Средства автоматизации

Введение С момента зарождения ВТ рассматривалась как мощное средство автоматизации прежде всего вычислительного процесса, а затем уже и других процессов: сбора данных о состоянии объектов, их визуализации, регистрации, обработки и выдачи управляющих воздействий. По мере совершенствования СВТ стали создаваться специализированные средства автоматизации для различных сфер применения. Так появились измерительно-вычислительные (ИВК) и управляющие вычислительные комплексы (УВК). Они создавались для автоматизации физических экспериментов, для проведения комплексных испытаний образцов новой техники, для мониторинга состояния организма человека, окружающей его среды и для многого другого. В настоящее время наиболее приоритетными областями применения аппаратно-программных комплексов (АПК) являются промышленность, телекоммуникации, транспорт, оборона, авиация и космонавтика, объекты обеспечения жизнедеятельности человека, медицина. В эпоху централизованной экономики процесс производства средств автоматизации находился под контролем государства. Существовала система созданных им академических и научно-исследовательских организаций (институты АН СССР, НИИ, КБ), которые реализовывали политику в области экономики и военного строительства. В стране проводилась так называемая комплексная автоматизация. Технической базой автоматизации выступала государственная система приборов. В эту систему органично входили СВТ. С развалом СССР СВТ претерпели коренные преобразования. Их основой стали программно-технические средства, выполненные по международным стандартам качества. Стандартизация в области аппаратных и программных средств ВТ заставляет их производителей выпускать продукцию с открытой архитектурой. Такая архитектура дает возможность потребителям уходить от частнофирменных решений, а значит, предоставляет огромный выбор компонентов системы автоматизации от различных производителей. Критерием выбора тех или иных СВТ и телекоммуникаций становится соотношение цена/качество. Современные технологии нивелируют качество аппаратных средств. В этой связи на передний план выдвигаются другие требования. Они не в последнюю очередь касаются качества ПО и главным образом его эксплуатационных характеристик. Что касается ГСП, то ее никто не отменял. Остаются госзаказ и госприемка. А они заставляют в определенных сферах деятельности ориентироваться на изделия и продукты, отвечающие специфическим требованиям. К таким сферам относятся военная и аэрокосмическая области, атомная энергетика, и некоторые другие области деятельности, связанные с национальной безопасностью. В других отраслях экономики все решает ценовая политика. В результате за последние 15 лет в стране модернизировано и создано вновь на современных АПК большое количество систем автоматизации в различных областях применения. Будем понимать под АПК совокупность программно-технических средств, предназначенных для решения целевой задачи. Примером АПК может служить ПК. Целевая задача ПК может быть кратко сформулирована как представление результатов обработки исходных данных. Для решения такой задачи ПК должен обладать определенной архитектурой (набором аппаратных и программных средств). Итак, ПК имеет вычислительную задачу, которая тесно связана с задачей представления результатов решения первой задачи в виде, удобном для пользователя. Однако существует большое количество информационных систем, которые принципиально отличаются от системы в виде ПК. Такие системы предполагают, что исходные данные и результаты их обработки попадают в компьютер и выводятся из него с помощью специализированных средств. Вид таких средств во многом определяется параметрами источника информации и приемника сформированных выходных воздействий, т.е. объектом исследования и управления. Поэтому их называют устройствами сопряжения с объектом (УСО). В качестве объектов могут выступать прокатные станы металлургических заводов, мощные судовые установки, подвижные объекты, летательные аппараты, магистральные газо- и нефтепроводы, монорельсовые дороги, ТЭЦ, системы обеспечения жизнедеятельности и т.п. Следовательно, задачами УСО являются сбор данных об объекте и выдача необходимых управляющих воздействий на механизмы, изменяющие состояние объекта. Для комплексного решения целевой задачи требуются адекватные ее требованиям АПК. В настоящее время у нас в стране и за рубежом имеется широкий круг компаний, выпускающих АПК, ориентированные на решение целевых задач в отмеченных отраслях. В дальнейшем мы познакомимся с их продукцией, с принципами ее построения, особенностями реализации в ней новых ИТ. АПК могут выступать не только как традиционные ПК, но и в виде промышленных рабочих станций, панельных компьютеров, АРМ специалистов, ИВК, УВК, промышленных контроллеров и компьютеров, системы интеллектуальных модулей, встраиваемого в объекты оборудования. Сетевые технологии расширяют возможности АПК, позволяя создавать распределенные в пространстве структуры информационных систем. АПК различаются также быстродействием, условиями своего применения и массогабаритными показателями. Различают комплексы с условно низким, средним и высоким быстродействием. Первые рассчитаны на медленное промышленное производство, при которой темп поступления сигналов с датчиков или выдачи управляющих сигналов на исполнительные механизмы не превышает нескольких десятков Гц. АПК среднего быстродействия характеризуются темпом поступления данных от названной нижней границы до единиц десятков КГц. Наконец, АПК с высоким быстродействием обладают темпом преобразования сигналов с частотами от 100 КГц и выше. Их сферы применения – регистрация и анализ быстропротекающих физических процессов, контроль за состоянием вращающихся с высокими скоростями рабочих органов различных агрегатов (турбины, валы, двигатели и т.п.), робототехника, системы технического зрения и др. Условия применения характеризуются: 1) рабочей температурой, в которой функционирует АПК. Приняты три градации исполнения аппаратуры: E0  0 ~ +60 C (Иногда оставляют две градации: E1  -25 ~ +75 C Standard (E0) и Industrial (E2)) E2  -40 ~ +85 C 2) ударами и вибрациями или их отсутствием. 3) воздействием на аппаратуру твердых частиц или жидкости. Степень защищенности АПК характеризуется показателем IP (International Protection), например, IP20. Соответственно говорят об АПК, рассчитанных на жесткие условия или на стандартные условия эксплуатации. Массогабаритные показатели и связанное с ними энергопотребление могут стать лимитирующими факторами при выборе АПК. Для аппаратуры, встраиваемой в объект эти показатели, наряду с другими требованиями по скорости и противостоянию среде могут стать решающими. К таковым следует отнести АПК, размещаемые на вращающихся и аэрокосмических объектах, в робототехнике, станочном и другом специфическом оборудовании. ИВК и УВК Исторически одними из первых стали использовать ЭВМ на службе своих профессиональных интересов физики. Физический эксперимент, особенно в ядерной физике всегда отличался сложностью и большим числом контролируемых параметров (точек контроля). Ядерные центры редко испытывали недостаток в финансах. Они создавали и поддерживали передовые информационные технологии. Ниже представлена схема так называемого активного эксперимента. В ней ЭВМ является мозгом всей исследовательской установки. Целевая задача состоит в получении сведений о состоянии некоторого объекта исследования (ОИ) и управления (ОУ). Активность предполагает целенаправленное воздействие на объект по результатам обработки данных, поступающих с датчиков (Д) на объекте. Воздействие заключается в выдаче соответствующих управляющих сигналов на исполнительные устройства (ИУ). В последующем развитие СВТ, а также методов и средств измерений привели к созданию ИВК как эффективного средства сбора данных для некоторых стандартных условий. То же самое можно сказать в адрес УВК. Поскольку УВК предполагает фактическое присутствие в своем составе ИВК, далее мы остановимся более подробно именно на УВК. Его структура представлена ниже. УВК взаимодействует с объектом через УСО, которое образуют устройства аналогового и цифрового ввода/вывода. Устройства аналогового ввода обладают следующей структурой. Входные + сигналы – + СИ – Структура устройства аналогового вывода имеет вид: СИ ЛШ Выходные сигналы Дискретные сигналы вырабатывают датчики состояния. Основная функция устройства дискретного ввода – это регистрация или подсчет двоичных сигналов. Отсюда структурная схема устройства дискретного ввода. От объекта … СИ Структура устройства дискретного вывода имеет вид: Rн +U СИ +U К ИМ +U ~ U Первые управляющие вычислительные комплексы в нашей стране были разработаны в начале 1960-х гг. в Институте элек­тронных управляющих машин (ИНЭУМ). Создание ИНЭУМ было связано с быстрым развитием нового перспективного на­правления науки и техники — с разработкой электронных цифро­вых вычислительных машин для автоматизации производства. В 1958 г. был введен в эксплуатацию УВК М40 для специаль­ных применений, разработанный в Институте точной механики и вычислительной техники под руководством С.А. Лебедева и B.C. Бурцева. На базе этого УВК была создана первая советская система противоракетной обороны. В конце 1950-х - начале 1960-х гг. ИНЭУМ выполнил разра­ботку УВК М4, предназначенного для управления в реальном времени комплексом радиолокационных станций, который создавал Радиотехнический институт АН СССР в составе крупной, территориально распределенной по всей стране радиоэлектронной системы наблюдения за искусст­венными спутниками Земли. Технические характеристики УВК М4 Представление чисел с фиксированной запятой Разрядность 23 двоичных разряда Оперативная память 1024 23-разрядных чисел Постоянная память 1024 23-разрядных чисел Быстродействие 50 тыс. операций сложения или вычитания в секунду, 5,2 тыс. операций деления в секунду В качестве элементной базы применялись транзисторы и ди­оды, оперативная и постоянная память строилась на ферритовых сердечниках с использованием ламповых генераторов тока. Эти УВК выпускались серийно с 1964 г. в течение 15 лет. Они не имели иностранных аналогов и создавались коллективом раз­работчиков ИНЭУМ под руководством М.А. Карцева исключи­тельно на базе собственных технических решений. Одной из наиболее удачных разработок УВК в начале 1960-х гг. был построенный на полупроводниковых приборах УМ1-НХ, разработанный в КБ-2 электронной техники в Ленинграде под руководством Ф.Г. Староса [7]. Эти комплексы использовались, в частности, в системе автоматического контроля и регулирования Белоярской АЭС. Система управления состояла из двух УМ1-НХ, работающих в режиме горячего резерва. Важным направлением работ в 1960-х гг. были работы по ав­томатизации мощных энергоблоков «котел-турбина-генератор». Разработанные в ИНЭУМ УВК М7 были введены в эксплуата­цию на блоке 200 МВт Щекинской ГРЭС (М7-200) в 1966 г. и на блоке 800 МВт Славянской ГРЭС (М7-800) в 1969 г. Системы уп­равления энергоблоками на базе УВК М7 выполняли функции поддержания нормальных режимов работы блока с оптимизаци­ей их по минимуму расхода топлива. В 1965 г. ИНЭУМ возглавил работы по созданию Агрегатной системы средств вычислительной техники (АСВТ). Система была предназна­ в первую очередь для автоматизации технологических процессов и автоматизированных систем управления предприя­тиями. Хотя в эти годы первые отечественные интегральные схе­мы еще находились в стадии разработки и опытной эксплуата­ции, уже в 1970 г. в ИНЭУМ были созданы первые в стране управ­ляющие вычислительные комплексы третьего поколения. Иерар­хическая система таких комплексов на микроэлектронной базе (АСВТ-М) включала в себя модели М4000/М4030, М400 и М40, каждая из которых занимала свое место в составе интегрирован­ных производственных систем. Необходимо особо отметить, что в архитектуре АСВТ-М обеспечивалось сопряжение и взаимодействие разных типов ЭВМ, выполняющих определенные функции на каждом уровне в иерархических системах управления. Были разработаны техниче­ские и программные средства для организации однородных и не­однородных многомашинных комплексов. Комплексы АСВТ-М в совокупности с другими агрегатными комплексами государственной системы промышленных прибо­ров и средств автоматизации составили техническую базу систем автоматизации в энергетике, машиностроении и других отраслях промышленности. Достаточно широкое применение, особенно в отечественной электронной промышленности, получили микроэлектронные УВК серии «Электроника», разработанные ПО (производствен­ное объединение) «Светлана». С начала 1970-х гг. в ИНЭУМ по инициативе его руководите­ля, крупного ученого в области теории управления, вычислитель­ной техники и информатики, академика АН СССР Б.