Современные информационные технологии в химико-фармацевтической промышленности

Министерство здравохранения Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургская государственная химико фармацевтическая академия» М. П. Белов Конспект лекций по дисциплине «Информационные технологии», часть 2 СОВРЕМЕННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ХИМИКО-ФОРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Санкт-Петербург 2015 5 Введение Назначение и характеристика современных АСУ ТП химикоформацевтической промышленности Основное назначение АСУ ТП состоит в автоматической оптимизации ТП. В таких системах обеспечивается реализация совершенных законов управления и как следствие – наиболее эффективное ведение технологического процесса и высокое качество продукции, т.е. выпускается максимально возможное количество готовой продукции при обеспечении необходимого ее качества и допустимой загрузки технологического оборудования. При этом в идеальном случае затраты должны быть минимальными. Это означает, что АТК и саму технологию необходимо спроектировать таким образом, чтобы оборудование имело наименьшие габаритные размеры и массу. Конструкция оборудования должна гарантировать минимум потерь в узлах трения, а технология – максимальное использование исходного продукта и энергии. Наконец, ведение ТП должно обеспечить выпуск готовой продукции с наименьшим полем допусков и минимум брака. Единственный критерий, способный объединить перечисленные показатели, – экономический. Если стоимостные эквиваленты не установлены, повышение эффективности достигается путем оптимизации одного или двух наиболее существенных параметров. При двух параметрах приходится отыскивать компромиссное решение. Еще более сложны поиски компромисса между минимумами расхода трех основных компонентов: материала, энергии и информации. В целевой классификации АСУ ТП по типовым задачам управления, определяющей их назначение, можно выделить следующие группы: – АСУ ТП, обеспечивающие стабилизацию (поддержание) заданного рационального или оптимального технологического режима, т.е. таких технологических параметров, на которые действующие возмущения оказывают существенное влияние. Например, к ним можно отнести системы стабилизации скорости резания при торцовой обработке деталей больших диаметров на металлорежущих станках, системы стабилизации скорости шлифования при уменьшении диаметра шлифовального круга и др.; – АСУ ТП, отрабатывающие с установленной точностью заданное или непрерывно задаваемое рациональное (оптимальное) изменение ТП. Такие системы программного или следящего управления применяются в роботах6 манипуляторах, станках с числовым программным управлением (ЧПУ), лифтовых подъемниках и пр.; – АСУ ТП, самостоятельно (автоматически) выбирающие наилучший по какому-либо признаку технологический режим и обеспечивающие его поддержание либо автоматически выбирающие наилучшую траекторию перемещения рабочего органа и обеспечивающие ее отработку с установленной точностью. К таким системам оптимального управления относятся АСУ ТП агрегатов оптимального раскроя материала, системы дистанционной перестройки, рассчитывающие и реализующие оптимальную программу обжатий металла в отдельных клетях стана непрерывной прокатки, и т.д. Характерной особенностью современных АСУ ТП является высокая производительность переработки информации при практически неограниченном объеме памяти. Эта особенность базируется на применяемых в системах быстродействующих средствах вычислительной техники: промышленных компьютерах (ПК), технологических контроллерах (ТК), микропроцессорах, управляющих вычислительных машинах (УВМ). Высокая информационная производительность УВМ обеспечивает реализацию указанного назначения АСУ ТП. Применение ПК или ТК обеспечивает вторую характерную особенность АСУ ТП – их высокую гибкость, что позволяет существенно повысить гибкость ТОУ при переходе на новую технологию. Даже для весьма сложных АТК время перенастройки не выходит за пределы нескольких десятков секунд. АСУ ТП как компонент общей СУ промышленным предприятием (АСУ П) предназначена для целенаправленного ведения ТП и обеспечения смежных и вышестоящих СУ оперативной и достоверной технико-экономической информацией. АСУ ТП, созданные для объектов основного и вспомогательного производства, представляют низовой уровень АСУ П. При наличии на предприятии автоматизированных систем технической и технологической подготовки производства (АСТПП) должно быть обеспечено взаимодействие АСУ ТП с этими системами. АСУ ТП получают от них необходимую технологическую и другую информацию для обеспечения заданного процесса и направляют к АСТПП фактическую оперативную информацию, необходимую для их функционирования, в том числе для корректировки ТП. Перечень, форма представления и режим обмена информацией между АСУ ТП и другими взаимосвязанными с ней СУ определяется в каждом конкретном случае в зависимости от специфики производства, его организации и 7 структуры управления им. Реализация целей в конкретных АСУ ТП достигается выполнением в них определенной последовательности операций и вычислительных процедур, в значительной степени типовых по своему составу и потому объединяемых в комплекс типовых функций АСУ ТП. Функции АСУ ТП подразделяются на управляющие, информационные и вспомогательные. Управляющие функции АСУ ТП – это функции, результатами которых является выработка и реализация управляющих воздействий на ТОУ. К управляющим функциям АСУ ТП относятся: регулирование (стабилизация) отдельных технологических переменных; логическое управление операциями или аппаратами; программное логическое управление группой оборудования; оптимальное управление установившимися или переходными режимами или отдельными стадиями процесса; адаптивное управление объектом в целом, например управление участком станков с ЧПУ. Информационные функции АСУ ТП – это функции системы, содержанием которых является сбор, обработка и представление информации о состоянии АТК оперативному персоналу или передача этой информации для последующей обработки. К информационным функциям АСУ ТП относятся: централизованный контроль и измерение технологических параметров; косвенное измерение; вычисление параметров процесса (технико-экономических, внутренних переменных); формирование и выдача данных оперативному персоналу АСУ ТП или АТК; подготовка и передача информации в смежные системы управления; обобщенная оценка и проверка состояния АТК и его оборудования. Отличительная особенность управляющих и информационных функций АСУ ТП – их направленность на конкретного потребителя (ТОУ, оперативный персонал, смежные СУ). Вспомогательные функции АСУ ТП состоят в обеспечении контроля за состоянием функционирования технических и программных средств системы. Управляющая функция АСУ ТП имеет своей целью выработку решений и осуществление управляющих воздействий на ТОУ. Как видно, в исполнении задач информационной и управляющей функций принимает участие процессор, совмещающий переработку, хранение и выработку управляющей информации, передаваемой в виде управляющего воздействия ТОУ по каналам уст8 ройства связи. Уровень совершенства АСУ зависит от совершенства элементов ее структуры и характеризуется степенью "самостоятельности" в выработке и реализации управляющих воздействий при ведении ТП. Сложность элементов внутренней структуры АСУ находится в тесной связи с характером ТП. Если этот процесс допустимо рассматривать детерминированным, то его модель будет проще. В тех случаях, когда ход ТП не удается свести к детерминированному, т.е. возможны некоторые отклонения случайного характера (изменение качества материала, его физических свойств, характеристик рабочего органа и т.п.); внутренняя структура АСУ существенно усложняется. В таких системах априорная информация содержит формулировку цели управления и математическую модель процесса, которая позволяет определить наилучший путь достижения этой цели. Чем большее число случайных факторов подлежит учету, тем сложнее математическая модель процесса и элементы внутренней структуры АСУ. Все это приводит к удорожанию системы, усложнению эксплуатации и существенному снижению надежности. Поэтому рациональный путь создания работоспособных АСУ ТП повышенной надежности состоит в совершенствовании не только отдельных элементов системы, но и ТП, совершенствование которого должно быть направлено на повышение детерминированности последнего, в результате чего исключается или сводится до минимума влияние случайных факторов. Только одновременное совершенствование СУ и ТП может привести к созданию надежно функционирующих АТК. Во внешней структуре АСУ ТП могут быть выделены системы различных уровней или подсистемы АСУ ТП, выделяемые по функциональному или структурному признаку, отвечающему конкретным целям и задачам. Если функции системы ограничены одним механизмом, то она называется локальной. Примером тому может служить система безотходного пореза металла, управляющая подвижным упором ножниц обжимного прокатного стана. Эта локальная АСУ ТП обеспечивает при раскрое минимум отхода металла с учетом срочности выполнения заказов. Если механизмы, управляемые локальными системами, тесно связаны между собой ТП, то для их взаимной координации создается узловая АСУ ТП. Объединение локальных АСУ ТП в узловые может быть осуществлено по территориальному или функциональному признаку. В этом случае устанавливается общая ситуационная связь расположенных на одном агрегате рабочих органов 9 или механизмов. Узловыми АСУ ТП являются, например, СУ печами, клетями и механизмами склада продукции обжимного прокатного стана. Локальные АСУ ТП, объединенные в узловые системы по функциональному признаку, совместно участвуют в управлении общим для всего узла технологическим параметром. Наиболее характерным примером такой узловой АСУ ТП являются системы регулирования скорости, толщины, натяжения полосы в листовых прокатных станах. Каждый из параметров формируется всеми клетями стана. К узловым АСУ ТП можно отнести различные типы копировальных агрегатов (станки, раскроечные автоматы). В этих системах комплекс технологических объектов подчинен общим технологическим закономерностям, в связи с чем здесь не могут применяться локальные АСУ ТП различной производительности. Построение такого узла исходит из единой для всех объектов заданной производительности. Следующий уровень СУ – комплексные АСУ ТП – обусловлен необходимостью взаимной связи узловых АСУ ТП в целях управления технологическими линиями и комплексами. Это, например, автоматизированные станочные линии, роботизированные комплексы станков, комплекс агрегатов и механизмов обжимного прокатного стана, тонколистового стана горячей прокатки, роторный землеройный комплекс. Рис. 1.2. Иерархическая структура АСУ ТП Организованные в единую систему комплексные АСУ ТП, дополненные информационными узлами и автоматизированными системами переработки информации отделов и служб предприятия, образуют АСУ П. Несколько объединенных АСУ П образуют систему управления отраслью промышленности – 10 АСУ ОП. Такой принцип построения внешней структуры (рис. 1.2) получил название подчиненного, или иерархического. Иерархия АСУ ТП определяет порядок подчинения взаимосвязанных подсистем общей системы, которая в пределах отрасли промышленности основывается на выработке определенной стратегии, реализуемой по оптимальным законам с учетом возможностей конкретных промышленных предприятий, цехов, технологических комплексов, механизмов. Сущность иерархического принципа состоит в том, что каждый из уровней вырабатывает задание-уставку, обязательную для подчиненного ему уровня. В последние годы при разработке АСУ ТП технологических линий и комплексов ранги иерархии сокращаются в связи с применением прямого цифрового управления, которое осуществляется централизованно с помощью общего ПК. Происходит замена структурной иерархии алгоритмической. Здесь иерархическую структуру приобретает алгоритм работы ПК. С повышением ранга уровня усложняются решаемые задачи. Это требует более совершенной техники, однако характер задач (стабилизация, программное, оптимальное управление) и функции отдельных составляющих СУ остаются неизменными. Таким образом, АСУ ТП представляет собой КТС технического, информационного, математического и программного обеспечения для управления технологическими объектами, который обеспечивает оптимальный при данной структуре и технических средствах уровень автоматизации сбора и переработки информации для формирования управляющих сигналов и передачи их без потерь и искажения на исполнительные механизмы в целях достижения наиболее эффективной работы ТОУ в целом. Вопросы для самопроверки 1. Какие основные классы технологических процессов в системе промышленного производства существуют? 