Geum.ru

Программно-технический комплекс Учебное пособие Новочеркасск юргту (нпи) 2010. Удк 519. 23 (075. 8) Ббк 22. 17я73

Вид материалаУчебное пособие

Содержание


Контрольные вопросы
ГЛАВА 4. ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ ТИПОВЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ 4.1. Промышленные контроллеры для автоматизации технологических процессов
Централизованная архитектура
Территориально распределенная
Промышленные контроллеры компании Модульные Системы Торнадо.
Промышленные контроллеры серии MIF
MIF-контроллер состоит из одного или двух крейтов, которые содержат до 15 или 30 MIF
MIF-модуль выполнен в стандарте «Евромеханика» 6U
MIF-модулей имеют свои отличительные особенности, ориентированные на выполнение специализированных задач автоматизации, именно п
MIF-360 используется только один канал SCC
MIF-контроллера выбиралась из так называемых "полевых" шин (сетей): Profibus
Сопряжение с "полевым" уровнем.
Выбор элементной базы MIF-модуля.
MIC-CB, устанавливаемых в крейте стандарта 3U
MIC обладают характерными особенностями: конструктивное исполнение контроллеров в стандарте ««Евромеханика 3U
RS-485 с протоколом Modbus
Подобный материал:
1   ...   34   35   36   37   38   39   40   41   ...   52

Контрольные вопросы

    1. Дайте краткие характеристики известных Вам компьютерных шин и сравните их по параметрам.
    2. Дайте краткую характеристику нового аппаратного стандарта CompactPCI.
    3. Охарактеризуйте особенности стандарта FUTUREbus+.
    4. Изложите основные принципы программирования программируемого логического контроллера.
    5. Изложите кратко принципы выбороа контроллерных средств.
    6. Охарактеризуйте современные принципы взаимодействия компонентов контроллеров.
    7. На основе каких принципов осуществляется на современном этапе проектирование распределенных систем управления?
    8. Приведите основные принципы концепции открытой модульной архитектуры контроллеров – OMAC.
    9. Проанализируйте архитектура производственной базы данных реального времени.
    10. Приведите основные принципы современной эволюция стандарта PCI для жестких встраиваемых приложений.
    11. Проведите анализ исполнительной системы ISaGRAF 5++ACE Target как целевой системы высокой производительности.
    12. Дайте краткую характеристику одно- и многоуровневым системам диспетчерского контроля и управления.
    13. Проанализируйте основные технологии и протоколы передачи данных в промышленности: Industrial Ethernet.
    14. Перечислите пути повышения надежности и отказоустойчивости АСУ ТП с использованием резервированного кольца Turbo Ring.
    15. Проведите анализ архитектур контроллеров с параллельной шиной.
    16. Перечислите пути повышения требований к устойчивости функционирования небольших контроллеров.
    17. Перечислите недостатки классической параллельной шины.
    18. Каковы возможности использования локальной сети внутри контроллера вместо параллельной шины?
    19. К каким преимуществам приводит замена параллельной шины внутри контроллера на локальную сеть?

ГЛАВА 4. ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ ТИПОВЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ

4.1. Промышленные контроллеры для автоматизации технологических процессов


Программно-технические комплексы «Торнадо» базируется на трех типах промышленных технологических контроллеров, которые позволяют создавать оптимальные комплексы различного информационного объема и назначения (рис. 4.1). Технологические контроллеры, разработанные компанией «Модульные Системы Торнадо», имеют 100%–ную программную совместимость друг с другом и контроллерами других производителей, поддерживают единые стандарты и протоколы, используют одну и ту же ОС РВ OS-9 и среду технологического программирования ISaGRAF. Это позволяет не только минимизировать затраты на разработки программ, сопровождение и сервис поставляемых на их основе ПТК, но и масштабировать создаваемые ПТК по стоимости, компоновке, условиям эксплуатации, конструктивному исполнению и другим характеристикам.