Н. Наумова создается международная система малых электронно-вычисли­тельных машин (СМ ЭВМ). Малые ЭВМ — это эффективная техническая база для ком­плексной автоматизации и управления сложными технологичес­кими объектами (установками, цехами, предприятиями), науч­ными исследованиями, процессами обучения и обработки ин­формации в непромышленной сфере. Система малых ЭВМ как система совместимых технических и программных средств нача­ла разрабатываться с 1974 г. путем интеграции научно-техничес­кого и производственного потенциала целого ряда стран. Ком­плекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских ра­бот по СМ ЭВМ выполнялся более чем 30 институтами и предприятиями СССР, Болгарии, Венгрии, ГДР, Республики Куба, Польши, Румынии и Чехословакии. В связи с достижениями в разработке и внедрении управляю­щих вычислительных комплексов ИНЭУМ становится головной организацией по разработке СМ ЭВМ, определяющей научно-техническую и производственную политику в данной области. Система малых ЭВМ была создана и развивалась по модуль­ному принципу, когда каждая ЭВМ представляет собой ком­плекс, скомпонованный из отдельных модулей. Модуль пред­ставляет собой функционально и конструктивно оформленное изделие, которое является минимальной единицей комплексирования при компоновке комплексов СМ ЭВМ. СМ ЭВМ включала в себя: широкий набор базовых моделей микро- и мини-ЭВМ; базовый ряд процессоров различной про­изводительности и устройств оперативной памяти; широкую но­менклатуру устройств внешней памяти, периферийных, отобра­жения информации, связи с объектом, телекоммуникационных, внутримашинной и межмашинной связи. СМ ЭВМ была пред­назначена для построения управляющих вычислительных ком­плексов, широко используемых в различных отраслях народного хозяйства. Одна из важных отличительных особенностей СМ ЭВМ за­ключалась в том, что система включала также промышленные контроллеры и устройства связи с объектом. Микропроцессорные промышленные контроллеры получили развитие с 1980-х гг. Они представляют собой набор аппаратных и программных средств связи с объектом, предназначенных для построения высокоскоростных распределенных микропроцес­сорных систем, рассчитанных на управление технологическими процессами, сбор данных и регистрацию хода технологического процесса для локальных и распределенных объектов управления. Модули УСО в таких контроллерах обеспечивают ввод-вывод сигналов с широкого диапазона типов датчиков (дискретных, аналоговых, частотных и др.). В основу создания технических и программных средств СМ ЭВМ были положены следующие актуальные и сегодня принципы: • требуемая надежность для соответствующего класса системы (АСУТП, АСУП, САПР, АСНИ и др.); • достаточная производительность для соответствующего класса системы; • функциональная полнота для соответствующего класса системы; • коммуникативность (сопряжение) с сетями ЭВМ различных конфигураций; • полнота системной программной поддержки; • программная и техническая преемственность вновь разрабаты­ваемых средств по отношению к ранее созданным техническим и программным средствам; • открытость и развиваемость технических и программных средств; • простота и эффективность диагностики работоспособности технических средств; • оперативный и качественный сервис технических средств; • доступность по цене. В 1970-е и 1980-е гг. СМ ЭВМ становятся массовыми средст­вами вычислительной техники. Номенклатура основных уст­ройств СМ ЭВМ составляла свыше 1000 наименований, включая мини- и микро-ЭВМ, управляющие, информационно-вычисли­тельные и измерительные комплексы. С 1974 по 1990 г. было выпущено около 80 тыс. вычислитель­ных комплексов СМ ЭВМ. На их основе выпускались измерительно-вычислитель­ные комплексы широкого применения ИВК-1 и ИВК-2, проблемно-ориентированные ИВК-3, ИВК-4, ИВК-7, ИВК-8, для АНИ – ИВК-20 (с КАМАК) и автоматизированных рабочих мест (АРМ) широкого назначения на их основе. С начала 1980-х гг. работы по СМ ЭВМ нового поколения проводились в ИНЭУМ по двум основным архитектурным лини­ям. Первая включала широкую номенклатуру управляющих вы­числительных комплексов семейства СМ 1800. Первоначально модели этой линии представляли собой 8-разрядные микроЭВМ (микропроцессор КР58О), построенные по магистрально-модульному принципу с системным интерфейсом И41 (Multibus). Всего было разработано и выпускалось 14 модификаций СМ 1800. В 1986 г. был начат серийный выпуск первой 16-разрядной модели этого семейства — СМ 1810 (микропроцессор К1810). Бы­ло разработано шесть модификаций СМ 1810 общего применения и четыре модификации для работы в промышленных условиях (СМ1814). В 1990 г. было завершено создание 32-разрядного вычисли­тельного комплекса СМ 1820 на базе микропроцессора Intel 80386. В составе этой линии СМ ЭВМ была разработана широкая номенклатура внешних устройств, устройств связи с объектом, сетевых средств, адаптеров различных интерфейсов (С2, RS-422, ИЛПС, Bitbus, ИРПР и др.) Во всех разработках семейства СМ 1800 был принят и реали­зован принцип магистрально-модульной архитектуры, позволив­ший практически непрерывно осуществлять процесс эволюци­онного развития всех модулей семейства в направлении повыше­ния производительности и удовлетворения функциональным требованиям области применения. Системное программное обеспечение семейства СМ 1800 включало в себя инструментальные операционные системы (ДОС 1810, БОС 1810), исполнительные операционные системы реального времени (ОС СФП, БОС1810), операционные системы общего назначения (Микрос-86, ДЕМОС, МДОС). Вторая архитектурная линия СМ ЭВМ была представлена ря­дом совместимых моделей мини-ЭВМ разной производительно­сти. Нижние модели этой линии включали 16-разрядные малые ЭВМ СМЗ, СМ4, СМ 1300, СМ 1420. Все эти модели были постро­ены на базе системного интерфейса «Общая шина» и отличались по мощности вычислительных ресурсов (тип процессора, объем оперативной памяти и др.). Развитием СМ 1420 являлся вычислительный комплекс СМ 1425, в котором был применен 22-разрядный системный ма­гистральный параллельный интерфейс (МПИ) и который имел более развитые архитектурные возможности. Особое место в этой архитектурной линии занимали 32-раз­рядные мини-ЭВМ СМ 1700 с интерфейсом ОШ и СМ 1702 с ин­терфейсом МПИ. Архитектура этих машин обеспечивала под­держку виртуальной памяти, программную и аппаратную совме­стимость с 16-разрядными моделями СМ ЭВМ, а также развитую систему диагностирования. Программное обеспечение этой линии было представлено широким набором операционных систем (ДОС, ФОБОС, ДИ-АМС, РАФОС, ДОС КП, ОС РВ, ДЕМОС, МОС ВП и др.), сете­вого программного обеспечения для создания локальных и рас­пределенных информационных систем (МИРИС, БАРС, МИС, КАРС и др.), пакетов прикладных программ различного назна­чения. При разработке архитектуры СМ ЭВМ были предложены и развиты оригинальные принципы построения систем с разделе­нием функций. Благодаря применению этих принципов удалось реализовать на доступной в то время элементной базе двухпро­цессорные вычислительные комплексы, обеспечившие про­граммную совместимость с выпускавшимися ранее ЭВМ серии МИР (для инженерных расчетов) и ЭВМ серии М5000 (для реше­ния коммерческих приложений). Большое место в номенклатуре СМ ЭВМ занимали контрол­леры и периферийные устройства, а также спецпроцессоры, обеспечивающие значительное повышение производительности ЭВМ для конкретного класса решаемых задач. Здесь прежде всего необходимо отметить спецпроцессор для реализации алгорит­ма быстрого преобразования Фурье, разработанный совместно с Институтом радиотехники и электроники АН СССР и использо­вавшийся для обработки радиолокационных изображений по­верхности планеты Венера. Отдельно необходимо отметить процессор логического моде­лирования, который являлся специализированным вычислите­лем для ускоренного моделирования цифровых схем. Область применения этого спецпроцессора — системы автоматизирован­ного проектирования сверхбольших интегральных схем (СБИС). Оригинальная потоковая (конвейерная) архитектура спецпро­цессора обеспечивала ускорение моделирования по сравнению с универсальными ЭВМ в среднем в 1000 раз. Важно подчеркнуть, что индустрия СМ ЭВМ включала разви­тую инфраструктуру технического обслуживания и обучения, ко­торая охватывала всю страну. Комплексы СМ ЭВМ явились мас­совой школой компьютерной грамотности для многих десятков тысяч специалистов, которые входили тогда в мир компьютерных технологий. В последние годы отечественная компьютерная индустрия испытывает большие трудности. Вследствие объективных про­цессов, происходящих в экономике России в настоящее время, определяющим стало применение импортной микропроцессор­ной и компьютерной техники. Многочисленные западные фир­мы обеспечивают поставку узлов, блоков, ЭВМ, а также ком­плектующих, необходимых для создания автоматизированных информационных систем. Вместе с тем в ряде областей хозяйственной деятельности и государственного строительства существуют объективные огра­ничения, обусловливающие необходимость применения отечест­венного оборудования. Кроме того, поскольку потребность в уп­равляющей вычислительной технике с развитием производства постоянно растет, а специфические требования потребителей весьма разнообразны, отечественные изделия могут успешно конкурировать на внутреннем рынке с зарубежными. В этой связи следует отметить выполненные в последние го­ды разработки ИНЭУМ для целей управления, являющиеся су­щественными достижениями отечественной вычислительной техники. 1. Создана широкая номенклатура технических и програм­мных средств многофункциональных промышленных контрол­леров (ПЛК) для систем автоматизации управления в различных отраслях народного хозяйства. В состав ПЛК входят микропроцес­сорные управляющие модули, моноблоки, функционально пол­ный набор модулей связи с объектом, сетевые технические сред­ства (Bitbus, Profibus и др.) для создания распределенных систем управления, кроссовые блоки, а также базовое и инструменталь­ное программное обеспечение. 2. Разработана отечественная лицензионно чистая, UNIX-по­добная операционная система USIX, соответствующая по соста­ву и функциям рекомендациям, стандартам и соглашениям меж­дународного уровня (так называемой методологии открытых си­стем). Операционная система USIX имеет ряд архитектурных особенностей и преимуществ, делающих ее конкурентоспособ­ной на рынке UNIX-систем. Прежде всего необходимо отметить наличие в USIX поддержки режима реального времени и встро­енных средств защиты от несанкционированного доступа. 3. Выполнен ряд разработок для применения компьютерных технологий в медицине, в том числе переносной компьютерный эхоэнцефалодоплерограф, предназначенный для диагностики заболеваний головного мозга, сосудов, артерий и вен головы, верхних и нижних конечностей. Этот прибор соответствует уров­ню западных медицинских приборов данного класса. Благодаря использованию стандартного программного обеспечения такие приборы легко интегрируются в составе автоматизированных си­стем медицинских учреждений. 4. Создан управляющий вычислительный комплекс в промы­шленном исполнении СМ1820М, архитектура и конструктивное исполнение которого обеспечивают возможность его широкого применения в различных сферах народного хозяйства, в том чис­ле в тепловой и атомной энергетике. Комплекс является развити­ем описанной выше архитектурной линии СМ 1800/1810. В со­став CM 1820M входят вычислительные блоки на базе процессора Pentium и дополнительные модули связи с объектом, подключае­мые через системный интерфейс CompactPCI (cPCI). Комплекс может поставляться в различных конфигурациях по требованиям заказчика. 2. Системные интерфейсы АПК Рассматриваемые ниже интерфейсы служат для построения структур специализированного (часто промышленного) компьютера или контроллера. И в первом, и во втором случае мы получаем УВК (или ИВК). 2.1. CAMAC (КАМАК) Интерфейсная система КАМАК служит для создания УСО. Она позволяет строить сложные многокрейтные измерительно-вычислительные системы с реализацией функций управления. Система CAMAC создавалась в ядерных центрах Европы (1968 г.) с целью автоматизации физического эксперимента (структурная схема была дана выше). В ее основе лежит крейтная структура, состоящая из функциональных модулей (ФМ). Крейт через контроллер подключается к системной магистрали ЭВМ. Таким образом, контроллер крейта имеет интерфейсную часть для связи с ЭВМ, которая определяется типом последней. Другая часть контроллера отвечает за его взаимодействие с ФМ и подчиняется требованиям стандартов на аппаратуру CAMAC. Контроллер является одним из внешних устройств (ВУ) ЭВМ. Основу CAMAC составляют логический, электрический и механический стандарты. Логический стандарт CAMAC ФМ располагаются на станциях крейта, пронумерованных от 1 до 25. Станции 24 и 25 занимает контроллер. Обмен данными на магистрали синхронный. Он осуществляется под управлением контроллера, который, в свою очередь подчиняется командам компьютера. Для синхронного обмена временные характеристики сигналов (их длительности и задержки относительно друг друга) строго определены и постоянны. Ниже приведены все виды сигналов магистрали крейта CAMAC. 1) Сигналы команд КАМАК: N, A, F N  N(1) … N(23) – адреса ФМ; N(0), N(24) … N(31) – адреса Контроллера A  A(0) … A(15) – субадреса узлов ФМ F  F(0) … F(31) – операции (функции) КАМАК F(0) – чтение; F(16) - запись N(i)A(j)F(k) – адресуемая команда КАМАК 2) Сигналы состояния: X, Q, L, B 3) Сигналы управления: Z, C, I, S1, S2 4) Сигналы данных: W, R Все перечисленные сигналы передаются по отдельным линиям магистрали крейта. Команды делятся на безадресные и адресуемые конкретным модулям и их узлам (субадресам). Длительность цикла таких команд соответственно 0,75 мкс и 1 мкс. Для программирования работы ФМ были созданы расширения для CAMAC популярных языков высокого уровня: Turbo Pascal, C, Basic, Fortran. Модуль АЦП-3 Триггер пуска F(26) R1-R12 F(24) A(11) A(0) F(25) UВХ F(0) F(2) F(9) Команда Субадрес Действие Ответ Q F(0) A(0) Чтение РКА true F(2) A(0) Чтение и сброс РКА true F(9) A(0) Сброс РКА false F(24) A(11) Блокировка пуска АЦП false F(25) A(0) Пуск АЦП false F(26) A(11) Разрешение пуска АЦП false cod Разрядность АЦП N = 12 2N-1 UОП= 10,24 В ДК |UM| = 5,12 В 2N-1 ПК -UM 0 +UM UВХ ∆ = UОП/(2N-1) cod•∆, если cod < 2N-1 UВХ = cod•∆ - 10,24, если cod ≥ 2N-1 Каждый ФМ имеет интерфейсную часть и функциональную часть. Интерфейсная часть содержит дешифраторы адреса и команд и схемы согласования с магистралью CAMAC по всем названным выше сигналам. Функциональная часть реализует соответствующие функции модуля. Покажем для иллюстрации программную модель одного из модулей - модуля АЦП. 2.2. VME (Versabus Module Europebus) К 2000 г. половина открытых шин в мире были шинами VME. VMEbus появилась в 1981 г. и очень скоро стала стандартом для встраиваемых микропроцессорных систем реального времени. VME использует раздельные шины адреса и данных. Младшие модели магистрали имели 8, затем 16-разрядные шины данных и 16-24-разрядные шины адреса. Затем появились более производительные варианты: VME32 со скоростью обмена в 40 Мб/с, VME64 – 80 Мб/с, VME64x – 160 Мб/с. Вынашиваются планы довести производительность до 1000Мб/с. VME является многопроцессорной шиной, работа в которой основана на принципе задатчик-исполнитель. Задатчики поочередно занимают магистраль в соответствии с приоритетом. Арбитраж производится параллельно с обращениями к магистрали, что увеличивает быстродействие. Магистраль содержит 4 линии арбитража и 7 линий прерывания. Системный контроллер, занимающий отдельный модуль, содержит арбитр, системный генератор, аппаратуру инициализации и обнаружения отказов. Генератор выдает синхроимпульсы с частотой 16 МГц. Они служат для организации задержек в модулях или для выполнения функций, связанных с синхронизацией событий. Протокол обмена асинхронный. VME имеет повышенную модульность – до 21 модуля. Модули выполняются в стандарте Евромеханика двух типоразмеров – 3U и 6U. Стандарт VME64x предусматривает поддержку технологий P&P и “горячей замены” модулей в крейте. В нем, кстати, как и в КАМАК введена географическая адресация модулей на объединительной панели. Соблюдается совместимость снизу-вверх всех разработанных ранее модулей. Поначалу процессорный модуль в стандарте VME строился на микропроцессорах исключительно фирмы Motorola (США). Сейчас чаще всего используются процессоры фирмы Intel. Шина находит широкое применение у военных, в сфере коммуникаций, в промышленной автоматизации. Объем продаж на рубеже веков составлял порядка 4 млрд.