленной сети, устройств
удаленного ввода-вывода, контроллеров, согласующих устройств и т.д.
Ставилась задача, чтобы такая универсальная сеть обеспечивала ком­
муникационные запросы на всех этажах многоуровневой системы
автоматизации. По ходу этой работы возникла масса инициатив, было
выдвинуто множество предложений, созданы различные ассоциации
и комитеты. Все это не только затянуло проведение работ, но в извест­
ной степени показало определенную их бесперспективность — проект
универсальной спецификации так и не был принят.
В итоге CAN, LON, PROFIBUS, Interbus-S, FIP, FF, DeviceNET,
SDS, ASI, HART, ControlNet и еще несколько десятков протоколов —
это сегодняшняя ситуация на рынке промышленных сетей. Каждая
из них имеет свои особенности и области применения.
Сейчас уже очевидно, что ни одна из существующих ныне ЦПС
не станет единственной, похоронив все остальные. Многообразие
требований автоматизируемых технологических процессов не может
быть удовлетворено единственным универсальным и экономически
оптимальным решением. Естественным направлением развития
современных ЦПС является типизация и стандартизация наиболее
широко распространенных решений в этой сфере, что позволяет раз­
работчикам АСУТП выбирать оборудование из широкого спектра
223
поставщиков, оптимизируя стоимость проекта и его технологическую
структуру. Может быть, со временем определится ведущая, например
пятерка технологий, вокруг которой будут сосредоточены основное
внимание пользователей и бизнес независимых производителей. Но
это вопрос будущего.
В зависимости от места ЦПС в иерархии промышленного предпри­
ятия требования к ее функциональным характеристикам различны.
Иерархия предприятия с точки зрения организации на нем АСУТП
обычно представляется в виде четырехэтажной пирамиды (рис. 4.4.2).
Ее составляют уровни управления (сверху вниз):
• производством (предприятием);
• технологическим процессом (участком);
• устройствами (линиями, станками);
• отдельными датчиками и исполнительными механизмами.
Рис. 4.4.2. Иерархия АСУТП и промышленных сетей
На уровне управления предприятием располагаются обычные
PC-совместимые компьютеры и файловые серверы, объединенные
локальной сетью. Задача вычислительных систем на этом уровне —
обеспечение визуального контроля основных параметров производ­
ства, построение отчетов, архивирование данных.
На уровне управления технологическим процессом осуществля­
ются текущий контроль и управление либо в ручном режиме с опера­
торских пультов, либо в автоматическом — по заложенному алгоритму.
На этом уровне выполняются согласование параметров отдельных
участко в производства, отработка аварийных и предаварийных ситуа­
ций, параметризация контроллеров нижнего уровня, загрузка техно­
224
логических программ, «ручная» выдача команд на исполнительные
механизмы.
На уровне управления устройствами располагаются контроллеры,
осуществляющие непосредственный сбор данных и управление око­
нечными устройствами—датчиками и исполнительными механизма­
ми. Самый нижний уровень управления — уровень интеллектуальных
датчиков и исполнительных устройств.
Очевидно, что к информационному обмену устройств, принадле­
жащих различным уровням, могут предъявляться и обычно предъявля­
ются самые различные требования. Каждому уровню характерны свои
объемы и скорости обмена, число ведущих устройств, ограничения
на время доставки и т.д. Это позволяет говорить о сетях различного
уровня — стандартах организации сетевого обмена, ориентированных
на тот или иной уровень производства, оптимально соответствующих
решаемым на конкретных уровнях задачах.
Так, на уровне управления предприятием объемы передаваемой
информации могут быть достаточно большими, но к их передаче мо­
гут не предъявляться требования по обеспечению гарантированного
времени доставки. Здесь применяются стандарты офисных сетей,
среди которых доминирует технология Ethernet и ее адаптированные
к промышленным особенностям применения варианты — Industrial
Ethernet.
На уровне управления технологическим процессом и устройствами
объемы передаваемой информации обычно существенно меньше, но
требования к сетевому обмену могут очень жесткие, если управление
ведется в реальном масштабе времени. Данные, которыми контроллер
обменивается с оконечным устройством, обычно имеют дискретность
одного байта, а требования к скорости опроса устройств наиболее
жесткие — не более 10 мс. Общее название сетей этого уровня — сети
полевого уровня (field bus).
Сети управления устройствами и датчиков (sensor/actuator bus)
появились в качестве замены устаревших технологий, когда обмен
информацией на уровне датчиков и исполнительных механизмов
осуществлялся физическими сигналами (значения токов, напряже­
ний, сопротивлений). Но в условиях промышленных помех обеспече­
ние точной передачи информации таким способом было сопряжено
с большими проблемами (особенно при передаче аналоговых сиг­
налов). Решением задачи стало первичное преобразование сигнала
в непосредственной близости от датчика. Сначала это были преоб­
разователи в частоту, а с появлением микропроцессоров — цифро­
вые преобразователи. Передача информации в цифровом виде (по
сети) позволила исключить необходимость в отдельной линии связи
к каждому устройству и организовать шинную структуру. Как правило,
сети датчикового уровня характеризуются меньшими длинами линий
225
связи, более коротким временем цикла передачи, малыми объемами
передаваемых данных (обычно все данные содержатся в одном пакете)
и относительно низкими ценами на среду передачи и подключение
узла по сравнению с сетями полевого уровня. Обычной задачей сетей
датчикового уровня является получение данных от всех устройств за
время, не превышающее времени технологического цикла.
Тенденции последних лет сделали эту стройную структуру зна­
чительно более сложной, а местами и размытой. Это определяется
следующими факторами:
• АСУТП все более интегрируется с АСУП, а через нее неизбежно
выходит в сферу интернет-технологий. Сегодня уже никого не
удивляет желание руководителей предприятия иметь текущую
производственную информацию не только в своем кабинете, но
и в филиалах или в любой точке мира;
• значительные успехи демонстрирует так называемый промыш­
ленный Ethernet, который доказал свою состоятельность и пер­
спективность для задач интеграции отдельных участков АСУТП
в единую структуру и построения многоуровневых ЦПС. Ethernet
поддерживается всевозрастающей номенклатурой аппаратно-про­
граммных средств, соответствующих не только стандарту Ethernet,
но и жестким требованиям производственной сферы;
• все более расширяется сектор со специфическими требованиями
к организации ЦПС, например для применения во взрывоопас­
ных зонах на предприятиях химической, нефтегазовой и других
отраслей с опасными условиями производства.
Необходимо иметь в виду, что проектирование систем автомати­
зации обычно ведется в рамках того или иного ПТК. Определение
требований к сетевому обмену является одним из существенных фак­
торов выбора этого ПТК.
Приводимые ниже примеры ЦПС описывают сетевые решения,
получившие на сегодняшний день широкое признание: это милли­
оны совместимых оконечных устройств и десятки производителей,
выпускающих аппаратные средства построения сетей.
4.4.2. Типовые стандартные ЦПС
Рассмотрим несколько стандартов ЦПС, широко распространен­
ных в различных приложениях современных АСУТП.
AS-интерфейс (Actuator/Sensor Interface). Это открытый междуна­
родный стандарт EN 50 295. Появился в 1993 г. Поддерживается кон­
сорциумом ведущих производителей средств АСУТП, в числе которых
фирмы Siemens, Pepperl+Fuchs и другие. Относится к классу ЦПС
оконечных устройств, осуществляя непосредственную интеграцию
датчиков и исполнительных механизмов в систему автоматизации.
226
Позволяет полностью исключить из АСУТП аналоговые линии свя­
зи, кроссировочные шкафы и другое вспомогательное оборудование.
Отличительными чертами AS-интерфейса являются следующие
основные характеристики:
• число ведущих устройств (master) — 1;
• число ведомых устройств (slave) — до 31;
• топология произвольная (шина, звезда, дерево, кольцо);
• метод доступа — последовательный опрос;
♦ кабель используется как для обмена данными, так и для подачи
напряжения питания на датчики/исполнительные механизмы;
• простой и экономичный монтаж соединений;
• при использовании стандартных AS-i-модулей (ведомых устройств)
на кабеле может находиться до 124 исполнительных механизмов/
датчиков;
• установка адресов устройств автоматическая или ручным сервис­
ным прибором;
• кабель неэкранированный двухпроводной с сечением 2x1,5 мм2
или специальный плоский;
° максимальная суммарная протяженность линий связи сегмента
сети, обслуживаемого одним ведущим устройством без повтори­
телей, достигает 100 м, с использованием повторителей — 300 м;
• электропитание напряжением 30 В постоянного тока.
AS-интерфейс является системой с одним ведущим устройством
и работает по принципу «ведущий - ведомый» (master-slave). Это озна­
чает, что ведущее устройство AS-интерфейса, подключенное к кабелю,
управляет процедурой обмена данными с ведомыми устройствами,
также подключенными к этому кабелю. Ведущее устройство исполь­
зует циклический опрос ведомых устройств.
С 2000 г. в стандарте количество ведомых устройств в одной сети
было увеличено до 62 за счет разделения адресного пространства веду­
щего сетевого устройства на две подобласти—А и В. Установка сетевых
адресов может выполняться с помощью ведущего сетевого устройства
или с помощью специального прибора для адресации и диагностики
модулей AS-i. Если используются AS-i-модули с расширенным ре­
жимом адресации, то с одним ведущим устройством могут работать
до 186 исполнительных механизмов и 248 датчиков.
Скорость передачи данных достигает 167 кбит/с. При опросе сис­
темы с 31 ведомым устройством время цикла не превышает 5 мс. При
числе устройств в сети 62 время цикла опроса не превышает 10 мс.
Состав оборудования, необходимый для развертывания сегмента
AS-сети, показан на рис. 4.4.3.
К такому оборудованию относятся:
• кабель;
• источник электропитания;
• ведомые устройства для подключения датчиков и исполнительных
механизмов;
227
•
•
•
•
ведущее устройство;
повторители (при необходимости);
сервисные приборы для адресации и диагностирования;
разветвители ведомых устройств на группы А и В.
Датчик
с интегрированным
AS-интерфейсом
Датчик
с отдельным модулем
AS-интерфейса
Исполнительный
механизм с
интернированным
AS-интерфейсом
Исполнительный механизм
с модулем AS-интерфейса
и собственным источником
питания
Рис. 4.4.3. Состав узлов AS-интерфейса и их развертывание в сеть
Кабель AS-интерфейса имеет профилированную форму (рис. 4.4.4),
исключающую его неправильный монтаж.
Рис. 4.4.4. Профилированный кабель
Быстрое и надежное подключение узлов к кабелю обеспечивается
с помощью специальной конструкции интерфейсных устройств. При­
мер на рис. 4.4.5 иллюстрирует подключение к профилированному
кабелю цифрового компактного модуля AS-интерфейса серии К60
компании Siemens. В нижней части корпуса монтируемого устройства
находятся ножевые контакты, прорезающие кабель и обеспечивающие
непосредственный контакт с токоведущими жилами. Несимметричная
228
форма кабеля гарантирует точное попадание контактов в сердечник
проводников и абсолютно надежное соединение в течение всего срока
эксплуатации. Этот кабель позволяет подключать датчики, устанав­
ливаемые и на подвижных частях механизмов.
Рис. 4.4.5. Подключение AS-устройств к профилированному кабелю
Для кодирования данных используется известный манчестерский
код, в котором «1»и «О» кодируются не по импульсу или его отсутс­
твию, а по восходящему и нисходящему фронту импульса в середине
стробирующего такта Т (рис. 4.4.6).
манчестерский код
1
1
0
0
0
1
0
0
0
1
1
Рис. 4.4.6. Манчестерский код
Такой тип кодирования снижает влияние на AS-кабель внешних
помех, так как влияние помехи на фронт импульса значительно мень­
ше, чем на сам импульс.
На рис. 4.4.7 показаны два логических интерфейса коммуникаци­
онного процессора, являющегося ведущим устройством. Через ин­
терфейс, объединяющий процессор ПЛК и коммуникационный про­
цессор ведущего устройства, передаются данные процесса и команды
задания параметров. В программах пользователя предусматриваются
необходимые обращения к функциям, имеются механизмы для чтения
и записи данных через этот интерфейс. Обмен данными с ведомыми
устройствами осуществляется через интерфейс между коммуникаци­
онным процессором ведущего устройства и кабелем AS-интерфейса.
229
С тем чтобы обеспечить короткий цикл опроса всех устройств на
низкой скорости передачи, был выбран наиболее компактный формат
протокола (рис. 4.4.8). Первоначально AS-интерфейс был ориентирован
на работу исключительно с бинарными данными (дискретными входа­
ми-выходами), поэтому длина информационной посылки всего 4 бита.
Кабель AS-i
Рис. 4.4.7. Логические интерфейсы коммуникационного процессора
Запрос ведущего устройства
Пауза
ведущего
устройства
Ответ
ведомого
устройства
Пауза
ведомого
устройства
ST — стартовый бит «О»;
SB — управляющий бит (0 — это данные или параметр; 1 — это
команда);
А4...А0 — адрес ведомого (1—31) устройства;
I4...I0 — информационная часть (данные) от ведущего устройства к
ведомому и от ведомого к ведущему;
РВ — бит паритета;
ЕВ — признак конца телеграммы (конечный, стоп-бит «1»),
Рис. 4.4.8. Структура протокола As-i
Протокол обмена AS-интерфейса состоит из запроса ведущего
устройства, паузы ведущего устройства, ответа ведомого устройства
и, соответственно, паузы ведомого устройства. Все запросы ведущего
устройства имеют длину 14 бит, все ответы ведомого устройства
занимают 7 бит. При этом период времени передачи одного бита
составляет 6 мкс. Пауза ведущего устройства может занимать по
времени от 3 до 10 тактов передачи бита. Если ведомое устройство
было синхронизировано, т.е. приняло сообщение ведущего устройства
и ответило, то это позволяет начать передачу ответа ведомого устройства
через 3 такта. Если ведомое устройство не было синхронизировано,
например это первый запрос в адрес данного ведомого устройства или
230
запрос после воздействия помехи, то требуется на два такта больше,
чем это было необходимо в первом случае.
Если ведущее устройство после 10 тактов не приняло стартовый
бит ответа ведомого устройства, можно сделать заключение, что ответ
не проходит, и ведущее устройство может послать следующий запрос,
например ведомому устройству с более высоким адресом.
Электронная часть ведомого устройства реализуется на базе специа­
лизированных микросхем. Два способа использования специализиро­
ванных интерфейсных микросхем определяют два вида AS-модулей:
• чип ведомого устройства AS-интерфейса может быть встроен прямо
в датчик или исполнительное устройство, в результате чего по­
лучается интеллектуальный датчик (исполнительное устройство)
с интегрированным AS-интерфейсом (рис. 4.4.9, а);
• чип ведомого устройства AS -интерфейса может быть встроен в мо­
дуль, к которому в свою очередь можно подключать обыкновенный
датчик или исполнительное устройство (рис. 4.4.9, б).
б)
Рис. 4.4.Э. Состав модулей AS-интерфеса
231
Специализированная интерфейсная микросхема обеспечивает
AS-модуль электропитанием отсети, распознаетпереданную от ведущего
устройства информацию и посылает в ответ собственные данные. Адрес
каждого сетевого устройства записывается в его постоянной памяти.
В каждом цикле передаются 4 бита данных от ведущего устройства
последовательно к каждому ведомому и обратно. Необходимые для
этого порты данных каждой БИС можно конфигурировать отдельно
как входные, выходные или двунаправленные порты.
По команде «Write Parameter» ведомое устройство получает от ве­
дущего 4 бита данных, соответствующих значению параметра. С их
помощью можно управлять особыми функциями ведомого устройства.
Установка кодов параметров производится ациклично, причем в одном
цикле AS-интерфейса она может быть выполнена только для одного
ведомого устройства.
В модулях ввода-вывода все входные цепи гальванически развязаны
относительно AS-интерфейса.
На рис. 4.4.10 продемонстрирован вид производственной линии
со смонтированным сегментом сети AS-интерфейса на модулях, рас­
считанных на подключение к профилированному кабелю.
Рис. 4.4.10. Вид производственной линии со смонтированным
сегментом сети AS-интерфейса на рассмотренных модулях
Модули ввода-вывода могут быть приспособлены для монтажа
в электрических шкафах, в распределительных коробках с обычными
и с кабельными выводами. Примеры того, как могут выглядеть эти
устройства, показаны на рис. 4.4.11.
232
Рис. 4.4.11. Внешний вид модулей AS-интерфейса
HART (англ. Highway Addressable Remote Transducer Protocol — адре­
суемый дистанционный магистральный преобразователь) — протокол
обмена данными между системой управления и интеллектуальными
датчиками. HART является открытым протоколом и доступен для
всех производителей устройств и систем автоматического управления,
позволяет передавать со скоростью до 1200 бит/с.
HART-протокол был разработан в середине 1980-хгг. американской
компанией Rosemount. В начале 1990-х гг. протокол был дополнен
и стал открытым коммуникационным стандартом. С 2009 г. доступна
спецификация версии HART 7.2, поддерживающая технологию бес­
проводной передачи данных.
HART-протокол — попытка внедрить информационные техно­
логии на уровень полевых устройств. Модулированный цифровой
сигнал, позволяющий получить информацию о состоянии датчика
или осуществить его настройку, накладывается на токовую несущую
аналоговой токовой петли уровня 4-20 мА. Для передачи логической
«1» HART использует синусоидальный сигнал в один полный период
частотой 1200 Гц, а для передачи логического «0» — сигнал в два пе­
риода частотой 2200 Гц. Поскольку среднее значение синусоиды за
период равно нулю, то HART-сигнал никак не влияет на аналоговый
сигнал 4-20 мА (рис. 4.4.12). Это свойство обеспечивает взаимозаме­
няемость с существующими системами при расширении их функций
для возможности получения нескольких переменных процесса, для
конфигурации, проверки статуса, диагностики устройств и т.д.
Таким образом, питание датчика, снятие его первичных показаний
и вторичной информации осуществляются по двум проводам. Прием
сигнала о параметре и настройка датчика осуществляются с помощью
HART-модема или HART-коммуникатора. К одной паре проводов
может быть подключено несколько датчиков.
HART-протокол построен по принципу «главный - подчиненный»
(master-slave), т.е. полевое устройство отвечает по запросу системы.
Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управ­
ляющая система и коммуникатор). Существуют два режима работы
датчиков, поддерживающих обмен данными по HART-протоколу.
233
Рис. 4.4.12. Наложение цифрового сигнала на аналоговый в HART-протоколе
Режим передачи цифровой информации одновременно с аналого­
вым сигналом — обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых
АСУТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством
HART-коммуникатора или компьютера. При этом можно удаленно
(расстояние до 3000 м) осуществлять полную настройку и конфигу­
рирование датчика.
В многоточечном режиме датчик передает и получает информацию
только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксиру­
ется на минимальном значении (только питание устройства — 4 мА)
и не содержит информации об измеряемой величине. Информация
о переменных процесса считывается по HART-протоколу. К одной
паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество
определяется длиной и качеством линии, а также мощностью блока
питания датчиков. Все датчики в многоточечном режиме имеют свой
уни кальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответ­
ствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет
все датчики, подключенные клинии, и может работать с любым из них.
В HART-сети может присутствовать до двух master-узлов (обычно
один). Второй master, как правило, освобожден от поддержания циклов
передачи и используется для организации связи с какой-либо системой
контроля/отображения данных. Стандартная топология — «звезда»,
но возможна и шинная организация. Для передачи данных по сети
используются два режима:
1) асинхронный: по схеме «master-запрос/slave-ответ» (один цикл
укладывается в 500 мс);
234
2) синхронный; пассивные узлы непрерывно передают свои дан­
ные master-узлу (время обновления данных в master-узле 250—300 мс).
За одну посылку один узел может передать другому до 4 технологи­
ческих переменных, а каждое HART-устройство может иметь до 256
переменных, описывающих его состояние. Контроль корректности
передаваемых данных основан на получении подтверждения.
Modbus был разработан компанией Modicon для использования
в своих контроллерах с программируемой логикой. Впервые специфи­
кация протокола была опубликована в 1979 г. Она описывала формат
сообщений и способы их передачи в сети, состоящей из различных
электронных устройств. Многие производители электронного обо­
рудования его поддержали, и на рынке появилось много изделий,
использующих этот протокол. В результате сегодня он играет роль
открытого стандарта. В настоящее время развитием Modbus занимается
некоммерческая организация Modbus-IDA, созданная производите­
лями и пользователями электронных приборов. Последняя версия
описания протокола появилась в декабре 2006 г.
Одним из преимуществ Modbus является простота программной
реализации, что приводит к отсутствию обязательности использования
специальных интерфейсных контроллеров (заказных микросхем). Это
существенно снижает затраты на освоение стандарта как системными
интеграторами, так и разработчиками контроллерного оборудования.
Кроме того, Modbus имеет высокую достоверность передачи данных,
связанную с применением надежного метода контроля ошибок. Modbus позволяет унифицировать команды обмена благодаря стандар­
тизации номеров (адресов) регистров и функций их чтения/записи.
Основным недостатком Modbus является сетевой обмен по типу
«ведущий—ведомый», что не позволяет ведомым устройствам пере­
давать данные по мере их появления и поэтому требует интенсивного
опроса ведомых устройств ведущим.
Разновидностями Modbus являются протоколы Modbus Plus — многомастерный протокол с кольцевой передачей маркера и Modbus TCP,
рассчитанный на использование в сетях Ethernet и Интернет.
Протокол Modbus имеет два режима передачи: RTU (Remote Ter­
minal Unit —удаленное терминальное устройство) и ASCII. Стандарт
предусматривает, что режим RTU в протоколе Modbus должен при­
сутствовать обязательно, арежим ASCII является опционным. Поль­
зователь может выбирать любой из них, но все модули, включенные
в сеть Modbus, должны иметь один и тот же режим передачи.
Режим ASCII предназначен для медленных линий связи, где каж­
дый байт пакета передается как два ASCII-символа. Новый пакет
начинается со специального служебного символа. При этом между
передачей символов одного пакета пауза может быть несколько се­
кунд (в зависимости от настроек) без возникновения ошибок при
235
передаче. Все, о чем будет говориться далее, в первую очередь будет
касаться протокола Modbus RTU, поскольку Modbus ASCII в России
практически не используется.
Модель OSI протокола Modbus содержит три уровня: физический,
канальный и прикладной.
Физический уровень. Стандарт Modbus предусматривает примене­
ние физического интерфейса RS-485, RS-422 или RS-232. Наиболее
распространенным для организации промышленной сети является
2-проводной интерфейс RS-485. Для соединений точка-точка может
быть использован интерфейс RS-232 или RS-422.
Modbus-шина должна состоять из одного магистрального кабе­
ля, от которого могут быть сделаны отводы. Магистральный кабель
Modbus должен содержать 3 проводника в общем экране, 2 из которых
представляют собой витую пару, а третий соединяет общие («земля­
ные») выводы всех интерфейсов RS-485 в сети. Общий провод и экран
должны быть заземлены в одной точке около ведущего устройства. На
каждом конце линии связи устанавливаются терминаторы LT, кото­
рые представляют сопротивления номиналом 120 Ом. В сети Modbus
защитное смещение устанавливается только рядом с ведущим уст­
ройством.
Устройства могут подключаться к кабелю тремя способами:
• непосредственно к магистральному кабелю;
• через пассивный разветвитель (тройник);
• через активный разветвитель (содержащий развязывающий пов­
торитель интерфейса).
Modbus-устройство обязательно должно поддерживать скорости
обмена 9600 бит/с и 19 200 бит/с, последняя устанавливается по умол­
чанию. Допускаются также скорости 1200,2400,4800,..., 38 400 бит/с
и другие. Скорость передачи должна выдерживаться в передатчике
с погрешностью не хуже 1 %, а приемник должен принимать данные
при отклонении скорости передачи до 2%.
Сегмент сети, не содержащий повторителей интерфейса, должен
допускать подключение до 32 устройств, однако их количество может
быть увеличено, если это допустимо исходя из нагрузочной способ­
ности передатчиков и входного сопротивления приемников.
Максимальная д лина магистрального кабеля при скорости переда­
чи 9600 бит/с и сечении жил более 0,13 мм2 составляет 1 км. Волновое
сопротивление кабеля должно быть более 100 Ом. Отводы от магис­
трального кабеля не должны быть длиннее 20 м. При использовании
многопортового пассивного разветвителя с N отводами длина каждого
отвода не должна превышать значения 40 N/м. Для минимизации
ошибок при монтаже рекомендуется использовать провода следующих
цветов: желтый — для положительного вывода RS-485 (на котором
устанавливается логическая «1», когда через интерфейс выводится ло­
236
гическая «1»); коричневый—для второго вывода интерфейса RS-485;
серый — для общего провода.
Modbus не устанавливает конкретных типов разъемов, но если ис­
пользуются разъемы RJ45, mini-DIN или D-Shell, они должны быть
экранированными, а цоколевки должны соответствовать стандарту.
Канальный уровень. При использовании последовательных линий
связи в одной сети может быть только одно ведущее устройство (mas­
ter) , которое может опрашивать другие подчиненные устройства (slave).
Ведущее устройство может запросить данные с каждого подчиненного
устройства по очереди или инициировать одновременную передачу
сообщения на все подчиненные устройства.
Инициатива проведения обмена всегда исходит от ведущего
устройства. Ведомые устройства прослушивают линию связи. Ведущее
устройство подает запрос (посылка, последовательность байт) в ли­
нию и переходит в состояние прослушивания линии связи. Ведомое
устройство отвечает на запрос, пришедший именно в его адрес, — пе­
редает запрашиваемые главным устройством данные, или произво­
дит запрашиваемые действия. Окончание ответной посылки ведущее
устройство определяет по временному интервалу между окончанием
приема предыдущего байта и началом приема следующего. Если этот
интервал превысил время, необходимое для приема двух байт на задан­
ной скорости передачи, прием кадра ответа считается завершенным.
Ведомые устройства никогда не начинают передачу данных, пока не
получат запрос от ведущего, ни одно подчиненное устройство не может
самостоятельно запросить или передать данные другому устройству,
поэтому в любой момент времени в сети Modbus может происходить
только один акт обмена.
Ведущее устройство может посылать запросы всем устройствам
одновременно («широковещательный режим») или только одному.
Для широковещательного режима зарезервирован адрес «О» (при
использовании в сообщении этого адреса оно принимается всеми
устройствами сети). При получении широковещательного запроса
ответное сообщение не формируется.
Сообщения Modbus RTU передаются в виде кадров, для каждого из
которых известны начало и конец. Признаком начала кадра является
пауза (тишина) продолжительностью не менее 3,5 шестнадцатеричного
символа (14 бит), т.е. величина паузы в секундах зависит от скорости
передачи. Кадр должен передаваться непрерывно. Если при передаче
кадра обнаруживается пауза продолжительностью более 1,5 шестнад­
цатеричного символа (6 бит), то считается, что кадр содержит ошибку
и должен быть отклонен принимающим модулем.
Спецификация Modbus описывает структуру кадра (фрейма) —
структуру запросов и ответов. Их основа — элементарный пакет про­
токола, так называемый PDU (Protocol Data Unit — элемент данных
237
протокола). Для передачи пакета по физическим линиям связи PDU
помещается в другой пакет, содержащий дополнительные поля. Этот
пакет носит название ADU (Application Data Unit — элемент данных
приложения). Формат ADU меняется в зависимости от типа линии
связи.
Структура PDU не зависит от типа линии связи и включает код
функции и поле данных. Размер пакета PDU ограничен 253 байтами.
Кадры запроса и ответа по протоколу Modbus имеют фиксированный
формат (рис. 4.4.13).
Адрес ведомого устройства — первое однобайтное поле кадра. Оно
содержит адрес подчиненного устройства, к которому адресован за­
прос. Ведомые устройства отвечают только на запросы, поступившие
в их адрес. Ответ также начинается с адреса отвечающего ведомого
устройства, который может изменяться от 1 до 247. Адрес 0 исполь­
зуется для широковещательной передачи, его распознает каждое
устройство, адреса в диапазоне 248...255 зарезервированы; ведущее
устройство не имеет адреса в сети. Не должно быть двух устройств
с одинаковыми адресами.
ADU
Адрес
I байт
Код функции
1 байт
Данные
0...252 байт
Контрольная сумма
2 байта
PDU
Рис. 4.4.13. Формат кадра протокола Modbus RTU
Номер функции — это следующее однобайтное поле кадра. Оно
говорит ведомому устройству, какие данные или выполнение какого
действия требует от него ведущее устройство. Код функции может
принимать значения в диапазоне 1... 127. Диапазон значений 128. ..255
зарезервирован для кодов ошибок в ответных сообщениях.
Данные — поле содержит информацию, необходимую ведомому
устройству для выполнения заданной мастером функции, или со­
держит данные, передаваемые ведомым устройством в ответ на за­
прос ведущего. Поле данных может быть переменной длины. Длина
и формат поля зависят от номера функции.
CRC (контрольная сумма) — заключительное двухбайтное поле
кадра. Контрольная сумма завершает кадры запроса и ответа и при­
меняется для проверки отсутствия ошибок в кадре посылки Modbus
RTU. Поле CRC записывается младшим байтом вперед. Алгоритм
расчета CRC может отличаться для разных устройств.
В режиме RTU данные передаются младшими разрядами вперед.
Передача каждого байта начинается со стартового бита, заканчива­
ется — стоп-битом (рис. 4.4.14).
238
| Стартовый бит | 1 (МЗР) |2|з|4|5|б|7| 8 | Бит паритета | Стоп-бит |
Рис, 4.4.14. Последовательность битов в режиме RTU:
МЗР — младший значащий разряд.
При отсутствии бита паритета на его место записывается второй стоп-бит
По умолчанию в RTU-режиме бит паритета устанавливают рав­
ным 1, если количество двоичных единиц в байте нечетное, и равным О,
если оно четное. Такой паритет называют четным (even parity), и метод
контроля называют контролем четности. При четном количестве дво­
ичных единиц в байте бит паритета может быть равен 1. В этом случае
говорят, что паритет является нечетным (odd parity).
Контроль четности может отсутствовать вообще. В этом случае
вместо бита паритета должен использоваться второй стоповый бит.
Для обеспечения максимальной совместимости с другими продуктами
рекомендуется использовать возможность замены бита паритета на
второй стоповый бит. Ведомые устройства могут воспринимать любой
из вариантов: четный, нечетный паритет или его отсутствие.
Протокол Modbus RTU имеет простую, но эффективную систему
контроля ошибок. Во время обмена данными могут возникать ошибки
двух типов:
• ошибки, связанные с искажениями при передаче данных;
° логические ошибки.
Логика обработки и реагирования на ошибки следующая.
1. Если подчиненное устройство принимает корректный запрос
и может его нормально обработать, то возвращает нормальный ответ.
2. Если подчиненное устройство не принимает какого-либо зна­
чения, то никакого ответа не отправляется. Ведущее устройставо диа­
гностирует ошибку по тайм-ауту.
3. Если подчиненное устройство принимает запрос, но обнаружи­
вает ошибку (parity, LRC, CRC), то никакого ответа не отправляется.
Ведущее устройставо диагностирует ошибку по тайм-ауту.
4. Если подчиненное устройство принимает запрос, но не может
его обработать, возникает логическая ошибка (обращение к несуще­
ствующему регистру и т.д.), то отправляется ответ, содержащий в себе
данные об ошибке.
Ошибки первого типа обнаруживаются при помощи фреймов сим­
волов, контроля четности и циклической контрольной суммы CRC.
В режиме RTU имеются два уровня контроля ошибок в сообщении:
• контроль паритета для каждого байта (опционно);
• контроль кадра в целом с помощью CRC-метода.
CRC-метод используется независимо от проверки паритета. Значе­
ние CRC устанавливается в ведущем устройстве перед передачей. При
приеме сообщения вычисляется CRC для всего сообщения и сравнива­
ется с его значением, указанным в поле CRC-кадра. Если обазначения
239
совпадают, считается, что сообщение не содержит ошибки. Стартовые,
стоповые биты и бит паритета в вычислении CRC не участвуют.
Для сообщений об логических ошибках протокол Modbus RTU
предусматривает, что устройства могут отсылать ответы, свидетель­
ствующие об ошибочной ситуации. Если логической ошибки в при­
нятом сообщении подчиненное устройство не обнаружило, то в от­
ветном сообщении оно в поле кода функции просто дублирует код
принятой функции (код функции может меняться от 1 до 127, т.е.
старший разряд кода функции всегда равен нулю). Если обнаружена
логическая ошибка, то в ответном сообщении старший разряд кода
функции устанавливается в единицу. Ниже перечислены наиболее
часто встречающиеся логические ошибки.
1. Принятый код функции не может быть обработан на подчи­
ненном.
2. Адрес данных указанный в запросе недоступен данному под­
чиненному.
3. Величина, содержащаяся в поле данных запроса, является не­
допустимой величиной для подчиненного.
4. Невосстанавливаемая ошибка имела место в то время, пока под­
чиненный пытался выполнить затребованное действие.
5. Подчиненный принял запрос и обрабатывает его, но это тре­
бует много времени. Этот ответ предохраняет главного от генерации
ошибки тайм-аута.
6. Подчиненный занят обработкой команды. Главный должен пов­
торить сообщение позже, когда подчиненный освободится.
7. Подчиненный не может выполнить программную функцию,
принятую в запросе. Главный должен запросить диагностическую
информацию или информацию об ошибках с подчиненного.
8. Случай, требующий ремонта.
Прикладной уровень. Прикладной уровень протокола — это уро­
вень использования сети для решения конкретных прикладных задач.
Прикладной уровень Modbus основан на запросах с помощью кодов
функций. Код функции указывает ведомому устройству, какую опе­
рацию оно должно выполнить.
Стандартом Modbus предусмотрены три категории кодов функций:
установленные стандартом, задаваемые пользователем и зарезерви­
рованные.
Как уже отмечалось, коды функций являются числами в диапазо­
не от 1 до 127. Коды в диапазоне от 65 до 72 и от 100 до 110 относятся
к задаваемым пользователем функциям, в диапазоне от 128 до 255
зарезервированы для пересылки кодов ошибок в ответном сообщении.
Код «0» не используется.
240
Значения кодов функций и их смысл описаны в стандарте на Modbus RTU. В действующей в настоящее время спецификации протокола
определяются три категории кодов функций.
1. Стандартные команды — их описание должно быть опубликовано
и утверждено Modbus-IDA. Эта категория включает как уже опреде­
ленные, так и свободные в настоящее время коды.
2. Пользовательские команды — два диапазона кодов (от 65 до 72
и от 100 до 110), для которых пользователь может реализовать произ­
вольную функцию. При этом не гарантируется, что какое-то другое
устройство не будет использовать тот же самый код для выполнения
другой функции.
3. Зарезервированные — в эту категорию входят коды функций,
не являющиеся стандартными, но уже используемые в устройствах,
производимых различными компаниями. Это коды 9, 10, 13, 14, 41,
42, 90,91, 125, 126 и 127.
Поле данных в сообщении, посланном от ведущего устройства
ведомому, содержит дополнительную информацию, которую ведомое
использует, чтобы выполнить функцию, указанную в поле «код функ­
ции». Эта информация структурируется с использованием категорий
«бит» и «регистр» (регистр состоит из двух байт), т.е. идентификация
конкретной информации в этом поле данных осуществляется с по­
мощью ее адресации по номеру бита или номеру регистра. Адреса­
ция битов и регистров независима друг от друга. Иными словами,
если в сети устанавливается slave-устройство, то оно с точки ведущего
устройства представляет собой непрерывно организованную область
памяти, которую можно адресовать как по регистрам, так и побитно.