2. Назовите подклассы промышленного производства. 3. В чем основная задача АТК? 4. Какие технические средства входят в состав АТК? 5. Какие задачи решает технологический контроллер или промышленный компьютер в системах автоматизации и управления? 6. В чем заключается принцип унификации технических средств систем автомати11 зации и управления? 7. В чем заключается принцип децентрализации при построении АТК? 8. В чем заключается магистрально-модульный принцип построения АТК? 9. Что входит в программное обеспечение систем автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами? 10. Что входит в техническое обеспечение систем автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами? 11. Что входит в информационное и методическое обеспечения систем автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами? 12 Глава 4. Технические средства обработки, хранения информации и выработки управляющих воздействий 4.1. Программируемые контроллеры Программируемые контроллеры (PLC) [7, 10] являются базовыми компонентами для построения систем автоматического управления различной степени сложности. Широкий спектр центральных процессоров (ЦПУ), сигнальных, функциональных, коммуникационных и интерфейсных модулей позволяет получать оптимальные решения для каждой конкретной задачи. Рассмотрим основные характеристики PLC на примере программируемых контроллеров, выпускаемых компанией Omron. Компания Omron предлагает PLC для построения систем автоматизации различного уровня сложности – от компактного PLC серии СРМ до высокопроизводительного модульного контроллера СJ1 и PLC серии CS1 на основе базовой панели. Для программирования контроллеров применяется пакет автоматизации CX-Programmer, который содержит программные средства настройки, программирования, запуска, наблюдения и обслуживания для всех контроллеров Omron. Требуемые для работы программные средства можно расширить путем добавления дополнительных программных компонентов. Серия компактных программируемых логических контроллеров (СPM) располагает широкими функциональными возможностями при миниатюрных размерах. Во всех моделях предусмотрены функции прерывания и импульсного входа. Во всех моделях с транзисторным выходом предусмотрены импульсные выходы для привода шаговых двигателей, сервоприводов и реверсивных приводов. CPM1A представляет собой универсальный PLC. Выпускается семейство из 24 ЦПУ с питанием переменным или постоянным током, встроенными выходами постоянного тока и транзисторными или релейными выходами. Встроенные функции прерывания и импульсного ввода/вывода обеспечивают простоту оцифровки, позиционирования и управления по скорости. Модули расширения ввода/вывода обеспечивают дополнительные цифровые каналы ввода/вывода, аналоговые каналы ввода/вывода, а также измерение и регулировку температуры. Функциональные модули DeviceNet, Profibus и CompoBus/S позволяют использовать PLC CPM1A в качестве ведомого контроллера в компьютерных сетях на месте эксплуатации. PLC CPM2A обладает функциональностью CPM1A, а также оснащен импульсным вводом/выводом повышенной скорости (до 20 кГц), дополнительны13 ми портами ввода/вывода и расширенными функциями связи. Функции синхронизации осей, широтно-импульсная модуляция и быстродействующие входы позволяют использовать CPM2A для автоматизации компактного станочного оборудования. PLC CPM2C содержит полный набор функций CPM2A. Он оснащен модулями ввода/вывода с винтовыми или многоконтактными разъемами, а также ЦПУ со встроенными функциями ведомого устройства сети DeviceNet и/или главного устройства шины CompoBus-S, что обеспечивает распределенное управление оборудованием. Серия контроллеров СРМ характеризуется следующими функциональными возможностями: макс. 192 входа/выхода; выход счетчика 20 кГц и два импульсных выхода 10 кГц; память для хранения программ емкостью 4000 слов; память данных емкостью 2000 слов; по дополнительному заказу: часы реального времени; один или два встроенных интерфейса RS-232C; объединение в сеть до 32 контроллеров CPM2 с помощью протокола Host Link компании Omron; команды PID, SYNC и широтно-импульсной модуляции; усовершенствованное позиционирование (одна ось на ЦПУ). Серия модульных PLC СJ1 содержит как ЦПУ для простого программного управления, так и высокопроизводительные модели, обеспечивающие управление оборудованием с контролем до 2560 точек ввода/вывода. Модульный принцип построения контроллера позволяет подобрать соответствующий процессор и набор устройств ввода/ вывода для решения конкретной задачи. Процессоры серии СJ1 могут комплектоваться модулями связи с открытыми протоколами для сетей Ethernet, DeviceNet и Profibus, а также для сетей компании Omron; специализированными модулями для разметки RFID, управления положением или контроля температуры; разнообразными аналоговыми и цифровыми модулями ввода/вывода с использованием различных технологий подключения. Функциональные возможности серии СJ1: макс. 2560 цифровых входов/выходов; широкий выбор совместимых процессоров и устройств ввода/вывода; время выполнения команды до 20 нс; использование стандартных карт памяти CompactFlash для резервирования и регистрации данных; высокоскоростной обмен данными и программирование с использованием открытых сетей. В модулях управления CJ1 периферийная обработка выполняется параллельно с обработкой команд, что позволяет понизить время отклика PLC. 14 PLC CQM1H также имеет модульную конструкцию, широкий набор дискретных, аналоговых и специальных модулей ввода/вывода, специализированных плат расширения процессора. Наличие сетевого модуля Controller Link, поддержка Protocol Macro для последовательных портов, позволяют объединить в единую систему до 32 контроллеров, включить в систему разнообразное специализированное оборудование - температурные и частотные регуляторы, сервоприводы, весоизмерительные устройства и другие приборы. Технические данные PLC CQM1H приведены в табл. 4.1. Таблица. 4.1 Дискретных входов/выходов, макс. Выполняемых инструкций 256/256 162 (14 базовых, 148 специальных) Время выполнения инструкций Базовых 0.375-1.125 мкс. Специальных 17.7 мкс Объем памяти программы До 15,2 Кслов Объем памяти данных До 12 Кслов Дополнительная память для сохранения программы До 16 Кслов, FLASH Программных таймеров/счетчиков 512 Входы внешних прерываний 4 Скоростных счетчиков, 500 кГц 9 Импульсных выходов, 50 кГц 2 Серия PLC для монтажа в стойке CS1 разработана на основе PLC серии C200H и обладает обратной совместимостью с этой серией. Для серии CS1 выпускается более 150 различных модулей ввода/вывода, связи и специальных функций. Модули ввода/вывода высокой плотности расширяют возможности локального ввода/вывода системы максимум до 5120 точек ввода/вывода. Использование систем с промышленными шинами данных (например, DeviceNet и Profibus-DP) позволяет добавить десятки тысяч удаленных точек ввода/вывода. В PLC CS1D предусмотрена возможность установки парных резервных ЦПУ, источников питания и модулей связи, а также возможность горячей замены ЦПУ и модулей ввода/вывода без отключения системы. В настоящее время выпускается 9 моделей модулей ЦПУ CS1. Все типы процессоров имеют разъем для установки карты Flash-памяти, периферийный и RS232C порты, а также место для установки дополнительных коммуникационных плат. В номенклатуру модулей для контроллеров CS1 входят модули высокой плотности на 96 точек ввода/вывода, аналоговые модули ввода/вывода с изолированными каналами, 15 модули ввода сигналов термопар и термосопротивлений и большое количество специальных модулей. В табл. 4.2 представлены сравнительные характеристики PLC серий СРМ, СJ1 и CS1. Таблица 4.2 Серия компактных про- Серия модульных проСерия программируеграммируемых логиче- граммируемых логичемых логических конских контроллеров ских контроллеров CJ1 троллеров для монтажа CPM1/CPM2 в стойке CS1 Встроенные: Цифровой ввод-вывод Входы счетчиков Импульсные выходы 10-60 5 - 20 кГц 2 - 10 кГц 0- 16 100 кГц 100 кГц нет нет нет Макс. количество точек цифрового ввода/вывода 10- 192 320 - 2560 960-5120 Время выполнения (битовые команды) 0,72 - 0,64 мкс 0,10 - 0,02 мкс 0,04 - 0,02 мкс Память программ Память данных Карта памяти CompactFlash 2000 - 4000 слов 1000 -2000 слов 10000 - 120000 шагов 32000 - 256000 слов 10000 - 250000 шагов 32000 - 448000 слов нет До 64 Мбайт До 64 Мбайт Аналоговый ввод-вывод Макс. 4x3 точек разрешение 8 бит, 12 бит U, I,TC, Pt100 Макс. 40 x 8 точек разрешение 12/13 бит U, I,TC, Pt100 Регулирование температуры, высокоскоростные счетчики (500 кГц), управление по положению, макрос реализации протокола Макс. 80 x 8 точек разрешение 12/13 бит U, I,TC, Pt100 Регулирование температуры, вход блока кодирования SSI, высокоскоростные счетчики (500 кГц), управление по положению, координатное управление, управление тех. процессом, макрос реализации протокола, свободно программируемые модули Последовательные линии связи Ethernet Controller Link Последовательные линии связи Ethernet Controller Link Последовательные линии связи Главное устройство промышленной шины Fieldbus CompoBus/S DeviceNet CompoBus/S PROFIBUS-DP (3 кв. 2003) DeviceNet CompoBus/S PROFIBUS-DP CAN / CANopen Канал ввода-вывода промышленной шины DeviceNet CompoBus/S PROFIBUS-DP DeviceNet PROFIBUS-DP DeviceNet PROFIBUS-DP CAN / CANopen Модули функций специальных Промышленные сети 16 Открытый Сетевой Контроллер (ONC) позволяет объединять информацию со всех уровней производства и получать доступ к любым данным: через Internet, электронную почту и другими способами. Возможность работы с наиболее распространенными промышленными сетями позволяет управлять и обрабатывать различные потоки информации. Контроллер поддерживает два основных глобальных сетевых протокола: Ethernert, который связан с Internet-технологиями, и DeviceNet, который взаимодействует с ведомыми устройствами. Связь с другими устройствами может быть осуществлена через последовательный интерфейс (три Com-порта) или за счет функции Datalink при работе по сетям ControllerLink или SysmacLink. Контроллер совместим со стандартными коммуникационными протоколами: Web/e-mail, Telnet, FTP, PPP, HTTP и ActivX. Данные о любом участке производства могут быть получены через Web-browser установленный на персональном компьютере. Разработка собственных приложений на С/С++ возможна с использованием систем реального времени. Контроллер способен вести сложные математические вычисления, выполнение которых затруднительно для стандартных логических контроллеров. Открытый сетевой контроллер (со встроенной шиной CS1) может быть использован как компьютер, связанный по высокоскоростной внутренней шине CS1 (PC21) с дополнительными стойками расширения PLC CS1. В качестве операционной системы PLC используется ОС реального времени QNX, что повышает надежность функционирования системы автоматизации. 