$ и имел тенденцию роста 15% в год. В 1987 г. появился стандарт VXI как расширение VME для измерительных систем – VME eXtention for Instrumentation. К 2000 г. на рынок было выпущено свыше 1250 модулей различного функционального назначения. Альянс фирм, выпускающих модули в стандарте VXI, объединяет более 80 фирм. VXI позволяет строить сложные измерительные системы, состоящие из десятка крейтов, каждый из которых может содержать до 13 модулей. 2.3. CompactPCI Стандарт CPCI создавался с целью привнесения достоинств компьютерной шины PCI в системы автоматизации. Компьютерные решения на новой почве не обеспечивают достаточные теплоотвод, ударо- и вибропрочность, необходимую эксплуатационную надежность. Избавиться от этих недостатков с помощью технологии CPCI можно, благодаря объединению в одну механически прочную и надежную модульную архитектуру: ◦ стандарта PCI; ◦ механического стандарта Евромеханика; ◦ стандартов на штырьковые соединители (IEC 1076-4-101). Почему PCI? Рассмотрим характеристики и достоинства применения этой шины. Характеристика Достоинство Высокая производительность: ◦ 132 Мб/с (33 МГц, 32 бита) ◦ 264 Мб/с (33 МГц, 64 бита) Идеальное устройство ввода/вывода, необходимое для графических и сетевых систем Отсутствие дополнительных логических схем шинного интерфейса Удешевление компонентов и упрощение конструкции Независимость от типа микропроцессора, работа с 3,3 В логикой Простота перехода систем ввода/вывода на новые технологии Совместимость программных средств Использование существующих драйверов, созданных для настольных систем Шина PCI создана в 1992 г. фирмой Intel. Поскольку архитектура CPCI строится на основе электрических, логических и программных спецификаций стандарта PCI, в инженерных разработках можно использовать все существующие для PCI микросхемы. Реально сигналы на шинах PCI и CPCI полностью идентичны за исключением 6 дополнительных линий на шине CPCI и 10-Омного шлейфового резистора. Последний позволяет подключать к шине до 8 модулей. В CPCI, как и в PCI, шины адреса и данных мультиплексированы. При блочной передаче данных достаточно задать начальный адрес для обмена, а затем весь блок данных можно передавать непрерывно порциями по 4 байта за один такт шины (30 нс). Это выгодно при сетевом обмене, обмене с накопителями. В системах управления циркулируют в основном не блоки данных, а отсчеты различных параметров. Кроме того, следует помнить, что циклу передачи по шине предшествуют подготовительные этапы (арбитраж, задержки данных и их приемника). В лучшем случае задержка составит 2 такта, в худшем – 258 (7,74 мкс). К тому же, между процессором и магистралью всегда устанавливается хотя бы один мост, а это сулит еще 3 такта задержки. Операция чтения занимает по времени 4 такта. Следовательно, в идеале (при отсутствии тактов ожидания) можно считать одно значение данных на магистрали за 9 тактов (270 нс) – 3,7 млн. отсчетов в секунду. Сравним этот показатель с аналогичным параметром шины ISA. В нее шины адреса и данных раздельные. При тактовой частоте шины 8 МГц максимальное быстродействие без тактов ожидания составит 4 млн. отсчетов в секунду (2 такта шины ISA на отсчет). Вывод: при одиночных обращениях CPCI практически не дает выигрыша по сравнению с ISA. Однако обратимся к CPCI. Стандарт CPCI полностью совместим с PCI v. 2.0. Готовая PCI-плата может быть прямо введена в стандарт CPCI без изменения схемотехники и ПО. PCI-компоненты являются массовыми, значит дешевыми. CPCI основан на общепринятой промышленной и военной технологии создания высоконадежных встраиваемых систем – на технологии пассивной объединительной магистрали. Конечно, за всё нужно платить, и поэтому выдвигают жёсткие требования по рассогласованию линий CLK (отдельный подвод к каждому разъёму, так как рассогласование при частоте шины 33 МГц — не более 2 нс, для 66 МГц — не более 1 нс). Вспомним и пропускную способность шины: умножим разрядность на частоту и получим 132/264 Мбайт и 264/528 Мбайт для возможных сочета ний частот и разрядности шины. Конечно, это теоретически максимально возможные величины, накладные расходы шины уменьшают реальные зна чения, и всё же это серьёзные показатели (при потоковых передачах) по отношению к значениям шины ISA. Но самым важным моментом спецификации PCI, отражённым в пункте 2, кото рый как-то часто остается в тени, является контроль чётности (используются сигналы шины PAR и PAR64). Эта «встроенная» возможность является одним из основных моментов, обеспечивающих высокую надёжность (достоверность данных) высокоскоростной шины PCI. Технология мультиплексирования параллельной шины позволяет даже в случае использования 64-битовой шины A/D разрабатывать компактные решения (3U CompactPCI). В автоматизации возможность масштабирования технического решения почти всегда является необходимым качеством грамотно спроектированной системы. Системы с шиной PCI масштабируются путём использования мостов (PCI-to-PCI Bridge). Понятно, что в силу необходимости выдерживания определённых временных диаграмм наращивание, в принци пе, не может быть бесконечным процессом, но на текущий момент сущест вуют системы с числом слотов 20. В шину PCI в силу архитектурных и программных требований специфика ции заложены возможности конфигурирования (перераспределения) системных ресурсов, к которым относятся пространство адресов памяти, ввода-вывода и самый дорогой системный ресурс — прерывания. Независимый от аппаратной реализации механизм управления шиной PCI обеспечивается вызовом соответствующих функций PCI BIOS. CPCI процессорно и программно независим. CPCI использует самый популярный механический стандарт Евромеханика. Модули выпускают в форматах 3U и 6U. Системный соединитель штырьковый на 235 контактов (124 из них – 32-разрядная PCI, еще 55 – для 64-разрядной). Число модулей на объединительной плате обычно 8, но есть и меньше, а может достигать и 14 (Advantech). CPCI обеспечивает возможность простой интеграции с системами на базе VME, которая обладает гигантской номенклатурой. Для этого используются соответствующие мосты PCI-to-VME. CPCI поддерживает стандарт P&P и “горячую замену” на магистрали. 2.4. PXI Спецификацию PXI (PCI eXtention for Instrumentation) представила в 1997 г. компания National Instruments (США). Она анонсировала ее как модульную измерительную платформу на основе 33 МГц версии PCI, которая должна напрямую переноситься на CPCI. По мнению специалистов, компании удалось найти уникальное сочетание возможностей и стоимости новой архитектуры. Конструктивно PXI представляет собой крейт, оснащенный соединительной платой на 8 PCI-модулей. Левый крайний слот в крейте занимает системный контроллер. Следом за ним может идти контроллер Star-Trigger, а уж потом – модули ввода/вывода. Логическая архитектура PXI имеет вид. Локальная шина (ЛШ) служит для обмена данными между соседними модулями. Архитектура использует также дополнительные линии триггеринга и наносекундной синхронизации (не показаны), позаимствованные из спецификации VXI. Модуль Star-Trigger служит для синхронизации функционирования нескольких МВВ. Каждый из этих модулей имеет свою линию управления. … ЛШ Разработка приложений ведется с помощью пакета LabView компании. Пакет работает под Windows. Компания выпускает крейты в разных модификациях, например: PXI-1000, PXI-1010, PXI-1020, PXI-1025. 2.5. PCI-Express На высоких частотах функционирования параллельные шины становятся источниками помех, возникают также проблемы с синхронизацией обмена. PCI-Express – последовательная шина. Передача сигналов по ней осуществляется по дифференциальным парам проводов: по одной паре – в одном направлении, по другой паре – во встречном направлении. Количество пар может быть увеличено. Соответственно имеем PCI-Express1, 4, 8, 16, 32. Логический 0 имеет уровень 0,2 – 0,4 В, а логическая 1 – 0,4 – 0,8 В. Пара обеспечивает скорость обмена порядка 2,5 Гбит/с. Для PCI-Express32 теоретическая пропускная способность – 8 Гбайт/с, а эффективная – примерно 6,4 Гбайт/с. Приведем схему преобразования данных для PCI-Express. 125 МГц 250 МГц 250 МГц 2,5 ГГц Подуровень физического кодирования использует 16-битовый интерфейс. Исходные 16-битовые данные разбиваются на группы по 8 бит. 8 бит поступают параллельно с частотой 250 МГц. Каждый байт данных кодируется 10 битами. Избыточность нужна для повышения надежности синхронизации при передаче длинных последовательностей нулей или единиц. Каждые 10 бит передаются последовательно с частотой 2,5 ГГц. При приеме данных осуществляется обратное преобразование. Покажем в сравнении производительность различных шин. Шина PCI AGP 8 PCI-Express8 Теоретическая скорость передачи 132 2133 2000 Мбайт/с Эффективная скорость передачи 110 2000 1600 Мбайт/с Даже для решения тех задач, где нет необходимости в широкой по­лосе канала PCI Express, производите­ли кремния и встраиваемых плат всё равно перейдут на него, поскольку это упрощает разработку и экономит место на плате, что, в свою очередь, либо по­зволяет снизить стоимость, либо даёт возможность добавить новую функ­циональность на плату. 2.6. PC/104 Модули в формате PC/104 производятся с 1987 г. PC/104 стал стандартом в 1992 г. Логически PC/104 повторяет стандарт ISA. Ключевыми отличиями PC/104 от ISA являются: ◦ компактность конструкции, т.к. размер модулей уменьшен до 90х96 мм; ◦ разъем PC/104 сквозной штыревой; ◦ уменьшенный ток выходных шинных формирователей – 4 mA против 20; расширенный температурный диапазон (многие производители выпускают платы для температурного диапазона –40 - +85). Распространены следующие варианты применения модулей: • компоновка модулей в стек (получается этажерка плат с зазором 0,6’’; • компоновка на базовой плате; • применение модуля PC/104 в качестве мезонинного модуля, т.е. как дочерней платы. С 1994 г.модули PC/104 привлекли внимание военных, и их стали выпускать в соответствии со стандартом MIL-STD-1553 (ГОСТ 26765.52-87) на интерфейсы и конструктивы для военной промышленности. Шина PC/104 реализована в большом числе модулей в форматах VME, AT96 (это 16-разрядная ISA в конструктиве Евромеханика), STD-32, что позволяет использовать в их составе модули PC/104. В 1997г. консорциум производителей PC/104 предложил стандарт PC/104+. Размер платы сохранился (90х96), но разъемы шин расширения были разделены на две части. Логически сигналы первой части соответствуют шине ISA, а сигналы второй в основном повторяют сигналы 32-разрядной шины PCI. Использование принудительного вентилятора охлаждения центрального процессора в таких системах не всегда приемлемо как по причине малых раз­меров всего конструктива и, соответст­венно, недостаточной эффективности воздушного охлаждения, так и ввиду низкой надёжности самих вентилято­ров. Среднее время наработки на отказ для вентиляторов не превышает 20 тысяч часов, в то время как сама пла­та компьютера имеет среднее расчётное время безотказной работы порядка 130 тысяч часов (пример — Fastwel СРС1600 или Fastwel CPC1700). Для решения задачи отвода избыточ­ного тепла многие производители про­цессорных плат используют централь­ные процессоры Pentium III с пони­женным энергопотреблением и часто­тами в диапазоне 300...600 МГц или процессоры AMD серии Geode. Одна­ко такие процессоры имеют достаточ­но низкую производительность, что может послужить ограничением ис­пользования их в современных прило­жениях. Кроме того, компания Intel в 2006 году объявила о прекращении производства ультранизковольтных процессоров Pentium III, поэтому при новых разработках рассчитывать на имеющиеся у поставщиков остатки и складские запасы этих процессоров рискованно и нецелесообразно. 2.7. Мезонинные технологии Более 40% встраиваемых технологий применения промышленных компьютеров приходится на одноплатные компьютеры. Это значит, что все необходимые устройства для решения задачи должны умещаться на одной плате. В этой связи отпадает необходимость в использовании какой-либо другой системной магистрали. Однако регулярно возникает потребность в расширении возможностей или их адаптации для конкретного применения. С целью удовлетворения названных потребностей применяют специальные платы расширения уменьшенного размера. Такие платы прикрепляются непосредственно к платам-носителям. Такие платы расширения и применяемые при этом интерфейсы получили название мезонинных. Стандарт PMC PMC – PCI Mezzanine Card. Платы в стандарте PMC имеют размер 75х150 мм и присоединяются к основной плате через двухрядные 64-контактные разъемы в стандарте шины PCI. По своим геометрическим размерам модули PMC хорошо ложатся на платы стандарта Евромеханика. Стандарт PC-MIP Предусматривает два типоразмера модулей: Type I – 47x90 мм и Type II – 47x99 мм. Разъемы для крепления на плату-носитель такие же, как для PMC. 3. АПК фирмы Advantech Фирма Advantech является одним из лидеров в области производства АПК для промышленной и офисной автоматизации. Она выпускает промышленные компьютеры, ПЛК, несколько серий модулей, коммуникационное оборудование, панельные компьютеры, платы расширения для нескольких системных шин и многое другое. 