В это поле памяти есть возможность вставить четыре типа переменных:
REAL, 4 байта, 2 байта или 8 бит.
Например, если код функции указывает, что необходимо считать
данные из группы регистров устройства ввода (код функции ОЗН), то
поле данных содержит адрес начального регистра и количество регист­
ров. Если ведущее устройство посылает команду записи данных в группу
регистров (код функции ЮН), то поле данных должно содержать адрес
начального регистра, количество регистров, количество байтов данных
и данные для записи в регистр. Поле данных может содержать значения
состояний дискретных входов-выходов, адреса регистров, из которых
надо считывать (записывать) данные, количество байт данных, ссылки
на переменные, количество переменных, код подфункций и т.п.
Если ведомый нормально выполнил принятую от ведущего функ­
цию, то в ответе поле «код функции» содержитту же информацию, что
и в запросе. В противном случае ведомый выдаеткод ошибки. В случае
ошибки код функции в ответе равен коду функции в запросе, увели­
ченному на 128. Коды ошибок используются ведомым устройством,
чтобы определить, какое действие предпринять для их обработки.
247
Конкретное содержание поля данных устанавливается стандартом
для каждой функции отдельно. В некоторых сообщениях поле данных
может иметь нулевую длину.
Оставляя неизменным блок PDU, к описанным уровням протокола
могут добавляться различные протоколы транспортного и канального
уровня. При этом к блоку PDU будут добавляться дополнительные
поля. Пользуясь терминологией протокола Modbus, говорят о форми­
ровании блока ADU. При этом он строится так, чтобы его можно было
использовать в соответствующих промышленных сетях. В результате
появляются разновидности рассматриваемого протокола Modbus TCP/
IP (при использовании протоколов Ethernet TCP/IP) и Modbus Plus
(многомастерная сеть с передачей маркера), возможность исполь­
зовать оптоволоконные, радиоканалы и другие физические среды
для передачи сигналов. Все это существенно расширяет возможности
использования сформированных блоков PDU для передачи по сети.
Например, в сети Modbus TCP/IP может быть практически неограни­
ченное количество ведущих и подчиненных устройств. При этом любое
устройство может быть одновременно и ведущим, и подчиненным.
В сети могут также существовать специальные шлюзы (gateway), ко­
торые предоставляют данные устройствам в сети TCP/IP от устройств,
объединенных последовательной сетью.
Сетевой протокол CAN — Controller Area Network — был разработан
в 1980-х гг. фирмами Bosch и Intel для создания бортовых мультипро­
цессорных систем реального времени. CAN-интерфейс регламентиро­
ван международными стандартами ISO 11898 для высокоскоростных
и ISO 11519-1 —для низкоскоростных приложений. Определяеттолько
первые два уровня ISO/OSI — физический и уровень доступа к среде
(каналу) передачи данных. CAN-интерфейс обеспечивает высокую
надежность, компактность и хорошие динамические характеристики,
необходимые распределенным системам управления. Основными до­
стоинствами, определившими высокую популярность этого протокола
у разработчиков промышленных систем, являются также возможность
иметь в сети несколько ведущих устройств (мультимастерность—Multi
Master Bus), надежная система обнаружения и исправления ошибок,
хорошее соотношение цена/производительность.
Элементную базу для построения CAN-систем выпускают многие
известные фирмы: Intel, Motorola, Siemens, Philips и др. На основе этого
протокола реализовано огромное количество полнофункциональных
сетей. Практически у каждого крупного производителя контроллеров
есть изделие с CAN-интерфейсом.
Рассмотрим некоторые решения, заложенные в CAN-протокол,
достаточно детально. Это даст общее представление о том, как и на
каком уровне решаются многие вопросы организации ЦПС и в рамках
других стандартов.
242
При физической реализации конкретного проекта с CAN необ­
ходимо определить свойства шины и ее узлов: где располагаются
обрабатывающие устройства, какими свойствами они обладают, ка­
кие датчики и исполнительные механизмы присутствуют в системе,
являются они интеллектуальными или нет, что можно сказать об их
физическом расположении. В зависимости от условий эксплуатации
могут использоваться однопроводная линия (в пределах печатной
платы), двухпроводная линия, витая пара или волоконно-оптическая
линия. При дифференциальном методе формирования сигналов двух­
проводная линия позволяет значительно повысить помехоустойчи­
вость. При использовании дифференциальных напряжений CAN-сеть
продолжает функционировать в чрезвычайно шумной среде или при
обрыве одной из сигнальных линий. Даже при простой витой паре
дифференциальные входы CAN эффективно нейтрализуют шум.
Работа в реальном времени становится возможной благодаря меха­
низмам сетевого взаимодействия (мультимастерность, широковеща­
ние, побитовый арбитраж) в сочетании с высокой скоростью передачи
данных, быстрой реакцией на запрос передачи и изменяемой длиной
сообщения от 0 до 8 байт. Максимальная скорость передачи данных
составляет 1 Мбит/с при длине шины 40 м и около 40 кбит/с при длине
шины 1000 м. Гибкость достигается за счет простого подключения
к шине и отключения от шины CAN-узлов, причем общее число узлов
не лимитировано протоколом нижнего уровня.
Если не учитывать процедуру повтора сообщения, принятого
с ошибкой, существует два вида связи между интеллектуальными уз­
лами: узел А передает информацию, а узел В получает, или узел А за­
прашивает узел В о данных и получает ответ.
Для передачи данных служит кадр данных — Data Frame
(рис. 4.4.15, а), который содержит:
• идентификатор, указывающий на тип сообщения (например: «скорость_двигателя», «температура_масла») и на приоритет доступа
к шине; поле идентификатора содержит различное количество бит
в зависимости от разновидности протокола: в стандартном фор­
мате CAN V2.0A предусмотрен 11-разрядный идентификатор, а в
расширенном CAN V2.0B — 29-разрядный;
• поле данных, содержащее соответствующее сообщение (например:
«скорость_двигателя» = 6000 об/мин, «температура_масла» = 110 °C»)
длиной до 8 байт;
• два байта контрольной суммы — Cyclic Redundancy Check (CRC)
для выявления и коррекции ошибок передачи.
Для запроса информации узел CAN использует кадр запроса данных
Remote Frame (рис. 4.4.15, б), который содержит:
• идентификатор, определяющий тип запрашиваемой информации
(«скорость_ двигателя», «температура_масла») и приоритетсообщения;
• два байта контрольной суммы CRC.
243
Идентификатор
Поле данных (0... 8 байт)
CRC
a)
Идентификатор
CRC
б)
Рис. 4.4.15. Форматы сообщений в сети CAN:
а — кадр данных (Data Frame); б—кадр запроса данных (Remote Frame)
В этом случае за идентификатором не следуют данные. Узел, кото­
рому предложено передать информацию (датчик температуры масла),
передает кадр данных, содержащий требуемую информацию. Таким
образом, если узел А направляет узлу В кадр запроса с идентификато­
ром «температура_масла», то узел В опрашивает датчик температуры
и направляет узлу А кадр данных, содержащий идентификатор «температура_масла» и требуемую информацию.
Дополнительная информация, содержащаяся в кадре, позволяет
определить формат и синхронизацию протокола передачи сообщения
и тип посылки.
В сети CAN применяется метод множественного доступа с конт­
ролем несущей и разрешением конфликтов CSMA/CA. Разрешение
коллизий производится аппаратно.
Перед тем как передать сигнал, узлы проверяют, находится ли шина
в режиме покоя. Это правило «первым пришел, первым обслужен».
Какие угодно узлы, получившие доступ к шине первыми, будут в со­
стоянии передать свои сигналы. Если произошла коллизия, т.е. когда
два или более узла передают в один и тот же момент времени, узел
с меньшим приоритетом уступит доступ к каналу узлу с более высо­
ким приоритетом для доступа к шине. Узлы, потерявшие арбитраж,
незамедлительно повторно передают свои сигналы после того, как
узел с более высоким приоритетом завершит свою передачу.
Передача сообщения начинается с отправки на шину идентифи­
катора. Код арбитража (приоритет сообщения) определяется иденти­
фикатором сообщения. Кроме того, идентификаторы используются
для обозначения типа сообщения (являются идентификатором кадра).
В случае одновременной попытки передачи кадров двумя узлами ар­
битраж выполняется побитно с использованием схемы проволочного
«И», при этом доминантным состоянием является логический «О».
Поэтому сообщению с младшим номером идентификатора соответ­
ствует высший приоритет; наивысшим приоритетом обладает сооб­
щение с идентификатором, состоящим полностью из нулей. Если
доступа к шине требуют несколько сообщений, то сначала будет пе­
редано сообщение с наиболее высоким приоритетом, т.е. с меньшим
244
значением идентификатора, независимо от других сообщений и те­
кущего состояния шины. Каждый узел перед передачей сообщения
проверяет, работает ли узел с более высоким приоритетом. Если да,
то он возвращается в состояние приемника и пытается передать со­
общение в другое время. Это свойство имеет особое значение при
использовании в системах управления реального времени, поскольку
значение приоритета жестко определяет время ожидания. Обычно
в CAN-системе наивысший приоритет задается для каналов, обраба­
тывающих аварийные ситуации или генерирующих синхросигналы.
Итак, идентификатор не определяет получателя сообщения, но
описывает значение передаваемых данных. Каждый узел постоянно
«просматривает» шину и осуществляет локальную фильтрацию при
приеме за счет настройки аппаратных фильтров, использующих би­
товые маски, решает, какие сообщения извлекать из шины. В резуль­
тате узел принимает и обрабатывает только те сообщения, которые
предназначены именно для него. Таким образом, одно сообщение
может предназначаться нескольким узлам. Благодаря арбитражу шины
сообщение с высшим приоритетом передается первым, обеспечивая
функционирование системы в реальном масштабе времени и быструю
передачу информации. Распределение приоритетов между различны­
ми типами сообщений задается разработчиком при проектировании
сети. Этот алгоритм разрешения коллизий не приводит к потерям
фреймов, но вызывает задержки в их доставке. Максимальная задерж­
ка передачи конкретного сообщения может быть оценена как время,
необходимое для передачи всех других сообщений с более высокими
приоритетами.
Протокол нижнего уровня сети CAN реализован аппаратно, что
позволяет существенно упростить программирование, уменьшает за­
траты процессорного времени системы, а также обеспечивает полную
совместимость с изделиями, производимыми многими изготовителями.
Простейшая архитектура контроллера сети CAN представлена на
рис. 4.4.16. Контроллер содержит аппаратный фильтр приема, позволя­
ющий на аппаратном уровне выбирать определенные группы фреймов
и за счет этого сберегающий ресурсы процессора. Также контроллер
содержит буферы для приема и передачи. Рассмотрим по отдельности
каждую часть CAN-контроллера (фильтр, буфера приема-передачи)
и сформулируем основные требования, предъявляемые к ним.
Аппаратный фильтр позволяет выделить группу сообщений, кото­
рая должна обрабатываться контроллером. Если контроллеру необхо­
димо получать множество сообщений с различными идентификатора­
ми (например, сообщения с разными типами данных), а аппаратный
фильтр на прием всех этих сообщений настроить невозможно, то конт­
роллер должен использовать программно реализованную фильтрацию.
245
Рис. 4.4.16. Общая архитектура контроллера сети CAN
Надо отметить, что при использовании CAN-контроллера в со­
ставе какого-либо датчика или исполнительного механизма ему, как
правило, требуется принимать данные одного определенного типа
и в этом случае целесообразно использовать типовую фильтрацию.
Если же CAN-контроллер используется в составе промышленного
контроллера, которому требуется связь с другими промышленными
контроллерами и (или) множеством датчиков, то в этом случае опти­
мальнее использовать адресную фильтрацию.
Требования к реализации приемного буфера, как правило, опре­
деляются решаемой задачей. Так, для датчикового уровня сетевые
коммуникации обычно достаточно жестко определены, а сами дат­
чики решают одну задачу по преобразованию сигнала в цифровую
форму. Это позволяет достаточно точно рассчитать необходимые ре­
сурсы процессора, требуемые для обеспечения детерминированно­
го взаимодействия, даже с использованием всего одного приемного
буфера. Здесь также надо заметить, что возможна ситуация, когда
при небольшом размере приемного буфера данные не будут терять­
ся, но производительность сети снизится, так как при переполнении
буфера будут генерироваться фреймы перегрузки. На полевом уровне
ситуация прямо противоположная. Как правило, на промышленных
контроллерах исполняется набор драйверов и приложений, которые
могут самым различным образом использовать ресурсы процессора
и состав которых может меняться с течением времени. В этом слу­
чае предсказать время реакции на прерывание от CAN-контроллера
достаточно сложно. Поэтому на полевом уровне целесообразно ис­
пользовать CAN-контроллеры, содержащие приемные буфера для
сохранения нескольких сообщений.
Рассмотрим теперь ситуацию с передачей данных. Предположим,
что CAN-узел желает передать пакет последовательных сообщений
с высоким приоритетом. Если промежуток между передачей сооб­
щений окажется больше минимального, определяемого стандартом
CAN, то другой узел может начать передачу сообщения с меньшим
приоритетом, таким образом заблокировав более приоритетную пе­
редачу. Этот эффект называется внешней инверсией приоритетов,
246
и вероятность его проявления наиболее высока у CAN -узлов с объемом
буфера передачи, рассчитанным на одно сообщение. Естественным
решением этой проблемы является использование CAN-контроллера
с увеличенным размером буфера передачи, при котором гарантиро­
ванно обеспечивается его своевременное заполнение на имеющемся
процессоре и используемом программном обеспечении.
Также возможна ситуация, когда два узла одновременно начинают
передачу сообщений с низким и средним приоритетами. При этом
первый узел теряет арбитраж, и если в этот момент CPU передает
ему для передачи сообщение с высоким приоритетом, то оно ожидает
освобождения аппаратного буфера передачи от находящегося в нем
низкоприоритетного сообщения, которое будет отослано только при
завершении передачи сообщений (со средним приоритетом), посы­
лаемых вторым узлом. Таким образом, второй узел блокирует пере­
дачу сообщения с высоким приоритетом. Этот эффект называется
внутренней инверсией приоритетов. Для устранения этой проблемы
некоторые из существующих CAN-контроллеров содержат несколько
параллельных буферов для передачи. Для снижения вероятности воз­
никновения внутренней инверсии необходимо следить за приоритетом
помещаемых на отправку сообщений, и если приоритет следующего
сообщения меньше или равен приоритету отправляемого, то необхо­
димо поместить его в очередь. В CAN-протоколе реализован развитый
встроенный механизм обнаружения ошибок. Если во время работы на
приемном конце было принято неверное сообщение, CAN-контроллер
автоматически реинициализирует передачу того же сообщения. Этот
процесс происходит без участия программиста и продолжается до
тех пор, пока сообщение не будет передано без ошибок или пока не
переполнится счетчик ошибок.
В CAN существует несколько разновидностей ошибок. Из них три
типа на уровне сообщений:
• CRC Error — ошибка контрольной суммы (при несовпадении при­
нятой в поле CRC и вычисленной контрольных сумм);
• Form Error — ошибка формата кадра при несоответствии принятого
сообщения формату CAN;
• Acknowledgement Error — ошибка подтверждения приема сообще­
ния, если ни один из узлов не подтвердил правильного получения
сообщения.
Кроме того, существуют два типа ошибок на битовом уровне:
• Bit Error — обнаружение активным узлом расхождения между пос­
ланным в шину уровнем и фактическим значением за счет реали­
зации узлом механизма самоконтроля;
• Stuff Error — наличие в поле сообщен ия шести следующих подряд
бит 0 или 1 (ошибка битстаффинга).
247
Сигнализация об ошибках происходит путем передачи кадра ошиб­
ки Error Frame. Он инициируется любым узлом, обнаружившим ошиб­
ку. CAN-контроллеры используют метод статистической обработки
ошибок. Каждый узел содержит счетчики ошибок при передаче и при­
еме Transmit Error Counter и Receive Error Counter. Если передатчик
или приемник обнаруживают ошибку, значение соответствующего
счетчика увеличивается. Когда значение счетчика превышает неко­
торый предел, текущая передача прерывается. Узел выдает сигнал об
ошибке в виде Error Frame, где выставляет активный доминантный
флаг ошибки длиной 6 бит. После этого узел, передача которого была
прервана, повторяет сообщение. Ненадежным или частично повреж­
денным узлам разрешено посылать лишь пассивный рецессивный
флаг ошибки.
Благодаря этим механизмам обнаружения и коррекции ошибок
вероятность пропуска ошибки крайне мала. Кроме того, в шине не­
возможна ситуация блокировки неисправным узлом работы всей сети.
Такие узлы обнаруживаются и отключаются от обмена по шине.
Выше были рассмотрены основные особенности применения
сети CAN с точки зрения взаимодействия с ней на канальном уров­
не модели OSI/ISO. Обычно для промышленных сетей, и для CAN
в том числе, определяются различные протоколы прикладного уровня
(7-й уровень модели OSI/ISO), обеспечивающие разные механизмы
взаимодействия и предоставляющие различные сервисы для передачи
всевозможных типов данных.
Сам по себе протокол CAN определяетлишь принципы работы сети
и типы пересылаемых сообщений. Поскольку все остальные уровни
функций не специфицированы, то каждый может определять их само­
стоятельно, что и произошло на практике и привело к возникновению
множества несовместимых друг с другом аппаратно-программных
решений. Многие компании в своих системах применяют собственный
прикладной уровень, однако во многих промышленных системах такое
применение экономически невыгодно. Несколькими организация­
ми были разработаны стандартизированные открытые прикладные
уровни, которые облегчают интеграцию систем. В настоящее время
существует целый набор различных протоколов прикладного уровня,
наиболее популярными из которых являются: CAL/CANOpen, Devi­
ceNet, SDS, CAN Kingdom. Функционально они предлагают прин­
ципиально схожие решения, отличающиеся деталями реализации.
Наиболее активно развивающимся является протокол CANOpen,
поддерживаемый международной организацией CAN in Automation
и имеющий статус европейского стандарта EN 50325-4.
Рассмотрим основные принципы и возможности, заложенные
в CANOpen. Строго говоря, CANOpen не является протоколом. Он
лишь определяет набор функциональных возможностей (например,
248
для удаленного ввода-вывода), а непосредственно протоколом при­
кладного уровня является CAL — CAN Application Layer. Основной
обмен данными производится с помощью объектов двух типов:
• Process Data Object (PDO) — предназначен для обмена данными
в реальном времени;
• Service Data Object (SDO) — используется для передачи больших
объемов информации, доступа к словарю объектов и т.д.
CAN Open позволяет использовать для взаимодействия три основ­
ные модели:
1) модель поставщика—потребителя;
2) классическую клиент-серверную модель;
3) модель ведущего — ведомого.
В первом случае каждая станция слушает сообщения, идущие по
сети, и фильтруеттолько необходимые ей для работы. В клиент-сервер­
ной модели клиент отправляет сообщения, на которые получает ответы
от сервера (одновременно служащие подтверждением доставки), и эта
модель обычно используется для передачи данных, содержащих более
8 байт. Последняя модель позволяет осуществлять только взаимодей­
ствия, инициируемые ведущей станцией.
Interims. Спецификация Interbus была разработана фирмой Phoenix
Contact в 1984 г. и быстро завоевала прочные позиции в сфере распре­
деленных АСУТП благодаря целому ряду интересных структурных
решений. Прежде всего следует отметить максимальное расстояние,
которое может охватывать эта ЦПС, — до 13 км. Для сетей, физичес­
кий уровень которых основан на стандарте RS-485, этот показатель
просто феноменальный, и обеспечивается он благодаря ретрансля­
ции сигнала в каждом узле. Максимальное количество узлов — 512,
расстояние между узлами — до 400 м. Узлы-ретрансляторы образуют
основу топологии Interbus, оконечные же устройства подключают­
ся к дополнительным кольцевым сегментам, в которых питающее
напряжение передается вместе с данными. Длина дополнительных
сегментов может составлять до 200 м, для их прокладки используется
обычная неэкранированная витая пара.
Доступ к среде передачи данных в Interbus организован по прин­
ципу суммирующего фрейма и обеспечивает гарантированное время
передачи информации. Таким образом, Interbus является хорошим
решением для унифицированной автоматизации производства, ком­
поненты которого территориально разнесены на большое расстояние.
Profibus (Process Field Bus) — семейство ЦПС, которое в начале
1990-х гг. для своих контроллеров разработала фирма Siemens. Profibus
обеспечивает обмен данными между ведущими (master) и ведомы­
ми (slave) устройствами или между несколькими ведущими устрой­
ствами и позволяет объединять разрозненные устройства автомати­
зации в единую систему на полевом уровне, а также может связывать
249
контроллеры с удаленными ведомыми модулями распределенной сети,
либо с индикаторными панелями HMI и органами управления на
пультах операторов. Отвечает требованиям международных стандартов
МЭК 61158-3 и EN 50170. Под общим названием Profibus понимаются
три различных, но совместимых протокола: Profibus-FMS, ProfibusDP и Profibus-РА.
На нижнем уровне применяется сеть Profibus-DP (Distributed Pe­
riphery — распределенная периферия) (рис. 4.4.17), обеспечивающая
высокоскоростной обмен данными ведущего контроллера с оконеч­
ными устройствами. Протокол физического уровня соответствует
стандарту RS-485. Скорость обмена прямо зависит от длины сетевого
сегмента и варьируется от 100 кбит/с на расстоянии 1200 мдо 12 Мбит/с
на дистанции до 100 м. Взаимодействие узлов в сети Profibus опреде­
ляется моделью «master-slave». В DP-протоколе существуют три типа
устройств:
• master класса-2 (DPM2): может выполнять функции конфигури­
рования и диагностики устройств сети;
• master класса-1 (DPM1): это программируемые контроллеры (PLC,
PC), в оперативном режиме выполняющие функции ведущего узла
в сети;
• ведомые устройства (DP Slave): это пассивные устройства с аналоговым/дискретным вводом-выводом.
Верхний
уровень
Ethernet/ТСРШ^
Время цикла
< 1000 мс
Средний
уровень
Время цикла
< 100 мс
с
Нижний
уровень
Время цикла
< 10 мс
Рис. 4.4.17. Структура АСУТП на базе семейства ЦПС Profibus
DP- протокол позволяет организовать мономастерную (один DPMI
и до 126 DP-Slaves) и многомастерную конфигурацию (несколько
DPMI и DP-Slaves).
250
На более высоком уровне применяется сеть Profibus-FMS (Fieldbus
Message Specification — спецификация сообщений шины полевого
уровня), ориентированная на обеспечение информационного обмена
одноранговых устройств. Profibus-FMS включает дополнительные
типы пакетов (Fieldbus Message Specification). Позволяет организовы­
вать в одной сети работу нескольких активных станций. Этот протокол
используется там, где степень функциональности более важна, чем
быстрое время реакции системы.
Profibus-PA (Process Automation — процесс управления) — сетевой
интерфейс, физическая среда передачи данных которого соответствует
требованиям стандарта МЭК 61158-2. Может применяться для по­
строения сети, соединяющей исполнительные устройства, датчики
и контроллеры, расположенные непосредственно во взрывоопасной
зоне. Сегмент Profibus-РАможет иметь длину до 1900 мео скоростью
обмена между узлами 31,25 кбит/с.
На прикладном и канальном уровнях Profibus-PA использует весь
сервис, доступный в Profibus-FMS. На физическом уровне они исполь­
зуют одинаковую витую пару, одинаковые уровни сигналов и скорости
передачи и позволяют оконечным устройствам запитываться непо­
средственно от канала связи. Более того, два этих протокола могут
одновременно уживаться на одном и том же физическом участке сети.
Просто канальный уровень каждого из протоколов «не понимает»
пакеты конкурента.
Выбор конфигурации сети на основе Profibus определяется по­
ставленной задачей. Если требуется объединить в детерминирован­
ную сеть несколько контроллеров, оптимальным вариантом будет
Profibus-FMS. Для создания сети с централизованным интеллектом
и распределенным вводом-выводом лучше всего подойдет Profibus-DP.
Все три варианта протокола используют общий канальный уровень.
Доступ к шине определяет протокол, который реализует процедуру до­
ступа при помощи маркера, циклически вращающегося в логическом
кольце, состоящем из ведущих устройств. Активный ведущий узел,
получивший доступ к сети, осуществляет обмен данными с ведомыми
узлами. Ведущий узел получает доступ к сети на определенный про­
межуток времени, в течение которого он управляет пересылками всех
необходимых данных. По истечении этого промежутка времени он
приходит в пассивное состояние, а управление передается по эстафете
следующему ведущему узлу. Ведомые узлы не способны управлять
передачей информации. Они лишь отвечают на адресованные к ним
запросы от ведущих устройств, а также принимают посылаемые со
стороны ведущих устройств данные.
Длительность цикла работы ведущего устройства с ведомыми пе­
ременна. Она состоит из постоянной по длительности циклической
части, в которой идет управление доступом к шине (управление мар­
257
кером и состоянием участников) и обмен данными (Data_Exchange)
с ведомыми устройствами, а также переменной по длительности ацик­
лической части, зависящей от количества выполняемых дополни­
тельных функций-телеграмм. К таким ациклическим телеграммам
относятся: обмен данными во время фазы инициализации ведомых
устройств, диагностирование ведомых устройств, коммуникации с дру­
гими ведущими устройствами, онлайн-функции с программатором,
HMI-функции. Так как переменная ациклическая часть цикла обме­
на определяется наличием непостоянно присутствующих дополни­
тельных функций, то она существует не всегда. Иногда нужно, чтобы
шинный цикл оставался постоянными и обмен данными был строго
периодическим. Для этого ведущим устройством в рамках постоянного
по времени шинного цикла для ациклической части коммуникаций
резервируется определенная, неизменяемая часть времени.
Таким образом, все циклы обмена могут быть строго регламен­
тированы по времени, организована продуманная система тайм-ау­
тов. Протокол хорошо разрешает разнообразные коллизии в сети.
Настройка всех основных временных параметров идет по сценарию
пользователя.
Foundation Fieldbus — стандарт ЦПС, появившийся в 1995 г. Эта сеть
родилась в результате сотрудничества двух ведущих американских
ассоциаций — IS Р и WorldFIP. Foundation Fieldbus — открытый про­
токол, который проектировался для передачи цифровой информации
между управляющим устройством и устройствами нижнего уровня,
а также для распределенного управления. Основная область приме­
нения этой сети — самый нижний уровень распределенной системы
автоматического управления с обвязкой устройств, работающих во
взрывоопасных средах. Передача данных происходит вместе с пита­
ющим напряжением по одной паре проводов.
Foundation Fieldbus имеет двухуровневую иерархию. На верхнем
уровне Н2 (высокоскоростной) используется высокоскоростная ма­
гистраль Ethernet, скорость передачи данных до 1 Мбит/с. Нижний
уровень Н1 (медленный) использует для передачи данных кабель на
основе витой пары со скоростью передачи данных до 31,25 кбит/с.
Среди других ЦПС Foundation Fieldbus выделяют две особенности.
Во-первых, был разработан специальный язык описания оконечных
устройств (Devise Description Language), использование которого
позволяет подключать новые узлы к сети по широко применяемой
в обычных PC-совместимых компьютерах технологии plug-and-play.
Достаточно подключить новое устройство к сети, как оно самоопре­
делится при помощи Device Description. Пользователи могут пользо­
ваться типовыми дескриптами для стандартных устройств (клапанов,
датчиков температуры и т.д.) и описывать нестандартные изделия.
Во-вторых, в отличие от других промышленных сетей, Foundation
252
Fieldbus ориентирована на обеспечение одноранговой связи между
узлами без центрального ведущего устройства. Этот подход дает воз­
можность легко реализовывать системы управления, распределенные
не только физически, но и логически, что во многих случаях позволяет
повысить надежность и живучесть АСУТП.
WorldFIP (World Factory Instrumentation Protocol). Протокол разра­
ботан на основе французского стандарта, известного как NFC46-600
или FIP. Его разработал консорциум компаний, производящих поле­
вые устройства, в которых используется система сообщений. Протокол
WorldFIP удовлетворяет требованиям реального времени. Главные
члены консорциума — Honeywell, Baily Controls, Cegelec, Allen Bradley,
Telemecanique, Electricity de France, Elf.
Протокол построен на гибридном (централизованный/децентрализованный) доступе к шине и для передачи данных использует режим
широкого вещания (broadcast). Контроль обеспечивается со стороны
центрального узла сети (centralunit), называемого арбитром. Основной
поток данных организован как набор отдельных переменных, каждая
из которых идентифицирована своим именем. Любая переменная,
обработанная в одном узле-передатчике, может быть прочитана всеми
узлами-приемниками одновременно. Использование режима широко­
го вещания избавляет от процесса присваивания каждому устройству
уникального сетевого адреса.
Функции управления некоторым процессом могут распределяться
между различными устройствами на шине. Это возможно потому, что
все приемники одновременно принимают одинаковые переменные,
а время обновления данных и их передача подчиняются строгому
контролю. Основу FIP составляет база данных реального времени.
Ethernet — наиболее широко распространенная технология по­
строения локальных сетей, ставшая де-факто стандартом в области
офисных приложений и все более активно завоевывающая промыш­
ленную сферу.
Ethernet по праву считается самой популярной в настоящее время
технологией локальных сетей. Она имеет широчайший спектр приме­
нений, в том числе в системах АСУТП, управления производством,
предприятиями, распределенными объектами. Огромный практиче­
ский опыт, сформировавшийся в ходе эксплуатации Ethernet в различ­
ных областях применения, позволил отшлифовать эту технологию,
обеспечить высокую степень надежности при относительно низкой
стоимости оборудования. Все большее количество производителей
встраиваемых вычислительных систем оснащают свои контроллеры
сетевым интерфейсом, совместимым со стандартом Ethernet. Для су­
ществующих промышленных сетей разрабатываются шлюзы, позво­
ляющие объединять отдельные производственные участки в единую
систему автоматизации с применением Ethernet.
253
Развитие стандартов Ethernet. Оставляя неизменными формат
и размер фреймов, технология Ethernet постоянно развивается и со­
вершенствуется в направлении повышения скорости передачи дан­
ных, адаптируется к решению задач реального времени. Появляются
и стандартизируются ее специализированные модификации, ориен­
тированные на более узкие области применения.
Эта технология прошла длинный и непростой путь. Первый экс­
периментальный прототип Ethernet был создан инженерами фирмы
Xerox в начале 1970-х гг. Работала эта сеть со скоростью всего около
3 Мбит/с и объединяла несколько компьютеров и один лазерный при­
нтер. Подобные опыты проводились и другими крупными компания­
ми, и в конце 1970-х гг. три из них — DEC, Intel и Xerox — объединили
усилия для стандартизации разработок в области сетевых протоколов.
В конце 1980 г. это дало результат в виде первой спецификации Ether­
net 10Base5. Основными решениями, заложенными в спецификацию
10Base5, были шинная топология с ответвлениями на базе коаксиаль­
ного кабеля, скорость передачи данных 10 Мбит/с и протокол доступа
к разделяемой среде CSMA/CD (множественный доступ с контролем
несущей и обнаружением коллизий). Системы, отвечающие этой спе­
цификации, специалисты сразу окрестили «толстым» Ethernet из-за
диаметра применяемого кабеля.
Несмотря на многочисленные недостатки, популярность ново­
рожденной системы оказалась столь высока, что в 1983 г. инициа­
тива стандартизации была перехвачена Институтом инженеров по
электротехнике и электронике (IEEE). В рамках этой организации
была создана рабочая группа 802.3, давшая название и самому меж­
дународному стандарту. Новый стандарт включил описание физиче­
ского уровня и уровня управления доступом согласно семиуровневой
архитектуре ISO/OSI.
В 1985 г. на свет появилась вторая официальная версия стандарта
IEEE 802.3а, сразу получившая название «тонкий» Ethernet (10Base2),
поскольку в качестве физического канала использовался тонкий, де­
шевый и простой в прокладке коаксиальный кабель.
Все указанные усовершенствования не затрагивали одного из
основополагающих свойств изначальной спецификации — шинной
топологии, вызывающей серьезные нарекания с точки зрения надеж­
ности. Прорыв в этой области произошел только в 1990 г., когда IEEE
обнародовал спецификацию 802.3i (lOBaseT). Новая спецификация
позволяла строить кабельную систему для 10 Мбит/с Ethernet на ши­
роко распространенном, дешевом и простом в монтаже кабеле типа
неэкранированной витой пары. Новый стандарт lOBaseT очень быстро
вытеснил системы на коаксиальном кабеле. Помимо чисто аппаратных
преимуществ, спецификация lOBaseT значительно облегчила жизнь
сетевым специалистам и администраторам из-за появившейся воз­
254
можности реализовывать более гибкие топологические структуры типа
«звезда» и «дерево». Благодаря этому упростилось планирование сети
и модификация ее структуры, а также возникли реальные условия для
обеспечениялучшиххарактеристикнадежностии отказоустойчивости.
В 1993 г. появилась спецификация IEEE 802.3j (или lOBaseF), по­
зволяющая использовать оптические линии связи. Это давало воз­
можность покрывать одним сегментом сети расстояние до 2000 м.
В 1995 г. IEEE обнародовал спецификацию 802.3u (1 OOBaseT) «быст­
рого» Ethernet (Fast Ethernet), согласно которой скорость передачи
данных увеличивалась до 100 Мбит/с. В эту спецификацию была за­
ложена поддержка сразу трех физических сред передачи данных:
• кабель, содержащий две витые пары пятой категории (lOOBaseTX);
• кабель, содержащий четыре витые пары третьей категории
(100BaseT4);
• две оптические линии на базе многомодового оптоволокна
(lOOBaseFX).
Стремительное внедрение средств автоматизации и компьютерных
технологийпривелов 1998 г. к очередному поднятию планки пропуск­
ной способности сети Ethernet: IEEE выпустил спецификацию 802.3z
(lOOOBaseX), которая устанавливает скорость передачи 1 Гбит/с. Новая
спецификация поддерживает следующие среды передачи данных:
• многомодовое оптоволокно с длиной волны 850 нм (lOOOBaseSX);
• одно- и многомодовое оптоволокно с длиной волны 1300 нм
(lOOOBaseLX);
• экранированная витая пара (1000BaseCX).
В настоящее время Fast Ethernet и другие стандарты, построенные
на его основе, в первую очередь — Profinet (МЭК61158), стали основ­
ными стандартами для создания промышленных сетей. В таких сетях
обеспечивается скорость передачи данныхдо 100 Мбит/с. Однако все
активнее применяются гигабитные промышленные сети Gigabit Eth­
ernet, выпускается соответствующее сетевое оборудование, способное
функционировать в условиях температурных колебаний, вибраций,
электромагнитных излучений и т.п. Многие процессорные модули уже
имеют встроенный интерфейс (или несколько интерфейсов) Gigabit
Ethernet как обязательное унифицированное средство сопряжения
с внешними устройствами.
Развитием гигабитной сети Ethernet является сеть 1 O-Gigabit Ether­
net (10 OOOBase-, lOGBase-, или 10GE) co скоростью 10 Гбит/с, перво­
начально определенная в виде предварительных рекомендаций IEEE
8О2.ае, которые вошли в стандарт IEEE 802.3-2005. Скорость возросла
в 10 раз по сравнению с полудуплексным вариантом Gigabit Ethernet
(GE) и в 100 раз в сравнении с Fast Ethernet.