4.2. Промышленные компьютеры Промышленные компьютеры предназначены для эксплуатации в промышленных условиях и могут круглосуточно работать под действием влажности, пыли, агрессивных сред, вибрации и тряски. Рассмотрим промышленные компьютеры в различных исполнениях на примере оборудования SIMATIC PC компании Siemens [19]. Компьютеры боксового исполнения SIMATIC Box PC предназначены для установки в ограниченных монтажных объемах шкафов управления, отсеков, на консолях или непосредственно на автоматизируемых машинах. Семейство представлено двумя моделями: SIMATIC Box PC 620 и SIMATIC Box PC 840. Промышленные компьютеры SIMATIC Box PC отличаются высокой стойкостью к механическим воздействиям, воздействию электромагнитных полей, способны сохранять работоспособность в широком диапазоне температур. Компьютеры требуют для своей установки минимальных монтажных объемов и 17 могут монтироваться в шкафах управления, на консолях, непосредственно на автоматизируемых машинах. Компьютеры SIMATIC Box PC являются основой для: построения измерительных комплексов, систем автоматического регулирования, систем управления роботами и т.д.; решения задач визуализации и оперативного управления с использованием внешних мониторов и информационных табло; сбора, компьютерной обработки и накопления производственных данных и т.д. SIMATIC Box PC характеризуются следующими показателями: - высокая промышленная пригодность: применение высококачественных компонентов, гарантирующих возможность непрерывной работы компьютеров; высокая стойкость к вибрационным и ударным воздействиям во время работы; высокая стойкость к воздействию электромагнитных полей, наличие марки CE для применения в промышленных условиях; широкий диапазон рабочих температур; модульная конструкция, удобство обслуживания; широкий набор диагностических функций. - высокая промышленная функциональность: встроенный интерфейс Profibus/MPI до 12 Мбит/с; встроенный интерфейс Ethernet 10/100 Мбит/с; наличие последовательных, параллельных и USB интерфейсов; наличие свободных PCI и ISA разъемов; высокая гибкость, возможность расширения конфигурации; компактное исполнение; высокая производительность. Компьютеры стоечного исполнения SIMATIC Rack PC могут использоваться в качестве настольных систем или монтироваться в 19-ти дюймовые стойки управления. Семейство представлено двумя моделями: SIMATIC Rack PC IL 40 и SIMATIC Rack PC 840. Типовыми областями применения компьютеров являются: аппаратура диспетчерских пунктов; системы сбора, накопления и архивирования производственных данных; решение задач визуализации; решение инжиниринговых задач. Промышленные компьютеры предназначены для установки в 19-ти дюймовые стойки управления и обеспечивают решение широкого круга задач автоматизации: построение измерительных систем, замкнутых и разомкнутых систем автоматического регулирования; построение систем визуализации и оперативного управления; построение систем обработки видеоизображений и контроля качества продукции; сбор и обработка данных, управление рецептами, Internet-связь. Компьютеры SIMATIC Panel PC оснащены встроенным дисплеем и клавиатурой. Фронтальная панель компьютеров имеет степень защиты IP65, что делает их пригодными для использования в жестких промышленных условиях 18 и загрязненных средах. Кроме обычных применений в промышленности, они также используются в системах жизнеобеспечения зданий и общественном секторе. Семейство представлено моделями SIMATIC Panel PC 670, SIMATIC Panel PC 870, SIMATIC Panel PC IL 70 и SIMATIC FI45 V2. SIMATIC Panel PC являются основой для решения задач визуализации и могут поставляться в комплекте с программным обеспечением SIMATIC ProTool/Pro или SIMATIC WinCC. Промышленные компьютеры SIMATIC PC имеют следующие особенности: материнская плата собственной разработки и изготовления; современная архитектура, базирующаяся на использовании микропроцессоров Intel; промышленное исполнение, соответствующее современным PC стандартам; мощная встроенная система диагностики и мониторинга. Благодаря перечисленным особенностям промышленные компьютеры SIMATIC PC способны: работать в условиях воздействия вибрации и тряски, а также в тяжелых температурных режимах; работать под управлением различных операционных систем и с различной дополнительной аппаратурой. 4.3. Выбор средств автоматизации В [2] подробно рассмотрены роль и место программируемых логических контроллеров (ПЛК) в автоматизированных системах управления промышленными механизмами и технологическими комплексами. Однако наличие различных ПЛК ставит вопрос о их выборе для решения поставленных задач. Большинству потребителей требуется не превосходство одной какой-то характеристики, а некая интегральная оценка, позволяющая сравнить ПЛК по совокупности характеристик и свойств. Программно реализуемые функции системы управления во многом определяют технические характеристики технологического контроллера, а точнее технические характеристики микропроцессорных устройств (однокристальных микроконтроллеров (ОМК) или микропроцессоров (ОМП)), на основе которых и реализуется контроллер. Основными характеристиками, по которым ведут выбор технологических контроллеров являются: разрядность процессора; быстродействие; объем адресуемой памяти (ОЗУ и ПЗУ); особенности системы команд. Важную роль при выборе технологических контроллеров играет номенклатура встроенных или внешних периферийных устройств (таймеров, последовательных интерфейсов, параллельных портов ввода-вывода, АЦП, модулей ШИМ, модулей обработки прерываний и др.), возможность режимов пониженного элек19 тропотребления, характеристики питающего напряжения. В некоторых случаях промышленного применения контроллеров важны такие параметры как: диапазон рабочих температур, потребляемая мощность. Один из самых важных параметров ПЛК быстродействие в каталогах фирм указывается в совершенно разных вариантах. Могут фигурировать время выполнения бинарных команд, время опроса 1К дискретных входов, время выполнения смешанных команд и т.д. При выборе технологического контроллера важным является также его цена. Одни фирмы приводят их в американских долларах, другие - в евро, при этом курс иностранной валюты очень разный и всегда завышенный. А если еще учитывать многочисленные системы скидок, то задача выбора усложняется. При выборе контроллера важным является наличие развитого инструментального обеспечения по его программированию: кросс-компиляторов с языков высокого уровня, программ отладчиков, операционных систем реального времени, инструментальных сред разработки ПО с использованием CASE-средств. Спектр ПЛК, предлагаемой сегодня, чрезвычайно широк. В п. п. 9.1 приведены некоторые характеристики ПЛК различных фирм, наиболее распространенных в России. Кроме параметров CPU, также указаны параметры для интеллектуальных модулей. Все они построены по магистрально-модульному принципу, монтируются на панель или DIN-рейку, работают от напряжения +24 В, поддерживают протоколы обмена Fieldbus, имеют широкий набор модулей: модули дискретных входов/выходов; коммуникационные модули; модули аналогового ввода/вывода; модули терморегуляторов; модули позиционирования; модули ПИД-регулятора; модули контроля движения. Как видно из приведенного обзора, контроллеры имеют равные функциональные возможности, близкие технические и эксплуатационные характеристики и даже почти одинаковые размеры и вес. В такой ситуации необходимо определить критерии оценки и выбора ПЛК, удовлетворяющего поставленной задаче. Учитывая специфику устройств, критерии оценки можно разделить на три группы: технические характеристики; эксплуатационные характеристики; потребительские свойства. При этом критериями выбора считать потребительские свойства, т.е. соотношение показателей затраты/производительность/надежность, а технические и эксплуатационные характеристики ограничениями для процедуры выбора. 20 Выбор ПЛК производится в четыре этапа: 1. Определение соответствия технических характеристик предъявленным требованиям; 2. Определение соответствия эксплуатационных характеристик предъявленным требованиям; 3. Оценка потребительских свойств выбираемой аппаратуры; 4. Ранжирование изделий. На первом этапе каждая техническая характеристика анализируемого ПЛК сравнивается с предъявленными к проектируемой системе требованиями, и если данная характеристика не удовлетворяет этим требованиям, ПЛК 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 используются различные методы, например, аддитивный метод оценки (ГОСТ 15467-79). Определение весовых коэффициентов для характеристик ПЛК является ответственной задачей, т.к. от их правильного расчета зависит достоверность результатов анализа. Далее находится усредненная оценка каждого коэффициента. Составляется таблица эксперт - коэффициентов, в которой проставляются полученные от каждого эксперта оценки коэффициентов по определенной шкале (например, от 0 до 10). Ранжирование изделий, т.е. расположение их в порядке возрастания (или убывания) соотношения показателей затраты/производи-тельность/надежность целесообразно проводить по формуле: Р = П+Н+З, где П – производительность; Н –надежность; З – затраты. Отдельными фирмами (например, EMERSON Process Management) разработаны опросные листы для выбора технологического контроллера. В этом опросном листе для выбора контроллера необходимо ответить на такие вопросы, как: 1. Наименование системы (объекта управления); 2. Назначение контроллера: только сбор данных; дискретное управление; непрерывное управление и т. д.); 3. Количество сигналов ввода/вывода: аналоговый вход; аналоговый вы21 ход; вход ″сухой контакт″; дискретный вход 24 В; дискретный выход 24 В; дискретный выход релейный; импульсный вход и т. п.; 4. Количество и тип коммуникационных портов: RS-232 (до 15 м); RS-485 (до 1500 м) и др.; 5. Поддерживаемые коммуникационные протоколы: Profibus; Modbus; Hart и др.; 6. Условия размещения контроллера: в отапливаемом помещении; в не отапливаемом помещении; вне помещения и др.; 7. Защитный кожух: не требуется; требуется (IP66); для монтажа на открытой площадке; для монтажа на стене/трубе и т.д.; 8. Внешний жидкокристаллический дисплей: не требуется; требуется; 9. Температура окружающей среды, °С; 10. Напряжение питания на объекте: 220 В переменного тока; 24 В постоянного тока; 12 В постоянного тока; отсутствует; 11. Контроллер нужно укомплектовать программным обеспечением: для сбора и отображения данных (SCADA); OPC сервером; DDE сервером; другое. При выборе датчиков рассматриваются следующие характеристики: линейность и однозначность статической характеристики; высокие чувствительность (крутизна) и разрешающая способность; стабильность характеристик во времени; отсутствие влияния нагрузки на статические характеристики; минимальная инерционность; минимальное влияние внешних факторов (температуры, вибраций и т. д.); устойчивость к химическим воздействиям контролируемой и окружающей среды; простота и технологичность конструкции; взаимозаменяемость (повторяемость характеристик); удобство монтажа и обслуживания. Выбор типа датчика определяется требованиями по точности системы, ее назначением и условиями эксплуатации. Вопросы для самопроверки 1. Расскажите об основном назначении и характеристиках промышленных компьютеров и программируемых логических контроллеров? 2. Раскройте структуру программируемых контроллеров. 3. Расскажите о принципах выбора промышленных компьютеров и программируемых логических контроллеров. 4. Дайте характеристику программируемым модульным контроллерам. 5. Приведите классификацию модулей ввода/вывода программируемых контроллеров. 22 6. Расскажите об основном назначении и характеристиках рабочих станций? 7. Расскажите об основном назначении и характеристиках микроконтроллеров? 