3.1. Контроллеры и базовые блоки Advantech Фирма выпускает устройства серии ADAM-5000, предназначенные для построения территориально распределенных систем сбора данных и управления. Они обеспечивают выполнение функций аналогового и дискретного ввода/вывода, первичное преобразование данных, прием команд от удаленного MTU и передачу в его адрес данных с использованием интерфейса RS-485, шины CAN (Controller Arrea Network), технологии Ethernet. Эта группа устройств представлена модульными ПЛК с интерфейсом RS-485: ADAM-5510, ADAM-5511 ( 4 слота расширения); ADAM-5510E (8 слотов); с выходом на Ethernet: ADAM-5510/TCP (4 слота) и ADAM-5510E/TCP (8 слотов). Базовые блоки: для RS-485 - ADAM-5000/485 (4 слота) и ADAM-5000E (8 слотов); с выходом на Ethernet - ADAM-5000/TCP (8 слотов); для шины CAN – ADAM-5000/CAN (4). Рассмотрим базовый блок ADAM-5000/TCP Блок функционирует как центр обработки данных ввода/вывода в составе сети Ethernet. Использование технологии Ethernet обеспечивает обмен данными и передачу сигналов управления со скоростью 10/100 Мбит/с, которая выбирается автоматически. Это позволяет достаточно просто реализовывать для разнообразных приложений функции локального управления путем замены различных программируемых устройств. Технические характеристики блока: • 32-разрядный RISC-процессор Strong ARM (Intel); • объем ОЗУ – 4 Мб; • флэш-ПЗУ объемом 512 кб для пользовательских прикладных программ; • операционная система - ОС РВ; • количество устанавливаемых модулей – 8 с подключением до 128 каналов, при этом допускается использование до 4 модулей ADAM-5024 аналогового вывода на 4 канала каждый; • возможность одновременного доступа для 8 управляющих компьютеров; • сторожевой таймер; • потребляемая мощность – 5 Вт. Структурная схема базового блока ADAM-5000/TCP Память Модули Гальваническая Локальная развязка шина +5 В GND Коммуникационная подсистема: • стандарты Ethernet – 10/100 Base-T; • среда передачи – кабель UTP категории 5 или выше; • сетевой протокол – ModBus/TCP, TCP, UDP, IP, ARP; • скорость передачи – 10/100 Мбит/с; • максимальная протяженность линии связи – 100 м без повторителей; максимальное время реакции – не более 5 мс. Блок использует нестабилизированное питающее напряжение постоянного тока от 10 до 30 В. Условия эксплуатации: от –10 до +70ºС. Клеммные колодки модулей извлекаемые с винтовой фиксацией проводников сечением от 0,5 до 2,5 мм2. В качестве программного обеспечения используются различные программные средства фирмы: утилита конфигурирования и настройки параметров блока; встроенный программный ModBus/TCP сервер и ModBus/TCP драйвер; драйвер ActiveX; пакеты Advantech-Studio и ADAMView; драйвер DLL и др. Приведем характеристики других базовых блоков. Блоки ADAM-5000/485 и ADAM-5000E отличаются только числом модулей в блоке и позиционируются в каталогах как устройства распределенного сбора данных и управления на базе интерфейса RS-485. Оба блока имеют порт RS-232 и порт RS-485. Их интеллектуальную основу составляет 16-разрядный процессор 80188. Имеется ОЗУ на 32 кб и флэш-ПЗУ на 128 кб. Обмен данными ведется в полудуплексном режиме на сегменте сети длиной до 1200 м с количеством устройств не более 32. Повторитель ADAM-4510 позволяет расширить сеть таким же сегментом до 32 устройств серии ADAM-5000. Максимальное число узлов сети, управляемых через один последовательный порт компьютера – 256. Скорости обмена – от 1200 бит/с до 115,2 кбит/с. Формат асинхронной передачи: 1 стартовый бит, 8 бит данных, 1 стоп-бит. Блоки поддерживают символьный протокол обмена в формате ASCII, что позволяет строить сети устройств серии ADAM на базе вычислительных систем любых типов. Блок ADAM-5000E имеет встроенный преобразователь интерфейса RS-232 в RS-485, что обеспечивает дополнительные удобства в работе с ним. Например, если порт RS-232 выбран для связи с компьютером, то порт RS-485 может быть использован для подключения других устройств сбора данных и управления, таких как ADAM-5000/485, ADAM-5000E или модули серии ADAM-4000. Потребляемая блоками мощность - 1 и 4 Вт соответственно (это определяется количеством устанавливаемых в них модулей аналогового вывода ADAM-5024 - 1 и 4 соответственно). ADAM-5000/CAN. Блок рассчитан на работу в сетях CAN. Использует 16-разрядный микропроцессор и ОЗУ на 32 кб. Количество модулей – 4. Потребляемая мощность – 1,2 Вт. Для связи используются два порта: RS-232 и CAN. Шина CAN реализована в соответствии со стандартом ISO-11898. Шина использует метод доступа к каналу связи – модифицированный CSMA/CD: управление доступом на основе приоритетов сообщений, разрешение конфликтов на основе поразрядного контроля каналов, доставка сообщений без нарушения целостности. Используются протоколы передачи данных: DeviceNet со скоростями обмена 125, 250 и 500 кбит/с; CANopen – 20, 125, 500 и 1000 кбит/с. Максимальная протяженность линии связи зависит от скорости передачи: 1000 м – 20 кбит/с; 500 м – 125 кбит/с; 250 м – 250 кбит/с; 100 м – 500 кбит/с; 40 м – 1 Мбит/с. Формат кадра сообщения: 11-разрядный идентификатор (ID) и до 8 байтов данных в информационном пакете. Обмен данными по схеме ведущий/ведомый. Максимальное число узлов сети - 64. Отметим достоинства CAN: низкая стоимость (CAN-контроллер - < 10$, простейшие УВВ – 1$); высокая надежность; простота конфигурирования и масштабирования сети; поддержка разнотипных физических сред передачи (см. СТА № 3 за 1999 г.). Программируемые логические контроллеры фирмы Advantech Первым ПЛК фирмы был ADAM-5510. Охарактеризуем его. Это IBM PC совместимый свободно программируемый автономный контроллер на основе 16-разрядного МП 80188. Он имеет открытую архитектуру. Содержит статическое ОЗУ на 256 кб, из которых 192 кб для системных задач, 60 кб имеет резервное батарейное питание; флэш-ПЗУ на 256 кб, из которых 170 кб для прикладных программ, а также флэш-память на 256 кб. ОС: ROM-DOS во флэш-ПЗУ. Встроены таймер реального времени и сторожевой таймер. Имеет 3 независимых COM-порта: COM1 (RS-232) – для связи с компьютером; COM2 (RS-485) – для связи с другими устройствами сети и COM3 – для связи с устройствами, использующими трехпроводный интерфейс RS-232. Скорости обмена в сети RS-485: 9600, 38400, 57600 и 115200 бит/с. Максимальное число узлов сети, управляемых через один последовательный порт – 256. Потребление – 1 Вт. Прикладные программы могут быть написаны на ассемблере, С, а также в системе программирования UltraLogik на языке логического программирования. Контроллер ADAM-5511 Представляет собой аналог ADAM-5510. Отличается от него наличием флэш-диска на 512 кб, из которых 400 кб доступны пользователю. Из 256 кб статического ОЗУ 12 кб для целей пользователя имеют резервное питание. В качестве коммуникационного протокола используется встроенный стандартный протокол ModBus/RTU, широко распространенный в сфере промышленной автоматизации. Программная поддержка дополняется OPC-сервером протокола ModBus. ПЛК позволяет подключать модули удаленного ввода/вывода серии ADAM-4000 с интерфейсом RS-485. PC-совместимый контроллер ADAM-5510E/TCP Технические характеристики • Тип микропроцессора – 16-ти разрядный 80188. • Емкость оперативной памяти - 640 Кбайт. • Емкость энергонезависимого ОЗУ – 384 Кбайт. • Емкость накопителя на флэш-диске - 1,5 Мбайт. • Операционная система – ROM-DOS. • Последовательные порты ввода/вывода – три - RS-232/RS-485, один – RS-232. • Протокол прикладного уровня последовательных портов ввода/вывода –Modbus. • Порт Ethernet 10/100Base-TX – 1. • Транспортный протокол порта Ethernet – TCP/IP. • Протокол прикладного уровня – Modbus/TCP. • Максимальное количество сигналов ввода/вывода – 128. • Наличие сторожевого таймера. • Наличие часов реального времени. • Потребляемая мощность процессора – 2,5 Вт. • Гальваническая изоляция по цепям питания – 3000 В. • Гальваническая изоляция по вводу/выводу – 3000 В. • Гальваническая изоляция для коммуникаций – 2500 В (только для СОМ2 и Ethernet). • Напряжение электропитания – нестабилизированное от +10 В до +30 В. • Защита от переполюсовки блока питания. • Диапазон рабочих температур – от –10С до +70С. • Диапазон температур хранения - от –25С до +85С. • Относительная влажность воздуха - от 5% до 95% без конденсации влаги. • Программная поддержка - С-библиотеки Borland C++ for DOS. 3.2. Модули фирмы Номенклатура используемых модулей весьма обширна. Модули выполняются в определенных форматах. Их можно разделить на две большие группы: интеллектуальные модули и модули, устанавливаемые в ПЛК и базовые блоки. Интеллектуальные модули способны самостоятельно выполнять возложенные на них функции сбора данных, управления, преобразования интерфейса, представления информации и др. Вторая группа модулей работает под управлением контроллера базового блока. Фирма Advantech производит модули под маркой ADAM следующих серий: • ADAM-3000. Модули этой серии предназначены для нормализации аналоговых сигналов термопар, термометров сопротивления, тензомостов и некоторых других. Они используют трехуровневую гальваническую развязку (по входу, выходу и по питанию) с напряжением изоляции до 1000 В. Диапазон входного и выходного сигналов устанавливается с помощью переключателей. В модули, работающие с термопарами, встроены схемы компенсации температуры холодного спая. Можно включать/выключать активный фильтр нижних частот, что позволяет изменять полосу частот пропускания с 5 Гц на 1 кГц. Питаются модули от +24 В. Диапазон рабочих температур – от 0 до + 70. Связь таких модулей с платами ввода/вывода производится с помощью специальных переходных плат и соединительных кабелей. Устанавливаются модули на DIN-рельс. • ADAM-4000. Это интеллектуальные модули, созданные для построения распределенных систем сбора данных и управления на базе интерфейса RS-485. Они имеют встроенный микропроцессор, сторожевой таймер и программную установку параметров. Сеть таких модулей может управляться компьютером с любой архитектурой. Для перехода к сети Ethernet в серии имеются модули, выполняющие роль шлюзов между нею и последовательной сетью RS-485: ADAM-4570 (2 порта RS-232/422/485), ADAM-4571 (1 порт) и ADAM-4572 для 1 порта с протоколом ModBus. Модули аналогового ввода используют АЦП на 16 разрядов: ADAM-4011(напряжение/ток+термопара), ADAM-4012 (напряжение/ток), 4013 и 4015 (термометры сопротивления), 4016 (тензодатчик), ADAM-4017(8 каналов напряжение/ток), 4018 (8 каналов термопар), универсальный 8-канальный ADAM-4019. Все модули имеют частоту опроса 10 Гц. Модули аналогового вывода ADAM-4021 с одним ЦАП на 12 разрядов и ADAM-4024 с четырьмя такими же ЦАП. Модули дискретного ввода/вывода: ADAM-4050 (7 каналов ввода с уровнем нуля не более 1В и уровнем 1 от 3,5 до 30 В; 8 каналов вывода типа открытый коллектор – 30 В/30 мА); 4052 (8 каналов изолированного ввода); 4053 (16 каналов ввода, в т.ч. “сухой контакт” до 500 метров). Модуль релейной коммутации ADAM-4060 на два нормально разомкнутых канала (Form A) и два переключающих канала (Form C). Модуль ввода частотных/импульсных сигналов ADAM-4080 содержит 2 32-разрядных счетчика с частотой счета от 5 Гц до 50 кГц и длительностью импульса не менее 10 мкс; интервал времени измерения выбирается программно – 1 с или 0,1 с. Все названные модули питаются нестабилизированным напряжением 10 – 30 В и рассчитаны на рабочий диапазон температур от –10 до +70 (шлюзы от 0 до +60). Для расширенного диапазона температур (-40 - + 85) выпускаются новые модули серии ADAM-4100, например: ADAM-4117 – 8-канальный аналоговый ввод; ADAM-4118 - 8-канальный ввод сигналов термопар; ADAM-4150 – дискретный ввод/вывод; ADAM-4168 – модуль релейной коммутации; ADAM-45201 – преобразователь интерфейса RS-232 в RS-422/485. • ADAM-5000. Модули этой серии рассчитаны на работу в базовом блоке или ПЛК из 4-8 модулей, и выполняют аналоговый ввод/вывод и дискретный ввод/вывод. В серию входят следующие модули. Аналоговый ввод: ADAM-5013 (3 канала для термометров сопротивления, 16-разрядный АЦП, 10 отсчетов/с суммарно по всем каналам, несовместим с ADAM-5000/CAN ); ADAM-5017 (8 каналов одного типа) и ADAM-5017H (8 каналов с установкой режима по каждому каналу, АЦП 12 разрядов+знак, частота выборки 100 Гц; несовместим с ADAM-5000/CAN); ADAM-5018 (8 каналов термопар). Остальные параметры как у модуля ADAM-5013. Аналоговый вывод – ADAM-5024 (4 канала, 12 разрядов, программно устанавливаемая скорость нарастания выходного сигнала – от 0,125 до 128 мА/с для тока и от 0,0625 до 62 В/с для напряжения). Дискретный ввод/вывод: ADAM-5050 (16 каналов ввода/вывода с установкой режима работы канала с помощью DIP-переключателя, при вводе ноль – не более 2 В единица – от 4 до 30 В, режим “сухой” контакт; выход – открытый коллектор до 30 В и 100 мА); ADAM-5051/5052 (16/8 каналов ввода); ADAM-5055S (по 8 каналов ввода/вывода с гальванической развязкой и световой сигнализацией); ADAM-5056S (16 каналов вывода, открытый коллектор до 40 В и 200 мА). Модули релейной коммутации ADAM-5060 и 5068 на 6/8 каналов постоянного или переменного тока. Модуль ADAM-5080 на 4 32-разрядных независимых счетчиков-таймеров с TTL-входами. Коммуникационный 4-канальный модуль ADAM-5090 с интерфейсом RS-232 для ПЛК ADAM-5510 и ADAM-5511. • ADAM-6000. Это серия интеллектуальных модулей с интерфейсом Ethernet и встроенной Web-страницей. Для организации взаимодействия с верхними уровнями системы управления в модулях реализована поддержка протокола Modbus/TCP, и обмен данными происходит через OPC-сервер. Для настройки встроенной в модули Web-страницы предусмотрена возможность удаленной загрузки Java-апплетов. В состав серии входят коммуникационные модули: ADAM-6510 (4-портовый концентратор Ethernet 10 Мбит/с); ADAM-6520/22 (5/3-портовые коммутаторы Ethernet 10/100 Мбит/с); ADAM-6521 (5-портовый коммутатор Ethernet 10/100 Мбит/с с одним оптоволоконным портом); ADAM-6530 (модуль связи с модемом); ADAM-6500 (программируемый коммуникационный процессор с встроенной OC Windows CE, флэш-диском на 16 Мб, ОЗУ на 32 Мб и интерфейсами: Ethernet 10/100 Мбит/с (1), RS-232 (три), RS-485 (1)). Модули аналогового ввода с 16-разрядным АЦП: ADAM-6015 (6 дифференциальных каналов для подключения термометров сопротивления); ADAM-6017 (8 дифференциальных каналов с программной настройкой типа и диапазона входных сигналов + 2 DO); ADAM-6018 (8 каналов для подключения термопар). Универсальный модуль ADAM-6024 имеет: - 6 каналов аналогового ввода с АЦП на 16 разрядов, диапазоны сигналов  10 В, 0 – 20 mA, 4 – 20 mA; - 2 канала аналогового вывода c ЦАП на 12 разрядов и выходными сигналами 0 – 10 В, 0 – 20 mA, 4 – 20 mA; - по 2 канала дискретного ввода сигнальные или сухой контакт и вывода типа разомкнутый коллектор. Модули дискретного ввода/вывода: ADAM-6050 (12 входных каналов типа “сухой контакт”, 6 выходных каналов типа открытый коллектор 30В/200 мА); ADAM-6051 (12 входных и 2 выходных канала как у ADAM-6050, 2 канала с 32-разрядными счетчиками с функциями подсчета событий до 5 кГц и измерения частоты от 0,3 Гц до 1 кГц). Модуль ADAM-6060 релейной коммутации и цифрового ввода (6 каналов ввода типа “сухой контакт”, 6 выходных реле типа ‘A’). - ADAM-7000. Серия содержит многофункциональные ПЛК и модули, из которых собирается система непосредственно на DIN-рейке. Такая система может подключать до 128 аналоговых и до 512 дискретных каналов на один контроллер. Серия специализирована для промышленной автоматизации, в том числе для управления движением. Использует интерфейсы Ethernet и RS-485. - ADAM-8000. ADAM 8000 — это контроллеры и подсистемы ввода вывода для сетей Fieldbus, отвечающие требованиям реального времени. Они с успехом могут использоваться в системах промышленной автоматизации с повышенными требованиями к надёжности оборудования и к временным параметрам контуров управления. Эти устройства работают в промышленных сетях PROFIBUS-DP, ModBus/TCP, CANopen и DeviceNet. Контроллеры серии ADAM-8000 программно совместимы с контроллерами серии S7-300 фирмы Siemens, благодаря чему модули Advantech можно использовать в составе уже готовых систем автоматизации на базе S7-300,а также создавать с их помощью новые высокопроизводительные