Перспективы создания 100-гигабитной сети Ethernet (100GE)
впервые обсуждались на пленарном заседании Группы по изучению
255
быстрых систем при комитете IEEE 802.3 в 2006 г. Создание оконча­
тельной спецификации стандарта 1 ОО-Gigabit Ethernet было завершено
в 2010 г. Особенности новой технологии определяются следующими
требованиями: поддерживать скорость передачи 100 Гбит/с; обес­
печить сверхбыструю только дуплексную связь; сохранить на уров­
не сервиса форматы кадров Ethernet 802.3, включая минимальный
и максимальный размеры; обеспечить дальность передачи 10 км по
одномодовому волокну и 100 м по многомодовому. Эта технология
предполагает применение как в локальных, так и в глобальных сетях.
Адаптация Ethernet к промышленным применениям. Общим свой­
ством всех вереи й сети Ethernet является немодулированная передача
данных и метод доступа CSMA/CD.
Если говорят об использовании немодулированной передачи дан­
ных, это означает, что в канале связи передаются немодулированные
импульсные сигналы. Среда распространения сигнала формирует
единый канал связи, ресурсы которого должны использоваться од­
новременно всеми подключенными терминальными устройствами.
Все подключенные терминальные устройства принимают передавае­
мую информацию одновременно. В любое время правом на передачу
данных обладает лишь одно терминальное устройство. Если несколько
терминальных устройств передают данные одновременно, в канале
связи возникает коллизия. Сигналы терминальных устройств, пыта­
ющихся передавать данные одновременно, подавляют друг друга. Со­
вершенно очевидно, что возникает необходимость в координировании
доступа к среде передачи, используемой совместно. В стандарте IEEE
802.3 для решения этой проблемы и используется протокол CSMA/CD.
Протокол CSMA/CD (множественный доступ с опросом несущей
и обнаружением коллизий) также известен как протокол LWT (Lis­
ten While Talk, буквально, «говори, слушая»). Принцип организации
доступа к каналу и разрешения коллизий в рамках этого протокола
рассматривался выше.
Если используется этот протокол в «чистом» виде, при увеличении
нагрузки на сеть растет вероятность взаимной блокировки станций
друг другом, а в случае худшего развития этой ситуации реальная про­
пускная способность сети может упасть до нуля. Данный недостаток
был главным препятствием на пути использования Ethernet в ответ­
ственных применениях. Изначальный для сетей Ethernet протокол
CSMA/CD — недетерминированный и поэтому непригоден для систем
реального времени.
Сегодня системы реального времени на основе Ethernet создаются
посредством реализации специальных методов, использующих, исходя
из соображений стоимости и быстродействия, различные варианты
среды связи. Один из методов создания систем реального времени
вместо протокола CDMA/CD применяет переключаемые интервалы
256
времени, распределяющие передачи пакетов и сообщений в последо­
вательной сети. Однако при таком методе недостаточно рационально
используется полоса частот. Другой метод основан на построении
упрощенного варианта сети только с одним ведущим контроллером
при большом количестве ведомых устройств без использования ком­
мутируемой среды. Распределенная система управления на основе
такой сети использует метод интеракций одного ведущего со многими
ведомыми устройствами.
Одно из основных направлений в решении проблемы реального
времени — это развитие коммутируемой среды связи. Коммутаторы
и маршрутизаторы быстрой связи используют двухточечные кана­
лы для передачи адресуемых IP-пакетов, при этом на основе таблиц
маршрутизации определяют наилучший маршрут в сети. Сложные
функции маршрутизаторов реализуются программно, поэтому они
более совершенны по сравнению с коммутаторами, но медленнее.
Новые маршрутизирующие коммутаторы объединяют преимущества
обоих типов устройств по быстродействию и гибкости сетевой связи.
Примером сети Ethernet с одним ведущим устройством может
выступить EtherCat (МЭК/PAS 62407, поддерживается альянсом из
более чем 600 компаний, среди которых ABB, Advantech, Beckhoff,
Hilscher, Honeywell, Philips, VIPA, WeidmullerHflp.). Эта сеть предпола­
гает стандартные интерфейсы Ethernet в распределенных устройствах
с модулями сбора данных и управления. Все устройства сети соединя­
ются в последовательную кольцевую структуру. Ведущий контроллер
управляет распределенными узлами. Отдельный узел может считывать
данные из АЦП в то время, когда другой фрейм с данными проходит
через него в кольцевой сети. Считанные данные вставляются в про­
ходящий поток битов. Последний в кольцевой цепи ведомый узел
возвращает все обработанные сообщения ведущему контроллеру для
сбора и обработки данных в ПК.
Другим примером адаптации Ethernet для систем автоматизации
является стандарт Profmet, разработанный компанией Siemens. Он
создавался с целью унификации полевых сетей (Fieldbus) для постро­
ения систем, работающих в реальном времени со скоростью связи до
100 Мбит/с в жестких промышленных условиях эксплуатации.
Спецификация стандарта предусматривает взаимодействие Profinet с другими сетями (Profibus, Interbus, DeviceNet и т.д.) с помощью
шлюзов. Для конфигурирования и диагностики сети применяют про­
токолы IP, TCP, UDP.
Средой передачи могут быть медные провода и оптоволокно.
Возможно применение в сети Profmet разных топологий (линейной,
кольцевой, «звезда», «дерево»), В линейной сети коммутатор устанав­
ливают ближе к приборам или даже встраивают вместе с процессором
в устройство. Для каждого устройства выделяется свой коммутатор
257
для управления конвейерными передачами. Кольцевая топология,
используемая для повышения надежности, может включать две сети
со встречным направлением передачи. Коммутаторы могут быть со­
единены радиально или по произвольной топологии.
Особенности кабельной связи в промышленных сетях Profinet обу­
словлены жесткими условиями эксплуатации оборудования. В сети
Profinet используются экранированные витые медные пары прово­
дов длиной до 100 м и с характеристическим сопротивлением 100 Ом
(1 OOBase-ТХ), со свойствами не хуже тех, что соответствуют категории
5 и классу D (ISO/МЭК 11801).
Каждое удаленное устройство подключают через активный ком­
понент, образуя узел в сети. Соединители для применения вне шка­
фов оборудования создают на основе промышленного варианта RJ4
в жестком корпусе с защелкивающимся креплением. В полевых усло­
виях для подключения оборудования связи применяют 4-контактные
соединители типа М12(МЭК60947-5-2, МЭК61076-2-101).
Для разных приложений стандарт Profinet определяет три уровня
производительности: Profinet NRT, Profinet RT и Profinet IRT. Profinet
NRT с временем цикла более 100 мс не под держивает режим реального
времени и предназначен в основном для автоматизации отдельных
технологических процессов. Profinet RT используется в случаях с более
высокими требованиями к времени цикла (более 10 мс), например
в системах автоматизации предприятия. Самым высоким требованиям
по производительности отвечает Profinet IRT (время цикла менее 1 мс),
основной областью его применения является управление комплекс­
ными приводными системами.
Оборудование сетей Ethernet. Несмотря на то что стандарт Ethernet
во многом одинаков как для офисных, так и для промышленных сетей,
требования к каналообразующей аппаратуре в обоих случаях суще­
ственно разнятся. Промышленные условия предъявляют значительно
более жесткие требования к надежности, диапазону рабочих темпе­
ратур, устойчивости к электромагнитным помехам, вибрационным
и иным видам нагрузок.
Рассмотрим основные типовые узлы, применяющиеся при по­
строении сети Ethernet, их функции, а также некоторые примеры
практической реализации этих узлов.
Повторитель предназначен для соединения разнородных сегментов
сети Ethernet и преодоления проблем, связанных с ограничениями
длины сегмента кабеля. Повторители представляют собой устройства
с двумя портами (рис. 4.4.18).
В соответствии со стандартом IEEE 802.3 повторители осуще­
ствляют постоянный контроль состояния подключенных сегментов
путем передачи в линию специальных служебных сигналов (при от­
258
сутствии информационных пакетов); если повторитель не получает
по какому-либо порту таких сигналов, то фиксируется обрыв линии.
Повторитель
Повторитель
Витая
пара
S------------______________ J
узел
Рабочая
станция
Оптоволоконный
кабель
Рис. 4.4.18. Пример топологии сети Ethernet с использованием повторителей
Концентратор — это многопортовый повторитель сетевого интер­
фейса с равноправными портами (рис. 4.4.19).
Рабочая
станция
Витая
пара
Рис, 4.4.19. Пример топологии сети Ethernet с использованием концентратора
Получив сигнал от одной из подключенных к нему станций, кон­
центратор транслирует его на все свои активные порты. Концентрато­
ры можно использовать какавтономные устройства или соединять друг
с другом, увеличивая тем самым размер сети и создавая более сложные
топологии. Их основное назначение — объединение отдельных рабо­
чих мест в рабочую группу в составе локальной сети. Концентраторы
работают на физическом уровне (уровень 1 базовой эталонной модели
OSI) и нечувствительны к протоколам верхних уровней. К их задачам
относятся: фазовая и временная синхронизация получаемых пакетов
данных; удаление пакетов некорректной длины, которые могут по­
являться в результате коллизий; обработка коллизий в соответствии
со стандартом IEEE 802.3.
Коммутаторы являются более интеллектуальными устройствами,
чем концентраторы. Коммутатор Ethernet поддерживает внутреннюю
таблицу соответствия портов адресам подключенных к ним сетевых
узлов. Эту таблицу администратор сети может создать самостоятельно
259
или задать режим ее автоматического формирования встроенными
средствами устройства. Используя таблицу адресов и содержащийся
в передаваемом пакете адрес получателя, коммутатор направляет полученный пакеттолько в тот порт, где находится адресат. Исключение де­
лается только в случае широковещател ьных рассылок или при передаче
пакетов с неизвестным адресом получателя, которые рассылаются по
всем подключенным соединениям. На основе описанной процедуры
коммутатор фактически выполняет важнейшую функцию сегменти­
рования сети Ethernet, что в конечном счете значительно расширяет ее
суммарную пропускную способность. В современных коммутаторах
передача данных между любыми парами портов происходит независи­
мо и, следовательно, для каждого виртуального соединения выделяется
вся полоса канала. Скорость соединения определяется автоматически
и не требует вмешательства обслуживающего персонала.
Коммутаторы для промышленных сетей по своему исполнению
соответствуют жестким условиям эксплуатации. Как правило, они
изготавливаются в вариантах для установки на монтажную рейку, раз­
мещения в специальном шкафу или монтажа в приборном корпусе.
Выбор коммутатора зависит отусловий и особенностей его применения.
Важнейшие характеристики коммутатора — тип и количество пор­
тов. Тип портов определяется принятым протоколом и средой пере­
дачи (витая пара — IEEE 802.3ab, оптоволокно — IEEE 802.3az). Ха­
рактерным примером коммутаторов для гигабитных промышленных
сетей являются модульные управляемые коммутаторы серий MICE
и Power MICE компании Hirschmann. Они монтируются на DIN-рейку
и позволяют создавать гибкую и надежную (резервирование по схе­
ме «кольцо») сетевую структуру; ими поддерживается функция автоконфигурирования, в течение всего нескольких секунд формируется
и запоминается таблица маршрутизации объемом до 4000 адресов.
Другим интересным изделием этой же компании является управ­
ляемый коммутатор MACH 1 000. Он устанавливается в шкафах и стой­
ках (высота корпуса всего Ш, исполнение безвентиляторное). Отве­
чающий стандарту МЭК 61850 коммутатор чрезвычайно устойчив
к электрическим разрядам и магнитным полям, сильным вибрациям,
конденсату и температурным перепадам (диапазон рабочих температур
от —40 до +85 °C), поэтому может использоваться в локальных сетях
электропоездов, подвижных составов, объектов энергетики и т.п.
Широкий ассортимент коммутаторов для промышленных сетей
Gigabit Ethernet имеется у фирмы Advantech в серии EKI: это изделия
в прочном металлическом корпусе, предназначенные для крепления
на DIN-рейку, имеющие дублированный вход питания, эффективную
защиту портов от статического электричества и множество других
полезных свойств. Большинство представленных в примерах и ана­
логичных им по назначению коммутаторов имеют 2 порта Gigabit
260
Ethernet в сочетании с гораздо большим количеством портов Fast Eth­
ernet (например, у EKI-7656C — 16, у МАСШ000 — 26), что отражает
наиболее распространенную конфигурацию современных промыш­
ленных сетей. Диагностика и настройка управляемых коммутаторов
возможна через Web-серверы.
Топология и протоколы сетей Ethernet. На основе Ethernet, используя
сетевое оборудование для промышленных применений, на предпри­
ятиях создают интегрированные сети, объединяющие технологиче­
ские системы и системы управления. Это выдвигает новые требования
к топологии, ширине полосы частот, резервированию, протоколам.
Классическая звездообразная топология офисных сетей обычно
формируется вокруг серверов в центральном здании. Промышленные
сети распределяют по технологическим помещениям, зачастую нахо­
дящимся в разных зданиях или на значительном удалении; при этом
к ним предъявляются повышенные требования по надежности и вре­
мени восстановления. Звездообразная топология промышленных сетей
позволяет кратковременно отключать отдельные сегменты, например
для профилактики, но здесь постоянно присутствует риск отказа в цент­
ральном узле сети. Общая протяженность кабелей в топологии «звез­
да» значительно возрастает (особенно если технологический процесс
«вытянут в длину»), так как приходится прокладывать связи от центра
ко всем распределенным узлам. Это приводит к дополнительному уве­
личению стоимости и повышенному риску электромагнитных наводок
в неэкранированных витых парах. Риск электромагнитных наводок
в линиях связи устраняют применением оптоволокна. Как правило, его
прокладывают в коробах вдоль кабелей электропитания со средними
и низкими номиналами напряжения. Однако, говоря о возможности
устранения некоторых проблем, следует помнить, что в звездообразной
топологии могут проявиться и другие проблемы, например проблема
«вещательного шторма», создающего нерабочий режим в сети.
По мере развития промышленных сетей совершенствовались спо­
собы повышения их надежности. Метод группового преобразования
предполагал группирование и дублирование каналов связи: все кабели
не укладываются в один и тот же короб по одному и тому же марш­
руту, а группируются по частям (например, по северной и по южной
частям здания). На следующем этапе стали резервировать сетевые
коммутаторы и конечные терминальные узлы. Однако наиболее эф­
фективным является метод резервирования отдельных каналов в коль­
цевых структурах промышленных сетей. Управляемые промышленные
коммутаторы обеспечивают время переключения на резервные кана­
лы порядка десятка или сотен миллисекунд. В резервируемых сетях
с диагностикой сопряжение осуществляют на втором уровне модели
взаимодействия по методу RSTP («быстрый протокол связующего
дерева», IEEE 802.lw). Каналы резервирования могут быть созданы
267
и на третьем уровне по протоколу VRRP (Virtual Router Redundancy
Protocol, стандарт IETF RFC-2338).
На смену относительно медленным протоколам связующего дере­
ва (STP и RSTP, время восстановления соответственно порядка 30 с
и 1 с) пришла отказоустойчивая кольцевая топология HIPER-Ring.
Она была разработана одним из лидеров в области промышленных
сетей — компанией Hirschmann как решение по созданию резервиро­
ванной сетевой инфраструктуры без дублирования линий связи. Это
решение предполагает построение не полностью замкнутых кольце­
вых связей в сети Ethernet и обеспечивает обнаружение сбоя в канале
с восстановлением без потерь в течение 200—300 мс за счет создания
обходных путей связи. Сейчас стремятся снизить время восстанов­
ления сети до 50 мс. Такая топология сети из 1000 узлов была приме­
нена при автоматизации аэропорта в г. Дрездене. Пять зданий были
связаны гигабитной сетью Ethernet. Вместо связующего дерева здесь
применили HIPER-Ring с двойным резервированием в кольце, что
обеспечило среднее время восстановления 0,5 с. Примечательно, что
в этом проекте было также выполнено дублирование блоков питания.
Среди примеров резервирования в структурах промышленных сетей
Ethernet известны и другие решения, например избыточные кольцевые
сети Turbo Ring и двойные дублирующие сети.
Стандарты Ethernet при передаче по витой паре через порт
1000Base-T поддерживают автоматическую нисходящую установку
скорости 100 или 10 Мбит/с для подключения оконечных устройств
в соответствии с их возможностями. Для передачи данных по гига­
битному сегменту с витой парой на расстояние до 100 м требуется
кабель с 4 парами проводов, удовлетворяющий требованиям каналов
связи как минимум 5-й категории; при более высоких требованиях
применяются кабели 6-й категории. Для передачи по оптоволокну на
расстояние до 550 м используют многомодовый кабель (1000Base-SX),
а для больших расстояний (20 км) — одномодовый (1000Base-LX).
4.4.3. Беспроводные локальные сети
для промышленного применения
Существует много объектов автоматизации, где сложно обойтись
без беспроводных сетей или где их применение явно желательно:
• датчики и исполнительные устройства на подвижных частях кон­
вейеров, мельниц, лифтов, миксеров, тележек для перемещения
грузов по цеху, на крыльях и лопастях самолетов, на подшипни­
ках двигателей, на роботах, в передвижных лабораториях, датчики
вибрации на контейнерах для перевозки грузов, а также датчики
на теле человека и животных;
• объекты, в которых нежелательно сверлить стены или портить
дизайн, например офисные здания, в которых устанавливаются
262
пожарная и охранная сигнализация, датчики для систем обогрева
и кондиционирования воздуха, датчики для мониторинга механи­
ческих напряжений в конструкциях зданий, жилые помещения со
статусом «умного дома», в которых развернуты системы управления
бытовыми приборами, освещением, микроклиматом, контролем
доступа и пр., а также музеи, памятники архитектуры и т.д.;
° системы, предполагающие эпизодическое программирование
и диагностику ПЛ К (прокладка постоянного кабеля из-за нерегу­
лярного характера его использования здесь чаще всего просто не­
выгодна) или дистанционное считывание показаний счетчиков
и самописцев;
• объекты с агрессивными средами, вибрацией, а также объекты,
находящиеся под высоким напряжением или в местах, неудобных
для прокладки кабеля;
• системы отслеживания траектории движения транспорта, охраны
границ государства, мониторинга напряженности автомобильного
трафика в городах и условий на дорогах, мониторинга леса, моря,
сельскохозяйственных угодий, мониторинга вредных для экологии
выбросов и т.п.;
• любые объекты, для которых известно, что стоимость кабелей,
кабельных каналов, опор или траншей, а также работ по монтажу
и обслуживанию существенно превышает стоимость заменяющей
беспроводной системы при условии отсутствия жестких требова­
ний к надежности доставки сообщений в реальном времени;
• объекты во взрывоопасных зонах.
В большинстве применений беспроводные сети позволяют достичь
следующих преимуществ по сравнению с проводными:
• существенно снизить стоимость установки датчиков;
• исключить необходимость профилактического обслуживания ка­
белей;
• исключить дорогостоящие узлы разветвлений кабеля;
• уменьшить трудозатраты, а также время на монтаж и обслуживание
системы;
• снизить стоимость с истемы за счет исключения кабелей;
• снизить требования к обучению персонала монтажной органи­
зации;
• ускорить отладку системы и поиск неисправностей;
• обеспечить удобную модернизацию системы.
Поскольку реконфигурация системы и ее монтаж становятся го­
раздо более простыми, беспроводные сети можно использовать и в
традиционных областях применения кабельных связей, когда стои­
мость кабеля и монтажа оказывается выше, чем установка беспро­
водной сети.
263
Беспроводные сети, несмотря на свою привлекательность, имеют
очень большое количество трудноразрешимых проблем, поэтому их
применение в промышленной автоматизации должно основываться
на детальном анализе задачи и тщательной оценке всех преимуществ
в каждом конкретном случае.
С точки зрения требований к промышленным сетям беспроводные
сети уступают проводным по ряду характеристик:
• время доставки сообщений: используемый механизм случайного
доступа к каналу CSMA/CA не гарантирует доставку в заранее из­
вестное время, и эту проблему нельзя решить с помощью комму­
таторов, как в проводных сетях;
• помехозащищенность: беспроводные сети подвержены влиянию
электромагнитных помех значительно сильнее, чем проводные;
• надежность связи: при изменении расположения узлов сети или
появлении объектов, вносящих затухание, отражение, преломле­
ние или рассеяние радиоволн, связь может исчезнуть;
• ограниченная дальность связи без использования ретрансляторов
(обычно не более 100 м внутри помещений);
• резкое падение пропускной способности сети при увеличении
количества одновременно работающих станций и коэффициента
использования канала;
• безопасность: возможность утечки информации, незащищенность
от искусственно создаваемых помех, возможность незаметного
управления технологическим процессом враждебными лицами.
Физические причины возникновения перечисленных проблем
связаны с интерференцией, дифракцией, преломлением, отражени­
ем, рассеянием (переизлучением) и снижением плотности мощности
излучения при увеличении расстояния от источника, а также невоз­
можностью локализации радиоволн в ограниченном пространстве.
Классы и типы беспроводных сетей. Беспроводные сети делятся на
следующие классы:
• сотовые сети WWAN (Wireless Wide Area N etwork);
• беспроводные WLAN (Wireless Local Area Network);
• беспроводные сети датчиков.
В промышленной автоматизации наибольшее распространение
получили три типа беспроводных сетей: Bluetooth на основе стандарта
IEEE 802.15.1, ZigBee на основе IEEE 802.15.4 и Wi-Fi на основе IEEE
802.11. Физические уровни модели OSI для этих сетей основаны на
соответствующих стандартах IEEE, а протоколы верхних уровней раз­
работаны и поддерживаются организациями Bluetooth, ZigBee и Wi-Fi
соответственно. Поэтому в названии сетей обычно указывают ссылки
на стандарт. Все три сети используют нелицензируемый диапазон ISM
(Industrial, Scientific, and Medical) 2,4 ГГц. Оборудование для этих сетей
264
не требует получения лицензии (что во многих случаях принципиально
важно), хотя необходима регистрация.
Технология Bluetooth была разработана на базе стандарта
IEEE 802.15.1 специальнодля замены кабеля при соединении различных
устройств офисной и бытовой техники с использованием частотного
ISM-диапазона 2,4 ГГц. Спецификация Bluetooth поддерживается орга­
низацией SIG (Bluetooth Special Interest Group), образованной в 1998 г.
и объединяющей более 1900 членов. В системах автоматизации Blue­
tooth удобна для записи программ в ПЛ К, дистанционного считыва­
ния показателей с накопителей информации. Она организована в виде
пикосетей (piconet), в которых одно ведущее устройство осуществляет
взаимодействие не более чем с семью ведомыми. Ведомые устройства
могут взаимодействовать друг с другом только через ведущее. Каждое
устройство может быть членом четырех пикосетей одновременно, но
главным может быть только в одной из них. Такое устройство выпол­
няет роль моста между пикосетями. Несколько взаимодействующих
пикосетей образуют так называемую scatternet (разбросанную сеть).
Трафик в сети организован с временным разделением каналов
и дуплексной передачей. Временное разделение осуществляется интер­
валами (временными слотами) длиной в 625 мкс. Ведущие устройства
могут начинать передачу только в течение интервалов с нечетными
номерами, ведомые — отвечать в течение четных интервалов. В течение
каждого интервала можно передать 366 бит.
В Bluetooth используется широкополосная модуляция типа FH SS.
Переход с одной частоты на другую выполняется по случайному закону,
который устанавливается для каждого соединения индивидуально. Это
повышает степень защиты информации. Несущая частота изменяется
1600 раз в секунду. Скорость передачи равна 433,9 кбит/с.
Если пикосети расположены близко одна от другой, то они могут
влиять друг на друга, поскольку между ними нет никакой синхрони­
зации. Чтобы уменьшить вероятность взаимовлияния, используется
адаптивный метод скачкообразного изменения частоты AFH.
На канальном уровне используются два типа пакетов данных:
ACL (Asychrounous Connection Lees) — асинхронный без прямого соеди­
нения каналов и SCO (Synchronous Connection-Oriented) — синхронный
с прямым соединением. ACL-пакеты используются совместно с провер­
кой контрольной суммы (CRC). Если контрольные суммы приемника
и передатчика не совпадают, запрашивается повторная передача пакета.
Используются шесть разных ACL-пакетов, охватывающих разное ко­
личество временных слотов. ACL-пакеты используются в том случае,
когда целостность данных важнее скорости ихдоставки.
Пакеты SCO поддерживаюттрафикреального времени путем резер­
вирования временных слотов. Повторная передача здесь не допуска­
ется, хотя имеется расширенный вариант SCO, в котором допускается
265
ограниченное количество повторных передач. Существуют три типа
SCO-пакетов одинаковой дайны (HV3, HV2, HV1) по 366 мкс, которые
позволяют передавать данные со скоростью 64 кбит/с.
Каждое устройство стандарта Bluetooth имеет 48-битовый адрес.
Большинство устройств Bluetooth имеют мощность передатчика
1 мВт, однако разрешен следующий ряд мощностей, делящий все эти
устройства на три класса:
• класс 1 — до 100 мВт (максимальная дальность на открытом про­
странстве до 100 м);
• класс 2 — до 2,5 мВт (максимальная дальность на открытом про­
странстве до 15м);
• класс 3 — до 1 мВт (максимальная дальность на открытом про­
странстве до 5м).
Можно назвать следующие достоинства технологии Bluetooth: ма­
лые размеры оборудования, простота использования, безопасность
передачи информации (благодаря аутентификации и кодированию),
хорошая поддержка со стороны соответствующих стандартов. К не­
достаткам можно отнести относительно большое потребление энер­
гии и невозможность построения сетей сложной конфигурации. Эти
особенности связаны с тем, что Bluetooth решает проблему замены
кабелей для устройств, подключаемых к компьютеру, а не проблему
создания беспроводной LAN.
ZigBee. Стандарт IEEE 802.15.4 является самым новым в серии
беспроводных (принят в октябре 2003 г.). На его основе ZigBee Alliance
разработал спецификацию протоколов сетевого и прикладного уровня,
которые анонсировал в декабре 2004 г. под названием ZigBee. ZigBee
Alliance включает более 180 фирм, работающих совместно над про­
движением стандартов, стека протоколов и прикладных профилей для
потребительского и промышленного сектора экономики. Прикладные
профили ориентированы, в частности, на автоматизацию зданий,
промышленный мониторинг, вентиляцию и кондиционирование,
работу с датчиками. Спецификация ZigBee описывает построение
сети, вопросы безопасности, прикладное программное обеспечение.
Основными областями применения ZigBee/IEEE 802.15.4 явля­
ются передача информации от движущихся и вращающихся частей
механизмов (конвейеров, роботов), промышленные системы управ­
ления и мониторинга, беспроводные сети датчиков, отслеживание
маршрутов движения и местоположения имущества и инвентаря,
«интеллектуальное» сельское хозяйство, системы охраны.
В отличие от других беспроводных технологий, где ставится зада­
ча обеспечить высокую скорость передачи, большую дальность или
высокое качество обслуживания, ZigBee/IEEE 802.15.4 создавался
изначально по критериям малой дальности действия, низкой цены,
малой потребляемой мощности, небольшой скорости передачи и ма­
266
лых габаритов. Эти свойства идеально соответствуют требованиям
к большинству промышленных датчиков. Поэтому ZigBee часто отож­
дествляют с промышленными беспроводными сенсорными сетями
WSN (Wireless Sensor Network). Устройства ZigBee используются там,
где технология Bluetooth не может применяться из-за дороговизны
и не требуется высокая скорость передачи.
ZigBee, как и Bluetooth, использует нелицензируемый диапа­
зон 2,4 ГГц. Стандарт предусматривает также использование частот
868 МГц в Европе и 915 МГц в США. Максимальная скорость передачи
составляет 250 кбит/с в диапазоне 2,4 ГГц. Диапазон 2,4 ГГц разделен
на 11—26 каналов шириной по 5 МГц каждый.
Несмотря на то что вся идеология стандарта IEEE 802.15.4 построена
в предположении, что типовая связь будет осуществляться на расстоянии
около 10 м, стандарт не устанавливает требований к мощности передат­
чика. Этот параметр регулируется нормативными документами в обла­
сти радиосвязи, специфическими для каждого государства. Наибольшее
распространение на рынке имеют передатчики мощностью 1 мВт, ко­
торые обеспечивают связь на расстоянии до 10 м в помещении, а также
передатчики с мощностью 10 мВт, увеличивающие это расстояние до
80 м в помещении и до 1 км в условиях прямой видимости. Дальность
связи можно увеличить применением антенн специальной конструкции.
Модель OS1 сети ZigBee включает физический уровень (PHY),
канальный уровень, состоящий из подуровня доступа к среде пере­
дачи МАС и LLC, которые определяются стандартом IEEE 802.15.4,
а также сетевой уровень N WK (NetWorK) и уровень приложений APL,
состоящий из подуровня поддержки приложений (Application Sup­
port sub-layer — APS), подуровня объектов устройств ZigBee (ZigBee
Device Object — ZDO) и объектов Application Objects, определяемых
изготовителем ZigBee-устройств.
Подуровень MAC управляет доступом к радиоканалу, используя
метод CSMA/CA. Он также отвечает за передачу маячковых фреймов,
синхронизацию и обеспечение надежных методов передачи информа­
ции. Подуровень LLC выполняет связь сетевого уровня с уровнем МАС.
Уровень NWK использует методы, обеспечивающие:
• регистрацию в сети нового устройства и исключение его из сети;
• безопасность при передаче фреймов;
• указание маршрута фрейма к месту назначения;
• прокладку маршрутов между устройствами в сети;
• обнаружение в сети ближайших соседей;
• запоминание необходимой информации о соседних узлах.
В ZigBee имеются три типа устройств:
• координатор формирует топологию сети и может устанавливать
мосты с другими сетями (в каждой ZigBee-сети имеется только
один координатор);
267
• маршрутизатор работает как промежуточное звено, передавая
в нужном направлении данные от других устройств;
• конечное устройство передает данные координатору или марш­
рутизатору и не может связываться с аналогичными ему устрой­
ствами. Уровень NWK отвечает за организацию новой сети, когда
это нужно, и назначение адресов новым устройствам, подключа­
емым к сети.
Подуровень APS-уровня приложений обеспечивает:
• обслуживание таблиц для связывания устройств сети на основе
информации о необходимости и возможности связывания;
• передачу сообщений между связанными устройствами;
• определение группового адреса устройств, удаление и фильтрацию
сообщений с групповыми адресами;
• отображение 64-битового адреса в 16-битовый;
• фрагментацию, перекомпоновку и транспортировку данных.
Подуровень ZDO обеспечивает:
• определение роли устройств в сети (координатор, маршрутизатор
или оконечное устройство);
• инициирование или ответ на запрос соединения;
• защиту информации;
• обнаружение устройств в сети и определение того, какой сервис
они предоставляют.
Топология ZigBee-сети поддерживается уровнем NWK и может
иметь форму звезды, дерева или ячеистой сети. В топологии типа звезды
сеть контролируется координатором, отвечающим за инициализацию
и обслуживание сетевых устройств и всех конечных устройств, непо­
средственно взаимодействующих с ним. В ячеистой и древовидной
структуре сети координатор отвечает за организацию сети и выбор
некоторых ключевых параметров, но сеть может быть расширена с по­
мощью ZigBee-маршрутизаторов. В сети с древовидной топологией
маршрутизаторы перемещают данные и управляющие сообщения по
сети, используя иерархическую стратегию маршрутизации. Древовид­
ные сети могут использовать маячковую стратегию маршрутизации.
Ячеистая сеть должна обеспечить полную одноранговую комму­
никацию устройств, т.е. в ячеистой сети нет устройств разных рангов
(координаторов, маршрутизаторов и т.п.), все устройства равноправны.
Основным назначением физического уровня являются прием и пе­
редача данных через радиоканал. Здесь также измеряется мощность
радиосигнала, оцениваются качество связи и чистота канала, осу­
ществляется выбор канала. С точки зрения модели OSI физический
уровень обеспечивает интерфейс между стеком протоколов и средой
передачи информации (эфиром). Подуровень МАС управляет маяч­
ком, доступом к каналу, выделяет гарантированные слоты времени,
проверяет достоверность передачи фреймов, передает фрейм под­
268
тверждения о получении, выполняет часть работы по обеспечению
защиты информации.
Физический (PHY) и канальный (МАС) уровни модели OSI имеют
следующие основные характеристики:
• скорость передачи — 250 кбит/с;
• короткий 16-битовый адрес или расширенный адрес длиной
64 бита;
• выделение интервала времени для передачи информации каждым
узлом;
• протокол обмена с уведомлением о получении;
• малое потребление мощности;
• контроль уровня энергии;
• наличие индикатора качества связи;
• 16 каналов в диапазоне 2,45 ГГц. Частоты 868 и 902 МГц, предусмот­
ренные стандартом, в России не применяются и поэтому в даль­
нейшем не упоминаются.
Стандарт IEEE 802.15.4 использует модуляцию типа OQPSK (Offset
Quadrature Phase-Shift Keying — смещенная квадратурная фазовая
манипуляция).
Wi-Fi. Основное назначение технологии Wi-Fi (Wireless Fidelity —
беспроводная точность) — беспроводное расширение сетей Ethernet.
Она используется также там, где использовать проводные сети не­
желательно или невозможно, например для передачи информации
от движущихся частей механизмов, либо при действующем запрете
сверлить стены для прокладки проводов (помещения с уже реализо­
ванным дизайном, памятники архитектуры и т.д.), либо на большом
складе, где компьютер нужно носить с собой.
Wi-Fi разработан консорциумом Wi-Fi на базе серии стандар­
тов IEEE 802.11 (1997) и обеспечивает скорость передачи от 1-2 до
54 Мбит/с. Консорциум Wi-Fi разрабатывает прикладные специфика­
ции для воплощения стандарта Wi-Fi в жизнь, выполняет тестирование
и сертификацию продукции других фирм на соответствие стандарту,
организует выставки, обеспечивает необходимой информацией раз­
работчиков оборудования Wi-Fi.
Несмотря на то что стандарт IEEE 802.11 был ратифицирован
еще в 1997 г., сети Wi-Fi получили широкое распространение только
в последние годы, когда существенно понизились цены на серийное
сетевое оборудование. В промышленной автоматизации из множе­
ства стандартов серии 802.11 используются в основном два: 802.11b
со скоростью передачи до 11 Мбит/с и 802.11g — до 54 Мбит/с.
Модель OSI для стандартов Wi-Fi и IEEE 802.11 определяется на
физическом и канальном уровне. Основное назначение физических
уровней — обеспечение интерфейса с беспроводной средой передачи
269
(с эфиром), а также оценка состояния эфира и взаимодействие с под­
уровнем МАС.
Физический уровень состоит из двух подуровней.
1. PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) выполняет процедуру
отображения PDU (Protocol Data Unit — модуль данных протокола)
подуровня МАС во фрейм формата FHSS или DSSS. Эта процедура
выполняет передачу, обнаружение несущей и прием сигнала.
2. PMD (Physical Medium Dependent) — подуровень, зависящий
от среды передачи данных. Этот подуровень будет различным для
разных скоростей передачи и разных стандартов из серии 802.11. Под­
уровень PMD обеспечивает данные и сервис для подуровня PLCP
и функции радиопередачи и приема, результатами которых являются
потокданных, информация о времени, параметры приема. Основным
рабочим состоянием PLCP является обнаружение несущей и оценка
незанятости канала. Для выполнения передачи PLCP переключает
PMD из режима «Прием» в режим «Передача» и посылает элемент
данных PPDU (PLCP Protocol Data Unit).