23 Глава 5. Промышленные информационные сети в системах автоматизации и управления техническими объектами и технологическими процессами 5.1. Информационные сети 5.1.1. Структура сетей Средства коммуникаций обеспечивают создание сетей для обмена данными между различными компьютерными средствами автоматизации. К ним относятся модули коммуникационных процессоров для соединения контроллеров ″точка–точка″ и для адаптеров магистральных интерфейсов связи, коаксиальные и оптоволоконные кабели, повторители, интерфейсные мультиплексоры и др. Структура информационных сетей может быть магистральной (линейной), радиальной (типа ″звезда″), кольцевой и древовидной. При создании систем отдают предпочтение магистральным структурам, которые по сравнению с другими структурами имеют меньшие затраты при прокладке кабелей, легко расширяются и позволяют осуществлять непосредственную коммуникационную связь от абонента к абоненту через единственную линию передачи данных. Как правило, сети делаются открытыми для интегрирования компьютерных средств автоматизации различных производителей. С этой целью выпускаются мосты и межсетевые преобразователи для связи различных локальных сетей и интерфейсов. Из разнообразных типов средств коммуникации можно создавать сети, оптимально приспособленные к топологии технологического комплекса и обеспечивающие требуемые объемы и скорости передачи информации. Для связи агрегатов в технологическом комплексе, а также для единого управления комплексами на производстве, применяются локальные промышленные сети. В настоящее время в промышленности применяется большое количество сетей, обобщенные данные некоторых из них представлены в табл. 5.1. Наиболее известными и часто используемыми являются сети: Industrial Ethernet, ETHWAY, MAPWAY, PROFIBUS, MODBUS, MODBUS PLUS, FIPIO, UNI-TELWEY, FIPWAY, MASTERBUS. Промышленные сети, как правило, имеют трехуровневую структуру построения. На нижнем уровне обеспечивается взаимодействие между агрегатами (их подключение и обмен информацией между ними), что дает возможность: 1) экономии модулей входов/выходов; 2) простого и быстрого монтажа; 3) электропитания датчиков и исполнительных механизмов через коммуникационные 24 линии; 4) функции самотестирования и параметрирования; 5) высокую помехозащищенность и др. На этом уровне соединяются датчики и исполнительные механизмы с системой автоматизированного управления. Максимальная длина соединительной линии примерно 100 м без повторителей и около 300 м с повторителями. Таблица 5.1 Протокол Среда передачи Число узлов BITBUS витая пара, до 250 радиоканал, оптопара ASI витая пара, ASI-кабель HART витая пара, до 15 выделенный телефонный канал витая пара, до 127 коаксиал, оптокабель, радиоканал витая пара до 30 LonWorks CANBUS до 32 до 256 Скорость Длина передачи линий данных, кбод до 1400 От 30 м до 1200 м до 167 до 1000 м 1200 до 3 км 4,88-1250 до 2 км Топология Принцип доссети тупа к сети шина MASTER/ SLAVE линия; звезда; дерево; кольцо звезда MASTER/ SLAVE Произпроизвольный вольная доступ топология (CSMA/CD) до 1 км - 20 шина кбод; до 40 м - 1 Мбод 31,25; 1000; до 2 км шина 2500; 5000 50-1000 MASTER/ SLAVE произвольный доступ по приоритету (CSMA/CM) MASTER/ SLAVE/ TOKEN WorldFIP витая пара, оптокабель MODBUS не специфи- 1master 0,6-19,2 цирован до 247 slaves звезда; ши- MASTER/ на SLAVE/ TOKEN PROFIBUS витая пара, оптокабель звезда; ши- MASTER/ на SLAVE/ TOKEN до 126 15 м – RS232C; 1200 м – RS422; 1000 м токовая петля 500-1500 1200 м; (FMS); 4800 м с 1500-12000 повторите(DP); лем; 31 (РА) до 23 км оптокабель 25 Средний уровень предназначен для координации работы всех агрегатов, входящих в технологический комплекс, для получения информации от каждого из них, визуализации режимов работы комплекса. Протяженность сети может быть от 1200 м до 100 км в зависимости от физической среды передачи данных и применения повторителей. Верхний уровень (административный уровень) предназначен для связи с системой управления производством. Основные требования предъявляемые к промышленным сетям: • выполнение разнообразных функций по передаче данных, включая пересылку файлов, поддержку терминалов, обмен с внешними запоминающими устройствами, обработку сообщений, доступ к файлам и базам данных, передачу речевых сообщений; • подключение большого набора стандартных и специальных устройств, в том числе оборудования контроля и управления и др.; • подключение как современных и перспективных, так и ранее разработанных устройств с различными программными средствами, архитектурой, принципами работы; • доставка с высокой достоверностью информации адресату; • обеспечение непосредственной взаимосвязи между подключенными устройствами без промежуточного накопления и хранения информации; • простота монтажа, модификации и расширения сети; подключение новых устройств и отключение прежних без нарушения работы сети длительностью более 1 с. Требования к взаимодействию устройств в сети: • возможность для каждого устройства связываться и взаимодействовать с любым другим устройством; • обеспечение равноправного доступа к физической среде для всех пользователей; • возможность адресации пакетов информации одному устройству, группе устройств, всем подключенным устройствам. Информационные требования: • должны быть обеспечены ″прозрачный″ режим обслуживания, а также возможность приема, передачи и обработки любых сочетаний битов, слов и символов; • пропускная способность сети не должна существенно снижаться при 26 достижении полной загрузки. Требования к надежности и достоверности: • отказ или отключение питания подключенного устройства должны вызывать только переходную ошибку; • средства обнаружения ошибок должны выявлять все пакеты, содержащие до четырех искаженных битов. Если же достоверность передачи достаточно высока, сеть не должна сама исправлять обнаруженные ошибки: функции анализа, принятия решения и исправления ошибки должны выполняться подключенными устройствами. Предъявленные требования обусловливают основные особенности промышленных сетей: возможность размещения их на сравнительно небольшой территории; наличие высокоскоростного общего канала (физической среды); отсутствие применения средств и методов сетей общего пользования и без накладывания ограничений на эти сети; соединение в сетях самых разнообразных и независимых устройств (термин ″высокоскоростной канал″ имеет условный характер, поскольку скорость передачи оценивается только по отношению к подключенным устройствам). 5.1.2. Сетевые средства Основным сетевым средством любой сети является интеллектуальный коммуникационный процессор, позволяющий подключать персональные компьютеры, программируемые контроллеры, программаторы и другие устройства и осуществляют их взаимодействие с системой управления. Основными характеристиками коммуникационного процессора являются: тип монтажной шины (слота), скорость передачи данных, количество соединений и потребление тока. Коммуникационные процессоры выпускаются с монтажными слотами следующих типов: ISA, PCMCIA, PCI. Скорость передачи данных у коммуникационных процессоров колеблется от 9,6 кБит/с до 12 Мбит/с сетей среднего уровня и от 10 – 100 Мбит/с сетей верхнего уровня. Для подключения к сети активных и пассивных оконечных устройств применяются: шинные терминалы RS485; шинные штекеры; трансиверы и другие специальные модули (например, Optical Bus Terminal для подключения устройств к оптической сети). Технологические комплексы могут использовать несколько децентрализованных систем управления, связанных друг с другом мощной информацион27 ной сетью. В этом случае для их совместной работы применяют коммутаторы или маршрутизаторы. На нижнем уровне для подключения датчиков и исполнительных механизмов используют различные модули. Целый модуль состоит из верхней части (пользовательский модуль) и нижней части (монтажный модуль). Обе эти части имеют различные исполнения. Для монтажных модулей возможна либо инсталляция на профильную планку, либо крепеж с помощью винтового соединения. Пользовательские модули по своим функциям соответствуют обычным модулям входов/выходов. Для передачи информации на большие расстояния применяют повторители, позволяющие конфигурировать сети состоящие из нескольких сегментов. Физическая среда сетей представляет собой физический материал по которому передается информация. В качестве такого материала могут использоваться различные виды кабелей (типа ″витая пара″, коаксиальные, многожильные, волоконно-оптические), а также эфир (радиоканалы, УКВ-каналы, инфракрасные каналы). Кабель состоит из проводников, слоев экрана и изоляции. В некоторых случаях в состав кабеля входят разъемы, с помощью которых кабели присоединяются к оборудованию. Кроме этого, для обеспечения быстрой перекоммутации кабелей и оборудования используются различные электромеханические устройства, называемые кроссовыми секциями, кроссовыми коробками или шкафами. В сетях применяются кабели, удовлетворяющие определенным стандартам, что позволяет строить кабельную систему сети из кабелей и соединительных устройств разных производителей. Сегодня наиболее употребительными стандартами в мировой практике являются следующие: Американский стандарт EIA/TIA-568A; Международный стандарт ISO/IEC 11801; Европейский стандарт EN50173. В кабеле ″витая пара″ обычно используются несколько пар изолированных проводов, обвитых вокруг друг друга. Взаимная обвивка обеспечивает защиту от собственных и внешних наводок. Кабель с витой парой бывает двух типов: неэкранированным и экранированным. Стандарт EIA/TIA 568A Commercial Building Wiring Standard определил семь категорий кабелей на неэкранированной витой паре (Unshielded Twisted Pair, UTP1…UTP7). Наиболее современным является кабель UTP 5. Он способен работать со скоростью 100 28 Мбит/с и его волновое сопротивление должно составлять 100 Ом в диапазоне частот от 1 МГц до предельной. Для кабеля UTP 5 установлено минимальное число взаимных скручиваний на единицу длины (примерно, 26 на 1 м). Его основными недостатками являются: взаимное наложение сигналов между смежными проводами, чувствительность к внешним электромагнитным полям, большая степень затухания сигнала по пути, чем у кабелей других типов. Кабели категорий 6 и 7 промышленность начала выпускать сравнительно недавно. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 200 МГц, а для кабелей категории 7 – до 600 МГц. Все кабели UTP выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Для соединения кабелей с оборудованием используются вилки и розетки, представляющие 8-контактные разъемы. Экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair, STP) отличается тем, что содержит электрически заземляемую медную оплетку или алюминиевую фольгу. Существуют кабели, как с общим экраном, так и с экраном вокруг каждой пары. Экран обеспечивает защиту от всех внешних электромагнитных полей. Однако по скорости передачи данных и по ограничениям, накладываемым на максимальное расстояние, такие кабели идентичны кабелям без экранирования. Коаксиальные кабели (RG-8, RG-11, RG-58/U, RG-58 A/U, RG-58 C/U, RG-59) способны передавать данные со скоростью 10 Мбит/с на расстояние до 500 м. Минимальное расстояние между точками подключения не должно быть меньше 2.5 м. Они имеют волновое сопротивление 50 Ом или 75 Ом. Оптоволоконный кабель состоит из свободно уложенных или определенным образом скрученных волоконных световодов и защитного покрытия. Передача данных производится при помощи лазерного или светодиодного передатчика, который генерирует световые импульсы, проходящие через световоды. Перед тем как попасть в световод, сигнал от передатчика (излучателя) проходит через оптическое согласующее устройство и через оптический разъемный соединитель (коннектор). На принимающем конце сигнал воспринимается фотодиодом, который преобразует его в электрический ток. Оптоволоконный кабель обладает рядом преимуществ. К ним можно отнести: 1) малое затухание и независимость затухания от частоты передаваемого сигнала; 2) высокую степень защиты от внешних электромагнитных полей; 3) исключение несанкциониро29 ванного доступа к данным. В зависимости от условий распространения световой волны в центральном световоде оптические кабели делятся на одномодовые (single mode – SM) и многомодовые (multi mode – MM). Максимальная длина кабеля (412 м) определяется временными параметрами. Полоса пропускания одномодового кабеля очень широкая – до сотен гигагерц на километр. Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропускания – от 500 до 800 МГц/км. Сужение полосы происходит из-за потерь световой энергии при отражениях, а также из-за интерференции лучей разных мод. Для передачи информации применяется свет с длиной волны 1550 нм (1,55 мкм), 1300 нм (1,3 мкм) и 850 нм (0,85 мкм). Светодиоды могут излучать свет с длиной волны 850 нм и 1300 нм. Волоконно-оптические кабели присоединяют к оборудованию разъемами MIC, ST и SC. Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Однако у них есть один серьезный недостаток – сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля. Для работы промышленной сети используется программное обеспечение позволяющее: 1) реализовывать связь между собой активных аппаратных устройств, входящих в сеть любого уровня; 2) производить обмен данными в сети; 3) реализовать различные режимы передачи данных по сети; 4) реализовывать функции удаленного программирования контроллеров по сети; 5) реализовать функции диагностики и др. 5.2. Управляющие и сетевые средства электроприводов Алгоритмы управления электромагнитными и механическими переменными в системах комплектных электроприводов реализуются на базе как встроенных в электропривод, так и внешних модулей и блоков управления – программируемых контроллеров, средств приема и передачи информации. Модули контроля и управления в составе комплектных электроприводов представлены базовыми платами управления электроприводов с встроенным программным обеспечением, позволяющим конфигурировать различные структуры управления электромагнитными и механическими переменными в зависимости от прикладных задач, решаемых комплектным электроприводом. Платы управления электроприводов содержат определенный набор дискретных и аналоговых входов/выходов, интерфейсов для связи с другими приводами, дат30 чиками, системами автоматизации верхнего уровня. Базовые функции плат управления могут быть расширены за счет установки дополнительных прикладных карт связи и управления, использования внешних программируемых контроллеров. Функциональность базового программного обеспечения и производительность микропроцессорной системы управления электропривода зависит от сферы его применения, которая определяется фирмой-производителем при выпуске определенной серии преобразователей. Например, преобразователи частоты Simovert VC используются при высоких требованиях к точности и динамике регулирования. Базовая плата управления преобразователя CUVC содержит разъем для подключения импульсного датчика скорости, четыре двунаправленных цифровых входа/выхода, три цифровых входа, два аналоговых входа и два аналоговых выхода (рис. 5.1). Предусмотрена установка в преобразователь до шести дополнительных карт расширения, в том числе технологических плат Т100, Т300, Т400 с модулями программного обеспечения, адаптированного для решения конкретных задач. В базовом программном обеспечении платы управления предусмотрены блоки, которые могут быть запрограммированы пользователем с помощью системы BICO-параметрирования (Binector/Connector). Таким образом, увеличивается адаптивность преобразователя к требованиям пользователя. Информация между функциональными блоками системы управления передается с помощью так называемых ″коннекторов″, которые представляют собой 16-и и 32-битные сигналы, или ″бинекторов″, по сути являющиеся теми же коннекторами, но для передачи логических сигналов. Возможно написание программ обработки данных сигналов с помощью библиотеки из 240 свободных функциональных блоков, доступных в базовом программном обеспечении. В качестве свободных блоков доступны следующие функции: – Блоки общего назначения: фиксированные задания, блоки индикации; преобразовательные блоки, диагностические блоки; – Арифметические и управляющие блоки: сумматоры, умножители, делители, генераторы абсолютного значения, фильтры, инверторы знака, ограничители, сигнализаторы предельных значений, выбор минимума и максимума, таймеры, элементы памяти, произвольные характеристики; – Логические блоки: элементы И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, НЕ, И-НЕ, RS-триггеры, D-триггеры, таймеры, генераторы импульсов; – Сложные блоки: задатчик интенсивности, программный счетчик, ПИД 31 регулятор, генератор колебаний, управление тормозом и др. Рис. 5.1. Микропроцессорная система управления электроприводом Интерфейсные и сетевые средства электроприводов. Передача данных на нижних и средних уровнях автоматизации между программируемыми контроллерами, приводами, датчиками, средствами визуализации и управления технологическим процессом осуществляется по стандартизованным сетевым протоколам. Рассмотрим наиболее известные промышленные сети. Profibus представляет собой международный, открытый стандарт поле32 вых шин с широким диапазоном применения в автоматизации технологических и производственных процессов. Независимость от производителя и открытость стандарта гарантируются международными нормами EN 50170 или IEC 61158. Profibus-DP является одним из профилей коммуникации этого стандарта. Он оптимизирован на быструю, критичную по времени передачу данных на полевом уровне при минимальной стоимости подключения. Profibus-DP может выступать в качестве замены как обычной, параллельной передачи сигналов 24 В в системах автоматизации производства, так и для передачи сигналов в аналоговом виде 4...20 мА в системах автоматизации технологических процессов. Profibus-DP является многомастерной системой и благодаря этому обеспечивает совместную работу нескольких систем автоматизации, визуализации или инжиниринга с децентрализованными периферийными устройствами на одной шине. Profibus-DP подразделяется на мастеров и ведомые устройства. Мастераппараты определяют обмен данными на шине и в литературе носят название «активных» абонентов. Мастер может выдавать информацию без внешнего запроса, если он обладает правом обращения к шине (Token). Мастеры делятся на 2 класса: мастер 1 класса – под этим подразумеваются центральные устройства автоматизации (напр., контроллеры SIMATIC S5, S7), которые ведут обмен информации с подчиненными (ведомыми) устройствами по заданным циклам; мастер 2 класса – к аппаратам этого класса относятся программаторы, проектирующие устройства или аппараты обслуживания и наблюдения, которые используются для конфигурирования, ввода в эксплуатацию или для наблюдения за линиями в ходе работы. К ведомым аппаратам относятся полевые устройства, как например, преобразователи частоты, приводы постоянного тока, периферия ввода/вывода и регулирующие клапаны. Они не имеют права обращения к шине, т.е. они могут только квитировать полученные сообщения или выдавать их по запросу одного из мастеров. Ведомые устройства называют также «пассивными» абонентами. Техника передачи данных по физическому интерфейсу RS-485. При выборе техники передачи решающее значение имеют такие критерии, как высокая скорость передачи и простая, экономичная установка и подключение. Для этой цели обычно применяется скрученный, экранированный медный 2-х жильный кабель. Скорость передачи может устанавливаться в диапазоне от 9,6 кБод до 12 МБод. Она выбирается единой для всех аппаратов шины при наладке системы. Все аппараты подключаются в одной структуре шин (линии). Один сегмент 33 может объединять до 32 абонентов (мастеров или ведомых). В начале и конце каждого сегмента шина завершается активным концевым устройством. Для исправной работы должно обеспечиваться бесперебойное питание обоих концевых устройств. Эти устройства обычно реализуются в аппаратах или в разъемах для подключения шин. При более чем 32 абонентах или при увеличении протяженности сети должны устанавливаться репитеры (усилители) для соединения отдельных сегментов шины. Техника передачи данных по оптоволоконному каналу. Для использования в среде с высокой степенью помех, для разделения потенциалов или для увеличения дальности действия при высоких скоростях передачи в стандарте Profibus-DP могут использоваться оптоволоконные каналы. Предлагаются разные типы каналов, отличающиеся друг от друга дальностью действия, ценой и областью применения. В табл. 5.2 приведены наиболее распространенные типы оптоволоконных каналов. Таблица. 5.2 Тип оптоволоконного канала Мультмодовое (Multimode) стекловолокно Одномодовое (Monomode) стекловолокно Пластмассовое волокно Волокно PCS/HCS Характеристики Для линий средней длины – 2…3 км Для длинных линий >15 км Для коротких линий <80 м Для коротких линий <500 м Оптоволоконные сегменты шин Profibus-DP могут образовывать лучевые или кольцевые структуры. Имеется также возможность сопряжения линий передачи данных по интерфейсу RS-485 и оптоволоконных каналов. Тем самым в любой момент обеспечивается возможность в пределах одной установки переходить с одного способа передачи на другую. Profibus-DP работает по принципу сети с передачей маркера, т.е. активные устройства (мастеры) в логической круговой последовательности получают в течение определенного времени право передачи данных. В пределах этого временного окна мастер может общаться с другими мастерами или же обмениваться данными с ведомыми устройствами. Profibus-DP использует при этом в первую очередь способ ″мастер – ведомый″. Протокол DeviceNet – это открытый сетевой стандарт, разработанный компанией Rockwell Automation в 1993г. DeviceNet служит для подключения устройств нижнего уровня автоматизации к технологическим контроллерам. Максимальная протяженность сегмента сети составляет 500 м. Суммарная протяженность линии с использованием репитеров может составлять до 3 км. Ка34 нал связи DeviceNet базируется на протоколе Controller Area Network (CAN). Пакет данных протокола CAN состоит из заголовка протокола, идентификатора CAN, максимум 8 байт данных и конечной метки. Однако, метод передачи данных по протоколу DeviceNet позволяет расширить область передаваемых данных до любого требуемого размера. При необходимости передачи объема данных более 8 байт, протокол фрагментации разбивает данные на несколько последовательно передаваемых пакетов. Протокол CAN (ControllerArea Network) описан в международном стандарте ISO DIS 11 898, в котором описаны только электрические компоненты физического уровня и уровня канала передачи данных (1 и 2 уровни в модели OSI). CiA (CAN in Automation) – международная ассоциация пользователей и производителей определила его использование для промышленных сетей в рекомендациях для сетей и проводников DS102-1. Например, передача предупреждений, ошибок, наборов параметров приводов. Максимальное количество узлов – 124. Протяженность линии связи зависит от выбранной скорости передачи данных. Протокол CC-Link (Control & Communication Link) был разработан корпорацией Mitsubishi Electric для связи программируемых контроллеров с периферийными устройствами. В сети CC-Link существует один мастер-модуль и максимум 64 ведомых модулей. Мастер имеет адрес "0", ведомые модули 1..64. CC-Link имеет шинную топологию. Скорость обмена даными может быть установлена от 156 КБит/с до 10 МБит/с. Протяженность линии связи зависит от выбранной скорости передачи данных. Интерфейс Simolink предназначен для быстрого обмена информацией между приводами. Все узлы соединены последовательно в замкнутый круг. Коммуникационная плата SLB (Simolink-Board) необходима, чтобы включить преобразователь в сеть Simolink. Каждая такая плата является узлом, максимальное количество узлов в сети Simolink - 201. Данные передаются по оптоволоконному кабелю (пластиковому или стеклянному). Сеть имеет кольцевую структуру, каждый узел служит усилителем сигнала. В зависимости от проводника, допустимы следующие расстояния передачи: не больше 40 м между узлами при пластиковом кабеле; не больше 300 м при использовании стеклянного кабеля. Все узлы синхронизируются с помощью сигнала, посылаемого узлом, который в данный момент передает данные, и одновременно получаемого всеми 35 остальными узлами. Сигнал посылается через одинаковые промежутки времени, обеспечивая устойчивую синхронизацию. Время между синхронизациями рассчитывается адаптером и одновременно синхронизирует системные часы всех узлов сети. Передача данных строго циклична и происходит в момент начала следующего цикла шины. Это означает, что все данные, которые посылаются или принимаются узлами сети передаются в промежутке между двумя сигналами синхронизации. Это позволяет получать одновременно всем узлам самую последнюю информацию. Вопросы для самопроверки 1. Каково назначение промышленных информационных сетей? 