системы управления, удовлетворяющие самым строгим требованиям реального времени. Платы сбора и обработки данных и управления Платы, работающие на системной шине, можно подразделить на многофункциональные, аналогового ввода и вывода, дискретного ввода/вывода, интерфейсные и специализированные (для целей управления). Многофункциональные платы (МФП) могут производить ввод аналоговых сигналов, вывод аналоговых сигналов, ввод/вывод дискретных сигналов, могут содержать еще счетчики/таймеры. Такие платы выполняются под различные системные шины. У разных фирм разная функциональность. Advantech выпускает МФП для шин PCI и ISA – серии PCI-1710 и PCL-711. Платы серии PCI-1710 имеют базовый вариант исполнения, а также вариант с высоким коэффициентом усиления для обработки слабых сигналов - PCI-1710HG. Эти платы имеют устройства для автоматического сканирования каналов, которое независимо от программного обеспечения управляет мультиплексором во время выборки. В статической памяти платы хранятся величины коэффициентов усиления по каждому каналу. Это обеспечивает возможность быстрого (до 100 кГц) опроса каналов с различными способами подключения входного сигнала (дифференциальным или с общим проводом). Платы имеют буфер FIFO (First In, First Out – первым вошел, первым вышел) объемом на 4 K значений для быстрой передачи данных и обеспечения высокой и предсказуемой скорости работы платы под Windows. Плата генерирует прерывание при заполнении буфера наполовину. На плате имеется программируемый счетчик для генерации импульсов запуска АЦП на базе МС Intel 82С54 – три 16-разрядных счетчика с опорной частотой 10 МГц. Один счетчик служит для подсчета событий по входным каналам, а два других образуют 32-разрядный таймер запуска. АЦП платы рассчитан на подключение 16 каналов с общим проводом или 8 дифференциальных каналов (режим выбирается программно). Он имеет разрешение в 12 бит. Время преобразования – 8 мкс. Можно подключать однополярное и двуполярное напряжение. Фактическая частота выборки модуля 1710HG зависит от коэффициента усиления: при к=0,5 или 1 частота 100 кГц; для 5 или 10 – 35 кГц; для 50 или 100 – 7 кГц; для 500 или 1000 – 770 Гц. Для базового варианта модуля частота 100 кГц. Аналоговые выходы – 2 с разрешением 12 бит. Частота обновления данных – 100 кГц. Скорость нарастания выходного напряжения – 10 В/мкс. Выходной сигнал с внешним опорным – от –10 до +10 В и максимальным выходным током в 10 мА. Дискретные входы – 16 (TTL). Дискретные выходы – 16 (TTL). Внешний соединитель – SCSI-II на 68 кон. Фирма предлагает также МФП серий: 1711 (недорогие платы с буфером на 1000 значений и временем преобразования АЦП в 10 мкс, остальные параметры те же); 1712 с частотой выборки 1 МГц при одинаковом коэффициенте усиления по всем 16/8 каналам, временем преобразования 0,5 мкс для 12 бит; 2 ЦАП по 12 бит каждый с частотой обновления до 1 МГц и скоростью нарастания 20 В/мкс; 1716 использует 16-разрядные ЦАП (5 мкс) и АЦП (2,5 мкс); PCL-818 – серия плат с 16 однопроводными/8 диф. аналоговыми входами для 12-разрядного АЦП с частотой дискретизации 100 кГц (40 кГц – для дешевой модели), с одним 12-разрядным ЦАП, имеющим время установления < 5 мкс, и цифровыми TTL каналами ввода/вывода – 16/16; плата PCL-1800, рассчитанная на сбор с частотой 330 кГц (остальное, как у PCL-818). Характеристика плат АЦП и ЦАП Платы аналогового ввода имеют разрешение не менее 12 разрядов, гальваническую развязку аналоговой и цифровой частей, программно переключаемые диапазоны входного сигнала, встроенный буфер FIFO объемом не менее 1К слов, частоту опроса от 33 кГц (в основном 100 кГц), автокалибровку, программируемый или автоматичекий способ опроса. При автоматическом способе опроса порядок и частота опроса каналов, программируемый коэффициент усиления по каждому каналу заносятся в специальную память платы. Это освобождает процессор системы от необходимости формирования соответствующих управляющих сигналов для каждого канала. В режиме программного запуска момент начала преобразования определяется программно. В режиме с программируемым генератором темп опроса определяется программируемым интервальным таймером платы. Кроме внутреннего запуска АЦП, большинство плат имеет внешний запуск. Внешний запуск может работать в трех режимах: • режим “Post-trigger”. В нем сбор данных начинается после поступления внешнего импульса запуска и продолжается до тех пор, пока не будет набрано заданное количество отсчетов; • режим “Pre-trigger”. В нем сбор данных производится до поступления внешнего импульса запуска; • режим “Middle-trigger”. Сбор данных происходит до и после поступления внешнего импульса запуска. Количество отсчетов задается пользователем. На примере модели PCI-1713 Advantech покажем функциональную схему платы аналогового ввода, работающей на шине PCI. Плата поддерживает три режима запуска преобразования: по команде программы, от внутренней схемы запуска, от внешнего сигнала. Следовательно, имеется возможность получения значения сигнала в любой момент времени или может производиться автоматическое измерение со временем преобразования 2,5 мкс. Частота выборки 100 кГц. Коэффициент усиления: 0,5 1 2 4 8. Диапазон рабочих температур от 0 до 60. Остальное представлено на рисунке. Платы аналогового вывода имеют число разрядов не менее 12 и время установления выходного сигнала не более 30 мкс. Количество ЦАП в модуле от 2 до 32. Максимальный выходной ток обычно ±10 мА при выходном напряжении ±10 В. В большинстве плат используется ЦАП с двойным буфером. При этом во время преобразования цифровых данных, содержащихся в одном буфере, производится запись данных в другой буфер. Это обеспечивает возможность непрерывного преобразования исходных данных без искажений выходного аналогового сигнала. Для обеспечения высокой точности преобразования некоторые платы имеют программную калибровку. (Дать схему ЦАП). Платы дискретного ввода/вывода Они выпускаются в тех же форматах и отличаются, кроме интерфейса, числом каналов и наличием дополнительных функций. Есть платы, рассчитанные только на ввод или только на вывод дискретных сигналов, а есть платы производящие и то, и другое. В свою очередь вводы/выводы могут быть как изолированными, так и неизолированными, рассчитанными на уровни сигналов TTL или на другие диапазоны (например, низкий уровень – до 3В, а высокий – от 10 до 50) или на “сухой” контакт, когда уровню нуля соответствует потенциал общего провода (GND), а единице – разомкнутое состояние цепи. Количество каналов варьируется у разных производителей для различных моделей от 8 до 144. Скорость обмена данными – от единиц Мб/с (шина PCI, сигналы TTL) до единиц Кб/с. Для предотвращения вредного воздействия шумов и дребезга контактов каждый входной канал может быть оснащен программируемым цифровым фильтром. При использовании фильтра состояние входного канала не изменяется до тех пор, пока не истечет запрограммированный интервал времени с момента изменения входного сигнала. 3.3. Программное обеспечение Фирма Advantech поставляет вместе с аппаратными средствами необходимое программное обеспечение, функционирующее под управлением операционной системы Windows. Процессу разработки системы управления предшествует установка сервисного ПО фирмы - утилиты ADAM-5000TCP-6000 и настройка файла конфигурации. Утилита позволяет произвести необходимые сетевые установки, конфигурирование каналов ввода-вывода и их калибровку, организовать работу с потоком данных, произвести установку аварийного оповещения. После запуска утилита автоматически распознает подключенное к хосту оборудование, выводя в левой части своего окна структуру локальной подсети компьютера. Секция Tool меню утилиты позволяет организовать с помощью пункта Add Remote Ethernet Device (добавить удаленное устройство Ethernet) взаимодействие с новым модулем ADAM-6000 или базовым блоком ADAM-5000/TCP, непосредственно не включенными в подсеть данного хоста. Команды TimeOut и ScanRate секции Setup позволяют задать временные параметры обмена в сети. Следующим шагом в настройке аппаратуры будет конфигурирование модулей. С помощью дерева соединений выбирают модуль и раскрывают его структуру. Модули базового блока занимают слоты, пронумерованные от нуля. В свою очередь, каналы в модулях также нумеруются от нуля. В правой части окна утилиты появляется графический интерфейс, предназначенный для выполнения действий с модулем. Вид интерфейса зависит от функционального назначения модуля. Так как модули серий ADAM-5000 и ADAM-6000 являются программно настраиваемыми, то следует произвести настройку модулей на соответствующие режимы работы. Для модуля ADAM-5017 (ADAM-6017) аналогового ввода необходимо задать вид и диапазон входного сигнала. С этой целью используют командный терминал, вызываемый одноименной строкой Terminal секции Tool. Терминал позволяет вводить с клавиатуры команду в адрес модуля и контролировать ее выполнение. Команда в формате ASCII записывается следующим образом: [delimiter character][address][slot] [channel][command][data][checksum], где первый параметр задает символ начала команды (разделитель), параметр address для модулей ADAM-6000 и базового блока ADAM-5000/TCP всегда имеет значение 01h, назначение остальных параметров очевидно. Команды делятся на системные, управления аналоговым вводом, аналоговым выводом и дискретным вводом/выводом. В качестве начального символа используются символы $ и #. Рассмотрим структуру команд на примере команды установки вида и диапазона входного сигнала выбранного канала модуля аналогового ввода ADAM-6017 [4]: $aaAnntt, где - aa (диапазон значений 00-FF) задает 2-позиционный 16-ричный Modbus-адрес, всегда равный 01h для модулей ADAM-6000 и ADAM-5000/TCP. - A является командой установки диапазона входных сигналов. - nn (диапазон значений 00-07) определяет выбранный канал. - tt (диапазон значений 07- 0D) задает 2-символьный код типа входного диапазона, выбираемый из следующей таблицы для модуля ADAM-6017. Диапазон Код Диапазон Код 4 ~ 20 мА 07h 0 ~ 500 мВ 0Bh -10 ~ 10 В 08h -100 ~ 100 мВ 0Ch 0 ~ 5 В 09h 0 ~ 20 мА 0Dh -1 ~ 1 В 0Ah Аналогичная команда имеется для модуля ADAM-5017: $aaSiArrff. Она задает номер слота i (Si), в который установлен модуль, диапазон входных сигналов (rr), формат данных и время интегрирования (ff). Диапазон Код Диапазон Код -10 ~ 10 В 08h -500 ~ 500 мВ 0Bh -5 ~ 5 В 09h -150 ~ 150 мВ 0Ch -1 ~ 1 В 0Ah 0 ~ 20 мА 0Dh Каналы работают в мультиплексном режиме и могут быть как включены, так и выключены из процесса опроса соответствующей командой. Для настройки модуля аналогового вывода ADAM-5024 используются свои команды. Например, командой $aaSiCjArrff производят конфигурирование j-го канала модуля, установленного в i-й слот. Параметр rr принимает значение 30 для диапазона 0 – 20 мА, 31  4 – 20 мА и 32 для 0 – 10 В. Параметр ff задает формат данных и скорость нарастания выходного сигнала. Результат выполнения команды отображается в строке Response (ответ). Если ответ начинается символом , то была введена правильная команда. Символом начинается ответ на неверно введенную команду. После выполнения настройки с помощью утилиты модулей и каналов на требуемые режимы работы можно приступать к программированию действий с ними в рамках системы управления объектом. Имеется несколько вариантов создания приложения. Рассмотрим два основных варианта. Создание приложений в Advantech Studio Advantech Studio (A-Studio) – это интегрированный комплекс программных средств. Он включает в себя все необходимое для решения задач управления процессом (объектом), а также для создания человеко-машинного интерфейса, сокращенно HMI (Human Machine Interface). Для реализации функций сбора данных и основанного на нем диспетчерского управления (этот процесс получил название SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition) пакет обладает следующими свойствами: -поддерживает интерактивное конфигурирование и удаленное администрирование; - поддерживает такие стандарты, как DNA, OPC, DDE, ODBC, XML, ActiveX компании Microsoft; - имеет большую библиотеку готовых графических объектов; - имеет расширенный набор средств, упрощающих разработку приложений; - включает более 140 драйверов устройств и поддерживает спецификацию OPC (OLE for Process Control) и др. Рассмотрим некоторые особенности работы в среде A-Studio. Создание приложения средствами A-Studio включает в себя следующие моменты: подключение необходимых для работы драйверов, создание новой рабочей области, размещение объектов, позволяющих осуществить управление модулями, привязка объектов к тегам, задание дополнительных условий работы. Рассмотрим названные этапы более подробно. После загрузки пакета в левой части окна программы будет отображаться оконный элемент Workspace (Рабочая область проекта), содержащий четыре вкладки, компоненты которых представлены в виде «дерева»: • Database (База данных) – содержит доступные пользователю теги A-Studio; • Graphics (Графика) - содержит готовые проекты и библиотеку объектов; • Tasks (Задачи) - позволяет создавать файлы тревог, тренды, задавать дополнительные условия; • Соmm (Связь) - позволяет подключать необходимый драйвер связи. В качестве драйвера связи используют MOTCP.dll (MODBUS Protocol RTU/ASCII via TCP/IP). Этот драйвер устанавливается при инсталляции пакета. Его можно найти, если щелкнуть правой кнопкой мыши по папке Drivers (Драйверы) на вкладке Соmm и выполнить команду Add/Remove drivers. Если названный драйвер отсутствует в списке драйверов, то его надо зарегистрировать стандартным для Windows образом – с помощью сервера регистрации regsvr32. Чтобы драйвер обслуживал создаваемое приложение, выбрать пункт меню Insert /Driver... и в столбце Available drivers выбрать MOTCP и нажать кнопку Select >>. В результате драйвер MOTCP должен появиться в столбце Selected drivers. Далее создается экранная форма приложения. По умолчанию после запуска пакета создается пустая форма с названием Display1. Контекстное меню позволяет задать требуемые параметры для нее с помощью команды Screen Attributes. Новая форма создается с помощью команды Insert/Screen. С помощью инструментов пакета и библиотеки графических объектов (Library) размещают на форме необходимые объекты. Объекты можно группировать. Если форма выполняет функцию меню, то на ней располагаются командные кнопки, отвечающие за реализацию отдельных пунктов меню. Двойной щелчок по вставленному объекту вызывает окно свойств. Свойства можно копировать. С этой целью используют существующую базу тегов. Тегами принято называть переменные, участвующие в работе приложения. Чтобы графический объект реально представлял