Рис. 4.1. Технологический контроллер компании «Модульные Системы Торнадо»
Архитектура контроллеров компании «Модульные Системы Торнадо». Промышленные контроллеры создаваемые сегодня компанией «Модульные Системы Торнадо», имеют как распределенную, так и централизованную архитектуру. Поддержка этих архитектур обусловлена желанием сочетать преимущества каждой из них, для оптимального решения различных задач.

Централизованная архитектура контроллеров является наиболее распространенной и обладает наилучшими характеристиками по быстродействию, электромагнитной совместимости, высокими эксплуатационными характеристиками по вибро-ударопрочности, условиям окружающей среды, отличается компактностью и способностью к масштабированию и мн. др. Эта архитектура представлена контроллером MIC на базе высокопроизводительной параллельной шины CXC-bus.

Территориально распределенная архитектура обладает рядом преимуществ, отличающих ее от централизованных магистрально-модульных систем: это более масштабируемая и гибкая архитектура, соответствие внедряемой системы географической компоновке автоматизируемого объекта, низкая стоимость и мн. др., но она заметно проигрывает централизованной архитектуре в производительности. Эта архитектура представлена контроллерами MIRage с распределенным вводов/выводом на основе сети RS485/Modbus либо CAN.

Третья архитектура, используемая для автоматизации наиболее сложных объектов, обеспечивает распределенную обработку в свободно программируемых автономных модулях интеллектуальных функций – MIF-модулях, территориальную распределённость и крейтовое исполнение, характерное для контроллеров с централизованной архитектурой. Взаимодействие MIF-модулей осуществляется через построение двухранговых сетей на основе CAN-bus и Fast Ethernet. Оптимальным решением автоматизации сложных промышленных объектов является внедрение гибридных систем, сочетающих в себе достоинства магистрально-модульной и распределенной архитектур.

Промышленные контроллеры компании Модульные Системы Торнадо. Микропроцессорную основу систем промышленной автоматизации создаваемых МСТ составляют:
  • контроллеры распределенной обработки информации и управления серии MIF на основе CAN-технологий;
  • контроллеры серии MIC на основе CXC-технологии;
  • контроллеры серии MIRage с распределенным вводом/выводом.

Промышленные контроллеры серии MIF являются основой для различных модификаций ПТК «Торнадо-М». Для систем данного класса принципиальным является распределение функций обработки и управления по многим процессорным устройствам для обеспечения высокой степени декомпозиции системы, что обеспечивает ее высокую устойчивость, живучесть и надежность, а также легкость наладки функционирования системы и объекта. Функции ввода/вывода в таких системах тесно связаны с процессорными модулями обработки и управления – УСО располагаются непосредственно на процессорных MIF-модулях. Даже в жестко связанных системах, требующих высокой скорости сбора и обработки данных, существует возможность оптимизации структуры системы в части организации ввода информации в систему от температурных датчиков термопар и термометров-сопротивлений с использованием технологии распределенного ввода/вывода.

MIF-контроллер состоит из одного или двух крейтов, которые содержат до 15 или 30 MIF-модулей. Для обеспечения взаимодействия MIF-модулей с другими контроллерами MIF-контроллер имеет один или два сетевых шлюза в «цеховую» сеть, реализуемую на Fast Ethernet. Архитектура контроллера обеспечивает пропорциональный числу установленных в системе MIF-модулей рост производительности не только системы, но и коммуникационной среды.

Конструктивно MIF-модуль выполнен в стандарте «Евромеханика» 6U и имеет некоторые особенности:

- системная магистраль MIF-контроллера располагается в верхней части разъема Р1. Нижняя половина этого разъема и разъем Р2, находящиеся на задней стороне модуля, используются для подключения сигналов ввода/вывода к трем мезонинным модулям ввода/вывода ModPack.

- на системной магистрали расположены сигнальные линии двух интерфейсов CAN, линии питания +5 В, +5 В батарейное, +12 В и –12 В, и географический адрес позиции модуля в контроллере.