2. Приведите классификацию промышленных информационных сетей. 3. Какие топологии промышленных информационных сетей Вы знаете? 4. Назовите основные характеристики промышленных информационных сетей. 5. Какие модули связи применяются при организации сети в системах автоматизации технологическим процессом? 6. Что такое коммуникационный протокол? 7. Какие сетевые адаптеры применяются при организации сети в системах автоматизации? 8. Какие методы кодирования информации существуют в промышленных информационных сетях? 9. Какие виды и формы сигналов существуют? 10. Как определяется пропускная способность канала связи без помех? 36 Глава 6. Программное обеспечение систем автоматизации и управления 6.1. Программирование промышленных компьютеров, контроллеров, терминалов и интеллектуальных модулей Программное обеспечение средств автоматизации. Все фирмыпроизводители средств автоматизации разрабатывают соответственно и программное обеспечение этих средств. Программное обеспечение имеет общие признаки в построении, интерфейсе проектировщика, системе команд и функций. Рассмотрим программное обеспечение для настройки и программирования различных средств автоматизации фирмы Omron. Программные продукты объединены в серию CX основанную на коммуникационной платформе CX-Server (CX-Programmer, CX-Simulator, CXSupervisor, CX-Motion, CX-Posit6ion, CX-Protocol). Эта коммуникационная платформа включает драйверы сетевой связи для всех программных протоколов OMRON, сетей Ethernet, Controller Link и последовательной связи. Широкий набор программных средств CX обеспечивает одновременный доступ к различным программируемым логическим устройствам и сетям через CX-Server. Это повышает удобство и простоту обращения с оборудованием OMRON. Данные программные средства выполняют функции: драйвера WINDOWS для обмена данными между системами ПЛК OMRON и Microsoft Office а также VBA, программирования для всех типов ПЛК, тестирования пользовательских программ, SCADA, настройки параметров модулей динамического управления CS1W-MC*** и С200H-MC221, настройки параметров модулей позиционирования CS1W-NC и СJ1W-NC, программирование коммуникационных модулей поддерживающих макро протокол. CX-Programmer обеспечивает единую платформу программного обеспечения для программируемых логических контроллеров (ПЛК) OMRON всех типов: от микроконтроллеров до двухпроцессорных систем. Программатор упрощает преобразование и повторное использование управляющих программ, созданных с помощью программного обеспечения для ПЛК предыдущих поколений. Усовершенствованная функция ″сравнения проектов″ позволяет детально сравнить программу ПЛК и персонального компьютера. За счет интеграции с другими программными средствами CX-Programmer обеспечивает совместное использование комментариев, что повышает скорость разработки и упрощает 37 эксплуатацию ПЛК. Главной особенностью среды CX-Programmer является появление в ней, по аналогии со средствами для разработки программ для персональных компьютеров, функции компиляции программы. Фактически за этой возможностью стоит мощный анализатор текста программы, который производит проверку исходного текста и сигнализирует о фактических ошибках и фрагментах кода, выполнение которых может происходить неверно (например, использование одного и того же выхода в более чем одной цепочке). Благодаря этой возможности удается резко сократить количество ошибок, оставшихся на момент отладки программы, а также сократить время её написания. Это время можно использовать для более тонкой настройки характеристик оборудования, а также для сокращения длительности и оптимизации рабочего цикла программы. В состав функциональных устройств ПЛК, как правило, входят различные средства ввода и отображения информации, позволяющие осуществлять контроль за ходом технологического процесса. Такие устройства принято называть средствами человеко-машинного интерфейса. NT-Shell программная среда разработки экранов терминалов (панелей оператора) серии NT. C помощью неё решаются следующие задачи, для всех без исключения NT-терминалов OMRON: создание и редактирование экранов, таблиц данных, строковых и цифровых таблиц; управление обменом данных между ПЛК и NT; ведение хронологии аварийных сообщений и вызовов экранов NT СX-Supervisor – SCADA пакет компании OMRON с помощью которого имеется возможность создания приложений верхнего уровня управления. Простые приложения можно быстро создать с помощью большого кол-ва готовых функций и библиотек. За счет ясной прямолинейной структуры сокращается время на ознакомление с программой. С помощью OPC существует возможность установки связи с OPC серверами 2-ой версии. Поддержка баз данных SQL, ODBC, MS Access, dBase, CSV и MS Excel, а также импорт компонентов ActiveX позволяет создавать гибкие приложения с широкими функциональными возможностями. Программирование промышленных компьютеров и программируемых контроллеров. Простые компьютерные средства автоматизации работают по жестким программам, заложенным в них при изготовлении. Их программирование для конкретных приложений заключается в записи необходимой для 38 управления информации: кодов режима, управляющих слов, бит разрешения или запрета, коэффициентов, пределов изменения данных и т. д. Таким способом программируются многие устройства низкого уровня: модули ввода/вывода, модули связи, специализированные контроллеры (локальные регуляторы), датчики и исполнительные устройства с микропроцессорным управлением. Устройства управления более высокого уровня: программируемые логические контроллеры, системы числового программного управления, промышленные ПК, некоторые интеллектуальные регулирующие модули требуют написания программы управления оборудованием. Поэтому для их программирования используются специальные программные инструментальные средства. Эти средства могут находиться в самом устройстве управления, и тогда для программирования достаточно небольшой консоли, либо они находятся на специальном программаторе или ПК, тогда создаваемая с их помощью программа загружается в управляющее устройство по каналу связи. Особенностями программ для устройств этого уровня являются наличие развитого математического аппарата обработки битовой информации, преимущественно целочисленная арифметика, большое разнообразие функций и функциональных блоков по анализу информации с датчиков, реализации законов управления и обмена по каналам связи. Эти программы реализуют основные алгоритмы автоматического управления. От них требуется хорошее быстродействие и высокая надежность. Для систематизации разрабатываемых инструментальных пакетов программирования логических контроллеров разработан стандарт МЭК IEC– 1131, который включает 5 языков[2]. В качестве примера инструментального средства для программирования контроллеров можно назвать пакеты SYSMATE-PMD (MS DOC) и SYSWIN (Windows) для контроллеров фирмы Omron, Simatic Step7 для контроллеров фирмы Siemens. Программирование терминалов. Для удобной работы обслуживающего персонала с компьютерными системами управления в производственных условиях используются средства человеко-машинного интерфейса MMI (Man Machine Interface), которые включают промышленные терминалы, информационные панели, консоли данных. Эти устройства также имеют средства программирования, которые используют те же типы данных, что и программируемые контроллеры, но предназначены для удобного ввода и наглядного представления 39 оперативной информации о процессе управления. Входной язык для написания программ промышленных терминалов представляет собой набор графических образов элементов индикации, текстовых сообщений, цифровых и стрелочных дисплеев, диаграмм, экранов для графических зависимостей (трендов), кнопок, переключателей и других элементов управления. Все это поддерживается системой связи с данными программируемых контроллеров и системой организации экранного диалога. Примером такого пакета может служить пакет NTWin, предназначенный для программирования промышленных NTтерминалов фирмы Omron. Общий контроль и управление технологическим процессом, сбор и архивирование данных, их статистическая обработка и документирование выполняются на верхнем уровне, где используются промышленные или обычные ПК. Эти устройства используют известные операционные системы и работают под управлением специальных программных приложений, разработанных в среде инструментальных средств систем дистанционного контроля, управления и диспетчеризации SCADA (Supervisor Control And Data Acquisition). Примером такой системы может служить пакет SCS, предназначенный для использования в автоматизированных системах управления, построенных на базе контроллеров фирмы Omron. Эти программные приложения могут дополняться или создаваться полностью на языках программирования общего назначения, например в среде Delphi или Visual С, или в пакетах систем управления базами данных. Программирование интеллектуальных модулей. Под интеллектуальными модулями программируемого контроллера понимаются модули, которые обрабатывают данные по некоторому алгоритму независимо от центрального процессора, выполняющего основную программу управления. Фактически интеллектуальные модули являются сопроцессорами. Их можно разделить на 4 группы модулей, которые: вводят информацию, выполняя ее предварительную обработку, например модули высокоскоростного счета; выводят информацию, с представлением ее в требуемом виде, например ASCII-модули, предназначенные для масштабирования информации с учетом системы физических единиц и вывода ее на печать в удобном виде с текстовыми комментариями; вводят информацию, обрабатывают ее по определенным алгоритмам и выдают управляющие сигналы, например модули ПИД-регулирования или модули ЧПУ; берут информацию из памяти контроллера, обрабатывают ее по опреде40 ленным алгоритмам и возвращают снова в память контроллера, например модуль нечеткой (fuzzy) логики Omron С200Н FZ001, реализующий законы управления, основанные на методах нечеткой логики. Применение интеллектуальных модулей значительно расширяет функциональные возможности программируемых контроллеров, снижает объем работы по составлению основной управляющей программы, разгружает центральный процессор от ряда стандартных вычислений. Некоторые из этих модулей имеют свое программное обеспечение для программирования. Например, для ввода базы знаний в модуль нечеткой (fuzzy) логики Omron C200H FZ001 используется инструментальный программный пакет FSS, который устанавливается на ПК и имеет связь с модулем по интерфейсному порту RS-232C. Он включает средства для формирования функций принадлежности входов и выходов, ввода правил, выбора метода дефазификации, а также для обмена данными с модулем, наблюдение за процессом принятия решений и отладки базы знаний. Другие модули программируются с помощью данных, вводимых в модуль или память контроллера. Например, программирование интеллектуальных модулей контроллеров фирмы Omron осуществляется записью значений управляющих бит и слов в область памяти DM в режиме программирования. Оперативное управление и передача данных выполняются через область IR. Эти модули являются специальными модулями [10], поэтому адреса ячеек памяти, используемых ими, задаются переключателем на передней панели модуля. 