физическое устройство, необходимо связать этот объект с тегом, представляющим реальное оборудование. Теги могут быть выбраны из папки Application Tags, расположенной на вкладке Database или созданы заново. Теги могут быть системными (например, время и дата) и пользовательскими следующих типов: двоичные, целые, с плавающей точкой и строковые. На вкладке Comm раскрывают папку Drivers, а затем и папку MOTCP. Двойным щелчком открывают MAIN DRIVER SHEET (Главный лист драйвера - создается автоматически при создании приложения) и в его рабочей области указывают имена тегов, IP-адрес устройства, номер канала с привязкой к регистру (согласно таблице аналоговых и цифровых обозначений каналов), вид действия (запись или чтение). Кроме этого, можно задать дополнительные условия функционирования того или иного объекта приложения. Например, можно задать условие, при выполнении которого возникает сигнал тревоги (папка Math на вкладке Tasks). Имена должны начинаться с буквы (<32 символов). Схема нумерации каналов модулей базового блока Кроме главного листа используемого драйвера можно открыть его стандартные листы. Для этого следует щелкнуть правой кнопкой по папке MOTCP и выполнить команду Insert. Создание приложений в среде Delphi Фирма предоставляет пользователя средства для разработки приложений в разных средах визуального программирования. Ядром таких средств выступает драйвер устройства Advantech – ADAMTCP.dll. Драйвер поддерживает высокоскоростные функции, которые используют для сбора данных прямой доступ к памяти или прерывание. Приложение Advantech Для подключения методов библиотеки к проекту используется функция ADAMTCP_Open, которая возвращает значение 0 в случае успешного подключения. Отключает библиотеку процедура ADAMTCP_Close. Для создания физического соединения с аппаратными средствами используют функцию, которая возвращает код завершения операции соединения: ADAMTCP_Connect(,      <порт, используемый Modbus/TCP> , {по умолчанию  502}                                      ,                                       ,                                      ). Процедура ADAMTCP_Disconnect разрывает созданное соединение. Названные подпрограммы обрамляют конкретные действия с модулями, которые реализуются по соответствующим алгоритмам с помощью программных средств, представленных в следующих источниках: - Advantech Automation/ADAM/ADAM-5000TCP-6000 Utility/DLL API Help, Demo; - ADAM-6000 Users Manual. Для плат фирмы необходимо использовать соответствующие утилиты настройки и конфигурирования. Программирование работы плат ведется с помощью пакета GeniDAQ, а также с помощью соответствующих драйверов (в том числе и для LabView), компонентов Advantech ActiveDAQ, DLL-драйверов и примеров для различных сред визуального программирования. 4. АПК на базе стандарта CompactPCI 4.1. Управляющие вычислительные комплексы СМ1820М Как уже отмечалось, вычислительные комплексы СМ ЭВМ в 1970-1980-х гг. стали основной технической базой для построения автоматизированных систем управления технологическим процес­сом (АСУТП) и предприятием (АСУП) в разных отраслях промы­шленности. Несмотря на то что эти вычислительные комплексы сегодня устарели морально и физически, они и в настоящее время еще эксплуатируются в тепловой и атомной энергетике и метал­лургии, на железнодорожном транспорте и химических комбина­тах, на машиностроительных заводах и в научных учреждениях. В последние годы многие предприятия промышленных от­раслей в нашей стране вынуждены были самостоятельно зани­маться модернизацией существующих АСУ (АСУП, АСУТП). Появление на рынке и доступность персональных ЭВМ (ПЭВМ) спровоцировало многих пользователей к применению ПЭВМ в качестве базовых средств для модернизации АСУ производства и технологических процессов. Однако ПЭВМ используют лишь в качестве рабочих станций операторов-технологов и диспетчеров. Не удается создать на базе ПЭВМ надежную систему управления, тем более действующую непрерывно (круглосуточно) в промыш­ленных условиях и в реальном времени. В связи с этим возросла актуальность создания управляющей вычислительной техники в промышленном исполнении. Анализ областей применения промышленных автоматизиро­ванных систем управления, требующих высокой оперативности и надежности при круглосуточной эксплуатации, показывает, что управляющие вычислительные комплексы в подобных системах должны: • иметь функционально-модульную структуру, легко конфигури­роваться и резервироваться, а в случае необходимости — нара­щиваться по числу процессоров, объему оперативной и внеш­ней памяти, количеству и номенклатуре средств телекоммуни­каций и средств отображения информации; • обеспечивать высокую производительность: предельно высо­кую реактивность режимов реального времени на нижнем уров­не управления при количестве обрабатываемых каналов ввода-вывода, доходящем, как правило, до нескольких тысяч, а также время реакции на запрос оператора с клавиатуры при оператив­ном диспетчировании до 0,5 с; • обеспечивать требование отказоустойчивости, не допускающее при непрерывном круглосуточном режиме эксплуатации сниже­ния производительности при возникновении неисправностей (как правило, путем использования мажоритарных структур (см. разд. 5.3) и непрерывной дистанционной диагностики работо­способности комплекса при времени обнаружения неисправно­сти порядка секунды и времени ее ликвидации не более часа); • отвечать обобщенным требованиям промышленного исполне­ния, т.е. обладать устойчивостью в процессе эксплуатации в тя­желых промышленных условиях; • быть масштабируемыми для построения многоуровневых рас­пределенных иерархических систем на единой аппаратно-про­граммной платформе; • отвечать стандартам и требованиям открытых систем, обеспе­чивающим их интеграцию с аппаратными и программными средствами различных производителей; • обеспечивать интеграцию в локальных сетях Ethernet, FDDI, ATM, Profibus, Canbus, а также в региональных сетях с протоко­лами Х.25 и TCP/IP; • иметь базовое программное обеспечение и инструментальные средства проектирования отказоустойчивых управляющих вы­числительных комплексов для АСУ, АСУП и АСУТП в различ­ных операционных средах (MS Windows NT, QNX, UNIX, USIX). В 1998 г. в ОАО ИНЭУМ было разработано новое семейство управляющих вычислительных комплексов CM 1820M, соеди­нившее в себе лучшие прикладные качества комплексов СМ1420/СМ1702 и СМ1810/СМ1820 и отвечающее сформулиро­ванным выше требованиям. При построении этих машин соблю­дался принцип сочетания передовой элементной базы, лучших образцов узлов и блоков, имеющихся на мировом рынке, с мак­симальным использованием возможностей отечественных про­изводителей. Конечным поставщиком комплексов является рос­сийский производитель, обеспечивающий поддержку объявлен­ных характеристик машин при любом изменении номенклатуры комплектующих изделий, а также гарантийное и послегарантий­ное обслуживание в течение всего срока эксплуатации комп­лексов. В состав семейства СМ1820М входят промышленные кон­троллеры СМ1820М.ПК и управляющие вычислительные ком­плексы СМ1820М.ВУ, позволяющие строить при едином архи­тектурно-системном подходе и унифицированном конструктор­ском исполнении многоуровневые иерархические комплексы для распределенных АСУ. Характерными особенностями семейства СМ1820М явля­ются: • унифицированное конструктивное исполнение плат, модулей, стоек и тумб на основе широко распространенного в мире стан­дарта «Евромеханика»; • промышленный интерфейс CompactPCI со скоростью 132/264 Мб/с; • использование современной отечественной и зарубежной эле­ментной базы; • широкая номенклатура модулей УСО, обеспечивающих сопря­жение с датчиками и исполнительными устройствами по кана­лам ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов, а также с программируемыми измерительными приборами и генера­торами; • обеспечение многопроцессорного и многопользовательского режимов работы; • набор средств сетевого взаимодействия; • максимальное использование общесистемного и прикладного программного обеспечения ПЭВМ; • развитое программное обеспечение реального времени, которое поддерживает функции: сбора, обработки информации и управления в реальном времени; графической визуализации данных в реальном масштабе времени, а также архивных дан­ных; сетевого информационного обмена между отдельными уз­лами и дистанционного доступа и управления в распределен­ной системе; • архитектура, совместимая с архитектурой ПЭВМ IBM PC; • полное соответствие международным стандартам открытых систем; • наличие специальных исполнений для промышленных усло­вий. Выполнение требований международных стандартов обеспе­чивает возможность использования модулей и программ, разра­ботанных зарубежными фирмами. В основу построения семейства СМ1820М (как на конструк­тивном, так и на функциональном уровне) положен модульный принцип, состоящий в том, что ЭВМ выполняются из функцио­нально законченных модулей, изготовленных в виде печатной платы и объединенных системным интерфейсом. Модульность позволяет комплексировать микропроцессорные системы на уровне печатных плат, обеспечивая гибкость при создании управ­ляющих комплексов и открытость вычислительной системы. От­крытость системы создает условия для расширения номенклату­ры модулей и развития семейства СМ1820М. В состав комплексов СМ1820М (рис. 2.1) входят вычисли­тельный блок, набор периферийных устройств в соответствии с требованиями конкретного применения и конструктив для их размещения. Набор и характеристики периферийных устройств могут меняться, так как они подключаются к вычислительному блоку по стандартным программно-аппаратным интерфейсам. Вычислительный блок строится по магистрально-модульной системе, традиционной для семейства СМ ЭВМ, но ее реали­зация существенно отличается от ранее выпускавшихся комплек­сов. Вместо использовавшегося интерфейса И41 (аналог MultibusI) вычислительные блоки СМ1820М строятся по специ­фикации CompactPCI, определяющей интерфейс и конст­рукцию модулей. Спецификация CompactPCI обеспечивает по­строение открытой системы и взаимозаменяемость модулей различных производителей. На интерфейс CompactPCI устанавли­ваются модули, требующие высокой скорости обмена по магист­рали, такие, как Fast Ethernet, видеоконтроллер, контроллеры на­копителей на жестких дисках. Количество модулей, устанавлива­емых на CompactPCI, может быть увеличено за счет установки расширителей. Для непосредственной связи с управляемым объектом, пер­вичной обработки информации, выработки управляющих воз­действий и обмена данными с вычислительными комплексами верхних уровней разработаны вычислительные устройства ниж­него уровня — промышленные контроллеры. Они предназначены для размещения в производственных помещениях в непосредст­венной близости к источникам сигналов и приемникам управля­ющих воздействий. Промышленный контроллер разработан на базе микропроцессора i386EX, имеющего низкую потребляемую мощность и достаточную производительность. Его система ко­манд совместима с системами команд других микропроцессоров компании Intel. Модули ПК обеспечивают ввод и вывод широко­го диапазона аналоговых и дискретных сигналов. Использование модулей УСО может потребоваться не только на нижнем уровне системы управления, но и на верхних уровнях — например, для связи с диспетчерским оборудованием или для скоростного ввода информации от специальных подсистем. Для подключения модулей УСО к вычислительным блокам с шиной CompactPCI разработан оригинальный программно-ап­паратный интерфейс СМ1820М-И1. Этот интерфейс реализован путем установки на магистраль CompactPCI модуля дискретного ввода-вывода с подключением его внешних цепей к специально­му блоку коммутации. На выходы интерфейса может подклю­чаться до 64 модулей дискретного и аналогового ввода-вывода и модулей УСО других типов. Применение двух магистралей позволяет существенно повы­сить производительность за счет разделения процессов: • процесса ввода-вывода информации через шину СМ1820М-И1 и модули УСО на объекты измерения и исполнительные уст­ройства; • процессов обработки информации в реальном времени в интел­лектуальных модулях, взаимодействующих между собой по ма­гистрали CompactPCI. Наличие специально разработанных для СМ1820М модулей связи с объектом на интерфейсе СМ 1820М-И1 не исключает воз­можности использования в комплексах СМ1820М модулей вво­да-вывода, выходящих непосредственно на магистраль CompactPCI. Номенклатура модулей CompactPCI, выпускаемых более чем 300 компаниями-производителями различных стран, достаточно разнообразна. Это относится как к основным моду­лям (системные платы, видеоадаптеры, контроллеры магнитных дисков), так и к модулям для ввода-вывода дискретных и анало­говых сигналов. Количество типов модулей для установки в сис­темы CompactPCI существенно увеличивается за счет использо­вания «мезонинной» технологии (см. далее): плата-носитель, ус­танавливаемая на шину CompactPCI, обеспечивает возможность установки от I до 4 мезонинных сменных плат ввода-вывода Industry Pack (IP), например, для магистрали VME (Versabus Module Europebus). Таким образом, модули с этими интерфейса­ми, ранее выпускавшиеся для магистрали VME, могут устанавли­ваться на магистраль CompactPCI. Модули УСО, разработанные специально для СМ1820М, од­новременно являются кроссовыми модулями. Оригинальная конструкция блока коммутации и модулей УСО CM 1820M обес­печивает удобство подключения и гибкость при компоновке комплексов. Модули УСО подключаются к блоку коммута­ции радиальными связями, выполненными ленточными кабеля­ми (до 8 модулей), или радиально-магистральными связями (до 64 модулей). Конструктивно большинство комплексов СМ1820М выпол­нено в виде законченного рабочего места оператора, которое со­стоит из одной или двух тумб-столов. Габаритные размеры ком­плексов определяются размерами периферийного оборудования и эргономическими требованиями. Объем, занимаемый элек­тронными блоками, невелик. Имеется вариант комплекса СМ1820М.01 в виде пылебрызгозащищенного напольного шка­фа, в котором установлены два вычислительных блока с модуля­ми CompactPCI и модулями УСО. Электропитание комплексов осуществляется через встроен­ные или внешние источники бесперебойного электропитания (ИБП). Применение вычислительного блока, построенного по спе­цификации CompactPCI, существенно упрощает конструктив­ную реализацию комплексов. Сравнительные характеристики конструкции вычислительного блока размером 3U (см. далее) для CompactPCI и некоторых традиционных промышленных ком­пьютеров указаны в табл. 2.1. Выше было отмечено, что архитектура комплексов СМ1820М обеспечивает программную совместимость с программным обес­печением ПЭВМ типа IBM PC. Для комплексов верхних уровней можно использовать разработанную в ИНЭУМ операционную систему USIX или такие операционные системы, как MS Windows NT, QNX и Linux. Основным критерием оценки качества управляющего ком­плекса необходимо считать надежность. Применение в СМ1820М современной элементной базы с малым потреблением мощности и выбор рациональной конструкции позволили суще­ственно повысить этот показатель. Повышению надежности способствовало, в частности то, что в комплексах СМ1820М отсутствуют вентиляторы для про­дувки воздуха через шкафы или тумбы. В традиционных зарубеж­ных промышленных ЭВМ, совместимых с IBM PC (так же, как и в старых моделях СМ ЭВМ), для охлаждения установлено не­сколько вентиляторов. Прокачка воздуха через машину приводит к быстрому запылению оборудования. Поэтому требуется перио­дическое отключение ЭВМ для очистки от пыли. Установка пы­леулавливающих фильтров снижает запыленность, но не устра­няет ее полностью. В комплексах СМ1820М потребляемая мощность снижена в несколько раз, а модули размещены вертикально, что способст­вует хорошему охлаждению путем естественной конвекции. Обо­рудование размещено в просторных корпусах с большой площа­дью охлаждающих поверхностей. Все это позволило отказаться от вентиляторов. Удалось практически герметизировать устройства, сохранив при этом комфортный тепловой режим работы элек­тронных компонентов. Расчетное среднее время наработки на отказ комплекса СМ1820М, без учета принтеров, составляет более 10 000 ч, сред­няя наработка на сбой - не менее 500 ч, коэффициент готовнос­ти комплекса - не менее 0,98. Набор аппаратных средств комплексов СМ1820М обеспечи­вает также построение резервированных систем повышенной живучести с дублированием или троированием аппаратуры. При этом показатели надежности резко улучшаются: время наработки на отказ не менее 100 000 ч при времени восста­новления, равном одному часу, и коэффициенте готовности не менее 0,99999. Комплексы СМ1820М прошли все виды испытаний, предус­мотренные для средств вычислительной техники ГОСТ 21552-84, а также на электромагнитную совместимость (ЭМС) и сейсмо­стойкость по нормам для атомных электростанций. 