Различные модификации интеллектуальных MIF-модулей имеют свои отличительные особенности, ориентированные на выполнение специализированных задач автоматизации, именно поэтому MIF контроллеры традиционно используются для создания наиболее мощных ПТК «Торнадо», используемых на крупных ответственных объектах.

В модуле MIF-360 используется только один канал SCC1, обеспечивающий поддержку практически любого из стандартных протоколов вплоть до Ethernet и одного канала SMC1 для организации консольного порта, выведенного на фронт-панель. Четыре из шести последовательных канала процессора MC68360 не используются. Специалисты компании учли часто возникающую необходимость в организации в системах большого числа последовательных каналов (например, RS-485 для подключения счетчиков в системах АСКУЭ или устройств распределенного ввода/вывода идр.) без дополнительных затрат, используя для этого оставшиеся незадействованными последовательные каналы SCC микропроцессора MC68360. Основные сигналы приемника и передатчика последовательных портов SCC были выведены на четыре контакта «user define» шины мезонинного стандарта ModPack. Реализована организация трех высокоскоростных (до 2Мбод) каналов, контакты которых выведены на тыльные разъемы модуля.

Также, в модуле MIF-360, использованы компоненты, позволившие значительно увеличить объем памяти, частоту процессора и снизить потребляемую мощность, при этом добиться снижения себестоимости, сделав модуль более доступным по ценовым характеристикам.

Процессорный модуль MIF-PPC, предназначенный для сбора, управления, обработки информации, а также ввода/вывода информации, основан на коммуникационном микроконтроллере нового поколения фирмы Motorola PPC860Т на базе суперскалярного RISС процессора PowerPC, обладающего высокой производительностью около 100 MIPS, встроенным коммуникационным сопроцессором PowerQUICC и встроенным контроллером FastEthernet. Производительность MIF-PPC на PPC860Т увеличена, по сравнению с модулем MIF-360, в 18 раз.

Модуль MIF-PPC может также использоваться для совместной многопроцессорной обработки в распределенных системах управления. Синхронизация с другими процессорами может осуществляться через коммуникационные порты связи. Наличие стандартной для MIF модулей локальной "мезонинной" шины ModPack позволяет установить непосредственно на модуль MIF-PPC три мезонинных устройства для ввода/вывода или других системных функций. Модуль оснащен также двумя портами сети CAN-bus. Кроме того, аналогично модификации MIF-360, последовательные порты PowerQUICC выведены на разъемы мезонинов ModPack.

Технические решения, использованные в MIF-контроллере. Все модификации контроллеров серии MIF обладают характерными особенностями:
  • архитектура и структура контроллеров серии MIF идентичны;
  • конструктивное исполнение контроллеров в стандарте «Евромеханика 6U»;
  • интерфейсы взаимодействия модуля основаны на стандартах Ethernet-100, RS-485/ 232;
  • контроллеры обладают 100% - ной программной совместимостью с системами VME, Smart, IUC, MIC и MIRage;
  • реализована горячая замена модуля без отключения питания;
  • отсутствует принудительное охлаждение.

Внутренняя последовательная шина MIF-контроллера. В качестве средств коммуникации между модулями контроллера используют последовательную шину, а точнее сказать сеть, которая обеспечивает:
  • множественный доступ к среде передачи;
  • контроль ошибок при передаче;
  • стандартный электрический интерфейс к среде передачи;
  • автоматическую конфигурацию логической топологии среды передачи;
  • гарантированное время доставки сообщений;
  • соответствие какому–либо из распространенных стандартов.