6.2. Программирование контроллеров для реализации алгоритмов управления оборудованием Управление по времени. Автоматическое управление в функции времени является одним из наиболее распространенных способов управления в дискретной автоматике. Алгоритм такого управления можно представить в виде двух частей: алгоритм формирования последовательности интервалов времени; алгоритм управления исполнительными устройствами в соответствии с интервалами времени. Формирование последовательности интервалов времени выполняется с использованием устройств создания выдержек времени (реле времени или таймеров) или счетчика последовательности импульсов заданной длительности. В программируемых контроллерах предпочтительнее использовать первый способ, так как контроллеры допускают введение большого количества программ41 ных таймеров и такой подход удобнее при отладке системы управления и коррекции значений интервалов времени. Управление по состоянию объекта. Для управления по состоянию объекта необходимо иметь информацию об этом состоянии. Поэтому при разработке таких систем обязателен выбор датчиков. Количество датчиков и объем поставляемых ими данных должны быть достаточными для получения полной информации об объекте, необходимой для решения конкретных задач управления. Можно выделить два способа управления по состоянию объекта: последовательность действий (состояний объекта) жестко определена и информация с датчиков позволяет контролировать окончание действия или переход объекта в новое состояние, каждое новое действие начинается после окончания предыдущего; выбор нового действия (состояния объекта) определяется текущими значениями параметров, каждое новое действие начинается после того, как выполнятся необходимые для этого условия. Первый способ называют также программным, а последовательность действий объекта, которая реализуется при этом управлении – программой. В общем случае управление может включать оба способа, например, в программе учитывается состояние параметров, в зависимости от которого потребуется та или иная последовательность действий. Алгоритм жесткого последовательного управления по состоянию объекта. Автоматическое управление в функции состояния объекта при жесткой последовательности операций также является одним из распространенных способов управления в дискретной автоматике. Последовательность операций может выполняться однократно по одной команде или повторяться многократно в повторяющихся циклах. Алгоритм такого управления можно представить в виде двух частей: алгоритм формирования последовательности действий или шагов управления (отдельных операций, выполняемых в объекте управления); алгоритм управления исполнительными устройствами в соответствии с шагом управления. Последовательность шагов (отдельных операций, выполняемых в объекте управления) формируется с использованием датчиков состояния объекта, которые информируют систему управления об окончании текущей операции. Факт окончания предыдущей операции является необходимым условием начала следующей. Различные шаги управления могут использовать одни и те же датчики или 42 исполнительные устройства, поэтому необходимо фиксировать шаги. В этом случае работа датчиков на последующих шагах не будет влиять на предыдущие и, соответственно, на управляемые ими исполнительные механизмы. Для этого в программе каждый шаг управления связывается с битовой переменной (признаком шага), которая в момент активизации шага устанавливается в единичное состояние ON. Таким образом, последовательность действий в объекте управления формируется программой, которая генерирует ряд шагов, последовательно устанавливая связанные с ними биты. По окончании последнего шага все признаки шагов сбрасываются. Если цикл необходимо повторить, то последний шаг должен опять запустить программу последовательности шагов. Управление исполнительными механизмами определяется текущим шагом. Действие указывается для того механизма, который на этом шаге включается или выключается. Исходя из этого, формируется функция управления исполнительными устройствами: для каждого устройства определяется на каком шаге оно включается, на каком выключается. Алгоритм гибкого управления по состоянию объекта [10]. Для систем дискретного автоматического управления объектами с конечным числом состояний, у которых алгоритм перехода из одного состояния в другое определяется значениями параметров объекта и не имеет жесткой последовательности, могут быть использованы известные алгоритмы цифровых автоматов, например автомата Мура. 6.3. Программирование контроллеров для решения задач повышения надежности систем управления Производители компьютерных средств автоматизации уделяют вопросам надежности большое внимание: проводят жесткий отбор аппаратных средств; вводят дополнительные элементы, например, сторожевой таймер; вводят дополнительные программы тестирования в процессе управления; контроль сохранности программы управления и данных; резервирование аппаратных средств и линий связи. Результаты внутреннего тестирования и проверок компьютерных средств автоматизации фиксируются в служебной и архивной памяти. Эта информация доступна из управляющей программы, поэтому при разработке программ необходимо учитывать влияние возможных отказов на качество управления. При создании систем управления необходимо обращать внимание на ее устойчивость к от43 казам как при выборе технических средств, так и при проектировании схемы подключения и при разработке управляющей программы. Отказ всегда возможен, поэтому надо стремиться строить систему так, чтобы его своевременно обнаружить и минимизировать ущерб от его появления. Рассмотрим некоторые мероприятия по повышению надежности компьютерных систем управления. Обрыв электрических цепей входных сигналов или замыкание их на корпус – одна из наиболее часто встречающихся неисправностей. Входом модуля ввода это состояние будет восприниматься как сигнал нулевого напряжения или тока. Одним из способов определить такую неисправность является выведение сигнала этого уровня из информационного диапазона. Например, для аналоговых сигналов используют сигналы напряжения от 1 до 5 В или тока 4...20 мА. Если входной сигнал меньше 1 В или 4 мА, то это означает, что входная цепь оборвана, в ней имеется плохой контакт или замыкание на корпус. Для дискретных сигналов, где нулевой сигнал является информационным, управляющую программу необходимо строить так, чтобы появление аварийного нулевого сигнала не привело к опасным последствиям. Например, цепи, предназначенные для подачи сигнала останова, должны в исходном состоянии подавать сигнал высокого уровня, а сигнал останова – низким уровнем, т. е. сигнал подается инверсным. В этом случае обрыв цепи будет снимать высокий уровень, что равнозначно сигналу останова. Останов в большинстве случаев – более благоприятное последствие аварии, чем невозможность остановить. Другим примером может служить подключение датчиков уровня откачивающей насосной станции [2]. Датчик минимального уровня, который останавливает насосы при снижении уровня ниже минимального, должен выдавать сигнал останова низким напряжением, потому что при отказе датчика из-за обрыва цепей напряжение на входе модуля ввода тоже будет отсутствовать и насосы остановятся. Таким образом, насос будет защищен от продолжительной непрерывной работы и от попадания воздуха в систему. Датчики более высокого уровня должны выдавать нулевой сигнал при повышении уровня. В этом случае при обрыве цепей этих датчиков насосы будут включаться чаше, но переполнения осушительной ямы не произойдет. Контроль состояния датчиков позволяет косвенно определить их неисправность, например, когда датчик остается в каком-либо состоянии независимо от значения измеряемого параметра. В некоторых случаях такую 44 неисправность можно определить по возникновению противоречивого, недопустимого в нормальных условиях эксплуатации состояния нескольких датчиков. В рассмотренном ранее примере с датчиками уровней осушительной насосной станции таким противоречивым состоянием является случай, когда датчик минимального уровня показывает, что уровень ниже минимального, а датчики верхних уровней показывают, что уровень воды выше. В этом случае целесообразна выдача предупреждения обслуживающему персоналу о неисправности датчиков. Явление ″дребезга″ дискретного датчика возникает из-за влияния различных шумов на работу датчиков (например, волнение поверхности воды для датчиков уровня, пульсации давления или потока вследствие работы насосов для датчиков давления и потока, дребезг датчиков приближения, когда они находятся на пороге чувствительности, и т. д.). Для борьбы с этим явлением устанавливают 2 датчика чтобы обеспечить гистерезис переключения, или берут датчик с гистерезисом переключения. Такой подход снижает точность определения значения параметра, но исключает возможные колебания и неоправданно частые переключения. Другой способ борьбы с этим заключается в установке временных задержек на переключение сигнала. На входе устанавливается устройство или входной сигнал X при вводе обрабатывается программой так, чтобы сигнал X*, направленный в алгоритм принятия решения, был равен входному, если тот был в одном из допустимых состояний более заданного интервала времени, иначе сигнал X* сохраняет свое значение. Защита от затянувшегося пуска и контроль продолжительности включения целесообразны для периодически работающих механизмов. Например, насосная станция гидравлики металлорежущего станка, которая включает насос и гидроаккумулятор, работает в основном при большом расходе гидравлики, когда действуют вспомогательные механизмы: зажимы заготовки и инструмента, манипуляторы и т. д., а в процессе обработки заготовки лишь поддерживается давление в системе гидравлики. Насос такой гидростанции при неработающих гидравлических механизмах должен поднять давление в системе гидравлики за определенное время, превышение которого свидетельствует о неисправности: обрыве муфты насоса, течи в трубопроводах, неисправности в золотниках или гидроцилиндрах исполнительных устройств. Такой контроль целесообразен как при включении станка, так и в 45 ходе выполнения технологического процесса. Защита от частых пусков также полезна для периодически работающих механизмов. Слишком частые пуски насоса системы гидравлики являются свидетельством неисправности в системе, например утечки гидравлики, и ведут к быстрому износу оборудования. Предупредительный и аварийный контроль значений технологических переменных является важным фактором повышения надежности. В автоматизированных системах управления на все регулируемые и измеряемые переменные в диапазоне их изменения устанавливают предупредительные и аварийные максимальные и минимальные пределы. При выходе значения переменной за предупредительные пределы выдается сообщение оператору. При выходе значения переменной за аварийные пределы запускаются программы, которые переводят технологический процесс в режим, исключающий развитие аварийной ситуации. Приведенные примеры предупреждения аварий и отказов не охватывают всего многообразия задач, которые возникают при создании надежных систем управления. В каждом конкретном случае необходимо подходить творчески и рассматривать различные варианты поведения системы и предусматривать соответствующие действия. Вопросы для самопроверки 1. Какая структура программного обеспечения может быть в системах автоматизации и управления? 2. Какие операционные системы и системное ПО применяются в системах автоматизации и управления? 3. Назовите основные функции операционной системы. 4. По каким критериям осуществляется выбор операционной системы в промышленных компьютерах? 