4.2. АПК ведущих мировых производителей для CompactPCI Среди производителей АПК на базе интерфейса cCPI можно выделить фирмы Motorola, VMIC (США) (К платам ввода/вывода поставляются специальные терминальные платы и платы нормализации сигналов, а также драйверы для UNIX, VxWorks, QNX, Linux и Windows 2000, пакет МЭК 61131_3 IOWorks и OPC_серверы), ADDI_DATA (Германия) и др. Motorola выпускает крейт на 21 модуль в стандарте CompactPCI. Фирма Advantech производит многопортовую коммуникационную плату MIC-3620/3 (3U) и MIC-3620/6 (6U) для систем CompactPCI. Плата содержит 8 интерфейсов RS-232 с максимальной скоростью передачи данных 921,6 кбит/с. ADDI_DATA производит плату CPCI-3120. Плата рассчитана на аналоговый ввод/вывод. АЦП имеет 16 разрядов с частотой выборки 100 кГц по 16/8 каналам с программируемым коэффициентом усиления. ЦАП – 4 или 8 на 14 разрядов и временем установления 30 мкс. Число дискретных вводов/выводов – по 4. Имеется таймер, буфер FIFO, сторожевой таймер. 5. Промышленные контроллеры (ПЛК) 5.1. Общие принципы построения ПЛК Любая машина, способная автоматически выполнять некото­рые операции, имеет в своем составе управляющий контроллер — модуль, обеспечивающий логику работы устройства. Контрол­лер — это мозг машины. Естественно, чем сложнее логика работы машины, тем «умнее» должен быть контроллер. Технически контроллеры реализуются по-разному. Это может быть механическое устройство, пневматический или гидравличе­ский автомат, релейная или электронная схема или даже компь­ютерная программа. В случае, когда контроллер встроен в машину массового выпу­ска, стоимость его проектирования распределена на большое чис­ло изделий и мала в отношении к стоимости изготовления. В слу­чае машин, изготавливаемых в единичных экземплярах, ситуа­ция обратная. Стоимость проектирования контроллера доминиру­ет по отношению к стоимости его физической реализации. При создании машин, занятых в сфере промышленного произ­водства, как правило, приходится иметь дело не более чем с еди­ницами однотипных устройств. Кроме того, очень существенной здесь является возможность быстрой перенастройки оборудова­ния на выпуск другой продукции. Контроллеры, выполненные на основе реле или микросхем с «жесткой» логикой, невозможно научить делать другую работу без существенной переделки. Очевидно, что такой возможностью обладают только программируемые логические контроллеры (ПЛК). Идея создания ПЛК родилась практически сразу с появле­нием микропроцессора, т. е. 30 лет назад. Физически, типичный ПЛК представляет собой блок, имею­щий определенный набор выходов и входов, для подключения датчиков и исполнительных механизмов (рис. 1.1). Логика управ­ления описывается программно на основе микрокомпьютерного ядра. Абсолютно одинаковые ПЛК могут выполнять совершенно разные функции. Причем для изменения алгоритма работы не требуется каких-либо переделок аппаратной части. Аппаратная реализация входов и выходов ПЛК ориентирована на сопряжение с унифицированными приборами и мало подвержена изменениям. Рис. 1.1. Принцип работы ПЛК Задачей прикладного программирования ПЛК является только реализация алгоритма управления конкретной машиной. Опрос входов и выходов контроллер осуществляет автоматически, вне зависимости от способа физического соединения. Эту работу вы­полняет системное программное обеспечение. В идеальном случае прикладной программист совершенно не интересуется, как подсо­единены и где расположены датчики и исполнительные механиз­мы. Мало того, его работа не зависит от того, с каким контролле­ром и какой фирмы он работает. Благодаря стандартизации язы­ков программирования прикладная программа оказывается пере­носимой. Это означает, что ее можно использовать в любом ПЛК, поддерживающем данный стандарт. Программируемый контроллер — это программно управляе­мый дискретный автомат, имеющий некоторое множество вхо­дов, подключенных посредством датчиков к объекту управления, и множество выходов, подключенных к исполнительным устрой­ствам. ПЛК контролирует состояния входов и вырабатывает опре­деленные последовательности программно заданных действий, от­ражающихся в изменении выходов. ПЛК предназначен для работы в режиме реального времени в условиях промышленной среды и должен быть доступен для про­граммирования неспециалистом в области информатики. Изначально ПЛК предназначались для управления последова­тельными логическими процессами, что и обусловило слово «ло­гический» в названии ПЛК. Современные ПЛК помимо простых логических операций способны выполнять цифровую обработку сигналов, управление приводами, регулирование, функции опе­раторского управления и т. д. Помимо «классических» дискретных и аналоговых входов-вы­ходов многие ПЛК имеют специализированные входы/выходы.Они ориентированы на работу с конкретными специфическими датчиками, требующими определенных уровней сигналов, пита­ния и специальной обработки. Например, квадратурные шифра­торы, блоки управления шаговыми двигателями, интерфейсы дисплейных модулей и т. д. Абсолютное большинство ПЛК работают по методу периодиче­ского опроса входных данных (сканирования). ПЛК опрашивает входы, выполняет пользовательскую программу и устанавливает необходимые значения выходов. Специфика применения ПЛК обусловливает необходимость одновременного решения несколь­ких задач. Прикладная программа может быть реализована в виде множества логически независимых задач, которые должны работать одновременно. На самом деле ПЛК имеет обычно один процессор и выполняет несколько задач псевдопараллельно, последовательными порция­ми. Время реакции на событие оказывается зависящим от числа одновременно обрабатываемых событий. Рассчитать минимальное и максимальное значения времени реакции, конечно, можно, но добавление новых задач или увеличение объема программы при­ведет к увеличению времени реакции. Такая модель более подхо­дит для систем мягкого реального времени. Современные ПЛК имеют типовое значение времени рабочего цикла, измеряемое, единицами миллисекунд и менее. Поскольку время реакции боль­шинства исполнительных устройств значительно выше, с реаль­ными ограничениями возможности использования ПЛК по време­ни приходится сталкиваться редко. В некоторых случаях ограничением служит не время реакции на событие, а обязательность его фиксации, например работа с датчиками, формирующими импульсы малой длительности. Это ограничение преодолевается специальной конструкцией входов. Так, счетный вход позволяет фиксировать и подсчитывать импу­льсы с периодом во много раз меньшим времени рабочего цикла ПЛК. Специализированные интеллектуальные модули в составе ПЛК позволяют автономно отрабатывать заданные функции, на­пример модули управления сервоприводом. Второй часто возникающей задачей является интеграция не­скольких ПЛК с целью синхронизации их работы. Здесь появля­ются сети, обладающие рядом специфических требований. В целом это требования, аналогичные требованиям к ПЛК: режим ре­ального времени, надежность в условиях промышленной среды, ремонтопригодность, простота программирования. Такой класс сетей получил название промышленных сетей (fieldbus). Сущест­вует масса фирменных реализаций и достаточно много стандартов таких сетей (Bitbus, Modbus, Profibus, CANopen, DeviceNet), по­зволяющих интегрировать аппаратуру различных фирм, но ни один из них нельзя признать доминирующим. Благодаря продуктивному развитию средств сетевой интегра­ции появилась возможность создания распределенных систем управления. В 80-х гг. XX в. доминировали ПЛК с числом вхо­дов-выходов несколько сотен. В настоящее время большим спро­сом пользуются микроПЛК с количеством входов-выходов до 64. В распределенных системах каждый ПЛК решает локальную за­дачу. Задача синхронизации управления выполняется компьюте­рами среднего звена АСУ. Распределенные системы выигрывают по надежности, гибкости монтажа и простоте обслуживания. Программные приложения, имитирующие технологию ПЛК на компьютере (оснащенном платами ввода-вывода), получили название программный ПЛК (soft PLC). Программная эмуляция ПЛК удобна тем, что благодаря наличию многозадачной операци­онной системы можно совместить в одном месте контроллер, сре­ду программирования и систему диспетчерского управления. Существенный минус такого решения — большое время выхо­да на рабочий режим после включения питания или зависания компьютера. Особенно опасно, если перезапуск произвел «сторо­жевой таймер» в автоматическом режиме, в то время как состоя­ние исполнительных механизмов не соответствует исходным пози­циям. Загрузка операционной системы может отнимать несколько минут, все это время система оказывается неуправляемой. Для ПЛК время «холодного» запуска измеряется миллисекундами. Для достижения сравнимых с ПЛК технических показателей по надежности компьютер, конечно, должен быть промышленно­го исполнения (на базе магистралей РС/104 или VME), а не деше­вый офисный «no name». 5.2. Рабочий цикл ПЛК Задачи управления требуют непрерывного циклического конт­роля. В любых цифровых устройствах непрерывность достигается за счет применения дискретных алгоритмов, повторяющихся че­рез достаточно малые промежутки времени. Таким образом, вы­числения в ПЛК всегда повторяются циклически. Одна итерация, включающая замер, обсчет и выработку воздействия, называется рабочим циклом ПЛК. Выполняемые действия зависят от значе­ния входов контроллера, предыдущего состояния и определяются пользовательской программой. По включению питания ПЛК выполняет самотестирование и настройку аппаратных ресурсов, очистку оперативной памяти данных (ОЗУ), контроль целостности прикладной программы по­льзователя. Если прикладная программа сохранена в памяти, ПЛК переходит к основной работе, которая состоит из постоян­ного повторения последовательности действий, входящих в рабо­чий цикл. Рабочий цикл ПЛК состоит из нескольких фаз. 1. Начало цикла. 2. Чтение состояния входов. 3. Выполнение кода программы пользователя. 4. Запись состояния выходов. 5. Обслуживание аппаратных ресурсов ПЛК. 6. Монитор системы исполнения. 7. Контроль времени цикла. 8. Переход на начало цикла. В самом начале цикла ПЛК производит физическое чтение входов. Считанные значения размещаются в области памяти вхо­дов. Таким образом, создается полная одномоментная зеркальная копия значений входов. Далее выполняется код пользовательской программы. Пользо­вательская программа работает с копией значений входов и выхо­дов, размещенной в оперативной памяти. Если прикладная про­грамма не загружена или остановлена, то данная фаза рабочего цикла, естественно, не выполняется. Отладчик системы програм­мирования имеет доступ к образу входов-выходов, что позволяет управлять выходами вручную и проводить исследования работы датчиков. После выполнения пользовательского кода физические выхо­ды ПЛК приводятся в соответствие с расчетными значениями (фаза 4). Обслуживание аппаратных ресурсов подразумевает обеспече­ние работы системных таймеров, часов реального времени, опера­тивное самотестирование, индикацию состояния и другие аппаратно-зависимые задачи. Монитор системы исполнения включает большое число функ­ций, необходимых при отладке программы и обеспечении взаимо­действия с системой программирования, сервером данных и се­тью. В функции системы исполнения обычно включается: загруз­ка кода программы в оперативную и электрически перепрограм­мируемую память, управление последовательностью выполнения задач, отображение процесса выполнения программ, пошаговое выполнение, обеспечение просмотра и редактирования значений переменных, фиксация и трассировка значений переменных, кон­троль времени цикла и т. д. Пользовательская программа работает только с мгновенной ко­пией входов. Таким образом, значения входов в процессе выпол­нения пользовательской программы не изменяются в пределах одного рабочего цикла. Это фундаментальный принцип построе­ния ПЛК сканирующего типа. Такой подход исключает неодно­значность алгоритма обработки данных в различных его ветвях. Кроме того, чтение копии значения входа из ОЗУ выполняется значительно быстрее, чем прямое чтение входа. Аппаратно чтение входа может быть связано с формированием определенных вре­менных интервалов, передачей последовательности команд для конкретной микросхемы или даже запросом по сети. Время реакции — это время с момента изменения состояния системы до момента выработки соответствующей реакции. Оче­видно, для ПЛК время реакции зависит от распределения момен­тов возникновения