Физический уровень выполняет скремблирование, кодирование
и чередование.
Передача сигналов по радиоканалу выполняется двумя методами:
FHSS и DSSS. При этом используется дифференциальная фазовая
модуляция DBPSK или DQPSK с применением кодов Баркера, ком­
плементарных кодов (Complementary Code Keying — ССК) и техно­
логии двоичного пакетного сверточного кодирования (Packet Binary
Convolutional Coding — PBCC).
Wi-Fi 802.1.1g на скорости 1—2 Мбит/с использует модуляцию DB­
PSK. При скорости передачи 2 Мбит/с применяется тот же метод,
что и при скорости 1 Мбит/с, однако для увеличения пропускной
способности канала используются 4 разных значения фазы (0, я/2,
Зтг/4, л) для фазовой модуляции несущей.
Протокол 802.11b использует дополнительно скорости передачи
5,5 и 11 Мбит/с. На этих скоростях передачи вместо кодов Баркера
применяются комплементарные коды ССК.
Wi-Fi использует метод доступа к сети CSMA/CA, в котором для
снижения вероятности коллизий приняты следующие принципы:
• прежде чем станция начнет передачу, она сообщает, как долго она
будет занимать канал связи;
• следующая станция не может начать передачу, пока не истечет за­
резервированное ранее время;
• участники сети не знают, принят ли их сигнал, пока не получат
подтверждение об этом;
• если две станции начали работать одновременно, они смогут узнать
об этом только по тому факту, что не получат подтверждение о при­
еме; если подтверждение не получено, участники сети выжидают
270
случайный промежуток времени, чтобы начать повторную пере­
дачу.
Дальность связи средствами Wi-Fi сильно зависит от условий
распространения электромагнитных волн, типа антенны и мощно­
сти передатчика. Типовые значения, указываемые изготовителями
Wi-Fi-оборудования, составляют 100-200 м в помещении и до не­
скольких километров на открытой местности с применением внешней
антенны и при мощности передатчика 50... 100 мВт. Вместе с тем, по
сообщению германского еженедельника Cot-puterwoche, во время
соревнований по дальности связи была зафиксирована связь на рассто­
янии 89 км с применением оборудования Wi-Fi стандарта IEEE 802.11b
(2,4 ГГц) и спутниковых антенн. В книге рекордов Гиннеса зафиксиро­
вана также Wi-Fi-связь на расстоянии 310 км с применением антенн,
поднятых на большую высоту с помощью воздушных шаров.
Сравнение беспроводных сетей. Основные параметры трех рассмот­
ренных беспроводных технологий сведены в табл. 4.4.2. В таблице
отсутствуют данные о стандартах WiMAX, EDGE, UWB и многих
других, которые не нашли широкого применения в промышленной
автоматизации.
Таблица 4.4.2
Сравнение трех ведущих беспроводных технологий
Характеристика
Дальность
Bluetooth
ZigBee
Wi-Fi
Около Юм (до 100 м)
10 м
До 100 м
Скорость передачи
723 кбит/с
250 кбит/с
1...2 Мбит/с,
до 54 Мбит/с
Максимальное ко­
личество участников
сети
8
245
Не ограничено
Потребляемая мощ­
ность
10 мВт
1 мВт
50 мВт
Основное назначение
Связь периферии
с компьютером
Беспроводные сети
датчиков
Беспроводное расшире­
ние Ethernet
4.4.4. Специализированные сетевые интерфейсы
Рассмотренные сетевые стандарты и протоколы могут использо­
ваться фактически повсеместно при решении самых различных задач
автоматизации. Вместе с тем находятся специфические области и места
применения, которые требуют специализированных подходов и реше­
ний. Одной из специфических сфер автоматизация является жилищ­
но-коммунальное хозяйство. При автоматизации уже эксплуатирую­
щихся объектов для передачи управляющих сигналов велик соблазн
использовать существующие линии. При использовании цифровых
интерфейсов возникает возможность для организации управляющих
271
каналов использовать имеющуюся в каждом доме проводку — в первую
очередь речь идет о разводке линий сетевого питания. Информацион­
ный управляющий сигнал накладывается налинии сетевого питания,
исключая необходимость подводки к оборудованию отдельных линий
связи. Такие подходы особенно эффективны при «интеллектуализа­
ции» систем освещения. На практике приходится сталкиваться с объ­
ектами, где затруднительно или категорически запрещено изменять
или делать новую проводку (различные памятники архитектуры, музеи
и т.д.). В таких условиях становятся необходимыми беспроводные
технологии управления оборудованием, основные достоинства кото­
рых — это простота и гибкость монтажа, отсутствие соединительных
проводов. Однако при этом каждой единице оборудования необходимо
обеспечить автономное, желательно на восполняемых источниках,
питание. Все это требует создания специализированных датчиков,
исполнительных устройств и ориентированных на них интерфейсов
связи. Таким образом, создаются технологические платформы, вклю­
чающие соответствующее оборудование, программное обеспечение
и протоколы связи. Приведем примеры некоторых подоюных про­
токолов.
Интерфейс DALI. В настоящее время для управления освещением
в жилых домах и производственных помещениях все чаше используют
интерфейс DALI (от англ. Digital Addressable Lighting Interface — циф­
ровой адресный интерфейс освещения). Этот цифровой интерфейс
разработан совместно компаниями Helvar, Osram и Philips в 1999 г.,
является открытым двусторонним протоколом управления электро­
осветительным оборудованием, т.е. DALI-совместимые контроллеры
могут как получать данные отустройств, так и передавать им команды.
DALI-устройства содержат собственную энергонезависимую память,
которая хранит информацию об устройстве, его адресе, принадлежно­
сти к группе и некоторые наборы команд или сценарии. Сообщение,
которое получает DALI-устройство, состоит из адреса и команды.
Сообщения, содержащие команды, могут быть персональными (для
одного устройства), групповыми и широковещательными. Напри­
мер: {Device_0 315, 30%} — команда для одного устройства, команда
{Group_0 100, Script_4} сообщает группе устройств GroupJ) 100, что
необходимо выполнить сценарий Script_4. Сценарием может быть лю­
бая последовательность команд, например: OFF, 20%, 40%, 100%, 20%.
Результатом этой команды станет отключение устройства (например,
лампы), пошаговое увеличение яркости на 20,40,100% и обратно до
20%. На одной линии DALI-шины можно подключить до 64 устройств.
При необходимости подключения большего числа устройств использу­
ют DALI-маршрутизаторы, которые в свою очередь можно объединить
DALI-шлюзами. DALI-сеть энергоэффективна и обладает отличной
устойчивостью даже к мощным помехам. Это возможно благодаря
272
хорошему соотношению «сигнал — шум». Сеть может обладать любой,
даже смешанной топологией. Ряд DALI-устройств могут использовать
для передачи информации силовые кабели, по которым к устройствам
освещения подается переменное напряжение питания.
Интерфейс ЕнОсеап. Главная особенность работы технологии ЕпОсеап (от англ. Energy Ocean — океан энергии) состоит в получении
энергии, служащей для питания беспроводных систем, из окружа­
ющей среды. Как правило, эта энергия световая или механическая.
Например, для питания датчиков освещенности, датчиков контроля
состояния окон и дверей может быть использован фотоэлемент, со­
бирающий световую энергию. Ав выключателях для преобразования
механической энергии в электрическую и ее накопления использу­
ют пьезоэлемент и подсоединенный к нему небольшой конденсатор,
заряжающийся энергией электрического разряда, возникающего на
пьезоэлементе. Очевидно, что количество собираемой энергии при
этом ограниченно. В технологии ЕпОсеап экономное расходование
собранной энергии обеспечивается малым временем передачи сигнала
отдатчика к приемнику. В устройствах ЕпОсеап данные передаются так
называемыми радиотелеграммами. Каждая телеграмма имеет длину
14 байт. В каждом цикле передачи отправляются три идентичных теле­
граммы. Длительность каждойиз них — около одной миллисекунды,
а интервал между телеграммами — от единиц до десятков миллисекунд,
причем его длительность изменяется случайным образом. При этом
цикл передачи данных повторяется дважды с интервалом примерно
40 мс. Такой механизм передачи позволяет существенно уменьшить
число коллизий между телеграммами от различных устройств ЕпОсеап,
а также снизить влияние электромагнитных помех и сделать передачу
данных надежнее. Так, при числе устройств менее 100 вероятность
правильной передачи близка к 100 %. Характерная дальность действия
(дальность распространения сигнала от передатчика до приемника) на
открытом пространстве составляет около 300 м. В помещениях прохож­
дение сигнала сильно зависит от материала стен и перекрытий; этот
параметр составляет порядка 30 м. Частотный диапазон ЕпОсеап —
868 МГц. На практике беспроводными устройствами стандарта Еп­
Осеап, как правило, являются различные радиовыключатели, управ­
ляющие освещением, приводом жалюзи, штор, а также радиодатчики
температуры, относительной влажности, присутствия, освещенности,
контроля за состоянием окон и дверей и др.
KNX. В 1990 г. ряд европейских компаний (Siemens, ABB, Berker,
Gira, Jung и др.) объединились для создания единой технологии EIB
(European Installation Bus — европейской инсталляционной шины) —
открытого интерфейса для информационного взаимодействия широ­
кого класса устройств. В1999 г. на основе уже существующего объеди­
нения возникла более крупная международная ассоциация KNX. Все
273
это время продолжалась работа по сертификации технологии, и в конце
2003 г. был утвержден европейский стандарт EN50090, а в 2006 г. был
принят международный стандарт ISO/IEC 14543. В состав междуна­
родной ассоциации сейчас входят 242 компании из 29 стран, включая
все крупные компании рынка автоматизации и 1Т-технологий.
Все больше домовладельцев, дизайнеров, проектировщиков и сис­
темных интеграторов в Европе, Азии и США позиционируют KNXкак
самую всеобъемлющую из существующих систем для автоматизации
зданий с сетевой структурой в жилых, нежилых и административных
зданиях. KNX — это целая технологическая платформа, объединя­
ющая вопросы организации протоколов, создания оборудования
и программного обеспечения.
Сеть KNX — это открытая стандартная одноранговая распреде­
ленная система управления с коммутацией пакетов. В соответствии
с моделью взаимодействия открытых систем ISO/OSI в ней опреде­
лены и используются уровни 1—4 и 7. Сети KNX могут быть построены
с применением различных сред передачи и протоколов: витая пара ТРО
и ТР1, силовая сеть PL-110 и PL-132, ИК-канал, радиоканал с частотой
868 МГц и сеть Ethernet.
В качестве примера будет рассмотрен протокол ТР1. Основное
оборудование выпускается для работы с этим протоколом для среды
передачи «витая пара». Многие решения, применяемые в этом про­
токоле, являются общими для других протоколов KNX.
KNX-устройства в сети имеют адреса двух типов — индивидуальные
и групповые. Индивидуальный адрес обеспечивает возможность обра­
титься к одному устройству. Групповые адреса одинаковы по крайней
мере для двух устройств и используются, если одинаковые функции вы­
полняются несколькими устройствами. Ведущее устройство посылает
телеграммы, которые содержат некоторую служебную информацию,
определяемую протоколом, и данные (команды). В случаях, когда
устройство занято или телеграмма пришла с ошибкой, в ответной те­
леграмме устройство, посылавшее команду, получит эту информацию.
В таком случае через какое-то время сообщение-телеграмма будет
повторена. Подобных повторений в протоколе ТР1 предусмотрено
до трех.
Линейные и магистральные соединители обеспечивают гальвани­
ческую развязку отдельных линий, что повышает надежность и жизне­
способность системы, а также фильтруют телеграммы по групповым
адресам, что уменьшает трафик и нагрузку на магистральные и главные
линии. В каждом сегменте обязателен источник питания. В сегменте
можно установить до 64 приборов. Допустимый ток нагрузки источ­
ника питания должен быть таким, чтобы обеспечивать потребление
тока всем оборудованием. В полной топологии можно применить
более 58 000 устройств ТР1.
274
На длины кабелей при любой топологии существуют ограничения,
которые следуют из физической природы передачи и распространения
электрических сигналов. При использовании стандартного кабеля
KNX, например JY(St) Y2x2x0.8, максимальное удаление устройства
от источника питания не должно превышать 350 м. Максимальное
расстояние между двумя устройствами, которые должны передавать
сообщения друг другу, не должно превышать 700 м, а суммарная длина
кабеля в одном сегменте не должна быть более 1000 м. Использование
других кабелей не гарантирует эти максимальные длины.
Все сообщения в сети ТР1 передаются побайтно, пакетами. Все
служебные поля телеграмм жестко определены стандартом протокола
ТР1 (рис. 4.4.20).
Передача сигнала осуществляется симметрично (парафазно) по
паре жил. Логический «0» кодируется сигналом, а «1» — отсутствием
его на линии. Амплитуда сигнала на выходе устройства примерно
+6 В. Сигналы передаются по одной витой паре в составе экранирован­
ного кабеля, также как и постоянное питание, которое в нормальных
условиях должно находиться в границах 21-31 В. Заземлять экран
кабеля или одну из жил нельзя.
Прием сигнала осуществляется в виде дифференциального сиг­
нала (разности напряжений) между двумя проводами. Все эти меры
способствуют наименьшему влиянию на передачу и прием сигналов
электромагнитных помех.
Все устройства KNX работают в дуплексном режиме. Они могут
не только передавать, но и одновременно слушать сеть. Для разре­
шения коллизий телеграмм используется метод CSMA/CA, который
гарантирует доступ устройств к шине при их обращении в сеть в любой
момент. Также гарантируется, что вначале будут переданы сообщения
с наивысшим приоритетом, который устанавливается в контрольном
поле телеграммы.
Длина сообщения в зависимости от типа передаваемых в телеграм­
ме данных может изменяться от 9 до 23 пакетов. Сообщение под­
275
тверждения состоит всегда из одного пакета. Таким образом, с учетом
времени пауз перед началом передачи и перед подтверждением общее
время прохождения телеграмм ТР1 лежит в диапазоне от 20 до 40 мс.
В каждом пакете есть бит контроля на четность. Для более полного
контроля в конце телеграммы формируется контрольный байт. В нем
контролируется четность по всем битам во всех посланных пакетах.
4.5.
УСТРОЙСТВА СВЯЗИ С ОБЪЕКТАМИ
Неотъемлемой частью любой автоматизированной системы управле­
ния технологическим процессом являются устройства связи с объектом
(далее — УСО), назначение которых заключается в сопряжении датчи­
ков и исполнительных механизмов контролируемого объекта и (или)
технологического процесса с вычислительными средствами системы.
В настоящее время выпускается большое число разнообразных УСО,
отличающихся друг от друга формой представления информации на
входах-выходах и способом ее передачи между блоком УСО и контрол­
лером. По этим признакам проводится классификация УСО (рис. 4.5.1).
Рис. 4.5.1. Общая классификация устройств связи с объектом
Однако, несмотря наделение УСО на некоторые классы, есть функ­
ции, присущие подавляющему большинству из них:
• нормализация сигналов — приведение диапазонов изменения вход­
ных и выходных (аналоговых и дискретных) сигналов устройств
системы управления к ограниченному набору стандартных диа­
пазонов;
• предварительная низкочастотная фильтрация аналоговых сиг­
налов — ограничение полосы частот первичного непрерывного
сигнала с целью снижения влияния на результат измерения помех
различного происхождения. На промышленных объектах наибо­
лее распространены помехи с частотой сети переменного тока,
а также хаотические импульсные помехи, вызванные влиянием
на технические средства измерительного канала переходных про­
цессов и наводок при коммутации исполнительных механизмов
повышенной мощности;
276
° обеспечение гальванической изоляции между источником анало­
гового или дискретного сигнала и измерительным и (или) сетевым
каналом системы. В равной степени это относится к изоляции меж­
ду каналами дискретного вывода системы и управляемым сило­
вым оборудованием. Гальваническая изоляция позволяет снизить
влияние на систему помех по цепям заземления за счет их разде­
ления, а также обеспечивает защиту входных и выходных цепей от
аварийного попадания на них высокого напряжения. Отсутствие
гал ьванической изоляции допускается только в технически обос­
нованных случаях.
УСО, функции, которых ограничиваются перечисленными выше,
относят к классу нормирующих преобразователей (или нормал изаторов).
При осуществлении ввода информации в контроллер основной функ­
цией нормирующих преобразователей является приведение диапазона
сигнала датчика к диапазону сигнала, с которым может работать конт­
роллер. При осуществлении вывода информации на исполнительные
устройства основной функцией нормирующих преобразователей яв­
ляется приведение диапазона сигнала на выходе контроллера к вход­
ному сигналу, с которым может работать исполнительное устройство.
Приводиться к нужному диапазону могут как дискретные, так
и аналоговые сигнал ы. Поэтому нормирующие преобразователи делят
на аналоговые и дискретные. Аналоговые нормирующие преобразова­
тели часто называют нормирующими усилителями.
В состав нормирующих преобразователей могут входить узлы
аналого-цифрового или цифроаналогового преобразования. Такие
нормирующие преобразователи называют аналого-цифровыми. При
их использовании передача значений аналоговых величин между нор­
мализатором и контроллером ведется с помощью цифровых сигналов,
представленных в частотно-импульсной, широтно-импульсной форме
или двоичным кодом. Это существенно увеличивает помехозащи­
щенность системы.
Если передача сигналов между контроллером и УСО ведется с по­
мощью цифровых сигналов в рамках одного из сетевых протоколов,
то такие УСО относят к классу устройств удаленного сбора данных
и управления. Датчики и исполнительные устройства при этом могут
быть удалены от контроллера на значительные расстояния.
Датчики и исполнительные устройства становятся все более ин­
теллектуальными. Их неотъемлемой частью становится микропроцес­
сорный блок, который берет на себя некоторые функции по обработке
сигналов. В настоящее время почти без исключения на этот блок воз­
лагается еще и функция связи с другими элементами распределенной
системы управления. Таким образом, в нашей практике появились
устройства, получившие название интеллектуальных датчиков и ис­
полнительных устройств.
277
Использование конструктивно законченных типовых модулей
устройств связи с объектом, предлагаемых различными производи­
телями, позволяет сократить сроки разработки и ввода в эксплуатацию
АСУТП, повысить их надежность и упростить обслуживание.
4.5.1. Нормирующие преобразователи
В промышленности используются самые разнообразные датчики
и исполнительные устройства. Они могут иметь самые различные
диапазоны рабочих напряжений. Для каждого случая можно было
бы делать специальные блоки ввода-вывода контроллеров, имеющие
соответствующие диапазоны входных или выходных сигналов. Но вы­
пускать большое разнообразие сложных и дорогих самих по себе моду­
лей ввода-вывода контроллеров невыгодно ни одному производителю
этой техники. Использование несложных и недорогих нормирующих
преобразователей позволяет многообразие периферийных модулей
контроллеров по диапазонам работы свести к разумному минимуму.
Учитывая возросшие возможности современных датчиков, все бо­
лее широкое использование датчиков с частотным и широтно-импуль­
сным сигналом, может показаться, что для нормализаторов настало
время «уходить со сцены». Однако это не представляется таким уж
однозначным. Существует много производств, до сих пор использу­
ющих огромный парк «привычных» первичных датчиков (термопары,
терморезисторы и т.д.). При модернизации систем управления таких
производств тотальная замена имевшихся датчиков на современные
часто ведет ксущественным издержкам, связанным с дорогостоящими
монтажными работами (сложный демонтаж, несовпадение установоч­
ных габаритов старых и новых датчиков, необходимость прокладки
новых коммуникационных каналов, соответствующих современным
спецификациям промышленных интерфейсов, и т.д.). Поэтому эко­
номически оправданным вариантом становится приспособление но­
вой электронной «начинки» к уже имеющимся датчикам с помощью
нормализаторов.
Кроме всего, являясь, как правило, одноканальными, элемен­
ты нормализации при построении управляющих систем помогают
реализовать фундаментальный принцип модульности аппаратуры,
минимизируя информационные и финансовые потери в системе при
выходе нормализатора из строя и облегчая ремонт.
Выпуском нормализаторов занимается достаточно большое число
компаний, ряд из них специализируются на выпуске именно этих
изделий, другие выпускают их в рамках номенклатуры своих про­
граммно-технических комплексов.
Нормирующие усилители относятся к классу аналоговых модулей
УСО. Прежде всего они должны обладать большой точностью и хо­
рошей линейностью. Кроме того, желательными являются работа
278
с различными источниками входных сигналов (токи, напряжения,
сигналы от терморезисторов, термопар и т.д.), возможность быстрой
замены при выходе из строя и низкая стоимость. Дополнительными
функциями нормирующих усилителей, как правило, являются пред­
варительная фильтрация первичных сигналов, а также обеспечение
надежной гальванической развязки между первичными измеритель­
ными или исполнительными цепями и соответствующими цепями
контроля или управления.
Основными характеристиками аналоговых модулей нормализации
являются вид входного и выходного сигнала — он может представляться
как током, так и напряжением, а также диапазоны входного и выход­
ного сигнала — традиционные значения диапазонов по напряжению
0... 10 В, 0...1 В, 0...5 В, ±1 В, ±5 В, ±10В; потоку 0...20мА, 4...20мА.
Кроме этого, существует значительное количество характеристик,
определяющих точностные параметры (погрешности смещения нуля,
в конечной точке шкалы преобразования и др.) и степень защищенно­
сти от помех (подавление помехи нормального вида (NMR — NormalMode Rejection), подавление помехи общего вида (CMR — CommonMode Rejection)).
К параметрам нормирующих усилителей относят следующие. Поло­
са пропускания (Bandwidth) — диапазон частот, для которого величина
передаточной функции составляет не менее 70,7% от максимального
значения. Время отклика (Response Time) — время, необходимое изме­
рительной системе (прибору), чтобы изменение входного измеряемого
сигнала достигло на выходе 90% от своего входного значения. Нелиней­
ность (Nonlinearity). Линейность системы предполагает, что выходной
сигнал прямо пропорционален входному сигналу (чувствительность
системы не зависит от значения измеряемой величины), т.е. график
зависимости выходной величины от входной измеряемой величины
представляет собой прямую линию с определенным углом наклона.
В реальных устройствах отмечаются отклонения этой зависимости
от идеальной линейной характеристики. Разность между реальным
значением величины и теоретическим значением, полученным при
предположении, что система измерения линейна, определяет такую
характеристику, как нелинейность систем.
Аналоговые нормализаторы проектируются как развязывающие,
или изолированные, усилители. Подобные требования диктуются об­
ластью их применения: например, в медицине, где датчиками служат
электроды, прикладываемые ктелу человека, большая прочность изо­
ляции необходима по соображениям безопасности, а необходимость
изоляции на производстве связана с высокими значениями синфазных
напряжений. Отличительной особенностью развязывающих усили­
телей при этом является обеспечение раздельного питания входного
и выходного каскадов, осуществляемого обычно через разделительный
279
трансформатор. Сигнал от входного к выходному каскаду может пере­
даваться через трансформаторную, оптическую или емкостную связь.
Одним из известных производителей нормализаторов является
американская компания Dataforth. Для использования в системах
промышленной автоматизации она предлагает широкий набор изо­
лированных модулей нормализаторов аналоговых сигналов серий
SCM5B, SCM7B, DSCAh DSCT.
Каждый такой модуль поддерживает отдельный канал изолирован­
ного аналогового ввода или вывода. Все модули Dataforth помещены
в прочный пластиковый корпус. Форм-фактор этих модулей и функ­
циональная эквивалентность позволяют использовать их вместо или
совместно с аналогичными изделиями других производителей. Кроме
самих модулей, данные серии включают адресуемые и неадресуемые,
одиночные и двойные, 8- и 16-канальные установочные панели, со
встроенными температурными датчиками компенсации холодного
спая или без них, кабели, металлические монтажные каркасы, уни­
версальные интерфейсные платы, модули для прямой коммутации
входа-выхода на установочной панели, предохранители, прецизи­
онные резисторы и т.д. Внешний вид нормализаторов серий SCM5B,
SCM7B и монтажных панелей для них показан на рис. 4.5.2.
Рис. 4.5.2. Пример внешнего вида нормализаторов
и монтажных панелей SCM5B и SCM7B
Входные модули обеспечивают интерфейс с широким спектром
внешних датчиков. Входные аналоговые сигналы могут быть пред­
ставлены напряжением или током с узкой или широкой полосой про­
пускания, сигналами от термопары, терморезистора, измерительного
потенциометра, датчика деформации или частоты. Модули фильтруют,
изолируют, усиливают и преобразуют входной сигнал к выходному
аналоговому сигналу тока/напряжения с диапазонами изменения,
280
принятыми в измерительной технике. Модули вывода (выходные мо­
дули) принимают аналоговый сигнал тока или напряжения от системы
управления, буферизуют, изолируют, при необходимости усиливают
и обеспечивают выходным управляющим током или напряжением
исполнительные устройства.
В состав серий SCM5B, SCM7B, DSCAh DSCT входят следующие
типы модулей:
• с потенциальным входом;
• с токовым входом (внешний резистор);
• с токовым входом (внутренний резистор);
• для подключения терморезисторов, линеаризованные 2- или
3-проводные;
• для подключения терморезисторов, линеаризованные 4-провод­
ные;
• с потенциометрическим входом;
• для подключения линейных датчиков на основе дифференциаль­
ного трансформатора;
• для подключения термопар;
• для подключения датчиков деформации;
• с токовым выходом;
• для управления сервоприводом;
• 2-проводные интерфейсные (питание от токовой петли);
• с частотным входом;
• для подключения термопар, линеаризованные;
• с потенциальным выходом.
Линеаризованные модули для подключения термопар используют
десятисегментную аппаратную линеаризацию.
Учитывая высокие точностные показатели, трехуровневую транс­
форматорную изоляцию, фильтрацию входного сигнала, диапазоны
входного и выходного сигнала, диапазон питающего напряжения (но­
минал 24 В), систему крепления и малые габаритные размеры, можно
определить основную сферу применения данных модулей — функ­
циональные узлы нормализации сигналов в распределенных измери­
тельных системах и системах управления предприятиями с высоким
уровнем индустриальных помех.
В части электромагнитной совместимости модули соответствуют
европейским нормативным требованиям для применения в тяжелых
промышленных условиях. Среднее время безотказной работы, рассчи­
танное по результатам стресс-теста, составляет от 468 000 до 740 000 ч.
Стопроцентный выходной контроль на производстве дополняется
выдачей паспорта на каждое изделие, где указываются характеристики
точности конкретного модуля.
Общие характеристики для модулей SCM5B, SCM7B, DSCA
и DSCT приведены в табл. 4.5.1.
287
Таблица 4.5.1
Общие характеристики модулей SCNI5B, SCM7B, DSCA и DSCT
Гальваническая изоляция
Типовая точность измерений
Подавление помехи общего вида (CMR)
Подавление помехи нормального вида (NMR) на частоте 60 Гц
Диапазон рабочих температур
до 1500 8
0,02-0,05%
160 дБ
80-95 дБ
-40...+85 °C
Помимо этого, модули данных серий имеют такие общие особен­
ности, как защита от скачков напряжения, низкий уровень шума на
выходе, высокая стабильность параметров в течение длительного
времени, возможность монтажа установочных панелей с модулями
на DIN-рельс.
Основное назначение изделий серии DSCL — гальваническая
изоляция уже нормализованного выходного сигнала датчика от изме­
рительного входа системы. Наличие такой изоляции предупреждает
возможность возникновения проблемы «земляной петли». Отдельные
изделия позволяют при этом преобразовать вид входного сигнала (ток напряжение, напряжение - ток). Характер преобразования вида вход­
ного сигнала может определяться заводской установкой или назначаться
пользователем посредством позиционирования перемычек.
В серии DSCL представлены как одноканальные, так и многока­
нальные устройства. Многоканальные модули могут быть использо­
ваны как разветвители одного входного сигнала на несколько галь­
ванически развязанных выходов и благодаря этому применяться для
построения резервированных систем контроля производственных
процессов. Питание изоляторов-преобразователей осуществляется
либо от источника входного сигнала (максимальный потребляемый ток
50 мА, максимальное входное напряжение 18/24 В), либо от внешнего
источника питания 12.. .30 В или внешнего универсального источника
24...60 В постоянного тока, от сети переменного тока 185...230 В.
Для динамично перестраиваемых производств, а также тестового
и измерительного оборудования, где требуется высокая гибкость, вы­
званная частым изменением поддиапазонов измеряемых параметров,
заменой датчиков, изменениями измерительного диапазона либо даже
типа входного сигнала, фирма Dataforth выпускает преобразователи
серий DSCP20, DSCP80, DSCP81, SCTP20.
Главной особенностью этих изделий является перепрограммируемость входных и выходных параметров преобразователей (рис. 4.5.3).
Модули DSCP20, DSCP80, SCTP20 реализуют интерфейс со всеми
стандартными типами термопар и терморезисторов, модул ь DSCP81
предназначен для приема входных сигналов тока и напряжения. Мо­
дули DSCP20, DSCP80, SCTP20 отслеживают состояние обрыва и ко­
282
роткого замыкания по входу. Модуль DSCP81 имеет релейный выход
с большой нагрузочной способностью (до 2 А при напряжении 250 В
переменного тока или 125 В постоянного тока); другой особенностью
является то, что светодиод питания может извещать миганием о выходе
за пределы измерительного диапазона входного сигнала.
Рис. 4.5.3. Схема коммутации оборудования для программирования модуля DSCP20
Для реализации возможности программирования поставляются
комплект программных продуктов DSCX-895, устанавливаемый на
персональном компьютере, для преобразователей DSCP20, DSCP80,
SCTP20 и программа-конфигуратор DSCX-557для DSCP81. Программ­
ные продукты имеют удобный пользовательский интерфейс с графи­
ческими подсказками о последовательности подключения клемм при
различных конфигурациях используемых датчиков, поддерживают оп­
ции по редактированию в графическом виде выходных характеристик
преобразователей и обеспечивают возможность назначения пароля для
блокирования несанкционированного изменения установленных зна­
чений. Для соединения преобразователей с компьютером необходимо
приобрести два кабеля. Один из них — для подключения к устройству
сопряжения со стороны компьютера (DSCX-887 для изделий DSCP20,
DSCP80, SCTP20 и DSCX787 - для DSCP81), а второй - для подключе­
ния со стороны преобразователя (DSCX-416—для DSCP20 и DSCP80,
DSCX.-440 -для SCTP20, О8СХ-587для DSCP81).
Примером нормирующих преобразователей такой же функци­
ональности, выпускаемых российскими компаниями, является нор­
мирующий преобразователь НПТ1 компании ОВЕН. Внешний вид
283
ОВЕН НПТ-1 и его внутренняя структура показаны на рис. 4.5.4,
а характеристики и параметры — в табл. 4.5.2.
Рис. 4.5.4. Внешний вид ОВЕН НПТ-1 и его внутренняя структура
Таблица 4.5.2
Характеристики и параметры нормирующих преобразователей ОВЕН НПТ-1
Наименование
Значение
Номинальное значение напряжения питания (постоянного тока)
24 В
Диапазон допустимых напряжений питания (постоянного тока)
12-36 В
Потребляемый ток, не более:
для рабочего режима
для режима конфигурирования (питание осуществляется от
USB-Host)
Номинальный диапазон выходного тока преобразователя
Функция преобразования входных сигналов
35 мА
50 мА
0-20 мА, 4-20 мА
Монотонно возратающая
или убывающая
Нелинейность преобразования, не хуже
±0,1%
Разрядность аналого-цифрового преобразователя, не менее:
при работе с термометрами сопротивления
при работе с термопарами
15 бит
14 бит
Разрядность ЦАП, не менее
11 бит
Сопротивление каждого соединительного провода, соединяю­
щего преобразователь с датчиками, не более
100 0м
Допустимое отклонение сопротивлений проводов при
трехпроводной схеме подключения ТС, не более
0,01% от R0
Номинальное значение сопротивления нагрузки
(при напряжении питания 24 В)
250 Ом±5%
Максимальное допустимое сопротивление нагрузки
(при напряжении питания 36 В)
284
1200 0м
Окончание табл. 4.5.2
Наименование
Значение
Пульсации выходного сигнала
0,6%
Время установления рабочего режима
(предварительный прогрев), не более
15 мин
Время установления выходного сигнала после
скачкообразного изменения входного, не более
Время непрерывной работы
1с
круглосуточно
Интерфейс связи с ПК
USB2.0 Full Speed
Габаритные размеры
98 х 82 х 22 мм
Масса, не более
Средняя наработка на отказ, не менее
Средний срок службы, не менее
500 г
500 000 ч
12 лет
Он предназначен для преобразования значения температуры, изме­
ренной при помощи термопары или термосопротивления, в унифици­
рованный сигнал постоянного тока 0.. .20 мА. Может использоваться во
вторичных приборах систем автоматического контроля, регулирования
и управления технологическими процессами в различных отраслях
промышленности, а также в коммунальном хозяйстве, диспетчериза­
ции, телемеханических информационно-измерительных ком плексах
и т.д. Конфигурирование преобразователя осуществляется с помощью
программы, установленной на персональный компьютер.
Конфигурирование осуществляется с помощью программы «Кон­
фигуратор НПТ-1». При конфигурировании ОВЕН НПТ-1 подклю­
чается к USB-порту персонального компьютера при помощи стан­
дартного кабеля miniUSB.
В окне программы для настроек параметров (рис. 4.5.5) можно:
• выбрать тип датчика (поле 1);
° задать границы преобразования температуры в токовый сигнал
(в поле 2 в примере на рисунке значению температуры —232 °C
будет соответствовать ток 4 мА, а значению температуры 1100 °C —
ток 20 мА);
• в пункте «Значение выхода ЦАП при аварии» выполнить настройку
выходного сигнала при аварии (обрыве датчика) (поле 3);
• выбрать режим работы ЦАП (поле 4);
• в пункте «Холодный спай» можно вкл./откл. функцию компенса­
ции холодных концов термопары (поле 5);
• установить «Полосу пикового фильтра» и «Постоянную времени
НЧ-фильтра», отвечающие за настройку параметров фильтрации
входного сигнала (поля 6 и 7 соответственно);
• осуществить подстройку выходного сигнала НПТ-1 во вставке
«Калибровка ЦАП».
285
Поле 1
Поле 2
Поле 3
Поле 4
Поле 5
Поле 6
Поле 7
Рис. 4.5.5. Основное окно настроек программы «Конфигуратор НПТ-1»
Существуют нормализаторы, которые по габаритам и конструкции
предназначены для установки внутри коммутационной головки пер­
вичного датчика. Примером такого устройства может являться нор­
мирующий преобразователь температуры НПТ-2.Х. 1.2, выпускаемый
компанией ОВЕН. Данный преобразователь совместно с входными
сенсорами (датчиками) предназначен для преобразования значения
температуры в унифицированный сигнал постоянного тока 4—20 мА
согласно ГОСТ 13 384-94. Преобразователи предназначены для работы
с термопарами по ГОСТ Р 8.585-2001 и термометрами сопротивления
по ГОСТ Р 8.625-2006. Внешний вид нормирующего преобразователя,
его конструктивные размеры показаны на рис. 4.5.6.
Преобразователи под работу с конкретным сенсором настраивают­
ся при помощи программы «Конфигуратор НПТ-2», установленной на
ПК. При этом нормирующий преобразователь подключается к USBпорту ПК при помощи преобразователя UART/USB типа НП-КП20
или АС7, также выпускаемых компанией ОВЕН.