5. Какое прикладное ПО применяется в системах автоматизации и управления? 6. Изложите принципы программирования в системах автоматизации и управления. 7. Как программируются промышленные компьютеры и ПЛК? 8. Как программируются интеллектуальные модули технологических контроллеров? 9. Как программируются модули ввода аналоговых сигналов в технологических контроллерах? 10. Какие инструментальные средства существуют для разработки, отладки и со46 провождения программного обеспечения? 11. Как решаются вопросы надежности при программировании технологических контроллеров? 12. Объясните принцип программирования алгоритмов по времени. 13. Объясните принцип программирования алгоритмов по состоянию объекта. 14. Объясните алгоритм жесткого последовательного управления. 47 Глава 7. Технические средства для отображения процессов в системах автоматизации и управления 7.1. Общие сведения Устройствами отображения информации (УОИ) называются технические средства, предназначенные для создания динамических информационных моделей контролируемых или управляемых объектов. Для этого в УОИ входят индикаторы со схемами ввода информации, схемами управления, а в многофункциональных УОИ, работающих в АСУ ТП вместе с ПК, используются средства преобразования, хранения и обработки информации. УОИ предназначаются для повышения эффективности работы оператора-технолога в АСУ ТП за счет усиления его сенсорных, интеллектуальных и исполнительных функций. С этих точек зрения УОИ относится к группе устройств ГСП для использования командной информации в целях воздействия на процесс и для связи с оператором. В число этих устройств входят абонентские пульты, диспетчерские щиты, панели, разнообразные средства контроля и регулирования. УОИ могут выполнять и функции преобразования, и хранения информации. Многофункциональность УОИ, разнообразие областей их использования, разнообразие способов воспроизведения информации, различие инженерно-психологических признаков УОИ и ряд других характеристик приводят к многообразию способов классификации и типизации УОИ. Нашли распространение следующие типы УОИ [12]: 1. С электромеханическими и электромагнитными преобразовательными элементами: самопишущие показывающие и регистрирующие приборы, графопостроители, алфавитно-цифровые печатающие устройства (АЦПУ). 2. С использованием ламп накаливания: пульты, табло, мнемосхемы. 3. С газоразрядными приборами: табло с использованием тиратронов с холодным катодом, газоразрядные индикаторные панели для отображения знакографической информации. 4. С электролюминесцентными приборами индикации (панели и табло). 5. С жидкокристаллическими приборами (панели и табло). 6. С электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ) прямого видения – видеотерминальные средства оперативного взаимодействия (дисплеи). 7. На базе ЭЛТ с проекцией (экраны коллективного пользования). 8. Оптические УОИ, использующие запись и представление информации в голографическом виде с применением лазеров. 48 По характеру отображаемой информации УОИ разделяют на знаковые (табло на знакосинтезирующих индикаторах, знаковые дисплеи), графические (регистрирующие приборы электромеханические с записью на бумаге и фотобумаге, на ЭЛТ), знакографические или универсальные (мозаичные табло и мнемосхемы, АЦПУ, алфавитно-цифровые дисплеи). По принципу формирования символа УОИ разделяются на знакосинтезирующие, знакомоделирующие и знакогенерирующие. Знакосинтезирующие УОИ используют образование символа из отдельных дискретных элементов. Так, например, в мнемосхемах используются мнемосимволы, высвечиваемые лампами накаливания. В знако- и цифро-синтезирующих индикаторах синтез знаков и цифр осуществляется с помощью зажигания или гашения соответствующих индикаторных элементов. По способу фиксации измерительную информацию можно представить в УОИ в виде: а) положения указателя на шкале индикатора; б) отдельного числа или таблицы чисел; в) кривой, графика или их совокупности; г) текста; д) изображения (цветного, одноцветного, контурного, плоскостного, объемного). Выбор наилучшего типа УОИ в конкретных обстоятельствах должен решаться с учетом психофизиологических характеристик и особенностей человека, так как АСУ ТП работает в реальном масштабе времени и оператортехнолог должен принимать решения в темпе протекания технологического процесса. Среди психофизиологических характеристик отметим основные: 1. быстродействие оператора (время решения задачи оператором, пропускная способность оператора при считывании символьной информации); 2. точность работы оператора; 3. надежность работы оператора; 4. психическая напряженность работы оператора. Выбор типа УОИ в конкретных эксплуатационных условиях работы должен учитывать перечисленные фактуры. При выборе УОИ необходимо руководствоваться техническими характеристиками, состав которых обусловлен эксплуатационными требованиями к АСУ ТП и психофизиологическими характеристиками оператора. Основные технические характеристики УОИ следующие: быстродействие, точность, информационная емкость, разрешающая способность, надежность работы. Устройства отображения информации выполняют функции индикации или визуализации непрерывных или дискретных величин путем преобразования 49 их в те или иные зрительные образы, удобные для оператора и содержащие количественную информацию. Так как 80% поступающей информации человек воспринимает через зрение, то наиболее широко применяются УОИ, отображающие информацию в виде линейных или угловых перемещений, графиков, таблиц чисел, рисунков. Акустические сигналы обычно выполняют либо вспомогательные функции при оценке состояния процесса (например, сигнализация об отклонениях от нормы, авариях и т. п.), либо служат для связи оператора с абонентами уровней АСУ ТП. Осязательные сигналы имеют вспомогательное значение и возникают в процессе работы оператора с органами управления на пультах, щитах, панелях. Здесь информативными признаками могут служить форма, размер, местоположение кнопок, рукояток, клавиш, ключей и т. п. Регистрация (и хранение) аналоговой и дискретной (знаковой) информации также относится к основной функции УОИ. 7.2. Пульты, терминалы и станции оператора Приборы оперативного управления и мониторинга включают в свой состав широкую гамму аппаратуры оперативного управления и контроля, масштабируемую по производительности и стоимости, степени защиты и возможности расширения. Достаточно широкий выбор устройств оперативного управления и контроля предлагает компания Omron (см. табл. 7.1). Таблица 7.1 Технические данные NT терминалы NT2S NT11S NT20S 109х60х44 2-х строчный LCD, моно 218х113х38 STN-LCD, моно 190х110х58 195х142х54 315х250х54 STN-LCD, мо- STN-LCD, моно 8 STN-/TFT-LCD/EL но цветов Моно / 8 цветов Разрешение, точек - 160х64 256х168 320х240 640х480 Размер экрана, мм 60х13 Индикаторы Кнопки ПЗУ ,КБайт Число экранов 250 100х40 112х56 128 72 96 50 118.2х89.4 256 256 1024 4000 229х172 256 256 1024 4000 Коммуникацион- Host Link ные возможности Host Link / NT Link Степень защиты IP65F, NEMA4 Размеры, мм Тип дисплея IP65F, NEMA4 32 250 NT31/NT31C Host Link/NT Host Link/NT Link Link (1:1/1:N)/ (1:1/1 :N) C200H interface IP65F, NEMA4 IP65F, NEMA4 50 NT631/NT631C Host Link/NT/ Link (1:1/1 :N) Memory Link IP65F, NEMA4 Программируемые NT-терминалы Omron используются в качестве панелей оператора для контроля и управления технологическим оборудованием в режиме реального времени. Эти устройства позволяют отображать информацию, как в графическом, так и в символьном виде, а также вводить требуемые данные. Терминалы, предназначенные для панельного монтажа или монтажа в стойку, имеют степень защиты лицевой панели IP65. Исполнение дисплеев может быть основано на одной из трех технологий: EL, STN LCD, TFT LCD. Электролюминисцентная технология (ЕL) обеспечивает наилучший угол обзора, яркость и контрастность. Жидкокристаллическая (LCD) – отсутствие мерцания, точная геометрия, полное отсутствие рентгеновского излучения, продолжительный срок эксплуатации. Технические характеристики NT-терминалов приведены в табл. 7.1. Программируемые терминалы серии NS характеризуются следующими параметрами: размер экрана 12.1 дюйм; разрешение 800х600; цветной дисплей 256 цветов; видео режим 60000 цветов; объем памяти (до 20мБ); поддержка Flashкарт памяти; удаленный доступ через Ethernet. Вопросы для самопроверки 1. Какие типовые средства отображения существуют? 2. Какие типовые средства документирования информации существуют? 3. Какие принципы построения устройств взаимодействия с оператором Вы знаете? 4. Назовите классификацию и технические характеристики устройств взаимодействия с оператором. 5. Где применяются видеотерминальные средства и индикаторы? 6. Назовите основные технические характеристики видеотерминальных средств и индикаторов. 7. Где применяются пульты и станции оператора? 8. Назовите основные технические характеристики пультов и станций оператора. 9. Где применяются регистрирующие и показывающие приборы? 10. Назовите основные технические характеристики регистрирующих и показывающих приборов. 51 Библиографический список 1. Автоматизация типовых технологических процессов и установок: Учебник для вузов / А.М. Корытин, Н.К. Петров, С.Н. Радимов, Н.К. Шапарев. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 432 с. 2. Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов Л.Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: Учебник для вузов. – М: Издательский центр ″Академия″, 2004. – 576 с. 3. Домрачев В.Г., Матвиевский В.Г., Смирнов Ю.С. Схемотехника цифровых преобразователей перемещения: Справ. Пособие. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 376 с. 4. Егоров В. Н., Иванов В. В., Торопов В. И. Элементы автоматизированного электропривода: Учеб. пособие. – Л.: СЗПИ, 1987. 5. Ильинский Н. Ф. Основы электропривода. Учеб. пособие для вузов. М.: Издательство МЭИ, 2000. 6. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов:Учебник для вузов. – М.: Энергия, 1980. – 360 с. 7. Мишель Ж. Программируемые контроллеры: Архитектура и применение / Пер. с фр. И. В. Федотова; Под ред. Б. И. Лыткина. – М.: Машиностроение, 1992. – 342 с. 8. Мотор-редукторы. SEW-Eurodrive. Каталог 1054 1659/RU. 2002. 9. Мячев А. А., Степанов В. Н., Щербо В. К.. Интерфейсы систем обработки данных: Справ. / Под ред. А. А. Мячева. М.: Радио и связь, 1989. 10. Прокопов А.А., Татаринцев Н.И., Цирлин Л.А. Компьютерные технологии автоматизации. Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2004. 80 с. 11. Пятибратов А.П., Гудыко Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. 1997. – 452 с. 12. Родионов В. Д., Терехов В. А., Яковлев В. Б. Технические средства АСУТП: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высш. шк., 1989. – 262 с. 13. Свечарник Д.В. Электрические машины непосредственного привода: Безредукторный электропривод. – М. Энергоатомиздат, 1988. 14. Справочник по автоматизированному электроприводу/ Под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского. – М.: Энергоатомиздат, 1983. 15. Стандартные преобразователи частоты от 120 Вт до 250 кВт. 52 Micromaster 410/420/430/440. Каталог DA 51.2. 2003/2004. 16. Energy-saving Type Mitsubishi High-voltage Inverter MELTRACF500HV Series. 2000. 17. Leine&Linde Encoders. Art.nr. 600089. Version 1-2002. 18. OMNUC W Series. AC servomotors/servodrives. User’s manual. Cat. No. I531-E2-02. 2002. 19. Simatic. Комплексная автоматизация производства. Каталог ST80&PCS7. 2003-2004. 20. SIMATIC. Комплексная автоматизация производства: Каталог ST 70 Ч. 1– Ч.2. М.: Департамент A&D, 2001. 21. Simovert MV. Приводы на среднее напряжение от 660 kVA до 7700 kVA. Каталог DA 63. 2001. 22. Simovert Masterdrives. Vector Control. Catalog DA 65.10.-2001. 23. Sinumeric&Simodrive. Системы ЧПУ, электроприводы, двигатели, соединительная техника, для станков и обрабатывающих машин. Каталог NC 602002. 53