Внутренняя шина MIF-контроллера выбиралась из так называемых "полевых" шин (сетей): Profibus, CAN-bus и другие. CAN-bus проектировалась для обеспечения взаимодействия тесно связанных по управлению контроллеров. CAN-bus идеально подходит для задач управления агрегатного уровня, хотя и имеет ряд ограничений: по скорости передачи (до 1Мбод), что может оказаться недостаточным для цехового уровня; по топологии сети, по протяженности (до 40 м при максимальной скорости передачи), по передаче крупных массивов информации. Profibus сегодня – стандарт номер один в автоматизации цехового уровня:
  • имеет высокие скорости до 12;
  • разнообразные варианты топологий, допускающей комбинации различных технологий как на медном кабеле;
  • разнообразные варианты топологий;
  • большую протяженность сегментов.

В качестве внутренней шины контроллера выбрана шина CAN-bus. Он реализован в виде специализированных СБИС более чем 20 ведущими компаниями, поддерживает разнообразные среды передачи, контролирует целостность и отсутствие ошибок при передаче/приеме сообщения без получения специального ответа от "получателя". Детерминированность протокола, динамическое распределение приоритетов, многомастерность, поддержка совместной обработки управляемой событиями, смысловая адресация сообщений и событий вместо традиционной физической адресации получателя/отправителя сетевых пакетов, все это делает его подходящим средством межмодульной коммуникации в контроллере. Взаимодействие MIF-модулей внутри MIF-контроллера осуществляется по дублированной шине CAN-bus. Конструктивно сеть CAN-bus выполнена в MIF-контроллере на объединительной печатной плате, в которую устанавливаются MIF-модули. Дублирование шины повышает надежность MIF-контроллера до уровня, который не достижим в традиционных контроллерах – MIF-контроллер не может отказать при единичном отказе среды передачи контроллера.

Сопряжение с "полевым" уровнем. Основная часть функций сопряжения ПТК с "полевым" уровнем (датчики, преобразователи, исполнительные механизмы и пр.) решена в субмодулях ModPack. В них реализуются функции аналого-цифрового преобразования, фильтрации, цифроаналогового преобразования и т.п. Остальная часть задач сопряжения, таких, как подключение "полевых" кабельных связей сечением до 2,5 мм2, согласование с конкретными измерительными схемами (2, 3, 4-х проводные, переход из термокомпенсационного кабеля в медный, и т.д.), дополнительные преобразования (24В в 220В и наоборот) и т.п., решается в блоках полевых интерфейсов (БПИ). БПИ могут устанавливаться в шкафу как отдельно, так и вместе с крейтом контроллера. БПИ монтируются на стандартную DIN-рейку. В верхней части БПИ размещаются клеммы для подключения "полевых" кабелей, а в нижней – разъем для подключения плоского 24–жильного кабеля к MIF-модулям с установленными на них субмодулями ModPack.

Большим достоинством применения БПИ является отсутствие дополнительных шкафов клеммников для подключения "полевых" кабелей, простота монтажа оборудования внутри шкафа, высокая модульность и легкость модификаций.

Выбор элементной базы MIF-модуля. При выборе элементной базы для MIF-модуля руководствуются следующим:
  • микропроцессор должен поддерживать широко распространенные ОСРВ;
  • иметь встроенные средства для предотвращения зацикливания программ (watch-dog), развитую системную диагностику;
  • развитые средства отладки и тестирования;
  • поддержка инструментальных средств разработки;
  • наличие интерфейса Ethernet;
  • достаточно высокая производительность–не менее нескольких MIPS8;
  • оптимальное соотношение стоимость/функциональность.

Промышленные контроллеры серии MIC. Интеллектуальный контроллер серии MIC является современным решением комплексной автоматизации территориально-распределенных объектов, а также малых объектов. Архитектура и коммуникационные возможности MIC-контроллеров позволяют создавать как локальные автономные, так и распределенные системы управления с объемом ввода/вывода от 50 до нескольких тысяч каналов.

Интеллектуальный контроллер MIC разработан для применения в системах сбора данных и управления на объектах промышленного производства с повышенными требованиями к надежности функционирования. Его использование возможно в качестве элемента построения АСУ ТП из управляющих СРВ, управляющего небольшими объектами или технологическими участками, объединенных сетью Ethernet.