Рис. 4.5.6. Внешний вид нормирующего преобразователя НПТ-2.Х.1.2
и его габаритные размеры
286
Известным производителем средств для построения систем автома­
тизации является ком пания Advantech. Хорошо известны выпускаемые
этой компанией модули нормализации и гальванической развязки
серии ADAM-3000.
Модули серии ADAM-3000 предназначены для нормализации
аналоговых сигналов датчиков и гальванической изоляции каналов
аналогового ввода-вывода информационно-измерительных систем
и систем управления. Каждый модуль представляет собой функцио­
нально законченное устройство, заключенное в пластмассовый корпус
и оснащенное клеммными соединителями с винтовой фиксацией для
подключения входных и выходных цепей. Устанавливаются они на
DIN-рейку. Внешний вид модуля и габаритные размеры показаны
на рис. 4.5.7.
Рис. 4.5.7. Внешний вид и габариты модулей ADAM-3000
Модули серии ADAM -3000 имеют ряд отличий от изделий анало­
гичного назначения других производителей:
• для установки модулей не требуется специальных объединительных
плат (установка производится на стандартный несущий DIN-рельс
37,5 мм);
• тип и диапазон входного сигнала задаются при помощи мини­
атюрных переключателей, расположенных под монтажным крон­
штейном.
Модули имеют относительно невысокую стоимость. Питание мо­
дулей осуществляется напряжением 24 В постоянного тока. Диапазон
рабочих температур отОдо 70 °C (кроме ADAM-3011).
В целом фирма Advantech выпускает более двух десятков различ­
ных типов модулей-нормализаторов. Состав основных модулей серии
ADAM -3000 продемонстрирован в табл. 4.5.3.
287
Таблица 4.5.3
Состав серии ADAM-3000
ADAM-3011
Нормализатор сигналов термопар
ADAM- 3012
Модуль гальванически изолированного аналогового ввода
ADAM-3013
Нормализатор сигналов термометров сопротивления
ADAM-3014
Нормализатор аналоговых сигналов
ADAM-3016
Нормализатор сигналов тензодатчика
ADAM-3112
Нормализатор сигналов переменного напряжения
ADAM-3114
Нормализатор сигналов переменного тока
ADAM-3021
Модуль гальванически изолированного аналогового вывода
В качестве примеров ниже приведены параметры двух модулей —
ADAM-3012 и ADAM-3011.
Модуль гальванически изолированного аналогового ввода
ADAM -3012 имеет параметры входа в режиме измерения напряжения:
• диапазон входного сигнала в режиме дифференциального ввода:
± 10 мВ, ±50 мВ, ±500 мВ, ±2,5 В, ±5 В;
• диапазон входного сигнала в режиме однополярного ввода:
0...20 мВ, 0...100 мВ, 0...1 В, 0...5 В, 0...10 В;
• входное сопротивление 800 кОм;
• полоса пропускания 5 Гц или 1000 Гц (устанавливается при помощи
переключателя).
Параметры входа в режиме измерения тока:
• диапазон входного сигнала в режиме дифференциального ввода
±20 мА;
• диапазон входного сигнала в режиме однополярного вводам
0...20 мА;
• входное сопротивление 250 Ом.
Параметры выхода в режиме формирования напряжения:
• диапазон выходного сигнала в режиме дифференциального вывода
±5 В;
• диапазон выходного сигнала в режиме однополярного вывода
0...10В;
• выходное сопротивление не более 50 Ом;
• максимальный ток нагрузки 10 мА.
Параметры выхода в режиме формирования тока:
• диапазон выходного сигнала 0... 20 мА;
• сопротивление нагрузки от 0 до 500 Ом;
• напряжение изоляции 1000 В постоянного тока;
• основная погрешность не хуже ±0,1% полной шкалы;
• температурный коэффициент смещения нуля ±177,7 мкВ/°С;
• коэффициент ослабления синфазной составляющей помехи на
50 Гц не менее 100 дБ;
• потребляемая мощность 0,8 5 Вт.
288
Модуль гальванически изолированного ввода сигнала термопары
ADAM -3011 работает со следующими типами термопар, диапазонами
измерения температуры и абсолютными погрешностями при нор­
мальных условиях:
J
0... 760 °C (±2 °C),
к
0... 1000 °C (±2 °C),
т
-100... 400 °C (±2 °C),
Е
0...1000 °C (±2 °C),
R
500... 1750 °С(±4°С),
S
О...175О°С(±4°С),
В
0...1800 °C (±4°C);
диапазон выходного напряжения 0... 10 В;
выходное сопротивление 0,5 Ом;
напряжение изоляции 1000 В постоянного тока;
коэффициент ослабления синфазной составляющей помехи на
50 Гц не менее 115 дБ;
• диапазон рабочих температур от 0 до 50 °C;
• потребляемая мощность 1,4 Вт.
Дискретные нормализаторы, как и аналоговые, делят на входные
и выходные. Входные дискретные модули УСО обеспечивают опрос
датчиков с релейным выходом, концевых выключателей, контроль
наличия в цепи напряжения, тока и т.п., а выходные дискретные мо­
дули формируют сигналы для управления пускателями, двигателями
и прочими устройствами. Очевидно, что все дискретные УСО должны
обеспечивать достаточное напряжение изоляции между входными
и выходными цепями.
Так как по сравнению с аналоговыми УСО линейность передачи
сигналов между входными и выходными цепями в данном случае не
нужна, то между цепями используется простейшая оптическая раз­
вязка. УСО, построенные с использованием такой развязки, являются
недорогими и высоконадежными. Входные УСО должны обладать
минимальным временем переключения, а выходные — обеспечивать
требуемую мощность коммутации.
Рассмотрение дискретных УСО будет проведено на примере дис­
кретных модулей фирмы Grayhill (рис. 4.5.8).
Эти устройства конструктивно выполнены в виде монолитных
узлов трех различных типоразмеров:
• G5 (48,3 х 55,9 х 11,7 мм);
• стандарт (43,2 х 31,8 х 15,2 мм);
• мини (43,2 х 25,4 х 10,2 мм).
•
•
•
•
289
G5
Стандарт
Мини
Рис. 4.5.8. Внешний вид моделей дискретных модулей Grayhill
Модули стандарт и G5 содержат крепежный винт. Модули стандарт
и мини имеют одинаковое расположение внешних выводов и могут
монтироваться на одну и ту же монтажную панель. Модули содержат
светодиодный индикатор состояния, встроенный предохранитель
для выходных модулей. В табл. 4.5.4 приведена номенклатура и ха­
рактеристики для входных дискретных моделей, а в табл. 4.5.5 — для
выходных модулей.
Таблица 4.5.4
Номенклатура и характеристики входных дискретных моделей Grayhill
Тип модуля
G5
Входное
напряже­
ние, В
Входное
Выходной Выход­ Напряже­
сопротив­ логический ной ток, ние изоля­
ление, кОм уровень,В
мА
ции, кВ
Максимальное
время вкл./
выкл., мс
Модули дискретного ввода (переменный ток)
70G-IAC5
90...140
180...280
22
4,5...6
10
4
20/20
70G-IAC5A
60
4,5.„6
10
4
20/20
70G-IAC15
90...140
22
10...18
10
4
20/20
70G-IAC15A
180...280
60
10...18
10
4
20/20
70G-IAC24A
180...280
60
17...30
10
4
20/20
Модули дискретного ввода (постоянный ток)
70G-IDC5
2...32
1,8
4,5...6
10
4
0,2/0,4
70G-IDC5B
3...32
1,8
4,5...6
18
4
0,05/0,075
70G-IDC5D
2,5... 28
1,2
4,5...6
10
4
0,05/0,075
70G-IDC15
3...32
1,8
10...18
10
4
0,2/0,4
70G-IDC24
3...32
1,8
17...30
10
4
0,2/0,4
7OG-IDC5G
35...60
10
3...6
10
4
10/10
7OG-IDC24NP
15...32
1,8
15...30
10
4
5/5
Дискретные модули ввода для работы с сухим контактом
7OG-IDC5S
—
—
4.5...В
41
2,5
3/3
70G-IDC24S
—
—
15...30
41
2,5
3/3
290
Таблица. 4.5.5
Номенклатура и характеристики выходных
дискретных моделей фирмы Grayhill
Тип модуля
G5
Комму­
тируемое
напряже­
ние, В
Коммути­
руемый
ток, А
Выходной
логический
уровень, В
Выход­
ной ток,
мА
Напряже­
ние изоля­
ции, кВ
Максималь­
ное время
вкл./выкл., мс
Модули дискретного вывода(переменныйток)
7OG-OAC5
24...140
3,5
2,5...10
20
4
10(50 Гц)
70G-0AC5A
24...280
3,5
2,5...10
20
4
10(50 Гц)
70G-OAC15
24...40
3,5
10...18
12
4
10(50 Гц)
7OG-OAC15A
24...280
3,5
10...18
12
4
10(50 Гц)
70G-0AC24
24...40
3,5
15...30
8
4
10(50 Гц)
70G-0AC24A
24...280
3,5
15...30
8
4
10 (50 Гц)
Модули дискретного вывода (постоянный ток)
7OG-ODC5
3...60
3,5
4...10
13
4
0,02/0,05
7OG-ODC5A
4... 200
3,5
4...10
13
4
0,075/0,75
70G-0DC5B
3...60
3,5
4...10
13
4
0,075/0,5
70G-0DC15
3...60
3,5
10...20
9
4
0,02/0,05
70G-0DC15B
3...60
3,5
10...20
9
4
0 075/0,5
70G-0DC24
3...60
3,5
18...32
9
4
0 02/0,05
70G-0DC24B
3...60
3,5
18...32
9
4
0,075/0,5
Аналого-цифровые УСО. На рынке распределенных систем управ­
ления существует довольно сильная конкуренция, стимулируемая
общими тенденциями построения современных децентрализованных
систем управления. Заметно стремление известных производителей
наделить УСО возможностью «сотрудничать» с цифровыми модуля­
ми контроллера для приема-передачи ими сигналов в импульсной
(цифровой) форме.
Максимального выигрыша при этом добиваются, когда входным
или выходным сигналом УСО является аналоговый сигнал. Общая
идея заключается в вынесении АЦП, ЦАП непосредственно к объекту
управления, при этом каждый аналоговый входной модуль или модуль
вывода фактически является адресуемым аналоговым процессором,
выполняющим определенный достаточно гибкий набор команд. В це­
лом применение идеи исходит из того, что:
• проще и дешевле гальванически «развязать» дискретный после­
довательный сигнал;
• цифровой последовательный код более помехоустойчив, соответ­
ственно вероятность искажений при передаче данных по каналу
связи с контроллером существенно меньше;
297
• при сравнимом качестве цена канала ввода оказывается ниже,
чем при традиционном применении быстродействующего АЦП
с мультиплексором на системной шине (то же можно сказать и о
канале с ЦАП).
Рассмотрим отражение этих тенденций на примерах конкретной
продукции.
Фирмой Grayhill выпускаются серии аналоговых модулей, кото­
рые содержат встроенные ЦАП или АЦП и взаимодействуют непо­
средственно с дискретными устройствами обработки информации.
Точность преобразования не хуже 0,1% для входных модулей и 0,3 % —
для выходных. Напряжение изоляции составляет 2500 В. Габаритные
размеры модулей серии G5 — 48,3 х 55,9 х 11,7 мм (рис. 4.5.9). Модули
являются одноканальными и легко монтируются на специализиро­
ванные монтажные панели.
Рис. 4.5.9. Аналоговые модули фирмы Grayhill серии G5
Входные аналоговые модули серии G5 фирмы Grayhill позволяют
работать со следующими входными сигналами: напряжением, током,
сигналами от термопар и платинового терморезистора.
Входной сигнал модуля поступает на нормирующий усилитель
с фильтром на входе и далее на преобразователь напряжения в частоту
(ПНЧ). С выхода ПНЧ частота, пропорциональная входному сигналу,
через опторазвязку подается на выходные контакты модуля. Выходной
сигнал имеет вид прямоугольных импульсов амплитудой около 5 В и
скважностью 0,4.. .0,6. Частота выходного сигнала линейно зависит от
значения входного сигнала и меняется в диапазоне от 14,4 кГцдо 72 кГц.
Таким образом, цифровое значение входного сигнала можно получить,
измеряя частоту с выхода модуля через дискретный порт ввода-вывода
программным способом либо используя специализированные платы
преобразования частоты в код. Стоимость таких специализированных
плат ниже, чем для традиционной платы АЦП, поскольку она рабо­
тает с частотным, т.е. дискретным, сигналом, а значит, не содержит
дорогих аналоговых цепей.
Номенклатура входных аналоговых модулей фирмы Grayhill серии
G5 представлена в табл. 4.5.6.
292
Таблица 4.5.6
Номенклатура входных аналоговых модулей фирмы Grayhill серии G5
Входной сигнал
Диапазон
Разрешение
Тип модуля
Напряжение
0...50 мВ de*
12,2 мкВ
73G-IV50M
Напряжение
0... 100 мВ de
24,4 мкВ
73G-IV100M
Напряжение
0...1 В de
244,1 мкВ
73G-IV1
Напряжение
0... 5 В de
1,22 мВ
73G-IV5
Напряжение
0...10 В de
2,44 мВ
73G-1V10
Напряжение
-5... 5 В de
2,44 мВ
73G-IV5B
Напряжение
-10...10 В de
4,88 мВ
73G-IV10B
Напряжение
28... 140 В ас
27,34 мВ
73G-IVAC120
Напряжение
28...280 В ас
65,32 мВ
73G-IVAC240
Ток
4... 20 мА
3,91 мкА
73G-II420
Ток
0...5А
1,22 мА
73G-II5 000
JТермопара
0...700 °C
0,18 °C
73G-ITCJ
К Термопара
-100... 924 °C
0,25 °C
73G-ITCK
RТермопара
0... 960 °C
0,23 °C
73G-ITCR
Т Термопара
-200... 224 СС
0,10 °C
73G-ITCT
Термосопротивление
-50... 350 °C
0,10°С
73G-ITR10G
de* — напряжение постоянного тока; ас — напряжение переменного тока
Рассмотрим подходы к построению выходных аналоговых модулей
G5 фирмы Grayhill. Входной сигнал поступает на входные контакты
модуля в двоичном последовательном коде и через опторазвязку за­
писывается в буфер. Встроенный ЦАП формирует выходной сигнал
в соответствии с информацией в буфере и сохраняет его до изменения
содержимого этого буфера. При включении питания модуль формирует
сигнал минимальной величины, что соответствует нулевому содержи­
мому буфера. При этом вход модуля должен находиться в состоянии
логической «1» на протяжении 25 мкс. После этого разрешается запись
в модуль входного сигнала. Сигнальный протокол записи продемон­
стрирован на рис. 4.5.10.
Рис. 4.5.10. Протокол записи входного сигнала (кода) в выходной модуль
Номенклатура выходных аналоговых модулей фирмы Grayhill серии
G5 представлена в табл. 4.5.7.
293
Таблица 4.5.7
Номенклатура выходных аналоговых модулей фирмы Grayhill серии G5
Диапазон
Разрешение на один
бит
Напряжение
0... 5 В de
1,22 мВ
73G-OV5
Напряжение
-5...5 В de
2,44 мВ
73G-OV5B
Выходной сигнал
Тип модуля
Напряжение
0...10 В de
2,44 мВ
73G-0V10
Напряжение
-1O...1OBdc
4,88 мВ
73G-0V10B
Ток
4... 50 мкА
3,9 мкА
73G-0I420
Ток
0... 20 мкА
4,9 мкА
73G-OI020
4.5.2. Устройства удаленного сбора данных и управления
Развитие аналого-цифровых УСО привело к созданию устройств
удаленного сбора данных и управления. Главная отличительная осо­
бенность, определившая эти элементы, состоит в том, что они «об­
щаются» с управляющими узлами более высокого уровня (контрол­
лерами, PC, рабочими станциями) по цифровой сети. Это позволяет
размещать их в непосредственной близости от источника сигнала
или от объекта управления и в конечном счете упрощает решение
многих вопросов: сводит к минимуму длину аналоговых и силовых
дискретных линий, упрощает монтаж системы, так как используется
унифицированный интерфейс, и т.д.
Модули удаленного сбора данных и управления предназначены
для организации взаимодействия между вычислительной системой
и датчиками непрерывных и дискретных параметров, а также для
выдачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы.
Среди устройств удаленного сбора данных и управления особенно
хочется выделить устройства серии ADAM-4000 фирмы Advantach.
Каждый из модулей представляет собой функционально законченное
устройство, заключенное в типовой пластмассовый корпус. Габарит­
ные размеры модуля 112 х 60 х 25 мм. Внешний вид модулей и способы
их монтажа представлены на рис. 4.5.11.
Рис,. 4.5.11. Внешний вид модулей серии ADAM-4000 и способы их установки
294
Модули обеспечивают выполнение следующих основных функций:
прием и дешифрацию команд по каналу RS-485;
ввод и нормализацию аналоговых сигналов (ток, напряжение);
опрос состояния дискретных входов;
фильтрацию аналоговых и дискретных входных сигналов;
вывод аналоговых (ток, напряжение) и дискретных сигналов;
аналого-цифровое (для модулей аналогового ввода) преобразо­
вание;
• цифроаналоговое (для модуля аналогового вывода) преобразо­
вание;
• преобразование шкалы значений непрерывных параметров в пред­
варительно заданные единицы измерения;
• формирование и передачу в адрес основной вычислительной систе­
мы информации, содержащей результат измерения или состояние
дискретных входов, после получения соответствующего запроса
по каналу RS-485.
Общие технические характеристики модулей серии ADAM-4000
сведены в табл. 4.5.8.
Таблица 4.5.8
•
•
•
•
•
•
Общие технические характеристики модулей серии ADAM-4000
EIA RS-485
Протокол физического уровня
Линия передачи
Симметричная экранированная витая пара. Волновое сопро­
тивление 100-120 Ом, погонная емкость 20-40 пФ/м
Скорость передачи, бит/с
1200,2400,4800, 9600,19 200
Длина сегмента сети, м
1200
Количество модулей в преде­
лах сегмента
32
Максимальное количество
модулей в сети
Протокол канального уровня
255
Символьный ASCII с непосредственной адресацией абонентов
Достоверность
Контрольная сумма длиной 2 байта
Режим обмена данными
Асинхронный, полудуплексный, 1 стартбит, 1 стопбит,
8 бит данных, без контроля четности
Протокол прикладного уровня
Символьный ASCII
Условия эксплуатации:
диапазон рабочих темпе­
ратур
диапазон температур хра­
нения
относительная влажность
воздуха без конденсации
влаги
10...70 °C
25... 85 °C
5... 95% при 25 °C
Модули аналогового ввода и вывода ADAM-4000 имеют гальва­
ническую изоляцию между цепями, реализующими функции нор295
мализации, низкочастотной фильтрации и АЦ/ЦА-преобразования,
и встроенным микропроцессором. Настройка и калибровка модулей
осуществляется программным способом путем передачи в их адрес
соответствующих команд по информационной сети. Параметры кон­
фигурации модулей, такие как скорость обмена по последовательному
каналу связи, наличие проверки контрольной суммы в принятом сооб­
щении, диапазон изменения входного сигнала и его размерность, вид
представления измеренных значений при передаче в адрес основной
вычислительной системы, верхнее и нижнее предельные значения
входного сигнала, по которым производится автоматическое управ­
ление дискретными выходами, сохраняются во встроенном репрограммируемом ПЗУ. Электрическое питание модулей осуществляется
напряжением 10... 30 В постоянного тока. Допускаемый размах пуль­
саций напряжения питания составляет ±5 В при условии пребывания
его значения в указанных пределах.
Воз можные варианты объединения модулей ADAM-4000 в инфор­
мационно-измерительную сеть показаны на рис. 4.5.12. В нее входят
функциональные модули, повторители, коммуникационные модули.
Рассмотрим примеры построения и основные характеристики мо­
дулей этой серии на некоторых примерах.
Сегмент 2
Рис. 4.5.12. Варианты объединения модулей серии ADAM-4000 в измерительную сеть
Модуль аналогового ввода ADAM-4012 имеет один дифференци­
альный аналоговый вход, один дискретный вход счетчика внешних
событий и два дискретных выхода, позволяющих осуществлять управ296
ление (включение и отключение) исполнительными механизмами при
выходе значения измеряемого параметра за пределы предварительно
установленного диапазона. Структурная схема модуля аналогового
ввода ADAM-4012 приведена на рис. 4.5.13.
Рис. 4.5.13. Структурная схема модуля аналогового ввода ADAM-4012
Входной сигнал, присутствующий на дифференциальном входе
модуля, поступает на малошумящий инструментальный усилитель
с программируемым коэффициентом усиления, котрый может прини­
мать значение от 1 до 128. Далее сигнал, напряжение которого лежит
в диапазоне от —2,5 до +2,5 В, подвергается низкочастотной филь­
трации в фильтре низких частот с граничной частотой, равной 10 Гц,
и поступает на вход АЦП. Результат АЦ-преобразования через цепи
оптоизоляции поступает во встроенный микропроцессор. Программ­
ное обеспечение микропроцессора выполняет следующие функции:
• сравнение значения входного сигнала с предварительно заданными
верхним и нижним предельными значениями и управление (вклю­
чение или отключение) соответствующими дискретными выходами
в случае достижения входным сигналом уровня, выходящего за
пределы данного диапазона;
• при получении запроса по последовательному каналу связи преоб­
разование цифрового отсчета в символьную строку предварительно
заданного формата и ее передачу в адрес центрального управля­
ющего узла.
Кроме того, программное обеспечение позволяет осуществлять
линеаризацию сигнала от термопары (для модуля ADAM 4011); ка­
либровку шкалы подсистемы аналогового ввода; подсчет импульсов
на дискретном входе счета внешних событий; анализ команд, посту­
пающих по последовательному каналу связи.
Технические характеристики модулей аналогового ввода ADAM4000 приведены в табл. 4.5.9.
297
Таблица 4.5.9
Технические характеристики модулей аналогового ввода серии ADAM-4000
Параметр
Количество
каналов аналого­
вого ввода
Диапазон
входного сигнала
ADAM-4011
ADAM-4012
ADAM-4017
ADAM-4018
1
1
6 дифференци­
альных,
2 однополярных
8
±15 мВ,
±50 мВ,
±100 мВ,
±500 мВ,
±1 В.
±2,5 В,
±20 мА,
Термопара типа J,
К.Т.Е, R, 8, В
±150 мВ,
±500 мВ,
±1 В,
±5 В,
±10 В,
±20 мА
±150 мВ,
±500 мВ,
±1 В,
±5 В,
±10 В,
±20 мА
не более
±0,10%
Основная
погрешность
не более ±0,05%
не более
± 0,05%
Дискретный
вывод
2 канала типа «от­
крытый коллектор»
2 канала типа «откры­
тый коллектор
не более
30 мА
не более
30 мА
до 300 мВт
1 канал
не более
1,0В
до 300 мВт
1 канал
не более
1,0В
3,5... 30,0 В
3,5... 30,0 В
Вытекающий
ток
не более
0,5 мА
не более
0,5 мА
Примечание
Максимальная
частота следова­
ния импульсов на
счетном входе 50
Гц. Минимальная
длительность им­
пульса 1 мс
Максимальная часто­
та следования им­
пульсов на счетном
входе
50 Гц. Минимальная
длительность импуль­
са 1 мс
Втекающий ток
Мощность
в нагрузке
Дискретный ввод
Уровень
логического «0»
Уровень
логической «1»
±15 мВ,
±50 мВ,
±100 мВ,
±500 мВ,
±1 В,
±2,5 В,
±20 мА,
Термопара
типа J, К, Т,
Е, R, 8, В
не более
±0,10%
Большинство из модулей имеют напряжение изоляции 3000 В,
коэффициент подавления синфазной составляющей помехи на час­
тоте 50 Гц не менее 150 дБ, время АЦ-преобразования 100 мс, полосу
пропускания 13 Гц. Потребляемая мощность 1,2 Вт.
Модуль аналогового вывода ADAM-4021 позволяет формировать сиг­
нал в виде напряжения или тока с заданными уровнем и скоростью
изменения. Его структурная схема приведена на рис. 4.5.14, техниче­
ские характеристики модуля приведены в табл. 4.5.10.
298
Рис. 4.5.14. Структурная схема модуля аналогового вывода ADAM-4021
Таблица 4.5.10
Технические характеристики модуля аналогового вывода ADAM-4021
Диапазон выходного сигнала
0...20 мА, 4...20 мА, 0...10 В
±0,1% полной шкалы в режиме формирова­
Основная погрешность формирования выход­ ния тока;
ного сигнала
±0,2% полной шкалы в режиме формирова­
ния напряжения
Основная погрешность измерения при конт­
роле значения выходного сигнала
±0,1% полной шкалы
Напряжение изоляции
3000 В
Скорость нарастания выходного сигнала
устанавливается программно)
от 0,125 до 128 мА/с; от 0,0625
до 64 000 В/с
Частота дискретизации
100 Гц
Потребляемая мощность
1,2 Вт
Модули дискретного ввода-вывода, входящие в серию ADAM -4000,
предназначены для осуществления контроля положения и управления
коммутационными аппаратами, а также для организации взаимодей­
ствия с устройствами, уровни входных и выходных дискретных сигна­
лов которых совместимы ТТЛ. Технические характеристики модулей
дискретного ввода-вывода приведены в табл. 4.5.11.
Таблица 4.5.11
Технические характеристики модулей дискретного ввода-вывода серии
ADAM-4000
Параметр
Обозначение модуля
ADAM-4050
ADAM-4059
Количество каналов
дискретного ввода
7
8
Количество каналов
дискретного вывода
8
—
ADAM-4060
ADAM-4080D
2
4(контакты
реле)
2
299
Окончание табл. 4.5.11
Параметр
Обозначение модуля
ADAM-4050
ADAM-4059
Дискретный ввод
7 каналов
Напряжение изо­
ляции 5000 В
Вытекающий ток
0,5 мА
Входное сопро­
тивление 3 МОм
Дискретный
вывод
Втекающий ток
8 каналов типа
«открытый
коллектор»
ADAM-4060
ADAM-4080D
2 независимых
32-разрядных
счетчика
Сопротивле­
ние изоляции
1000 МОм
2 канала типа
«открытый
коллектор»
30 мА
30 мА
Мощность в нагрузке
300 мВт
300 мВт
Потребляемая мощ­
ность
0,4 Вт
0,4 Вт
0,8 Вт
2,0 Вт
Для создания информационно-измерительных сетей с использова­
нием модулей ADAM в серию включен рад коммуникационных модулей
в аналогичном конструктиве исполнения, предназначенных для орга­
низации сетевого взаимодействия по различным каналам связи. Модуль
ADAM -4510 является двунаправленным повторителем, который служит
для увеличения протяженности линии связи в сети на основе интер­
фейса R.S-485 или для организации ее очередного сегмента, объединя­
ющего до 32 абонентов. В серию входит преобразователь интерфейса
RS-232/RS-422/RS-485 ADAM-4520 с автоматическим определением
направления потока передаваемых данных и гальванической изоляцией.
Технические характеристики модуля ADAM-4510:
• скорость передачи данных: 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400,
57 600,115 200 бит/с, устанавливается с помощью переключателей;
• соединители интерфейса RS-422/ RS-485: разъемные клеммные
колодки с винтовым присоединением проводников;
• потребляемая мощность 1,4 Вт.
Технические характеристики модуля ADAM-4520:
• скорость передачи данных: 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400,
57 600,115 200 бит/с, устанавливается с помощью переключателей;
• напряжение изоляции 3000 В;
• соединитель интерфейса RS-422/ RS-485: разъемная клеммная
колодка с винтовым присоединением проводников;
• соединитель интерфейса RS-232: розетка типа DB-9;
• потребляемая мощность 1,2 Вт.
Расширение использования сетей Ethernet определило включение
всерию ADAM-4000 модулей-шлюзов (ADAM-4570/4571), предназна­
ченных для передачи данных от портов RS-232/422/485 в сеть Ethernet
(протоколы TCP, UDP, IP, ARC).
300
При автоматизации предприятий с территориально распределен­
ными производственными участками в качестве физической среды
обмена информацией довольно часто используется радиоканал. Фирма
Advantech предлагает изделия, которые могут применяться в ситуаци­
ях, когда невозможно обеспечить связь с объектами автоматизации по
проводным каналам из-за следующих ограничений: чрезмерная требу­
емая протяженность кабельных линий связи; отсутствие возможности
прокладки кабеля до контролируемого объекта (например, в условиях
вечной мерзлоты при высоких затратах на построение кабельных эс­
такад) ; отсутствие возможности обеспечения единой «земли» для всех
абонентов сети. Примером устройства, которое может применяться
в таких случаях, служит модуль ADAM-4530. Он является адресуе­
мым двунаправленным преобразователем интерфейсов RS-232/RS485. В состав модуля входит микропроцессор, который обеспечивает
синхронизацию обмена данными между удаленной сетью на основе
интерфейса RS-485 и контроллером по радиоканалу.
Ранее отмечалось одно из ограничений, присущих системам на
основе проводных каналов связи, а именно: наличие повышенных,
а иногда и непреодолимых трудностей обеспечения единого нулевого
потенциала для абонентов информационно-измерительной сети на
территориально распределенных промышленных объектах. Для реше­
ния данной проблемы, помимо беспроводных, используются каналы
связи на основе волоконно-оптических линий (ВОЛС). В серию интер­
фейсных преобразователей ADAM-4000 входит модуль ADAM-4540,
который является преобразователем интерфейса RS-232 в интерфейс
ВОЛС. Применение данного модуля для организации связи на осно­
ве ВОЛС наиболее целесообразно в условиях наличия интенсивных
электромагнитных помех и атмосферных разрядов, препятствующих
устойчивому функционированию систем на базе проводных кана­
лов связи и (или) радиоканала. Конструктивное исполнение модуля
ADAM-4540 аналогично остальным изделиям серии ADAM-4000.
Электрические характеристики интерфейса с контроллером сети со­
ответствуют требованиям EIA RS-232C и рекомендациям V.24 и V.28
МККТ Порт ВОЛС модуля оснащен ответной частью соединителя
типа ST или SMA. Дальность связи не менее 2 км. Обмен данными по
волоконно-оптической линии связи осуществляется в режиме полного
дуплекса. Диапазон рабочих температур модуля от 0 до 50 °C. В каче­
стве физической среды интерфейса ВОЛС может быть использован
кабель с диапазоном длин волны 50/125, 62,5/125 и 100/140 мкм.
Развитием серии ADAM-4000 стала серия ADAM-6000. Модули
этой серии предназначены для построения интеллектуальных распре­
деленных систем сбора данных и управления на основе интерфейса
Ethernet, использование которого позволяет легко интегрировать
системы на основе модулей ADAM-6000 в сети Интернет/Интранет
307
путем организации Web-доступа в реальном времени к данным модулей
с помощью встроенного в каждый модуль сбора данных Web-сервера.
Для настройки встроенной в модули Web-страницы предусмотрена воз­
можность удаленной загрузки JAVA-аплетов. По своей номенклатуре
серия фактически повторяет номенклатуру модулей серии ADAM-4000
(табл. 4.5.12), дополняя ее модулями, присущими для построения сети
Ethernet, а конструктивно размещается в таком же корпусе.
Таблица 4.5.12
Интеллектуальная система ввода-вывода ADAM-6000
ADAM-B510
4-портовый промышленный концентратор Ethernet 10 Мбит
ADAM-6520
5-портовый промышленный коммутатор Ethernet 10/100 Мбит
ADAM-B521
5-портовый промышленный коммутатор
Ethernet 10/100 Мбит с оптическим портом
ADAM-6017
8-канальный модуль аналогового ввода
ADAM-6050
18-канальный модуль дискретного ввода-вывода
ADAM-6051
16-канальный модуль дискретного ввода-вывода
ADAM-6060
6-канальный модуль релейной коммутации и дискретного ввода
Модули удаленного ввода-вывода серии I- 7000 компании ICP DAS.
Линейка этих модулей состоит из устройств, предназначенных для
ввода или вывода аналоговых и дискретных сигналов в компьютер
или контроллер, имеющий последовательный интерфейс (рис. 4.5.15).
Рис. 4.5.15. Внешний вид модулей удаленного ввода-вывода
серии 1-7000 компании ICP DAS
Серия включает процессорные модули (контроллеры серии 1-7188),
коммуникационные модули, модули аналогового ввода и вывода, мо­
дули дискретного ввода-вывода, таймеры/счетчики.
Каждый модуль — это функционально законченное устройство,
размещенное в пластиковом корпусе из негорючей пластмассы. На
корпусе расположены необходимые разъемы и клеммные соединители
длявинтовойфиксациивнешнихвходныхивыходныхцепей. Установка
модулей может осуществляться как на стандартную несущую 35-мил­
лиметровую DIN-рейку, так и на любую плоскую панель или стену.
302
Модули объединяются в асинхронную полудуплексную двухпро­
водную сеть по стандарту RS-485. Максимальная длина сегмента сети
без репитера (усилителя-повторителя) может составлять до 1200 м,
а скорость передачи данных — 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400,
57 600,115200бит/с. Используется протокол передачи данных ASCII
с форматом данных 10 бит и возможностью контроля четности при
передаче данных. Модули, подключенные к одному сегменту сети,
могут быть настроены на различные скорости и форматы передачи
данных, что позволяет иметь до 2048 модулей в системе.
Устройства серии 1-7000 имеют встроенный фильтр помех и изо­
лированные входные и выходные цепи, причем максимальное на­
пряжение изоляции составляет не менее 3000 В. Разброс напряжений
питания от+10 до +30 В и защита по цепям питания отпереполюсовки
полярности подключения питания значительно повышает живучесть
модулей.
Настройка и калибровка модулей осуществляется программным
способом. Параметры конфигурации, такие как адрес, скорость обмена
по последовательному каналу связи, наличие проверки контрольной
суммы команды, диапазон изменения входных и выходных сигналов
и их размерность, вид представления измеренных значений и неко­
торые другие, сохраняются во встроенном электрически программи­
руемом запоминающем устройстве.
По своим техническим характеристикам и системе команд кон­
троллеры и модули серии 1-7000 аналогичны изделиям других про­
изводителей, представленным на рынке России в настоящее время,
и совместимы с ними.
Отметим особенности, выделяющие модули серии 1-7000 среди
аналогичных изделий других производителей:
• широкий диапазон скоростей передачи данных — от 1200 до
115 200 бит/с;
• особенность самонастройки конверторов 1-7520 на скорость пере­
дачи данных, благодаря чему в системе может быть до 2048 модулей,
работающих на 8 различных скоростях;
• объединение до 256 модулей в один сегмент без репитера;
• программная настройка всех основных параметров (адрес, скорость
обмена, тип входа-выхода);
- высокое напряжение изоляции входных и выходных цепей;
• прямая замена модулей других серий.
Каждый из модулей серии 1-7000 имеет двойной сторожевой таймер
(Watch Dog). Первый сторожевой таймер представляет собой аппаратно
реализованное устройство, которое перезапускает модуль в случае
его зависания, не позволяя тем самым прерваться управляемому тех­
нологическому процессу или потерять контроль за считываемыми
данными. Второй сторожевой таймер является программным. Он
303
постоянно отслеживает наличие передачи данных в сети (интерфейс
RS-485). Если по истечении заданного интервала времени никаких
посылок не было, то делается вывод об отказе центрального управ­
ляющего компьютера (контроллера) или обрыве коммуникационных
линий. В такой ситуации все выходы модуля переводятся в заранее
предустановленные для подобного случая состояния. В результате
при возникновении нештатной ситуации имеется возможность удер­
живать параметры технологического процесса в пределах нормы до
устранения неисправности.
Очень важная особенность — возможность «горячей» замены лю­
бого модуля в любой точке сети без выключения питания. Данное
свойство существенно увеличивает ремонтопригодность всей системы
без остановки технологического процесса и предоставляет возмож­
ность дальнейшей ее модернизации и расширения.
Модули аналогового ввода преобразуют аналоговый входной сиг­
нал в инженерные единицы измерения и передают данные по интер­
фейсу RS-485 в формате ASCII. При помощи них можно измерять
напряжение, силу тока, температуру, давление и другие типы входных
аналоговых сигналов. Имеются встроенные функции линеаризации,
программной калибровки, преобразования шкалы входного сигнала.
В модулях нет переключателей, нуждающихся в предварительной уста­
новке. Все модули имеют встроенный микропроцессор для управления
16-разрядным аналого-цифровым преобразователем. Большинство
модулей имеют семисегментные цифровые индикаторы, на которых
непосредственно отображается значение измеряемого параметра.
Модули аналогового вывода обеспечивают стандартные выходные
сигналы в виде различных значений напряжения и силы тока. Данные
модули содержит микропроцессор, управляющий выходным цифроаналоговым преобразователем. Модули могут запоминать стартовые
значения, которые будут присутствовать на выходе после включе­
ния питания. Кроме того, предусмотрена возможность ограничения
скорости нарастания выходного сигнала. При этом модули содержат
встроенный входной АЦП, позволяющий контролировать значения
выходного параметра (наличие обратной связи).
Модули дискретного ввода-вывода содержат разное количество
входных и выходных каналов, причем как с общим проводом, так
и изолированных, как совместимых по уровню с ТТЛ, так и релей­
ных типа «сухой контакт». Все входные модули имеют возможность
блокировки отдельных каналов в процессе работы. Кроме того, они
имеют встроенные счетчики событий, которые можно программно
подключать к дискретным входам.
В состав серии входят модули таймеров/счетчиков. Например,
модуль 1-7080 оборудован двумя 32-битными счетчиками и про­
граммируемым таймером для измерения частоты. Имеется входной
304
программируемый цифровой фильтр для фильтрации помех входных
сигналов. Модуль I-7080D может отображать показания на пятираз­
рядном светодиодном индикаторе.
В состав серии входят коммуникационные модули. Например, мо­
дули типа 1-7520 необходимы для преобразования сигналов стандарта
RS-232 в RS-485, а также гальванической развязки контроллеров от
сети на основе интерфейса RS-485. Модули 1-7510 являются повтори­
телями (репитерами) и служат для гальванической развязки и усиления
сигналов в отдельных сегментах системы управления. При помощи
одного такого повторителя можно удлинять (наращивать) сегменты
сети на основе RS-485 на 1200 м.
Для обмена информацией между удаленными устройствами в ка­
честве физической среды обмена информацией можно использовать
радиоканал, применяя для этих целей модули радиомодемов, входящих
в серию 1-7000. В настоящее время производятся радиомодемы на час­
тотные диапазоны 900 и 2400 МГц. Модули радиомодемов позволяют
устанавливать связь типа «точка—точка» и «точка—мультиточка» на
расстоянии до 5 км.
Рассмотрим примеры устройств рассматриваемого класса, выпус­
каемые российскими компаниями.
Серия модулей удаленного ввода-вывода MxllO, выпускаемая рос­
сийской компанией ОВЕН, обеспечивает недорогое гибкое и эф­
фективное решение для самого широкого спектра задач, связанных
с построением распределенных систем. Модули ввода-вывода ОВЕН
находят применение:
• при модернизации и замене устаревших щитов автоматики;
• для передачи измерений от датчиков температуры, влажности,
давления и т.п. на удаленный ПК или ПЛ К по интерфейсу RS-485
(расстояние до 1200 м);
• при управлении включением/отключением двигателей, клапанов,
электронагревателей и других механизмов;
• при плавном управлении технологическим процессом с исполь­
зованием частотных преобразователей, регулирующих клапанов
с аналоговым управлением, блоков управления тиристорами и симисторами и т.п;
• при контроле состояния технологического оборудования, выклю­
чателей, дискретных датчиков, кнопок, тумблеров и т.д.;
• при диспетчеризации удаленных объектов с использованием ра­
дио- или GSM-модемов;
• для сигнализации о режимах работы оборудования;
° для подключения дополнительных датчиков или исполнительных
механизмов в существующих системах управления, построенных
на базе ПЛКили SCADA-систем.
305
При разработке состава своего программно-технического комплекса
компания ОВЕН придерживается политики, следуя которой в основном
выпускает монолитные контроллеры. Расширение их функциональ­
ных возможностей в рамках конкретных проектов осуществляется за
счет подключения к контроллерам модулей удаленного сбора данных
и управления. Для осуществления между ними взаимосвязи используют­
ся открытые сетевые стандарты. В принципе такой способ подключения
к контроллеру дополнительных модулей ввода-вывода можно считать
наиболее общим, не требующим специальных конструктивных решений.
Кроме этого, он обеспечивает возможность использовать контроллеры
ОВЕН с модулями других производителей, если они поддерживают со­
ответствующие сетевые протоколы. Он же обеспечивает возможность
подключения модулей Мх110 к контроллерам, выпускаемым другими
компаниями. Линейка модулей Мх110 может работать с ПЛК следу­
ющих производителей: Mitsubishi FX, Direct Logic 06,205,405, Siemens—
SIMATIC S7-200, S7-300, Segnetics SMH 2G(i), МЗТА (Контар) MC8,
MC12, tecon, Delta DVP, 1CP DAS uPAC-7186/i-7188, Advantech.
Модули MxllO работают совместно co следующими SCADAсистемами: MasterSCADA (ИнСАТ), Trace Mode (AdAstra), КРУГ2000 (КРУГ), InTouch (Wonderware), CiTect (Ci Technologies), Genesis32
(ICONICS), SIMATIC WinCC (Siemens AG), WinlogPro и другие.
В целом такой подход обеспечивает любой молодой компании,
появившейся на этом рынке, максимально быстрое в него вхождение.
Недостаток такого подхода по сравнению с использованием модульных
конструкций контроллеров — более низкая скорость обмена цент­
рального процессорного модуля с модулями ввода-вывода. В модуль­
ных конструкциях большая скорость обмена обеспечивается за счет
использования системной шины. Но при создании территориально
распределенных систем управления обмен данными с удаленными
объектами по сети является единственно рациональным.
На физическом уровне организации взаимосвязи в Мх110 исполь­
зуется широко распространенный стандарт проводной связи RS-485.
Все модули используют для коммуникации простые протоколы, ос­
нованные на принципе «запрос—ответ». Мх110 поддерживают работу
по протоколам ModBus-ASCII, ModBus-RTU, DCON и ОВЕН.
Модули объединяются в сеть с помощью двухпроводной линии
связи и подключаются к ведущему устройству. В роли мастера может
выступать ПЛК, персональный компьютер с установленной SCADAсистемой или панель оператора. Каждый из модулей, являясь подчи­
ненным устройством, имеет уникальный адрес. Ведущее устройство
сети делает запрос одному из модулей, указывая его адрес и команду
чтения или записи значений. Соответствующий модуль отвечает ве­
дущему устройству, передавая запрошенные данные или подтверждая
получение команды.
306
Одновременно в одной сети может быть только одно ведущее устрой­
ство и до 32 модулей. Максимальная длина линии связи составляет
1200 м. Длина линии связи и количество модулей в сети могут быть уве­
личены с помощью повторителей интерфейса (например, ОВЕН АС5).
В зависимости от модификации модули Мх110 могут питаться:
• напряжением 90—264 В переменного тока частотой 47—63 Гц;
• напряжением 18—29 В постоянного тока.
Мх110 эксплуатируются при следующих условиях:
• температура окружающего воздуха от -10 до +55 °C;
• верхний предел относительной влажности воздуха 80% при 25 °C
и более низких температурах без конденсации влаги.
По электромагнитной совместимости модули относятся к обору­
дованию класса А по ГОСТ Р 51 522-99.
Дополнительные возможности модулей:
• генерация ШИМ-сигналов на дискретных выходах;
• счетчики импульсов для дискретных входов;
• диагностика состояния подключенных аналоговых датчиков;
• диагностика обрыва интерфейсн ой линии;
• дополнительная логика работы дискретных входов и выходов (ин­
теллектуальные модули);
• функция автоопределения протокола обмена.
Внешний вид ввода-вывода ОВЕН MxllO показан на примере
модуля ввода аналоговых сигналов ОВЕН МВ 110-2А на рис. 4.5.16.
Рис. 4.5.16. Модуль ввода аналоговых сигналов ОВЕН МВ110-2А
Номенклатура модулей Mxl 10 и их основные характеристики пред­
ставлены в табл. 4.5.13.
Таблица 4.5.13
Модификации модулей ввода-вывода Мх110
Модуль
МВ110-24. ВАС
МВ110-220.8АС
Основные характеристики входов-выходов
«Быстрые» входы: датчики
0(4)...20 мА, 0...5 мА, 0...10 В, частота
измерений 200 Гц, класс точности 0,25
Дискретный Аналоговый
вход выход
—
—
ВХОД
выход
8
—
307
Окончание табл. 4.5.13
Модуль
Основные характеристики входов-выходов
Дискретный Аналоговый
вход выход вход выход
МВ110-224.16Д
Датчики типа «сухой контакт», транзистор­
ные ключи типа п-р-п, частота до 1 кГц,
не требует питания датчиков
16
—
—
МЕМ 10-224.16ДН
Датчики типа «сухой контакт», транзистор­
ные ключи типа n-p-п и р-п-р, частота до
1 кГц, питание внешнее датчиков 24 В
16
—
—
МВ110-224.1 ВИ(2)
Датчики (дифтрансформаторы) с выход­
ным сигналом -10...+10 мГн,
класс точности 0,25
—
—
1
—
МВ110-224.1ТД
Сигналы от тензодатчиков
—
—
1
—
МВ110-224.4ТД
Сигналы от тензодатчиков
—
—
—
МВ110-224.8ДФ
Дискретные входы для сигналов 220 В
8
4
—
МК110-224.8Д.4Р
Входы: датчики типа «сухой контакт», тран­
зисторные ключи типа п-р-п;
выходы: з/м реле 4 А, 250 В
8
4
—
—
МК110-220.4ДН.4Р
Входы: датчики типа «сухой контакт»,
транзисторные ключи типа n-p-п и р-п-р,
частота до 1 кГц, питание датчиков 24 В;
выходы: э/м реле 4 А, 250 В
4
4
—
—
МК110-224.8ДН.4Р
Входы: датчики типа «сухой контакт»,
транзисторные ключи типа п-р-п и р-п-р,
частота до 1 кГц, питание датчиков 24 В;
выходы: э/м реле 4 А, 250 В
8
4
—
—
МК110-220.4К.4Р
Входы: кондуктометрические датчики
уровня; выходы: э/м реле 4 А, 250 В
4
4
—
—
4
4
—
—
Входы: датчики типа «сухой контакт», тран­
зисторные ключи типа п-p-n и р-п-р, час­
МК110-220.4ДН.4ТР
тота до 1 кГц, питание датчиков 24 В; выхо­
ды: твердотельные реле 250 В
—
—
МУ110-224.8И
ЦАП 4...20 мА, осн. приведенная погреш­
ность 0,5%
—
—
—
8
МУ110-224.6У
ЦАП 4...20 мА, осн. приведенная погреш­
ность 0,5%
—
—
—
6
МУ110-224.8Р(К)
Р: з/м реле 4 А, 250 В
К: транзисторная оптопара типа п-р-п
400 А, 60 В
—
8
—
—
МУ110-224.16Р(К)
Р: з/м реле 4 А, 250 В
К: транзисторная оптопара типа п-р-п
400 А, 60 В
—
16
—
—
Настройка (конфигурирование) любого модуля Mxl 10 производит­
ся с помощью единой для всей линейки программы-конфигуратора.
Простой и удобный интерфейс пользователя, возможность проверки
308
работы модуля непосредственно из конфигуратора делают настройку
простой и быстрой. При этом можно многократно использовать од­
нажды созданную и сохраненную конфигурацию Мх110.
Станции распределенного ввода-вывода SIMATIC ЕТ200 являются
примером реализации другого подхода к организации взаимосвязи
контроллера с модулями удаленного сбора данных и управления, кото­
рый предлагается компанией Siemens. Это некоторое промежуточное
решение между применением для объединения контроллера и мо­
дулей расширения в единое целое модульных конструкций, с одной
стороны, с другой стороны, применением для этого соединения по
сети. Заключается оно в объединении некоторой совокупности уда­
ленных модулей в один модульный конструктив, в рамках которого
связь модулей между собой осуществляется по их общей системной
шине. Обязательным компонентом этого конструктива является
коммуникационный модуль, который и организует информацион­
ное взаимодействие этих модулей и центрального контроллера уже
по сети. С конструктивной точки зрения это позволяет использовать
и в качестве удаленных модулей и модулей, которые подключаются
к центральному контроллеру, одни и те же блоки.
SIMATIC ЕТ 200М — это многофункциональная станция рас­
пределенного ввода-вывода. В ее составе используются сигнальные,
функциональные и коммуникационные модули программируемого
контроллера SIMATIC S7-300. Она комплектуется интерфейсными
модулями для подключения к промышленным сетям Proflbus DP или
Profinet 10. В сети Profibus DP станция ЕТ 200М выполняет функ­
ции стандартного ведомого DP-устройства. Она способна поддер­
живать обмен данными с ведущим DP-устройством со скоростью до
12 Мбит/с. В сети Profinet IO ЕТ 200М выполняет функции устройства
ввода-вывода и способна поддерживать обмен данными с контролле­
ром ввода-вывода со скоростью 10/100 Мбит/с.
Системы удаленного ввода-вывода фирмы Opto-22 представляют со­
бой еще один пример организации системы удаленного ввода данных
и управления. В номенклатуру продукции этой компании входят УСО
серии SNAP. Отличительной особенностью этой серии является форма
решения вопросов объединения нескольких модулей в общие базы,
которые передают и принимают данные с удаленного контроллера
по цифровой сети.
На рис. 4.5.17, а представлена архитектура распределенной сис­
темы, использующей удаленные УСО — модули SNAP, соединенные
с ведущим контроллером или управляющим компьютером PC по­
средством одного из известных промышленных сетевых интерфейсов.
Процесс ввода-вывода и контроль промышленной сети осуще­
ствляются контроллером удаленной базы, его тип определяет тип
применяемой сети. Каждый контроллер может поддерживать базы,
несущие от 8 до 16 многоканальных модулей. На рис. 4.5.17, б показан
309
общий вид базы с панелью на 12 модулей. Цифровые и аналоговые
модули достаточно произвольно комбинируются в пределах базы (как
правило, с некоторым ограничением числа аналоговых модулей). Один
дискретный модуль данной серии УСО поддерживает четыре канала
ввода или вывода, один аналоговый модуль — два канала.
Ведущий контроллер
Контроллеры базы SNAP
Рис. 4.5.17. Архитектура распределенной системы фирмы Opto-22
Модульная система ввода-вывода SmartSlice компании Omron. Эта
компан ия предлагает широкий выбор устройств удаленного ввода-вы­
вода. В последние годы она выпускает некоторые серии своих устройств
в рамках концепции интеллектуальной платформы. Такие устройства
снабжены интеллектуальными функциями, ориентированными на
ускорение инжиниринга, оптимизацию графика технического обслу­
живания и повышение производительности оборудования при одно­
временном сокращении эксплуатационных затрат. Как системы уда­
ленного ввода-вывода они поддерживают целый ряд открытых сетей.
Появление подобных разработок на рынке промышленной авто­
матизации отвечает тенденции построения систем управления как
систем с распределенным интеллектом — перенесения функций об­
работки и принятия простых решений на элементы более низкого
уровня в иерархической системе управления.
370
Система SmartSlice (рис. 4.5.18) является лишь одним из примеров
модульных систем ввода-вывода, выпускаемых этой компанией.
Рис. 4.5.18. Внешний вид модульной системы ввода-вывода SmartSlice
Каждая станция системы SmartSlice может включать до 64 модулей
ввода-вывода. Для подключения к системам управления могут ис­
пользоваться стандартные открытые системы связи DeviceNet и Ргоfibus, что определяется выбором базовой части системы, к которой
и подключаются модули ввода-вывода. Система отличается простотой
монтажа и обслуживания без каких-либо инструментов.
Надежная составная конструкция модулей из трехчастей (рис. 4.5.19)
позволяет производить их «горячую» замену во время работы без пере­
подключения цепей. Установив и настроив все модули, можно прос­
тым нажатием переключателя сохранить их параметры в память блока
подключения к шине. После «горячей» замены модуля все настройки
в него загружаются автоматически.
Блок крепления к шине
Рис. 4.5.18. Составная конструкция модулей системы SmartSlice
311
Встроенные интеллектуальные функции модулей сокращают про­
грамму ПЛ К и (или) позволяют предъявлять к контроллеру меньшие
требования по производительности. Каждый модуль ввода-вывода
системы SmartSlice обладает встроенным интеллектом, способству­
ющим оптимальному планированию технического обслуживания
и минимизации незапланированных простоев оборудования. Каждый
модуль не только запоминает дату своего последнего технического об­
служивания, но также регистрирует эксплуатационную информацию
и предупреждаете превышении пороговых уровней (контролируется
количество срабатываний, продолжительность работы, уровень на­
пряжения питания и т.п.).
Интеллектуальные модули аналогового ввода, помимо масштаби­
рования, фильтрации, сигнализации о выходе сигналов за заданные
пределы, способны интегрировать входной сигнал и определять соот­
ветствующие параметры процессов, вычислять скорость изменения
сигнала. Модули включают таймеры и счетчики для учета времени
работы каждого входа. Интеллектуальная система ввода-вывода непре­
рывно контролирует эти данные, регистрирует их и сверяет с установ­
ленными предельными значениями. Любое отклонение немедленно
сигнализируется. Интеллектуальный модуль ввода-вывода может
измерять задержку между двумя входными-выходными сигналами
с точностью до миллисекунд, позволяя, к примеру, контролировать
время движения механических элементов с момента их активизации.
В случае превышения установленного предельного значения модуль
предупредит об ухудшении эксплуатационных характеристик машины
(например, из-за понижения напряжения питания или загрязнения)
и о необходимости технического обслуживания.
4.5.3. Интеллектуальные датчики и исполнительные устройства
Для управления сложными техническими объектами (процесса­
ми) с динамично изменяющимся состоянием нужны распределенные
компьютерные системы, способные решать задачи в высоком тем­
пе реального времени. При создании таких систем акцент делается
на развитие и применение распараллеливаемых интеллектуальных
методов управления, распределенных вычислений и интеллектуаль­
ной обработки информации. Сегодня это касается и низового уровня
управления. Интеллектуальными узлами систем управления являются
уже не только промышленные компьютеры и контроллеры, ими ста­
новятся также датчики и исполнительные устройства.
Действительно, сложные, функционально насыщенные системы
сбора и обработки технологической информации требуют примене­
ния датчиков и исполнительных устройств, способных на что-то еще,
помимо выдачи сообщений об уровне сигналов или просто вклю­
чения-выключения элементов оборудования. Совершенствование
312
современных электронных устройств обусловлено в первую очередь
высокими темпами развития микроэлектроники. Непрерывное сни­
жение стоимости микропроцессорных элементов и стремительный
рост их функциональных возможностей позволяют встраивать эти
чипы во все меньшие по размерам изделия. Именно с изменением эле­
ментной базы электронных устройств обработки сигналов первичных
преобразователей связано появление нового поколения датчиков и ис­
полнительных устройств, получивших название интеллектуальных.
Термин «интеллектуальные» употребляют в узком смысле по отно­
шению к устройствам, которые за счет использования в них переработ­
ки информации приобретают новые функциональные возможности.
Интеллект у датчиков и исполнительных устройств, как и у людей,
проявляется в самых различных формах. Задача специалиста по ав­
томатизированным системам — выбрать нужное «умное» устройство.
Своим интеллектом датчики и исполнительные устройства обязаны
микропроцессорным технологиям. Микропроцессор — это их мозг,
позволяющий устройству «изучать» условия, в которых оно работа­
ет. Являясь самообучающейся микропроцессорной системой, такие
устройства способны получать и обрабатывать большие объемы ин­
формации с высокой скоростью и точностью. Именно благодаря мик­
ропроцессорам сегодня у пользователя есть весьма удобные в установ­
ке, настройке и применении датчики и исполнительные устройства.
По сути, рассматриваемые классы технических средств объединяют
функции датчика, исполнительного устройства и ряд функций контрол­
лера. Их применение существенно меняет структуру нижнего уровня
систем автоматизации производства, позволяет использовать новые
подходы к реализации систем управления, гибко перераспределять
функции между основными элементами систем контроля и управления.
Интеллектуальные датчики. Попробуем перечислить, какими фун­
кциональными возможностями наделяют разработчики устройства,
которые можно отнести к классу интеллектуальных датчиков (ИД).
1. Компенсация основных и дополнительных погрешностей. Помеще­
ние технических средств обработки информации непосредственно
к датчику логически оправданно, так как шаг преобразования и об­
работки измерительного сигнала вдали от объекта измерения связан
с увеличением погрешности измерения. В данном случае появляется,
возможность локальной адаптации параметров сенсора к внешним
факторам и условиям автоматического осуществления операций юс­
тировки и тарировки, компенсации погрешностей. При этом можно
выделить три вида компенсации:
• нелинейности;
• влияний температуры;
• изменений во времени, вызванных деградацией первичного пре­
образователя.
313
При этом, как правило, удается в несколько раз уменьшить основ­
ную и дополнительную погрешность измерений.
2. Оценка достоверности данных. ИД на основе анализа достаточно
большого числа результатов отдельных, относительно недостовер­
ных измерителей позволяет обеспечить формирование потока данных
с необходимой достоверностью. В результате реальные метрологиче­
ские характеристики интеллектуальных ИД оказываются существенно
выше характеристик датчиков в традиционном исполнении.
Возможность обрабатывать данные не только выходного сигна­
ла, но и дополнительных параметров первичного преобразователя
позволяет проводить непрерывную диагностику, отслеживая неис­
правности и делая выводы о достоверности измерений. В диагностику
входят контроль стабильности объекта и состояния сенсора, а также
отслеживание слишком слабого сигнала, предупреждающего об опас­
ности полного отказа датчика. Пользователи получают возможность
автоматического обнаружения обрывов провода, коротких замыка­
ний, неверных настроек, отказов датчиков и модулей. Алгоритмы
диагностики первичных преобразователей, естественно, зависят от
их конструкции.
3. Возможность передачи данныхна цифровой интерфейс связи. Со­
кращение аналоговых линий и передача информации в цифровой фор­
ме позволяют обеспечить независимость метрологических характери­
стик канала измерения от внешних линий связи и устройств передачи
данных. Такой подход устраняет необходимость в аналого-цифровых
преобразователях на уровне контроллера, облегчает реализацию галь­
ванической развязки в каждом канале. Одной из привлекательных
характеристик интеллектуальных датчиков является возможность
подключить к одному кабелю (последовательному каналу) несколько
датчиков и свести к минимуму количество проводных линий связи, а в
итоге добиться большей надежности системы автоматики, сократить
сроки ее разработки, упростить обслуживание.
4. Расширенные возможности связи. Важнейшим аспектом внедре­
ния интеллектуальных датчиков является расширение интерфейса.
Применение цифровых интерфейсов позволяет обеспечивать двух­
стороннюю связь датчика с пользователем для гибкого управления:
перенастройки, калибровки, конфигурирования и диагностики на
расстоянии. Удаленное конфигурирование включает такие функции,
как настройка на объект, выбор режима. Возможности перенастройки
приводят к унификации устройств, к тому, что несколько разных дат­
чиков заменяются прибором одной модели, что дает преимущество
как в их производстве, так и в стоимости обслуживания. Интеллекту­
альный датчик в силу особенностей своей структуры и расширенных
функциональных возможностей позволяет обеспечить выполнение
функций, повышающих информативность выходного сигнала до не­
314
обходимого уровня. Это связано с тем, что ИД является не просто
датчиком, а представляет собой совокупность аппаратных и программ­
ных средств, обеспечивающих отображение свойств объекта в виде
некоторой структуры данных, формируемых в результате обработки
выходного сигнала первичного чувствительного элемента по опре­
деленному алгоритму. Возникает возможность передачи в систему
автоматизации не только текущего значения измеряемой величины,
но и добавочных сигналов о выходе его за пределы заданных норм,
а также возможность передачи по сети не каждого текущего измеряе­
мого значения, а только изменившегося по сравнению с предыдущим,
или вышедшего за пределы заданных норм, или значения, требующего
управляющего воздействия. Кроме всего прочего, это позволяет ре­
шать вопросы уменьшения трафика сети.
5. Осуществление комплекса цифровой обработки сигнала первичного
преобразователя приводит к появлению возможности:
• передавать сигнал непосредственно в физических величинах,
т.е. в удобном представлении;
• использовать управляемый объем выборки для уменьшения вли­
яния случайных составляющих;
° оценивать временные и спектральные составляющие сигнала пер­
вичного преобразователя, осуществлять цифровую фильтрацию
с управляемой полосой частот, выбирать оптимальное окно быст­
рого преобразования Фурье при спектральном анализе;
• использовать принципы измерения, требующие достаточно слож­
ной вычислительной обработки выходных сигналов сенсора, но
имеющие ряд преимуществ перед традиционно используемыми
принципами измерения по точности, стабильности показаний,
простоте установки и обслуживания датчика в процессе его экс­
плуатации;
• строить мультисенсорные датчики, в которых преобразователь
получает и перерабатывает сигналы ряда однотипных или разно­
типных чувствительных элементов;
• иметь в датчике базу данных для хранения значений измеряемой
величины за заданный интервал времени.
Следует отметить, что стоимость современных интеллектуальных
датчиков превышает стоимость обычных датчиков, поэтому первона­
чал ьные затраты по их приобретению могут быть достаточно высоки­
ми. Однако необходимо учитывать, что при их применении уменьша­
ется стоимость их установки и обслуживания за время эксплуатации,
а увеличение стабильности их работы приводит к экономии за счет
более редких поверочных испытаний. Их применение позволяет сни­
зить потери на производстве, вызванные использованием для управле­
ния неточных показаний датчиков. Экономия возникает в стоимости
кабельных линий, соединяющих измерительные средства с контрол­
315
лерами, так как к одной шине можно подсоединить большое число
датчиков. Можно говорить об экономии в стоимости контроллеров,
поскольку не требуется включать в них блоки ввода.
Использование интеллектуальных датчиков (ИД) дает возможность
по-новомуподойтикраспределениюфункций между основными элемен­
тами систем контроля и управления, в частности освободить центральный
процессор от необходимости обработки больших объемов первичной
информации. Это позволяет либо использовать менее производитель­
ные контроллеры, либо, используя те же контроллеры, возложить на них
решение более сложных и ресурсозатратных алгоритмов управления.
Рассмотрение этих функциональных возможностей позволяет по­
дойти к пониманию того, что интеллектуальные датчики могут суще­
ственно отличаться оттого, что мы привыкли понимать под понятием
«датчик». Сегодня это скорее специализированные контроллеры, ко­
торые, получая сигнал от первичного преобразователя (сенсора), тут
же занимаются его обработкой и способны делиться информацией
с другими интеллектуальными узлами системы автоматики по цифро­
вым каналам. Единственное, что их продолжает роднить с обычными
датчиками, да и то не всегда, — это небольшие размеры, так как они
должны устанавливаться непосредственно на объекте.
Приведем примеры существующих и по-настоящему функцио­
нально насыщенных датчиков. Перечисление широкого спектра их
возможностей должно продемонстрировать, что дает применение
микропроцессорной техники на этом уровне систем автоматизации.
В настоящее время на российском рынке к рассматриваемому клас­
су устройств можно отнести серию датчиков давления ДД415 (ООО
«Общемаш»), которые совмещают в себе функции прецизионного
измерения давления и непосредственного управления локальными
переменными объекта (процесса). Измеряемые среды: жидкость, пар,
газ. Датчики этой серии (рис. 4.5.20) обеспечивают непрерывное пре­
образование в унифицированный токовый и (или) цифровой выходной
сигнал для дистанционной передачи следующих измеряемых величин:
• избыточного давления;
• абсолютного давления;
• разрежения;
• давления разрежения;
• разности давлений;
• гидростатического давления.
Кроме основной функции контроля текущего значения измеря­
емого давления и преобразования в выходной токовый сигнал, ис­
пользуемая схемотехника позволяет:
• осуществлять непрерывную самодиагностику;
• производить удобный контроль и настройку параметров датчика
с помощью кнопочной клавиатуры и ЖК-индикатора;
316
• осуществлять оперативную установку «нуля»;
• одновременную индикацию текущего давления в установленных
единицахи в процентах от диапазона в цифровом и шкальном виде;
• производить перенастройку вида выходного аналогового сигнала
с 0-5 В на 4—20 мА и обратно;
• осуществлять включение/выключение цифрового интерфейса
RS-485;
• производить выдачу аналогового сигнала одновременно с циф­
ровым выходом;
• обеспечить восемь пределов перенастройки;
• производить настройку на «смещенный» предел измерения;
• выбирать зависимости выходного токового сигнала от входной
величины (линейно возрастающая, линейно убывающая, пропор­
циональная корню квадратному перепада давления);
• производить настройку времени усреднения выходного сигнала;
• выборать систему измерения (СИ, СГС);
• регистрировать и храненить информацию в виде трендов (графи­
ков) с шагом от 1 мин до 3 ч или по событию превышения или
занижения заданного уровня давления;
• осуществлять управление исполнительными устройствами по двух­
позиционному закону (твердотельное реле, открытый коллектор).
Рис. 4.5.20. Датчик давления ДД415
В процессе работы датчик непрерывно анализирует сопротивление
измерительного моста, атакже значение полученного выходного сиг­
нала, определяя достоверность данных и сигнализируя о нештатных
317
ситуациях и возможных причинах неисправностей на жидкокристал­
лическом индикаторе. К достоинствам приборов данной серии стоит
отнести возможность перенастройки датчика в базовом исполнении на
любой стандартный аналоговый и (или) цифровой выходной сигнал,
а также выбор системы измерений.
Интеллектуальные датчики температуры моделей 3144 и 3244MV
принадлежат к известному семейству SMART FAM ILY интеллектуаль­
ных приборов фирмы Rosemount. Датчик модели 3144 работает с одним
сенсором. Датчик модели 3244MV может одновременно принимать
входные сигналы от двух сенсоров.
Микропроцессорная электроника позволяет этим датчикам рабо­
тать с термосопротивлением, термопарой, омическим и милливольтовыми входами при одной и той же настройке электроники. Кроме того,
для каждого датчика указывается окружающая температура, использу­
емая при работе, чтобы гарантировать максимальную точность датчика
и минимизировать дрейф в широком диапазоне рабочих температур.
Датчик обменивается цифровой информацией с коммуникатором
и системой управления на базе протокола HART (Highway Addressable
Remote Transducer) без прерывания выходного сигнала.
Тип сенсора и конфигурация могут быть выбраны программным
образом с клавиатуры коммуникатора HART. Кроме того, пользователь
может выбрать наиболее удобную шкалу для считывания показаний
в технических единицах: омах, милливольтах, градусах Фаренгейта,
Цельсия, Ранкина или миллиамперах.
Модуль электроники состоит из электронной платы в герметич­
ном корпусе. Электронные схемы оцифровывают входной сигнал от
сенсора и корректируют его с помощью коэффициентов коррекции,
выбираемых из энергонезависимой памяти. Выходной блок элект­
роники преобразует цифровой сигнал в выходной сигнал 4—20 мА
и поддерживает связь с коммуникатором HART или управляющей
системой фирмы Fisher-Rosemount. Дополнительно можно заказать
жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), который вставляется
в электронный модуль и показывает цифровой выходной сигнал в тех­
нических единицах —°F, °C, °R, К, омах, милливольтах, процентах или
миллиамперах, выбранных пользователем.
Программное обеспечение датчиков позволяет производить их
тестирование и конфигурирование с помощью коммуникатора HART,
системы управления фирмы Fisher-Rosemount или любого другого
хост-компьютера, который поддерживает коммуникационный про­
токол HART. Конфигурирование состоит из настройки следующих
рабочих параметров датчика:
• тип сенсора;
• число выводов сенсора;
• точки 4 и 20 мА;
318
• демпфирование;
• выбор технических единиц.
Кроме перечисленных конфигурационных параметров, программ­
ное обеспечение датчиков 3144 содержит параметры, которые не могут
быть изменены пользователем: тип датчика, пределы сенсора и версия
программного обеспечения.
Значительное улучшение точности измерения температуры может
быть реализовано, если в датчик ввести константы из калибровоч­
ных характеристик конкретного применяемого термосопротивления
и сгенерировать в датчике специальную характеристическую кривую,
которая бы соответствовала кривой данного сенсора. Эти константы
могут быть запрограммированы при изготовлении, а также введены
или изм енены произвольное число раз в полевых условиях при помощи
коммуникатора HART.
Следующим примером интеллектуальных датчиков является датчик
температуры ТСТ11 компанииТеконик (рис. 4.5.21). Он предназначен
для измерения температуры различных газообразных, сыпучих и жид­
ких сред. ТСТ11 измеряет температуру с помощью чувствительного
элемента, преобразует измеренную температуру и выдает ее значение
в цифровом коде по последовательному интерфейсу RS-485.
Рис. 4.5.21. Датчик температуры ТСТ11
Основным достоинством датчиков ТСТ11 является возможность их
работы в составе распределенной системы АСУТП на основе единой
полевой сети RS-485. В такой сети могут одновременно работать до
319
255 устройств, поддерживающих протокол Т4000, например модули
аналогового и дискретного ввода-вывода для контроллеров серий
МФК и ТКМ компании «Теконик».
Использование ТСТ11 позволяет повысить точность измерений
и получить существенную экономию на монтажных работах. Значи­
тельно облегчается создание систем температурного контроля в слу­
чаях, когда затруднена прокладка кабельных трасс для традиционных
датчиков.
Выпускаются четыре модификации датчика, отличающиеся диапа­
зоном измеряемых температур. Конструктивно ТСТ11 не отличается
от привычных температурных датчиков на основе термопреобразо­
вателей сопротивлений или термопар.