Контроллер состоит из процессорного модуля MIC-860 и модулей носителей MIC-CB, устанавливаемых в крейте стандарта 3U. Межмодульный обмен данными производится по параллельной шине CXC-bus.

Основой процессорного модуля является 32-разрядный микроконтроллер MPC860, включая встроенный стандартный коммуникационный сопроцессор Power QUUIC и контроллер быстрого Ethernet (FEC), обеспечивающие 6 универсальных коммуникационных канала. Развитая подсистема памяти модуля MIC-860 позволяет разместить ОС РВ, приложения пользователя как на инженерных языках по стандарту IEC1131-3, так и на универсальных языках программирования, или осуществить загрузку любой ОС, доступной для PowerPC. Для подключения к измерительному или управляющему оборудованию модули-носители MIC-CB имеют разъемы для установки мезонинных субмодулей ввода/вывода стандарта ModPack. Полевые интерфейсы подключаются к мезонинным субмодулям ModPack через разъемы, находящиеся на передней стороне MIC-CB. Для каждого субмодуля отводится половина переднего 50-контактного разъема для подключения через шлейф-кабель к внешним устройствам.

Все модификации контроллеров серии MIC обладают характерными особенностями:
  • конструктивное исполнение контроллеров в стандарте ««Евромеханика 3U»;
  • внутренняя магистраль обмена данными основана на асинхронной 16- разрядной шине CXC-bus;
  • интерфейсы взаимодействия модуля основаны на стандартах Ethernet-100, RS-485/232, свободно программируемые последовательные порты;
  • контроллеры обладают 100% - ной программной совместимостью с системами VME, Smart, IUC, MIF и MIRage;
  • отсутствует принудительное охлаждение.

Промышленные контроллеры серии MIRage. Промышленные контроллеры MIRage предназначены для управления процессами, характеризующимися размещением основного оборудования на значительных расстояниях друг от друга, в составе «гибридных» АСУ ТП крупных промышленных объектов, а также в качестве самостоятельных автономных контроллеров или локальных систем сбора и обработки информации. Контроллер «MIRage» характеризуется повышенной надежностью, скоростью опроса, доступностью и простотой в использовании. Модули распределенного ввода/вывода MIRage имеют дублированные коммуникации, что обеспечивает устойчивость сетевого обмена к единичному отказу, и значительно повышают надежность создаваемых систем.

Базовая модификация контроллеров поддерживает связь по интерфейсу RS-485 с протоколом Modbus со скоростью передачи 38400 бод. Применение RS-485 с протоколом Modbus для коммуникаций обеспечивает высокую доступность и простоту в использовании, а частота передачи в 38400 бод, обеспечивает достаточно высокую протяженность сетевых связей – более 1200 м. Для приложений, требующих высоких скоростей обмена, существует модификации с дублированный сетью CAN-bus.

Сегодня серия «MIRage» включает более десяти модификаций промышленных контроллеров распределенного ввода/вывода. Среди них специализированные контроллеры для измерения температур («FTHERM» и «FPT»), для ввода и измерения сигналов тока и напряжения с датчиков (модификация «FAI»), для дискретного ввода/вывода (модификация «FDIO»), для управления исполнительными механизмами высоковольтных выключателей (модификация «ТМ») и др. Все модификации контроллеров серии MIRage обладают характерными особенностями:
  • конструктивное исполнение – установка на DIN-рейку;
  • протокол обмена данными ModBus (для RS-485) ;
  • интерфейсы взаимодействия модуля дублированные RS-485 или CAN (с гальванической развязкой 1 кВ);
  • контроллеры обладают 100% - ной программной совместимостью с системами VME, Smart, IUC, MIC и MIF;
  • горячая замена контроллеров без отключения питания;
  • отсутствует принудительное охлаждение.