Основные технические характеристики:
• последовательный интерфейс для передачи информации — RS-485
(протокол Т4000);
• скорость обмена — от 1200 до 115 000 бит/с;
• количество датчиков в одной сети — до 255;
• данные могут передаваться в следующих форматах:
— инженерные единицы — значение температуры, представлен­
ное в виде числа с плавающей точкой. Значение +99 999 ис­
пользуется, если обнаружен обрыв канала;
- условные единицы — коды, приведенные к температурному
диапазону (диапазону измеряемой величины), код 0 соответ­
ствует минимальной границе диапазона, код 16 383 — макси­
мальной; измерения продолжаются (если это возможно) за
диапазоном в пределах —1024...17 408. Значение 0x9 999 ис­
пользуется, если обнаружен обрыв канала;
— проценты: 0% — минимальная граница диапазона, 100% — мак­
симальная. Значение +999,99 используется, если обнаружен
обрыв канала;
• наличие встроенного программного фильтра (апериодическое зве­
но или ограничения по скорости нарастания сигнала);
• подавление симметричной помехи нормального вида промыш­
ленной частоты 50 Гц и амплитудой до 300 мВ;
• поправочные коэффициенты для корректировки показаний;
• напряжение питания — 24 В ± 10%;
• потребляемая мощность — не более 0,5 Вт;
• степень защиты от воздействия воды и пыли — IP65 по ГОСТ 14254;
• датчик ТСТ 11 устойчив к воздействию следующих климатических
и механических факторов:
— температура окружающего воздуха от —40 до +55 °C;
- относительная влажность окружающего воздуха от 5 до 95%
при температуре +30 °C;
— атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа;
320
— вибрация для частот от 5 до 9 Гц с амплитудой смещения 3,5 мм;
— вибрация для частот от 9 до 150 Гц с ускорением 10 м2/с.
Рассмотрим еще один пример сферы интеллектуализации датчиков.
Одной из областей применения индуктивных бесконтактных пе­
реключателей (датчиков положения с релейным выходом) являют­
ся штамповальные прессы. Бесконтактные переключатели неплохо
справляются с задачей определения наличия детали в рабочей зоне.
Однако нередко круг связанных с производственным процессом
проблем включает не только простое обнаружение детали. Систе­
ме управления может потребоваться информация, к примеру, о том,
та ли деталь подана, либо о том, находится ли деталь в рабочей зоне
полностью или частично. Решить подобные задачи можно и с по­
мощью бесконтактных переключателей, но более полезны здесь будут
устройства с аналоговым выходом. При соответствующей обработке
из аналогового сигнала можно извлечь массу полезной информации,
например о профиле детали.
Еще большими возможностями здесь смогут обладать фотоэлект­
рические датчики. Например, информация о том, та ли деталь подана
в рабочую зону пресса, может считываться по штрихкоду, о том пра­
вильно ли деталь подана в рабочую зону, можно судить по изменению
аналогового сигнала с выхода датчика.
Большой интерес при использовании интеллектуальных фотоэлек­
трических датчиков вызывает возможность программирования уста­
вок. Значительная доля связанных с фотоэлектрическими датчиками
проблем обусловлена оседанием на объективах этих устройств пыли
и грязи, что приводит к уменьшению освещенности чувствительных
элементов. Встроенный микропроцессор способен непрерывно конт­
ролировать освещенность, сравнивая ее с эталонным значением. По
достижении освещенностью некоторой пороговой величины микро­
процессор сигнализирует обслуживающему персоналу о необходимо­
сти чистки объективов.
Таким образом, работы по интеллектуализации датчиков ведутся
достаточно широко. Задача производителей датчиков и контрольно­
управляющей аппаратуры заключается в разработке соответствующего
инструментария, обеспечивающего внедрение новых сенсорных тех­
нологий. Ярким примером деятельности, содействующей распростра­
нению интеллектуальных датчиков, сегодня являются усилия групп
разработчиков стандартов IEEE 1451 — Standard for a Smart Transducer
Interface for Sensors and Actuators — стандарта интеллектуальных пре­
образований в интерфейсах для датчиков и исполнительных устройств.
Работа ведется в рамках институтов IEEE (Institute of Electrical and
Electronics Engineers — институт инженеров по электротехнике и элек­
тронике) и NIST (National Institute of Standards and Technology — Аме­
риканский национальный институт стандартов и технологий).
327
Стандарты IEEE 1451 призваны упростить задачу подключения пер­
вичных преобразователей (датчиков) и исполнительных механизмов
как к измерительным системам, так и к сетям. Этой цели разработчики
собираются достичь путем определения набора единых для всех преоб­
разователей интерфейсов, в том числе механизмов функционирования
самонастраивающихся датчиков.
Прежде всего эти стандарты закрепляют уже устоявшиеся понятия.
Так, интеллектуальные датчики определяются стандартом IEEE 1451
как датчики, которые выполняют функции сверх необходимых для
формирования правильного представления, отображения и переда­
чи измеряемой величины. К таким функциям относятся не только
измерение, нормализация и коррекция сигнала, но и самотестиро­
вание, а также цифровой интерфейс. Отличительной особенностью
ИД является цифровая обработка сигнала непосредственно с выхода
первичного преобразователя. Это гарантирует высокую точность и ста­
бильность его характеристик во всех допустимых диапазонах измере­
ний, а также низкую чувствительность к внешним помехам. Полевая
шина позволяет одновременно с результатами измерения передавать
данные для диагностики и мониторинга. Цифровая обработка сигнала
и возможность модернизации программного обеспечения позволяют
реализовать различные функции преобразования контролируемых
величин с дальнейшим совершенствованием характеристик и выпол­
няемых функций датчика. Передача измеренной величины происходит
по последовательному каналу связи (интерфейс RS-485, протокол
Modbus-RTU) в цифровом коде. Ввод сигнала в автоматических сис­
темах управления технологическими процессами на промышленных
компьютерах может осуществляться через стандартный COM-порт или
через шину USB. Максимальная протяженность линии связи может
достигать 1500 м и зависит от количества датчиков в сети, типа приме­
няемого кабеля и скорости передачи данных. Наличие модификаций
с выходным сигналом 4-20 мА и 0-5 В позволяет использовать ИД
в составе систем сбора информации с аналоговыми каналами или для
замены аналоговых датчиков.
Стандарт IEEE 1451.1-1999 «Network Capable Application Processor
Information (NCAP) Model» определяет единую объектную модель для
подключаемых к сети интеллектуальных преобразователей и содержит
спецификации интерфейсов.
В стандарте IEEE 1451.2-1997 «Transducer to Microprocessor Com­
munication Protocol and TEDS Formats» определен цифровой двухто­
чечный интерфейс для подключения модуля интеллектуального пре­
образователя с цифровым выходом к микропроцессорному сетевому
адаптеру. Кроме того, в стандарте IEEE 1451.2 впервые появилась
концепция TEDS (Transducer Electronic Data Sheet — электронная
спецификация данных преобразователя или электронный паспорт
322
датчика — ЭПД). Обеспечивающие самоидентификацию встроенные
спецификации TEDS являются, пожалуй, наиболее популярными
компонентами и ключевыми элементами всего семейства IEEE 1451.
Стандарт IEEE Р1451.3 определяет цифровую многоотводную шину
преобразователя, рассчитанную на подключение большого числа фи­
зически разделенных датчиков.
В IEEE 1451.4 описывается механизм поддержки аналоговыми
датчиками режима работы с самоописанием. Этот смешанный ин­
терфейс состоит из традиционного аналогового канала для передачи
данных датчика и недорогого последовательного цифрового канала,
по которому осуществляется доступ в электронный паспорт датчика
TEDS, который находится на самом датчике. С помощью этих дан­
ных датчик определяется и передает свои паспортные характеристики
системе сбора данных, к которой он подключен.
Стандарт IEEE Pl451.1 определяет смешанный интерфейс
(рис. 4.5.22), в котором, наряду с обычным сигналом аналогового дат­
чика, используется недорогой цифровой канал доступа к электронной
спецификации TEDS, встроенной в датчик в целях самоидентифи­
кации. В обычном режиме работы выходной сигнал такого датчика
является аналоговым. При поступлении от пользователя специальной
команды датчик начинает передавать цифровую информацию. Пере­
дача цифровых данных осуществляется по той же паре проводников,
при помощи которой подается напряжение питания и которая исполь­
зуется для передачи выходного высокочастотного аналогового сигнала.
По окончании цифровой передачи линия связи вновь подключается
к аналоговым выходным цепям датчика.
Рис. 4.5.22. Смешанный интерфейс TEDS-датчиков
Реализация этого стандарта позволит отказаться от традиционной
практики учета использования датчиков, а также существенно снизить
приходящиеся на один канал удельные затраты, связанные со сбором
данных, их проверкой и анализом в многоканальных испытательных
системах, применяющихся в промышленных и лабораторных условиях.
323
Стандартом IEEE 1451.4 определен следующий состав содержа­
щейся в спецификации TEDS информации.
Постоянная память (ПЗУ):
• идентификатор производителя;
• код модели;
• серийный номер;
• дата выпуска;
• код типа.
Перепрограммируемая память (ППЗУ):
• калибровочные данные (чувствительность);
• единицы измерения;
• эталонная частота;
• дата калибровки;
• прочая информация;
• код местоположения датчика;
• частота среза фильтра нижних и верхних частот;
• история обслуживания;
• примечания.
Предназначенные только для чтения данные записаны в ПЗУ циф­
ровой микросхемы. Другие параметры хранятся в перепрограммиру­
емой памяти (ППЗУ) чипа.
Реализация системного подхода с TEDS (ЭПД) дает следующие
возможности и преимущества.
Раньше настройка систем сбора данных требовала ручного ввода
параметров датчика, таких как схема подключения, диапазон и чув­
ствительность, или предварительного прописывания всех этих дан­
ных в программе. Эти данные использовались для математического
преобразования исходных показаний датчика в отмасштабированные
технические единицы. Система, оборудованная интеллектуальным
датчиком, автоматизирует этот процесс, считывая его параметры по
цифровому каналу с чипа ЭПД.
Спецификация TEDS позволяет реализовать автоматическое кон­
фигурирование датчика и упростить его согласование с другой элект­
ронной аппаратурой. Так как вся информация о датчике хранится
в TEDS-памяти встроенной микросхемы, то отпадает необходимость
в создании отдельной базы данных, предназначенной для хранения
калибровочной информации. Текущие калибровочные данные за­
гружаются в TEDS-память (ППЗУ) встроенной микросхемы при ка­
либровке датчика.
В процессе развертывания обычной системы с множеством датчи­
ков значительная доля непроизводительно затрачиваемого времени
приходится на сопоставление серийных номеров датчиков с номерами
соединительных кабелей и на проверку правильности всех соединений.
324
В случае проведения подобных проверок человеком по мере возрас­
тания числа каналов возрастает и число ошибок.
Благодаря тому что датчики TEDS сами определяют себя в системе,
не нужно следить за тем, к какому каналу подключен тот или иной
датчик. В электронном паспорте датчика предусмотрен раздел для
размещения пользовательской информации, куда можно записывать
такие данные, как физическое расположение датчика. Таким образом,
при записи строки «кожух переднего подшипника двигателя» в ЭПД
датчика система сбора данных будет определять физическое распо­
ложение датчика вне зависимости от канала, к которому он подклю­
чен. Для ввода информации в TEDS-память датчика на месте можно
воспользоваться удобным ручным программатором. Датчики сами
определяют себя в системе, и это похоже на технологию Plug&Play,
применяемую в компьютерной технике.
Поскольку все характеризующие устройство параметры (чувстви­
тельность, поправочные коэффициенты и т.п.) могут записываться во
встроенную TEDS-память, датчики можно менять «на лету», не забо­
тясь о внесении в систему каких-либо изменений. Интеллектуальный
узел самостоятельно определит факт замены датчика и автоматически
отрегулирует все необходимые характеристики (автоматическое кон­
фигурирование).
Датчики также могут следить за своим расписанием калибровки.
Поскольку электронный паспорт датчика хранит информацию о дате
калибровки и сроке ее действия, он может сообщать системе о не­
обходимости повторной калибровки. При проведении калибровки
можно занести новые данные о ней и сроке действия в микросхему
электронного паспорта датчика.
Интеллектуальные исполнительные устройства и механизмы. Под
исполнительным устройством (англ, actuator) в теории автоматиче­
ского управления понимают устройство, передающее воздействие
с управляющего устройства на объект управления. Другими словами,
это оконечное устройство системы автоматического управления или
регулирования, воздействующее на процесс в соответствии с получа­
емой командной информацией. В технической системе исполнитель­
ные устройства представляют собой преобразователи, превращающие
входной управляющий сигнал в выходной, действующий непосред­
ственно на объект управления.
Исполнительное устройство состоит из двух функциональных
блоков: исполнительного механизма и регулирующего органа. В за­
висимости от вида потребляемой энергии исполнительные механизмы
подразделяются на электрические, пневматические, гидравлические
и комбинированные (электрогидравлические, электропневматические). Регулирующие органы, используемые в системах автоматиче­
ского управления, выполняют в виде клапана, задвижки, заслонки,
крана, двигателя и т.д.
325
Современные технологии производства предъявляют новые тре­
бования к функциональным характеристикам исполнительных ме­
ханизмов для оборудования. В первую очередь это высокие скорости
и точность движения рабочих органов по сложным контурам и по­
верхностям, интеллектуальное поведение технологических машин,
работающих в изменяющихся и неопределенных внешних средах,
повышенная надежность и безопасность функционирования за счет
самодиагностики, координированное поведение с другими механиз­
мами за счет сетевого информационного взаимодействия. Эти и другие
требования вызвали появление интеллектуальных исполнительных
механизмов (англ, smart actuators). Главной отличительной чертой
интеллектуальных исполнительных механизмов и устройств является
наличие в их структуре встроенного контроллера.
Необходимо отметить, что решение вопросов эффективного объ­
единения узлов точной механики с электронными, электротехни­
ческими и компьютерными компонентами привело к появлению
и развитию новой области науки и техники — мехатроники. Она рас­
сматривает принципы и подходы, обеспечивающие проектирование
и производство качественно новых модулей, систем, машин и систем
с интеллектуальным управлением их функциональным движением.
Для мехатроники характерно стремление к полной интеграции ме­
ханики, электрических машин, силовой электроники, программи­
руемых контроллеров, микропроцессорной техники и программного
обеспечения.
Рассмотрим более подробно возможности интеллектуальных ис­
полнительных устройств на примере электропневматического позици­
онера SIPART PS2 компании Siemens (рис. 4.5.23). Данное устройство
используется для управления регулирующими клапанами с поворот­
ным или линейными перемещениями.
Прибор устанавливает регулирующий орган в положение, соответ­
ствующее электрическому входному управляющему сигналу. Дискрет­
ные функциональные входы могут быть использованы для блокировки
клапана или для установки его в безопасное положение. Управление
позиционером и получение с него информации может осуществляться
по цифровому сигналу HART-протокола с использованием сетевых
интерфейсов PROFIBUS РА и FOUNDATION Fieldbus. Устройство
имеет локальный ЖК-дисплей и кнопки управления.
В режиме конфигурирования для позиционера SIPART PS2 могут
быть определены следующие установки:
• диапазон входного тока 0-20 мА или 4-20 мА;
♦ растущая или падающая характеристика на входе заданного значения;
• ограничение скорости перестановки (рампа заданного значения);
• режим Split-range; возможность установки начального и конечного
значения;
326
• порог срабатывания (мертвая зона);
• направление действия; растущее или падающее выходное давление
при растущем заданном значении;
• пределы (начальное и конечное значение) диапазона регулиро­
вания;
• максимальное и минимальное предельные значения (тревоги) по­
зиции исполнительного элемента;
• автоматическая герметизация (с устанавливаемым порогом сра­
батывания);
• согласование хода в соответствии с характеристикой вентиля;
• изменения функций дискретных входов;
• изменение функций сигнализаци и ошибок и т. п.
Рис. 4.5.23. Интеллектуальный электропневматический
позиционер SIPART PS2 компании Siemens
Сравнение заданной и действительной величин позиции приво­
да осуществляется программно встроенным микроконтроллером,
который в соответствии с величиной и направлением отклонения
регулируемой величины управляет пьезовентилями. Пьезовентиль
преобразует управляющую команду в пневматическое приращение
управляющего воздействия.
Возможны регистрация и сигнализация изменений на приводе.
Эта информация может содержать важные указания по диагностике
327
привода и вентиля. К получаемым и контролируемым параметрам
измерения, предельные величины которых могут устанавливаться,
относятся:
• интервал работы;
• кол ичество смен направлений;
• счетчик тревог;
• адаптивная мертвая зона;
• конечная упорная позиция вентиля (фиксация износа седла вен­
тиля);
• часы эксплуатации (также по температурным и установочным
диапазонам);
• min/max температура;
• циклы коммутации пьезовентилей;
• время установки вентиля;
• негерметичность привода.
Показания статуса, получаемые от функций мониторинга, сигна­
лизируют о серьезности аварийных ситуаций в устройстве, которая
оценивается с помощью «сигнальных светофоров»:
• требуется техобслуживание;
• требуется срочное техобслуживание;
• угрожающая опасность общего отказа.
Это позволяет пользователю провести предупредительные меро­
приятия при приближении серьезного отказа клапана или привода,
что может предотвратить угрозу остановки системы. Тот факт, что
сигнализируются признаки сбоя (начинающееся повреждение диа­
фрагмы в приводе, прогрессирующая медлительность модуля и др.),
дает пользователю возможность обеспечить надежность системы путем
использования надлежащей стратегии техобслуживания. Эта диагно­
стика также обеспечивает раннее обнаружение и сигнализацию других
ошибок, таких как статическое трение сальниковой коробки, износ
стержня/седла клапана, осадок или накипь на соединениях.
5.
ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ ПО ИЗУЧЕНИЮ
КОНФИГУРИРОВАНИЯ
И ПРОГРАММИРОВАНИЯ БАЗОВЫХ
КОМПОНЕНТОВ СИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННОЙ
АВТОМАТИЗАЦИИ
5.1.
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СТЕНДОВ И ОБЩЕЙ МЕТОДИКИ
ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
5.2.
ПРОГРАММИРОВАНИЕ КОНТРОЛЛЕРОВ
5.2.1. Основные принципы организации работ по изучению
программирования контроллеров
5.2.2. Лабораторная работа № 1 «Программирование
контроллеров ОВЕН ПЛК100 в пакете CoDeSys»
5.3.
ОРГАНИЗАЦИЯ СЕТЕВОГО ОБМЕНА ДАННЫМИ МЕЖДУ
КОНТРОЛЛЕРАМИ И МОДУЛЯМИ УДАЛЕННОГО ВВОДАВЫВОДА
5.3.1. Основные принципы организации общей работы
контроллеров и модулей удаленного ввода-вывода в сети
Modbus
5.3.2. Лабораторная работа № 2 «Подключение
к контроллеру ОВЕН ПЛК110 модулей удаленного
ввода-вывода Мх110»
5.4.
РАБОТА КОНТРОЛЛЕРОВ С ОПЕРАТОРНЫМИ ПАНЕЛЯМИ
5.4.1. Основные принципы организации общей работы
контроллеров и операторных панелей в сети Modbus
5.4.2. Лабораторная работа № 3 «Конфигурирование
операторной панели ИП320. Работа панели и контроллера
ОВЕН ПЛК100 в сети Modbus»
5.4.3. Лабораторная работа № 4 «Конфигурирование
операторной панели СП270. Работа панели и контроллера
ОВЕН ПЛК100 в сети Modbus»
5.4.3. Лабораторная работа № 5 «Работа контроллера
ОВЕН ПЛК150 с аналоговыми сигналами, их отображение
на операторной панели»
329
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАЩИТЫ КОРПУСОВ
ПО СТАНДАРТУ МЭК 60529 (IP-КЛАССИФИКАЦИЯ)
Для обозначения степени защиты от воздействий окружающей
среды используется система кодов IP согласно МЭК 60 529. Степень
защиты кодируется в виде IP XY, где X — степень защиты от твердых
тел и пыли, a Y — степень защиты от влаги.
IPX.#
Защита оборудования
от проникновения
твердых посторонних пред­
метов
Защита людей
от доступа к
опасным частям
0
Нет защиты
Нет защиты
1
Предмет диаметром более
50 мм
Тыльная сторона
ладони
50
012
ззо
2
Предмет диаметром
более 12 мм
Палец
3
Небольшие предметы диа­
метром
более 2,5 мм
Инструменты
диаметром
более 2,5 мм
4
Предметы со скругленными
концами диаметром
более 1 мм
Инструменты
и проволока
более 1 мм
5
Защита от оседающей пыли
Полная защита
6
Полная защита от
проникновения пыли
Полная защита
0 2,5
чЛГ
\
01
Т"
1 •
Защита от жидкостей
IP #. V
0
Характеристика защиты
Нет защиты
I
1
Вертикально падающие капли воды
°
2
Капли, падающие под углом
до 15 градусов
6(г
3
Брызги воды, падающие под углом до 60 градусов
4
Брызги со всех сторон
5
Струя воды
Б
Сильная струя воды
——
7Г
'IE
=====
7
Временное погружение
8
Погружение
!
-------—
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. КЛАССИФИКАЦИЯ СТЕПЕНИ ЗАЩИТЫ
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПО СТАНДАРТУ NEMA
Туре 1
Корпус общего назначения для установки в помещении
Туре 2
Брызгозащищенный корпус для установки в помещении
ТуреЗ
Корпус для защиты от пыли, дождя, мокрого снега. Устойчив к обледенению.
Для установки вне помещения
Type 3R
Водонепроницаемый корпус с защитой от мокрого снега, устойчив к обледене­
нию. Для установки вне помещения
Type 3S
Корпус для защиты от пыли, дождя, мокрого снега, устойчив к обледенению
(в том числе и подвижные части). Предназначен для установки вне помещения
Туре 4
Влаго- и пылезащищенный корпус. Предназначен для установки как в помеще­
нии, так и вне его
Type 4Х
Влаго- и пылезащищенный корпус с защитой от коррозии. Предназначен для
установки как в помещении, так и вне его
Туре 5
Корпуса, защищающие от пылевой взвеси, грязи и капающей жидкости. (Для
систем управления заменен на Туре 12.)
Туре 6
Корпус позволяет работать оборудованию в воде при случайном кратковремен­
ном погружении на небольшую глубину, имеет защиту от пыли, воды и мокрого
снега. Предназначен для установки как в помещении, так и вне его
Type BR
Корпус позволяет работать оборудованию в воде при погружении на длительное
время на небольшую глубину, имеет защиту от пыли, воды и мокрого снега.
Предназначен для установки как в помещении, так и вне его
Туре 7
Корпус пневматического оборудования, размещаемого в опасных помещениях
класса I группы А, В,С или О
Туре 8
Корпус оборудования, предназначенного для погружения в масло, размещаемого
в опасных помещениях класса I группы А, В, С или D
Туре 9
Корпус пневматического оборудования, размещаемого в опасных помещениях
класса II группы Е, F или G
Туре 10
Корпус оборудования для горных работ
Туре 11
Корпус защищен от коррозии и попадания капель, выдерживает погружение
в масло. Для установки в помещении
Туре 12
Корпус защищен от пыли и попадания капель неагрессивной жидкости. Для
установки в промышленном помещении
Type 12К
Корпус с заглушками защищен от пыли и попадания капель неагрессивной жид­
кости не на заглушки. Предназначен для установки в промышленном помещении
Туре 13
Корпус для защиты от пыли, распыления воды, нефтепродуктов, неагрессивной
смазочно-охлаждающей жидкости. Предназначен для установки в помещении
332
Для того чтобы определить соответствие кодов IP и NEMA, вос­
пользуйтесь следующей таблицей.
Код NEMA
Код IP
Туре 1
IP20
Туре 2
IP21
Туре 3
IP54
Type 3R
IP24
Type 3S
IP54
Туре 4,4Х
IP5B, IP65,IP6B
Туре 5
IP52
Туре 6,6R
IP67
Туре 12,12К
IP52
Туре 13
IP54
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. КОМАНДЫ ЯЗЫКА FBD - ФУНКЦИИ, ТИПЫ
ВХОДОВ И ВЫХОДОВ
Вид
Назначение
1
2
Сложение переменных
Умножение переменных
BYTE, WORD, DWORD, SINT, USINT,
INT, UINT, DINT, UDINT, REAL, LREAL
Вычитание переменных
BYTE, WORD, DWORD, SINT, USINT,
INT, UINT, DINT, UDINT, REAL,
LREAL, TIME
Деление значений переменных
BYTE, WORD, DWORD, SINT, USINT,
INT, UINT, DINT, UDINT, REAL, LREAL
Остаток от деления значений пе­
ременных. Результат всегда целое
число
BYTE, WORD, DWORD, SINT, USINT,
INT, UINT, DINT, UDINT
Возвращает абсолютное значение
числа
Возможны различные определен­
ные комбинации типов аргумента
и результата
SORT
Квадратный корень числа
Аргумент может быть типов BYTE,
WORD, DWORD, INT, DINT, REAL,
SINT, USINT, UINT, UDINT, резуль­
тат должен быть типа REAL
MOVE eno
Присвоение значения одной пере­
менной другой соответствующего
типа
Переменные соответствующего
типа
Побитное логическое И
BOOL, BYTE, WORD
или DWORD
-
Побитное логическое ИЛИ
BOOL, BYTE, WORD
или DWORD
-
Побитное исключающее
логическое ИЛИ
BOOL, BYTE, WORD
или DWORD
NO -
Побитное логическое НЕ
BOOL, BYTE, WORD
или DWORD
Побитный сдвиг операнда IN влево
на п бит с дополнением нулями
справа
Входные переменные и результат
должны быть типа BYTE, WORD
или DWORD. Количество бит,
задействованных в данных опера­
циях, определяется типом входной
переменной
MUL
SUB
-
DIV
MOD
enj_
ABS -
AND
-
-
INп-
334
3
BYTE, WORD, DWORD, SINT, USINT,
INT, UINT, DINT, UDINT, REAL,
LREAL, TIME
ADD
-
Тип входов и выходов
OR
XOR
SHL
-
Продолжение таблицы
Вид
Назначение
Тип входов и выходов
1
2
3
SHR
Побитный сдвиг операнда IN впра­
во на п бит с дополнением нулями
слева
Входные переменные и результат
должны быть типа BYTE, WORD
или DWORD. Количество бит,
задействованных в данных опера­
циях, определяется типом входной
переменной
ROL
Циклический сдвиг операнда IN
влево на п бит, младшие биты
последовательно
заполняются старшими
Входные переменные и результат
должны быть типа BYTE, WORD
или DWORD. Количество бит,
задействованных в данных опера­
циях, определяется типом входной
переменной
ROR
Циклический сдвиг операнда IN
вправо на л бит, младшие биты по­
следовательно заменяют старшие
Входные переменные и результат
должны быть типа BYTE, WORD
или DWORD. Количество бит,
задействованных в данных опера­
циях, определяется типом входной
переменной
INii-
INП-
INп-
G_
IN_O_
Бинарный выбор. Бинарный выбор
возвращает одно из двух: IN_0,
INO, INI и OUT могут быть любого
если G принимает значение ЛОЖЬ, типа, G должно быть типа BOOL
или IN_1, если G — ИСТИНА
SEL
TwT
MIN
I
Mib
lb
- LIMIT
-
МА>
К
- MU>
IN 0
IN_1
IN_n
GT
-
LT
-
-
Возвращает наибольшее из двух
значений
Любого типа
Возвращает наименьшее из двух
значений
Любого типа
Ограничитель. МАХ задает вер­
хнюю и MIN — нижнюю границы
ограничителя. Если IN больше
верхнего или меньше нижнего
пределов, результат «обрезается»
соот-ветственно до МАХ или MIN
Любого типа
Мультиплексор. На выход пере­
дается К-е значение из входных
переменных
INO... INn и OUT могут быть любого
типа. Переменная К должна быть
BYTE, WORD, DWORD, SINT, USINT,
INT, UINT, DINT или UDINT
Больше (>).
Выходная булева переменная
принимает значение TRUE, если
значение первого параметра боль­
ше второго
Операнды могут быть типов BOOL,
BYTE, WORD, DWORD, SINT, USINT,
INT, UINT, DINT, UDINT. REAL,
LREAL, TIME, DATE, TIME OF DAY,
DATE AND TIME и STRING
Меньше (<).
Выходная булева переменная
принимает значение TRUE, если
значение первого параметра мень­
ше второго
Операнды могут быть типов BOOL,
BYTE, WORD, DWORD, SINT, USINT,
INT, UINT, DINT, UDINT, REAL,
LREAL, TIME, DATE, TIME OF DAY,
DATE AND TIME и STRING
335
Продолжение таблицы
Вид
Назначение
1
2
3
Больше или равно (>=).
Выходная булева переменная
принимает значение TRUE, если
значение первого параметра боль­
ше или равно второму
Операнды могут быть типов BOOL,
BYTE, WORD, DWORD, SINT, USINT,
INT, UINT, DINT, UDINT, REAL,
LREAL, TIME, DATE, TIME OF DAY,
DATE AND TIME и STRING
Меньше или равно (<=).
Выходная булева переменная
принимает значение TRUE, если
значение первого параметра мень­
ше или равно второму
Операнды могут быть типов BOOL,
BYTE, WORD, DWORD, SINT, USINT,
INT, UINT, DINT, UDINT, REAL,
LREAL, TIME, DATE, TIME OF DAY,
DATE AND TIME и STRING
Равно (=).
Выходная булева переменная
принимает значение TRUE, если
значение первого параметра равно
второму
Операнды могут быть типов BOOL,
BYTE, WORD, DWORD, SINT, USINT,
INT, UINT, DINT, UDINT, REAL,
LREAL, TIME, DATE, TIME OF DAY,
DATE AND TIME и STRING
Не равно (о).
Выходная булева переменная
принимает значение TRUE, если
значение первого параметра
не равно второму
Операнды могут быть типов BOOL,
BYTE, WORD, DWORD, SINT, USINT,
INT, UINT, DINT, UDINT, REAL,
LREAL, TIME, DATE, TIME OF DAY,
DATEAND TIME и STRING.
Переключатель с доминантой
включения
Входные переменные SET, RESET
и выходная переменная Q типа
BOOL
Переключатель с доминантой
выключения
Входные переменные SET, RESET
и выходная переменная Q типа
BOOL
GE
LE
-
EQ
NE
SR
RS
Тип входов и выходов
IN
IN.
R.TRIG .OUT Генерирует импульс по переднему
фронту входного сигнала
OUT
IN
IN.
F_TRIG .OUT Генерирует импульс по заднему
CZ
О
I
ГП
X
336
2 со
4 2
р __ __
фронту входного сигнала
-°
"cv
Инкрементный счетчик. По каждо­
му фронту на входе GU (переход
из FALSE в TRUE) выход CV увели­
чивается на 1. Выход О устанав­
ливается в TRUE, когда счетчик
достигнет значения, заданного
PV. Счетчик CV сбрасывается в 0
по входу RESET = TRUE
—
OUT
Входы OU, RESET и выход Q типа
BOOL, вход PV и выход CV типа
WORD
Продолжение таблицы
Вид
Назначение
Тип входов и выходов
1
2
3
Декрементный счетчик. По каждо­
му фронту на входе CD (переход
из FALSE в TRUE) выход CV умень­
CD.
CTD _Q шается на 1. Когда счетчик достиг­ Входы CD, LOAD и выход Q типа
LOADCV нете, счет останавливается, выход BOOL, вход PV и выход CV типа
Q переключается в TRUE. Счетчик WORD
PV"
CV загружается начальным значе­
нием, равным PV по входу LOAD
= TRUE
си.
CD. CTUD _QU
RESET­
-QD
LOAD "CV
PV
IN.
TP
PT~
IN_
PT~
TON
Инкрементный / декремент-ный
счетчик. По входу RESET счетчик
CV сбрасывается в 0, по входу
LOAD загружается значением PV.
По фронту на входе CU счетчик
Входы CU, CD, RESET, LOAD и вы­
увеличива-ется на 1. По фронту
ходы QU и QD типа BOOL, PV и CV
на входе CD счетчик уменьшается типа WORD
на 1 (до 0). QU устанавливается
в TRUE, когда CV больше или равен
PV. QD устанавливается в TRUE,
когда CV равен D
Таймер. Пока IN равен FALSE,
выход Q = FALSE, выход ЕТ = 0.
При переходе IN в TRUE выход Q
устанавливается в TRUE и таймер
начинает отсчет времени (в мил­
_Q
лисекундах) на выходе ЕТ до дости­
жения длительности, заданной РТ.
~ET
Далее счетчик не увеличивается.
Таким образом, выход 0 генери­
рует импульс длительностью РТ
по фронту входа IN
Входы IN и РТ типов BOOL и TIME
соответственно.
Выходы Q и ЕТ аналогично типам
BOOL и TIME
Таймер с задержкой включения.
Пока IN равен FALSE, выход Q=
FALSE, выход
ЕТ = 0. Как только IN становится
TRUE, начинается отсчет времени
(в миллисекундах) на выходе ЕТ
_Q
до значения, равного РТ. Далее
"ET счетчик не увеличивается. Q
равен TRUE, когда IN равен TRUE
и ЕТ равен РТ, иначе FALSE. Таким
образом, выход Q устанавливается
с задержкой РТ от фронта входа IN
Входы IN и РТ типов BOOL и TIME
соответственно.
Выходы Q и ЕТ аналогично типам
BOOL и TIME
337
Продолжение таблицы
IN_
вид
Назначение
Тип входов и выходов
1
2
3
TOF
PT"
Таймер с задержкой выключения.
Если IN равен TRUE, то выход Q =
TRUE и выход
ЕТ = 0. Как только IN переходит
в FALSE, начинается отсчет време­
Q
ни (в миллисекундах) на выходе
ET ЕТ. При достижении заданной
длительности отсчет останав­
ливается. Выход Q равен FALSE,
если IN равен FALSE и ЕТ равен РТ,
иначе — TRUE
Входы IN и РТ типов BOOL и TIME
соответственно.
Выходы Q и ЕТ аналогично типам
BOOL и TIME
Генератор прямоугольных импуль­
сов.
Генератор запускается по входу
ENABLE = TRUE. Длительность
импульса задается TIMEHIGH,
длительность паузы TIMELOW
Входы: ENABLE типа BOOL,
TIMELOW и TIMEHIGH типа TIME.
Выход OUT типа BOOL
ENABLE-BLINK -OUT
TIMELOWTIMEHIGH"!________
Контролирует принадлежность
значения входа IN заданному диа­
пазону.
Если значение на входе IN
IN_ UMITALAR
превышает предел HIGH,
Входы IN, HIGH и LOW типа INT.
HIGH-u то выход 0 = TRUE;
Выходы 0, U и IL типа BOOL
_’IL если меньше предела LOW,
LOW"
то выход U = TRUE;
если лежит в пределах между LOW
и HIGH (включительно),
то выход IL = TRUE
IN_
HIGHLOW"
338
HISTERESIS
_OUT
Аналоговый компаратор с гисте­
резисом. Если вход IN принимает
значение, меньшее LOW, выход
OUT устанавливается в TRUE. Если
вход IN принимает значение, боль­
шее HIGH, то выход равен FALSE.
В пределах от LOW до HIGH значе­
ние выхода не изменяется
Входы IN, HIGH и LOW типа INT.
Выход OUT типа BOOL
Окончание таблицы
Вид
1
Назначение
Тип входов и выходов
2
3
Реализует ПИД закон:
РЮ
¥ -
ACTUAL
SET.POINT LIMITS-ACT1V Е
OVERFLOW -
КР
TN
TV
Y-MAN
Y-OFFSET
Y.MIN
Y_MAX
MANUAL
RESET
LIN TRAFO
IN REAL
J REAL
W_MAX. REAL
out m:n real
OUT_MAX. REAL
OUT REAL ERROR. BOOL -
ACTUAL — измеряемое значение,
SET_POINT— уставка,
КР — коэффициент передачи,
TN — постоянная интегрирования
(мс),
TV — постоянная дифференциро­
вания (мс),
Y_MAN — значение выхода
в ручном режиме,Y_OFFSET — на­
чальное (стационарное) значение
выхода,
Y_MIN и YMAX — величины, огра­
ничивающие допустимый диапазон
выходного значения,
MANUAL — включение ручного
режима, RESET — сброс,
Y — выходное значение,
LIMITS ACTIVE — (Y=Y_MIN или
Y=Y_MAX),
OVERFLOW — переполнение
Входы ACTUAL. SETPOINT, КР,
Y_OFFSET, Y_MIN, YJVIAXmna
REAL. Входы TN и TV типа DWORD,
RESET и MANUAL типа BOOL.
Выходы Y — REAL,
LIMITS ACTVE, OVERFLOW типа
BOOL
Преобразует значение переменной
REAL, принадлежащее одному
интервалу, в пропорциональное
значение, принадлежащее другому
интервалу.
IN — входное значение,
INMIN — нижнее значение вход­
ного диапазона,
Входы типа REAL.
IN_MAX — верхнее значение
Выходы: OUT типа REAL, ERROR
входного диапазона,
типа BOOL
OUT_MIN — нижнее значение
выходного диапазона,
0UT_MAX — верхнее значение
выходного диапазона,
OUT — выходное значение,
ERROR — признак ошибки: TRUE,
если IN.MIN = INJVIAX
или если значение IN вышло
за пределы входного диапазона
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. СОПОСТАВЛЕНИЕ ОПЕРАТОРОВ ЯЗЫКОВ
FBD, LD, IL И ST, ВЫПОЛНЯЮЩИХ ОДИНАКОВЫЕ ФУНКЦИИ
Операторы присваивания
FBD
А------ X ч А
А—О---- X Ч/А
А--- [S]-X ч А
А--- [R]—X ч А
LD
X
:)
Д
IL
ST
LD А
STX
X: =А;
—
LDN А
STX
X: = NOT (А);
—
LDA
SX
IF A THEN
Х:= TRUE
ENDJF
LD А
RX
IF A THEN
X:= FALSE
ENDJF
—
—
X
А
Битовые операторы
FBD
NO
AND
i
С
П
>
__
A-
OR
AB-
-X
-X
-X
—
A X
4 h--- (/)
A
X
к
A
4в
4 X
---- !
A
AB-
340
IL
LD
XOR
-X
ST
LDA
STNX
X: = N0T(A);
LDA
AND В
STX
X: = AAND B;
LDA
ORB
STX
X: = AORB;
LDA
XOR В
STX
X: = AXORB;
В
Ч нчA
В
Ч/H H
Сдвиговые операторы
FBD
LD
SHL
А1-
-х
А1-
SHR
А4-
-X
А4-
>
I
ю
I
ROL
-х
А2-
ROR
А1-
-х
А1-
IL
SHL
EN
LD А
SHL1
STX
X: = SHLCA, 1);
LDA
SHR 4
STX
X: = SHR (А, 4);
-X
LDA
ROL2
STX
X: = ROL (А, 2);
-X
LD А
ROR1
STX
X: = ROR (А, 1);
-х
SHR
EN
-х
ROL
EN
ROR
EN
ST
Арифметические операторы
LD
FBD
ADD
EN
ADD
-X
l
А1-
в-
_____
-х
I
MUL
A4-
I
-X
SUB
EN
MUL
EN
ST
-x
LDA
ADD1
STX
X:=A+1;
-X
LDA
SUB 4
STX
X: =A —4;
-X
LDA
MUL В
STX
X: =A*B;
l
SUB
А4-
А-
IL
341
Окончание таблицы
FBD
Ав-
12-
8-
LD
DIV
-X
АВ-
MOD
-х
128-
DIV
EN
MOD
EN
IL
ST
-х
IDA
DIV В
STX
X: =A/B;
-X
LD12
MOD 8
STX
X: = 12M0D8;
Работа с числами с плавающей точкой
342
Операторы выбора
FBD
LD
i
-х
МАХ
А1-
-X
-X
LDA
MAX1
STX
X: = MAX(A,1);
-x
LD-8
LIMIT A, 5
STX
X: = LIMIT (-8, A,5);
или
X=:-8 IFA < -8;
X=:5IFA>5;
>C O
CM
SEL
-х
-x
LDA
SEL 10, В
STX
X: = SEL (A,10, BJ;
или
X=: 10 IF A IS FALSE;
X=: В IFAISTRUE5;
MUX
-x
LDA
MUX 0,10, В
STX
-х
LIMIT
EN
_ L_L_
-X
в-
А010в-
X: = MIN (A, BJ;
MAX
EN
A-1-
LIMIT
5-
А10-
-X
LDA
MIN В
STX
i
в-
-8А-
ST
MIN
EN
MIN
А-
IL
A10B-
A-010-
SEL
EN
MUX
EN
X: = MUX (A,0,10, B);
или
X=: 0 IF A IS 0;
X=: 10IFAIS1;
X=: В IF AIS 2;
343
Операторы сравнения
344
Логарифмические операторы
FBD
А-
А-
А-
LD
ЕХР -X
LN
-X
LOG -X
ААА-
ЕХР
EN
LN
EN
LOG
EN
IL
ST
-х
LDA
EXP
STX
X: = EXP (A);
-х
LDA
LN В
STX
X: = LN (A);
-X
LDA
LOG В
STX
X: = LOG(A);
Тригонометрические операторы
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ
ЗАДАЧ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЯЗЫКОВ МЭК 61131-3
Примеры приведены при их реализации в пакете CoDeSys.
1. Управление светом в коридоре
Условие задачи. Для управления освещением в длинном коридоре
используются три переключателя:
• Msw — главный переключатель (Main switch);
• Bsw — переключатель в начале коридора (Beginning switch);
• Esw — переключатель в конце коридора (Ending switch).
Подача питания в коридор осуществляется с помощью общего
выключателя Msw.
Необходимо решить задачу включения/выключения света с по­
мощью любого из двух переключателей Bsw и Esw, установленных в раз­
ных концах коридора. Для того чтобы зажечь свет при входе в коридор
с одной стороны, необходимо переключить Bsw, а чтобы свет погас
на выходе с другой стороны коридора, необходимо переключить Esw.
При заходе в коридор с другой стороны последовательность действий
с переключателями должна быть обратная. Задание иллюстрируется
схемой, представленной на рис. П5.1.
Общий выключатель
| Msw |
Рис. П5.1. Схема задачи по управлению светом в коридоре
Решение задачи. Решение любой задачи начинается с формирова­
ния списка переменныхи их описания. Чаще всего список переменных
и их описание не зависят от того, на каком языке создается програм­
ма. Ниже представлено описание переменных в области переменных
пакета CoDeSys.
PROGRAM PLC_PRG
VAR Msw, bsw, esw: BOOL; (*переключатели главный, в начале
и конце коридора соответственно*)
sost: BOOL; ^вспомогательная булева переменная*)
light: BOOL; (*включение *)
END_VAR
346
Представим решение задачи с помощью программы, написанной
на языке ST.
sost:=esw XOR bsw;
IF sost AND msw THEN light:=TRUE;
ELSE light:=FALSE;
END_IF;
Ниже на рис. П5.2 приведено решение этой же задачи с помощью
программы, написанной на языке LD.
Рис. П5.2. Программа по управлению светом в коридоре на языке LD
2. Подсчет людей в комнате и управление в ней светом
Условие задачи. На входе установлены два дискретных датчика:
один снаружи комнаты, другой внутри. Человек, входя или выходя,
перекрывает собой по ширине оба датчика. Когда срабатывает сна­
чала внешний датчик, затем внутренний, это означает, что человек
зашел в комнату. Когда срабатывает сначала внутренний датчик, затем
внешний, это означает, что человек вышел из комнаты.
Рис. П5.3. Иллюстрация задачи по подсчету людей в комнате и управлению в ней светом
347
Необходимо определять количество людей, находящихся в ком­
нате. Пока в комнате есть хотя бы один человек, свет должен быть
включен. Если из комнаты вышел последний человек, свет должен
быть выключен. Иллюстрация задачи по подсчету людей в комнате
и управлению в ней светом представлена на рис. П5.3.
Решение задачи. Будем считать, что внутренний датчик будет под­
ключен к первому входу контроллера. Его состояние будет задавать
значение переменной ех. Внешний датчик будет подключен ко второму
входу контроллера. Его состояние будет задавать значение перемен­
ной in. Первым выходом контроллера будем управлять лампой. Его
состояние будет определять в программе переменная lamp. Определим
это в конфигурации ПЛК. Как это делается в пакете CoDeSys для
контроллера ОВЕН ПЛК160, показано на рис. П5.4.
. ;
Cc-Csiy : - Ctei.pro - [Конфигурация ПЛК]
гагФайл
Правка
Проект
Ресурсы
0-CJ Глобальные перемени
Вставка
Дополнения
Онлайн
Окно
Справка
S-... Fast discrete inputsfSLOT]
ЕЭ ’О библиотека ANALYZA’
......ex AT %IX0.0: BOOL; (* Discrete input 1 *) [CHANNEL (I)]
El-Q библиотека IECSFC.LIE
......in AT %IX0.1: BOOL; (* Discrete input 2 *) [CHANNEL (l)l
...S3.Бортжурнал
d
.. Конфигурация задач
—й Конфигурация тревог н
.. Менеджер библиотек
.. Менеджер параметроЕ
.. 'Ц, Менеджер просмотра
.. Настройки целевой пл
... й ПЛК-Браузер
.... - AT %IX0.2: BOOL; (* Discrete input 3 *> [CHANNEL (l)I
......AT %IX0.3: BOOL; (* Discrete input 4 *) [CHANNEL (I)]
...
0.... Discrete inputs[FIX]
□—Discrete outputs[FIX]
□.... AT %QB2.0: BYTE; (* 8 discrete outputs *) [CHANNEL (Q)l
...... lamp AT %QX2.0.0: BOOL; (* Bit 0 *)
...... AT%QX2.0.1: BOOL; (* Bit 1 *>
...... AT %QX2.0.2: BOOL; (* Bit 2 *)
... 5^ Рабочая область
...... AT %QX2.0.3: BOOL; (* Bit 3 *)
... Цифровая трассировк
— AT %QX2.0.4: BOOL; (* Bit 4 *)
......AT %QX2.0.5: BOOL; (* Bit 5 *}
...... AT %QX2.Q.6: BOOL; (* Bit 6 *)
.... - AT %QX2.0.7: BOOL;
Bit 7 *)
0.... AT %QB2.1: BYTE; (* 4 discrete outputs *) [CHANNEL (Q)J
0.... Fast analog inputs[FIX[
0... Analog outputs[FIX]
0.... Special input[FIX]
0.... Special output[FIXj
2_________________________________ L___
Й
уЗагоузка биАпиотеки'CAProoram FllesYSS SoftwaretooDaSvs V2 34JbraMi
I
[ОНЛАЙН [W [ПРОСМОТР
I I
Рис. П5.4. Конфигурирование контроллера
Обязательным условием того, что программа должна изменить на
единицу счетчик количества людей в комнате, является одновременное
348
срабатывание внутреннего и внешнего датчиков. Однако если замы­
кание внешнего датчика произошло хотя бы на один цикл программы
раньше (человек входил), то значение счетчика надо увеличить. Если
же первым замкнулся внутренний датчик (человек выходил), то значе­
ние счетчика надо уменьшить, т.е. надо учитывать не только текущее
состояние датчиков, но и каково было их состояние на предыдущем
цикле программы.
Таким образом, нам в программе понадобятся три переменные, не
связанные со входами-выходами контроллера. Переменная ludi будет
принимать значение, равное числу людей, находящихся в данный
момент времени в комнате, переменная pin будет отражать значение
переменной in (состояние внешнего датчика) на предыдущем цикле
программы, рех — значение переменной ех (состояние внутреннего
Q>3 CaDeSys - Свет.рго
4b Файл
Правка
Проект
Вставка
Дополнения
Онлайн
Окно
рТ6ь
Справка
Т] о|о|о|ню]а|-°|а|-
0001 PROGRAM PLC_PRG
G3POU
0002 VAR
PLC.PRG IPRG1
0003
ludiWORD;
0004
pin,pex:BOOL;
JUmSjRJD.VAR
< i__;
ioHЛАЙН
[5am
ПРОСМОТР
Рис. I1S.5. Описание переменных и реализация программы
349
датчика) на предыдущем цикле программы. Зададим для переменной
ludi формат Word, переменные pin и рех определим как булевы. В обла­
сти переменных пакета CoDeSys это можно сделать так, как показано
на рис. П5.5. На этом же рисунке представлено и решение задачи.
Используя средства пакета CoDeSys, для проверки правильности
работы программы можно создать ее визуализацию. Пример проекта
по визуализации задачи представлен на рис. П5.6.
Рис. П5.6. Визуализация задачи по подсчету людей в комнате и управлению в ней светом
3. Система пожарной сигнализации здания
Условие задачи. В здании две одинаковые комнаты. В каждой ком­
нате установлены три пожарных датчика, кнопка ручного включения
сигнализации и кнопка ручного отключения сигнализации. Для каж­
дой комнаты предусмотрена сигнальная лампа. Сигнализация пожара
является общей для обеих комнат.
Если в комнате срабатывает хотя бы один из датчиков, то загорается
сигнальная лампа для соответствующей комнаты. Лампа гаснет, если
все датчики в комнате отключены.
Если в комнате срабатывают любые два из трех датчиков, то вклю­
чается пожарная сигнализация. Сигнализация работает до тех пор,
пока ее не отключат соответствующей кнопкой.
Сигнализация может быть включена кнопкой включения вне за­
висимости от состояния датчиков.
350
Задание иллюстрируется схемой, представленной на рис. П5.7.
Датчик 1
Датчик
Выкп. тревогу
Тревога
плк
Датчик 1
Датчик 3
Выкп. тревогу
Тревога
Рис. П5.7. Схема задачи по управлению системой пожарной сигнализации в здании
Решение задачи разобьем на несколько частей. Обратим внимание,
что действия по снятию и обработке информации в каждой комнате
осуществляются одинаково. Для анализа срабатывания двух датчи­
ков из трех и для обработки сигналов в комнате создадим отдельные
программные модули — функцию и функциональный блок. Для до­
бавления каждой новой функции и функционального блока необхо­
димо во вкладке POU с помощью контекстного меню выбрать пункт
«Добавить объект» (рис. П5.8).
Для анализа срабатывания двух датчиков из трех создадим на языке
ST функцию и назовем ее log2_3. Данные действия произведем в окне,
открывающемся после указания о добавлении в состав POU нового
объекта (рис. П5.9).
Функция должна выдавать на выходе сигнал типа логической 1
при наличии на двух из трех входов не менее двух сигналов типа ло­
гической 1.
Опишем переменные в области переменных пакета CoDeSys.
351
©эйп Правка Проект вставка Дополнения Оипейн
Переименовать объект.,.
Редактировать объект
Кс«тир«ать объект
Удалить объект
Конвертировать объект...
TOOO:Ob>efct expatieren,.,
Свойства объекта...
вам данных проекта
ъ
Добавить действие
Новая папка
Сохранить как шаблон...
Исключить из ксегмпяции
Рис. П5.8. Добавление функции или функционального блока
Рис. П5.9. Добавление функции для анализа срабатывания 2 датчиков из 3
352
FUNCTION log2_3: BOOL
VAR INPUT
ini, in2, in3: BOOL; (*входы функции*)
END_VAR
VAR
END_VAR
Представим реализацию функции с помощью программы, напи­
санной на языке ST.
IF (ini AND in2) OR ((ini AND in3)) OR (in2 AND in3) THEN
log2_3:=l;
ELSElog2_3:=0;
END IF;
Функциональный блок для обработки сигналов в комнате назовем
room, создадим его на языке LD (рис. П5.10).
Рис. 15.10. Добавление функционального блока обработки сигналов для комнаты
Опишем в области переменных пакета CoDeSys переменные этого
функционального блока.
FUN CTION BLOCK room
VAR INPUT
datl, dat2, dat3: BOOL; (*сигналы с датчиков пожарной безопас­
ности в комнате*)
knop_trevog, sbros_trevog: BOOL; (*внешние кнопки включения
и сброса тревоги*)
353
Iogika23: BOOL; (*сигнал о срабатывании 2 пожарных датчиков*)
ENDVAR
VAROUTPUT
signjamp, signjrevog: BOOL; (*сигнальная лампа комнаты и сиг­
нал тревоги*)
ENDVAR
VAR
END_VAR
Для реализации действий функционального блока создадим про­
грамму (рис. П5.11).
feiBfaM Поо% з cfoi rrfofofoi ofofol а|ж|е|я
3001
3003
dat 1
dat2
dat3
signjamp
Iogika23
knopjrewog
sign_trewog
sbrosjrewog
signjrewog
Рис. П5.11. Функциональный блок обработки сигналов для комнаты на языке LD
Используя разработанные функциональные блоки, перейдем к со­
зданию основной программы. Опишем в области переменных пакета
Со DeSys переменные, с которыми будет работать основная программа.
PROGRAM PLCPRG
VAR
dat 11, dat 12, datl3, dat21, dat22, dat23: BOOL; (*датчики пожарной
сигнализации в комнатах*)
sign 1, sign2: BOOL; (*сигнальные лампы комнат*)
354
alarm: BOOL; (*сигнал тревоги*)
trevogl, sbrosl, trevog2, sbros2: BOOL; (*внешние кнопки тревоги
и сброса
тревоги*)
rooml: room; (*блок пожарной сигнализации 1 комнаты*)
room2: room; (*блок пожарной сигнализации 2 комнаты*)
ENDVAR
Используя созданные ранее функцию и функциональный блок,
создадим программу, осуществляющую обработку данных в каждой
из комнат (рис. П5.12).
гаогяЗ
joom
Рис. П5.12. Основная программа на языке CFC
Для проверки правильности работы программы можно создать ее
визуализацию. Пример проекта по визуализации задачи представлен
на рис. П5.13.
355
4. Автоматическая мойка машин
Условие задачи. Создается автомойка, работающая в автоматичес­
ком режиме. Мойка выполняет после нажатия кнопки «Пуск», и до
сброса этой кнопки все действия самостоятельны. Программа уп­
равляет двумя воротами с датчиками конечных положений (на въезд
и на выезд), помывочной системой и подсчитывает число вымытых
машин по сигналу с бесконтактного датчика. Помывочная платформа
также оснащена двумя датчиками (в начале и конце платформы) для
контроля наличия автомобиля. После заезда машины на платформу
водителю дается 10 с на выключение зажигания и запирание двери.
После этого на 2 минуты включается режим мойки. После его окон­
чания открываются ворота на выезд. Через 5 с после выезда машины
выходные ворота закрываются и открываются въездные.
Решение задачи. Решение задачи начинается с составления списка
переменных и описания их типов. Система управления включает 7
дискретныхдатчиков, 5 дискретных сигналов управления, 3 временных
параметра, кнопку включения системы и счетчик. Для инициализации
системы при первом запуске и фиксации события проезда необходимо
356
двум переменным задать начальные значения. Произведем последова­
тельно необходимые описания в области переменных пакета CoDeSys.
(*датчики положения ворот*)
dat_vorotl_open: BOOL; (* бесконтактный датчик открытия въез­
дных ворот *)
dat_vorotl_close: BOOL; (* бесконтактный датчик закрытия въез­
дных ворот *)
dat_vorot2_open: BOOL; (* бесконтактный датчик открытия вы­
ездных ворот *)
dat_vorot2_close: BOOL; (* бесконтактный датчик закрытия вы­
ездных ворот *)
(*датчики наличия автомобиля на помывочной платформе*)
dat_pl_vh: BOOL; (* бесконтактный датчик на въезде на помывоч­
ную платформу *)
dat_pl_vyh: BOOL; (* бесконтактный датчик на выезде с помывоч­
ной платформы *)
Сдатчик проезда автомобиля через выходные ворота*)
dat_proezd: BOOL;
(*сигналы управления *)
vorotl open: BOOL; (* сигнал открытия въездных ворот *)
vorot2_open: BOOL; (* сигнал открытия выездных ворот *)
vorotl_close: BOOL; (* сигнал закрытия въездных ворот*)
vorot2_close: BOOL; (* сигнал закрытия въездных ворот *)
moyka: BOOL; (* включение мойки *)
(*временные задержки*)
t_vyezd: TIME:=t#5s; (* время задержки закрытия выходных ворот
после выезда машины *)
t_zad_vkl_moyky: TIME:=t# LOS; (*время задержки включения мой­
ки после въезда машины на платформу*)
t_moyky: TIME:=t#2m; (*время мойки*)
(*кнопка включения системы и счетчик*)
chislo_mashin: INT; (*счетчик*)
pusk: BOOL; (* кнопка запуска *)
^начальные значения*)
init: BOOL:= 1;
proezd: BOOL;
357
Разработку программы управления проведем по частям. В первом
блоке программы (рис. П5.14) при срабатывании обоих датчиков конт­
роля положения машины на платформе закрывается дверь въездных
ворот и после технологической задержки (выключить зажигание, двери
запереть) включается на заданное время режим мойки. Через 2 мин
он отключается и открываются ворота на выезд.
| ПРОЦЕСС мойки |
ton1
ton
IN
Q--------- r-|s]moyka
zad.vkl moyky h—4PT ЧЗУ ETI—
■а
-...............
•-------------------
LunsfeJ-----|vorot1 close Ф
Рис. П5.14. Первый блок программы — задание технологической задержки и времени
мойки при наличии машины на платформе
В втором блоке программы (рис. П5.15) обрабатывается ситуация
выезда машины из мойки. После появления заднего фронта с датчика
проезда инициируется событие проезда и увеличивается счетчик ма­
шин (счетчик реализован с помощью сумматора, если использовать
стандартный счетчик CTU, то тогда необязательно отлавливать фронт).
Рис. П5.15. Второй блок программы — подсчет выезжающих из мойки машин
Третий блок (рис. П5.16) реализует событие выезда. При возник­
новении события проезда через заданный промежуток времени за­
крываются выездные ворота и открываются въездные. Для открытия
въездных ворот отрабатывается также ситуация инициализации.
358
Рис. П5.1В. Третий блок программы — реализация события выезда
Четвертый блок (рис. П5.17) осуществляет обработку сигналов
концевиков — датчиков конечных положений.
ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ С ДАТЧИКОВ КОНЕЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ
____
| dat,vorot2.open |—|R|vorot2
open |ГГб1
—
it .open | cyo-i
| dat.vorotl open Hr-|RR|vinorot1
—
19]
RR vorot2
cl
p
ee>
proezd close 21
| dat vorot1 close R vorotl
Рис. П5.17. Четвертый блок программы — обработка сигналов концевиков
В этом блоке программы по состоянию концевых датчиков ос­
танавливаются соответствующие приводы и сбрасываются события
инициализации и проезда.
359
библиографический список
1. БрокаревА.Ж., Петров И.В. Программируемые логические контрол­
леры, МЭК системы программирования и CoDeSys //Автоматизация
и производство. 2006. № 1. С. 28-30.
2. Казанцев А.А. Языки для ПЛ К.URL: http://prodcs.ru
3. Кангин В. В., Козлов В. Н. Аппаратные и программные средства систем
управления. Промышленные сети и контроллеры: Учеб, пособие.
М.: БИНОМ: Лаб. базовых знаний, 2010.
4. Шишов О.В., Бобров М.А., Гераськин Е.В., Вильдеманов А.В. Комп­
лексное оснащение учебной лаборатории по изучению элементов
систем промышленной автоматизации. URL: http://joumal.mrsu.ra/
5. Минаев И.Г., Самойленк В.В. Программируемые логические контрол­
леры: Практ. рук-во для начинающего инженера. М.: АГРУС, 2009.
6. Парр Э. Программируемые контроллеры: Рук-во для инженера. 3-е
изд: Пер. англ. М.: БИНОМ, 2007.
7. Петров И.В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки
и приемы прикладного проектирования / Под ред. В.П. Дьяконова.
М.: СОЛОН+Пресс, 2004.
8. Петров И.В., Вагнер Р. Отладка прикладных ПЛК программ
в CoDeSys // Промышленные АСУ и контроллеры. 2006. № 4.
9. Туманов М.П. Технические средства автоматизации и управления:
цифровые средства обработки информации и программное обеспе­
чение: Учеб, пособие / Под ред. А.Ф. Каперко. М.: МГИЭМ, 2005.
10. ШишовО.В. Технические средства автоматизации и управления. М.:
ИНФРА-М, 2011. 397 с. + CD-R.
11. Шишов О.В. Современные технологии промышленной автоматиза­
ции. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2009.
12. Шишое О.В. Современные технологии автоматизации: Электрон,
учебник. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2008.
13. ШишовО.В. Программирование релейных контроллеров: Лаб. прак­
тикум. Саранск: ИП Афанасьев В.С., 2013.
14. Шишов О.В. Преобразователи частоты в системах автоматизации
технологических процессов: Лаб. практикум. Саранск: ИП Афана­
сьев В.С., 2013.
15. ШишовО.В. Конфигурирование, программирование и работа в сети
базовых компонентов систем промышленной автоматизации: Лаб.
практикум. Саранск: ИП Афанасьев В.С., 2014.
16. Шишов О. В. Стенды для комплексного изучения систем промыш­
ленной автоматизации //Автоматизация и производство. 2014. № 1.
С. 36-37.
360
17. Шишов О.В. Элементы систем автоматизации. Контроллеры, опе­
раторные панели, модули удаленного доступа: Лаб. практикум. Са­
ранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2015.
18. Шишов О.В. Элементы систем автоматизации. ПЧВ: Лаб. практикум.
Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2015.
19. Шишов О.В. Элементы систем автоматизации. Релейные контролле­
ры: Лаб. практикум. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2015.
20. Шишов О.В. Унифицированные монтажные конструктивы для уста­
новки оборудования систем автоматики // Электроника и информа­
ционные технологии. 2011. Вып. 2. URL: http//fetmag.mrsu.ru/ 2011-2
21. ШишовО.В. Интеллектуальные датчики в системах промышленной
автоматизации // Электроника и информационные технологии. 2011.
Вып. 2. URL: http//fetmag.mrsu.ru/ 2011-2
22. Шишов О.В., Бобров М.А. Специализированные интерфейсы в сис­
темах «умного дома». URL: http://journal.mrsu.ru/
23. ШишовО.В., Гераськин Е.В. Распределение адресов переменных в поле
данных протокола Modbus. URL: http://joumal.mrsu.ru/
24. Программируемые логические контроллеры: ОВЕН ПЛК. URL:
www.owen.ru
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................3
1.
ПРОМЫШЛЕННЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ - ОБЩАЯ АРХИТЕКТУРА
И АППАРАТНЫЕ РЕСУРСЫ.................................................................... 5
1.1. Общее определение промышленных контроллеров................................ 6
1.2. Архитектура ПЛК...................................................................................... 12
1.2.1. Структурные компоненты контроллеров....................................... 13
1.2.2. Системное и прикладное программное обеспечение.................... 23
1.2.3. Функциональные ресурсы, предоставляемые
прикладной программе.......................................................... 29
1.3. Классификация контроллеров................................................................. 32
2.
ПРОГРАММИРОВАНИЕ КОНТРОЛЛЕРОВ........................................... 50
2.1. Языки программирования промышленных
контроллеров.................................................................................... 50
2.1.1. Требования к языкам программирования.
Стандарт МЭК 61131-3.......................................................... 50
2.1.2. Особенности программирования ПЛК.......................................... 54
2.1.3. Общие элементы языков стандарта МЭК 61131-3......................... 57
2.1.4. Язык релейных диаграмм................................................................ 66
2.1.5. Язык функциональных блоковых диаграмм...................................82
2.1.6. Язык инструкций.............................................................................. 84
2.1.7. Язык структурированного текста.................................................... 89
2.1.8. Язык последовательных функциональных блоков........................ 93
2.1.9. Язык непрерывной потоковой схемы............................................. 95
2.2. Функции и структура систем подготовки проектов............................. 96
2.3. Пакеты создания проектов различных компаний................................. 101
2.4. Достоинства и недостатки стандарта МЭК 61131-3.............................. 112
3.
ПРОМЫШЛЕННЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ
НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ...........................................................117
3.1. Зарубежные и отечественные производители контроллеров
И их продукция................................................................................. 117
3.2. Критерии выбора контроллеров различными потребителями............ 153
362
4.
ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
НА БАЗЕ УНИВЕРСАЛЬНЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ.......................... 158
4.1. Роль и место контроллеров
в структуре систем управления....................................................... 158
4.2. Программно-технические комплексы
для построения систем автоматизации........................................... 170
4.2.1. Характеристики ПТК..................................................................... 170
4.2.2. Классификация ПТК..................................................................... 180
4.2.3. Особенности выбора ПТК для конкретного объекта.................. 183
4.3. Средства организации человеко-машинного интерфейса.................. 187
4.3.1. Операторные панели..................................................................... 188
4.3.2. Панельные контроллеры...............................................................204
4.4. Цифровые промышленные сети.............................................................212
4.4.1. Требования к ЦПС, их общая классификация
и принципы построения...................................................... 212
4.4.2. Типовые стандартные ЦПС............................................................226
4.4.3. Беспроводные локальные сети
для промышленного применения........................................262
4.4.4. Специализированные сетевые интерфейсы................................. 271
4.5. Устройства связи с объектами................................................................. 276
4.5.1. Нормирующие преобразователи.................................................. 278
4.5.2. Устройства удаленного сбора данных и управления................... 294
4.5.3. Интеллектуальные датчики
и исполнительные устройства.............................................. 312
5. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ ПО ИЗУЧЕНИЮ КОНФИГУРИРОВАНИЯ
И ПРОГРАММИРОВАНИЯ БАЗОВЫХ КОМПОНЕНТОВ СИСТЕМ
ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ............................................ 329
5.1. Представление стендов и общей методики
проведения лабораторных работ............................................... 329-1
5.2. Программирование контроллеров................................................... 329-11
5.2.1. Основные принципы организации работ
по изучению программирования контроллеров............ 329-11
5.2.2. Лабораторная работа № 1 «Программирование
контроллеров ОВЕН ПЛК100 в пакете CoDeSys»........ 329-11
5.3. Организация сетевого обмена данными между контроллерами
и модулями удаленного ввода-вывода...................................... 329-35
5.3.1. Основные принципы организации
общей работы контроллеров и модулей удаленного
ввода-вывода в сети Modbus............................................ 329-35
363
5.3.2. Лабораторная работа № 2 «Подключение
к контроллеру ОВЕН ПЛК110 модулей
удаленного ввода-вывода Мх110».................................. 329-37
Открытие конфигурации из файла.................................................... 329-43
Считывание конфигурации из прибора............................................ 329-43
Запись значений параметров в прибор............................................. 329-44
Анализ входов (выходов) прибора..................................................... 329-45
Применение параметров....................................................................329-45
Сохранение конфигурации в файл.................................................... 329-46
5.4. Работа контроллеров с операторными панелями........................... 329-70
5.4.1. Основные принципы организации
общей работы контроллеров и операторных панелей
в сети Modbus................................................................... 329-70
5.4.2. Лабораторная работа № 3 «Конфигурирование
операторной панели ИП320. Работа панели
и контроллера ОВЕН ПЛК100 в сети Modbus»............ 329-73
5.4.3. Лабораторная работа № 4 «Конфигурирование
операторной панели СП270. Работа панели
и контроллера ОВЕН ПЛК100 в сети Modbus»........... 329-98
5.4.4. Лабораторная работа № 5 «Работа контроллера
ОВЕН ПЛК150 с аналоговыми сигналами,
их отображение на операторной панели»................... 329-113
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАЩИТЫ КОРПУСОВ
ПО СТАНДАРТУ МЭК 60529 (IP-КЛАССИФИКАЦИЯ)............................... 330
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. КЛАССИФИКАЦИЯ СТЕПЕНИ ЗАЩИТЫ
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПО СТАНДАРТУ NEMA................................. 332
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. КОМАНДЫ ЯЗЫКА FBD - ФУНКЦИИ,
ТИПЫ ВХОДОВ И ВЫХОДОВ.................................................................... 334
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. СОПОСТАВЛЕНИЕ ОПЕРАТОРОВ ЯЗЫКОВ FBD,
LD, IL И ST, ВЫПОЛНЯЮЩИХ ОДИНАКОВЫЕ ФУНКЦИИ.................... 340
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ
ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЯЗЫКОВ
МЭК61131-3................................................................................................346
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................................... 360
По вопросам приобретения книг обращайтесь:
Отдел продаж «ИНФРА-М» (оптовая продажа):
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел. (495) 280-33-86 (доб. 218, 222)
E-mail: bookware@infra-m.ru
Отдел «Книга—почтой»:
тел. (495) 280-33-86 (доб. 222)
ФЗ
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11
Учебное издание
Шишов Олег Викторович
ПРОГРАММИРУЕМЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ
В СИСТЕМАХ ПРОМЫШЛЕННОЙ
АВТОМАТИЗАЦИИ
Учебник
Оригинал-макет подготовлен в НИЦ ИНФРА-М
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru
http://www.infra-m.ru
Подписано в печать 05.04.2021
Формат 60x90/16.
Бумага офсетная. Гарнитура Newton. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 22,8.
ППТЗО. Заказ №04115
Цена свободная.
ТК 391600-1206071-050216
Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
УВАЖАЕМЫЕ КОЛЛЕГИ И ПАРТНЕРЫ!
ВАС ПРИВЕТСТВУЕТ
ГРУППА КОМПАНИИ «ИНФРА-М»
Мы представляем крупнейший холдинг в мире ака­
демической книги, объединяющий 11 российских
и зарубежных издательств; специализирующийся
на издании и распространении научной и учебной
литературы.
«ИНФРА-М» издает учебники, учебные пособия
для высшего и среднего профессионального обра­
зования, научные монографии, справочники и энци­
клопедии. На сегодняшний день в нашем ассорти­
менте более 7000 изданий по экономическому,
юридическому, инженерно-техническому, гумани­
тарному, естественно-научному направлениям;
по сельскому хозяйству, строительству и архи­
тектуре, здравоохранению, сервису и туризму.
Ежегодно в группе компаний выходит свыше
1000 новинок. Кроме того, «ИНФРА-М» вы­
пускает 30 научных журналов, 16 из них вклю­
чены перечень ВАК.
Наша Электронно-библиотечная система
(ЭБС) Znanium.com, предлагает вам более
40 000 эксклюзивных изааний в основной кол­
лекции — электронных учебников, учебных пособий,
монографий, справочников, научных журналов,
диссертаций и научных статей. Вместе с ресур­
сами открытого доступа в ЭБС содержится более
3 млн произвеаений. Кроме того, мы предлагаем
услугу создания ЭБС вуза, в том числе для разме­
щения ВКР на платформе Znanium.com.
По вопросам комплектования
Тел.: (495) 280-15-96 (доб. 519, 225, 226, 267)
E-mail: books@infra-m.ru
По вопросам подключения к ЭБС
Тел.: (495) 280-15-96 (доб. 228, 239, 293, 455, 510, 518, 560)
Техническая поддержка:
ebs_support@infra-m.ru
По вопросам издания учебной и научной литературы
Гпавный редактор: Прудников Владимир Михайлович
Тел.: (495) 280-15-96 (доб. 291)
E-mail: prudnik@infra-m.ru
По вопросам издания на коммерческой основе
Руководитель издательских проектов:
Чистякова Анастасия Игоревна
Тел.: (495) 280-15-96 (доб. 393)
E-mail: cai@infra-m.ru
ГРУППА
КОМПАНИЙ
ИНФРА-М