события и начала фазы чтения входов. Если изменение значений входов произошло, непосредственно перед фа­зой чтения входов, то время реакции будет наименьшим и рав­ным времени сканирования (рис. 1.2). Худший случай, когда из­менение значений входов происходит сразу после фазы чтения входов. Тогда время реакции будет наибольшим, равным удвоен­ному времени сканирования минус время одного чтения входов. Иными словами, время реакции ПЛК не превышает удвоенного времени сканирования. Рис. 1.2. Время реакции ПЛК Помимо времени реакции ПЛК, существенное значение имеет время реакции датчиков и исполнительных механизмов, которое также необходимо учитывать при оценке общего времени реак­ции системы. Время цикла сканирования является базовым показателем бы­стродействия ПЛК. При измерении времени рабочего цикла поль­зовательская программа должна содержать 1К логических команд. Для ПЛК, поддерживающих стандарт МЭК 61131-3, ис­пользуют команды на языке IL. Иногда изготовители приводят несколько значений времени цикла, полученных при работе с пе­ременными различной разрядности. Ориентировочно о скорости обработки различных типов дан­ных можно судить по тактовой частоте и разрядности централь­ного процессора. Хотя нет ничего удивительного в том, что вось­миразрядные ПЛК не редко оказываются быстрее 32-разрядных при выполнении битовых операций. Объясняется это тем, что в 8-разрядных микропроцессорах более распространена аппаратная поддержка работы с битами. Так, в PC-совместимых процессорах для выделения бита приходится использовать логические коман­ды и циклический сдвиг. Аппаратно ПЛК является вычислительной машиной. Поэтому архитектура его процессорного ядра практически не отличается от архитектуры компьютера. Отличия заключены в составе пери­ферийного оборудования, отсутствуют видеоплата, средства руч­ного ввода и дисковая подсистема. Вместо них ПЛК имеет блоки входов и выходов. Конструктивно контроллеры подразделяют на моноблочные, модульные и распределенные. Моноблочные, или одноплатные, ПЛК имеют фиксированный набор входов-выходов. В модульных контроллерах модули входов-выходов устанавливаются в разном составе и количестве в зависимости от требуемой конфи­гурации. Так достигается минимальная аппаратная избыточ­ность. В распределенных системах модули или даже отдельные входы-выходы, образующие единую систему управления, могут быть разнесены на значительные расстояния. Характерным для современных контроллеров является испо­льзование многопроцессорных решений. В этом случае модули ввода-вывода имеют собственные микропроцессоры, выполняю­щие необходимую предварительную обработку данных. Модуль центрального процессора имеет выделенную скоростную магист­раль данных для работы с памятью и отдельную магистраль (сеть) для общения с модулями ввода-вывода. 5.3. Базовые функции ПЛК и их аппаратная реализация Базовые функции представлены на рисунке 3.6. Ниже дадим описание аппаратных средств реализации этих функций. Процессорные модули ПЛК могут строиться на основе широкой гаммы микропроцессоров (преимущественно в КМОП-исполнении - i386 EX, Siemens SAB 80C166 и др.), выбор ко­торых зависит от технико-экономических требований, предъяв­ляемых к распределенной системе управления. При этом быстро­действие процессора как таковое не является самоценным каче­ством, а должно оцениваться в свете возможности реализации процессором алгоритма управления технологическим процессом в реальном времени. Память ПЛК обеспечивает хранение ядра операционной сис­темы реального времени, необходимых утилит и прикладных программ управления объектом. В ней используются микросхе­мы постоянной, программируемой и оперативной памяти (по­следняя обеспечивает хранение промежуточных результатов и за­гружаемых прикладных управляющих программ). Средства коммуникации ПЛК реализуют дистанционную за­грузку задач и оперативный обмен данными между ПЛК, рабочими станциями операторов и УВК верхних уровней на расстоянии от сотен метров до нескольких километров со скоростями, со­ответствующими требованиям реактивности системы управле­ния. Средства интерфейса с оператором выполняются с учетом производственных условий эксплуатации: мониторы имеют про­тивоударный корпус с прочной пылевлагозащищенной передней панелью; в клавиатурах используется ограниченный набор функ­циональных и алфавитно-цифровых клавиш, обязательно преду­сматривается пылевлагозащита. Обмен данными между ПЛК и УВК верхних уровней может осуществляться по витой паре про­водов, коаксиальному кабелю, оптоволоконному кабелю (осо­бенно при работе в производственных условиях с высоким уров­нем электромагнитных помех) или беспроводному каналу пере­дачи данных. Устройства ввода данных и вывода управляющих воздействий предполагают работу с дискретными и аналоговыми сигналами от датчиков исполнительных механизмов объекта управления. Они реализуются обычно на отдельной плате и соединяются с вычислительным модулем через разъем. Требования к УСО в со­ставе ПЛК по типам и количеству входных и выходных сигналов определяются его конкретным применением. Для расширения областей применения ПЛК, как правило, обеспечивается его рабо­та с наиболее распространенными типами датчиков и приборов измерения физических величин: температуры (термопары, термосопротивления); электрических величин (тока, напряжения, мощности); положения; механических деформаций; давления; расхода жидкостей; тепловой энергии и др. Основными параметрами УСО в общем случае являются ско­рость и погрешность преобразования, а также диапазон вход­ных/выходных напряжений и токов. В настоящее время в зарубежной и отечественной промыш­ленности используется в основном номенклатура датчиков с входными и выходными параметрами, нормированными в соот­ветствии с международными стандартами. Наиболее целесообразным вариантом структурной организа­ции модуля УСО является разделение его на две функционально-конструктивные части. Одна часть — системная, реализующая функции сопряжения с УВК и в ряде случаев функции обработки информации, и вторая — собственно модуль УСО, осуществляю­щий непосредственный прием сигналов от датчиков технологи­ческого процесса и выдачу управляющих воздействий на испол­нительные механизмы. На плате модуля УСО могут размещаться: • преобразователь входного постоянного напряжения питания в постоянное напряжение питания разнотипных узлов (дискрет­ных, аналоговых и др.); • интерфейсные преобразователи; • функциональные узлы (например, АЦП) с гальванической раз­вязкой; • нормализаторы уровней сигналов, осуществляющие, напри­мер, преобразование тока в напряжение, фильтрацию и усиле­ние аналогового сигнала, смещение начального значения диа­пазона входных сигналов, согласование высокоуровневых вход­ных и выходных дискретных сигналов от объекта с сигналами контроллера и обеспечивающие непосредственное подключе­ние датчиков, двигателей и т.д. На плате модуля УСО могут быть также установлены специа­лизированные процессоры, выполняющие цифровую фильтра­цию и предварительную обработку информации с датчиков, эта­лонный источник напряжения для оценки и коррекции метроло­гических характеристик АЦП и др. Такие интеллектуальные УСО позволяют существенно сократить затраты времени центрально­го процессора и повысить производительность системы. С разви­тием микроэлектроники цифровая обработка сигналов и другие интеллектуальные функции будут реализованы в УСО уже на уровне первичных преобразователей. Модули УСО должны содержать элементы гальванического разделения цепей связи с датчиками и исполнительными устрой­ствами. Сигналы к УСО от датчиков (или сигналы от УСО к исполни­тельным устройствам) передаются по проводам, которые сопря­гаются с кроссовыми соединителями (переходными устройства­ми) - кабельными разъемами или клеммными колодками с пру­жинящими или выполненными «под винт» зажимами (зажимы предпочтительнее, так как позволяют подсоединять и отсоеди­нять провода независимо друг от друга). Для промышленных контроллеров, как и для УВК, характер­на магистрально-модульная структура. Модуль процессора и мо­дули УСО имеют единый функциональный, электрический и конструктивный интерфейс; в ПЛК находят применение как стан­дартные интерфейсы (например, шина ISA), так и специализиро­ванные, рассчитанные на контроллерные применения (напри­мер, ИМП, см. разд.3.3.3). Средства индикации ПЛК предназначены для вывода информа­ции о состоянии устройства и процесса управления в целом, о прохождении тестов и типах обнаруженных ошибок, а также о состоянии каналов связи с объектом управления. Элементами индикации могут служить светодиоды или светодиодные индика­торные панели. Введение средств индикации не является обяза­тельным. 5.4. Программное обеспечение ПЛК Главными требованиями к программному обеспечению для ПЛК являются: • автономность; • поддержка процессов сбора, анализа информации и управления в реальном времени; • возможность дистанционного управления со стороны цент­ральной станции (УВК); • поддержка локальных баз данных в реальном времени; • сетевая поддержка. Программное обеспечение распределенной системы (УВК — ПЛК) включает следующие основные компоненты: • тестовое программное обеспечение; • базовое программное обеспечение; • прикладное технологическое программное обеспечение. Тестовое программное обеспечение выполняет тестирование как отдельных ПЛК, так и системы в целом, включая тестирование и диагностику различных конфигураций. Тестовое программное обеспечение содержит следующие компоненты: •программы инициализации и конфигурирования, а также начальные тесты для ПЛК и сетевых адаптеров (внутреннее про­граммное обеспечение, расположенное в ПЗУ); ●программы для тестирования ПЛК через линию связи с УВК или специализированной наладочной аппаратурой; программы для тестирования, наладки и сбора статистики ло­кальной сети распределенной системы; комплексное тестирование распределенной системы в целом; • специализированное тестовое программное обеспечение для наладочных пультов, стендов, эмуляторов и т.д. Базовое программное обеспечение состоит из набора инстру­ментальных и исполнительных программных средств, ориенти­рованных на построение многоуровневых систем. В состав исполнительных базовых программных средств вхо­дят операционные системы реального времени, управляющие выполнением прикладной программы и устройствами ПЛК, и се­тевые программные средства, обеспечивающие информацион­ный обмен между отдельными узлами и возможность дистанци­онного доступа и управления в распределенной системе. Системное программное обеспечение (СПО) ПЛК непосредственно контролирует аппаратные средства ПЛК. СПО отвечает за тести­рование и индикацию работы памяти, источника питания, моду­лей ввода-вывода и интерфейсов, таймеров и часов реального вре­мени. Система исполнения кода прикладной программы является составной частью СПО. Система исполнения включает драйверы модулей ввода-вывода, загрузчик кода программ пользователя, интерпретатор команд и отладочный монитор. Код СПО располо­жен в ПЗУ и может быть изменен только изготовителем ПЛК. Код прикладной программы размещается в энергонезависимой памяти, чаще всего это электрически перепрограммируемые мик­росхемы. Изменение кода прикладной программы выполняется пользователем ПЛК при помощи системы программирования и может быть выполнено многократно. Для разработки технологических программ используются сле­дующие инструментальные средства: редакторы, системы про­граммирования (поддержка ассемблеров и языков высокого уровня, а также языков технологического программирования), средства отладки и тестирования, а также инструментарий для функционально-ориентированных языков программирования, позволяющих с минимальными трудозатратами осуществлять проектирование системы «под ключ». Технологические языки, используемые для разработки при­кладных программ, включают в себя обычно арифметические и логические операции, средства организации циклов подключе­ния и отключения портов, средства управления прерываниями (запрет/разрешение, установка приоритетов), средства работы с интервалами времени и обработки событий, а также средства для динамической загрузки и запуска программ. Элементами языка являются имена портов ввода-вывода и отдельных их разрядов, имена счетчиков, таймеров и контактов, флаги, а также парамет­ры технологического процесса. Современные средства автоматизации проектирования тех­нологических программ позволяют программировать ПК с ис­пользованием библиотеки стандартных программных модулей -«алгоблоков», реализующих типовые алгоритмы управления АСУТП: компараторы, формирователи ШИМ-сигналов и др. Интегрированная среда для создания прикладных программ ПК функционирует в составе ПО УВК или ПЭВМ и включает в себя редактор текстов, компиляторы, компоновщик и отладчик; предусматривается возможность удаленной загрузки и отладки прикладных программ. Контроль времени рабочего цикла Правильно составленная пользовательская программа не дол­жна содержать бесконечных циклов. В противном случае управ­ление системе исполнения не будет передано, и, соответственно, нормальное функционирование контроллера будет нарушено. Для преодоления данной проблемы служит контроль времени цикла. Контроль осуществляется при поддержке аппаратно реализован­ного «сторожевого таймера». Если фаза пользовательского кода выполняется дольше установленного порога, то ее работа будет прервана. Таким образом, достигается предсказуемое поведение ПЛК при ошибках в программе и при «зависании» по причине аппаратных сбоев. Обслуживание сторожевого таймера выполняется в рабочем цикле ПЛК. Выполнять эту операцию по прерыванию нельзя, по­скольку при «зависании» процессора система прерываний доста­точно часто продолжает исправно работать. 5.5. Промышленные контроллеры СМ1820М.ПК Промышленные контроллеры СМ1820М.ПК входят в со­став семейства CM 1820M и совместно с УВК СМ 1820М.ВУ поз­воляют строить унифицированные многоуровневые распределенные АСУТП. Промышленные контроллеры СМ1820М.ПК предназначены для работы в АСУТП различных отраслей промы­шленности в условиях производства, характеризующихся повы­шенной загрязненностью воздуха, вибрациями, ударами, силь­ными электромагнитными полями, значительными температур­ными колебаниями. Современные программируемые ПЛК СМ1820М.ПК являются развитием ПЛК на базе микроЭВМ СМ 1800. Аппаратные средства В составе промышленных контроллеров СМ1820М.ПК ис­пользуются следующие основные модули: • модуль процессора (МП); • модуль аналогового ввода (МАВ); • модуль дискретного ввода (МДВ); • модуль дискретного вывода (МДВыв); • модуль ввода число-импульсных сигналов. Одна из типичных конфигураций ПЛК, обеспечивающая теле­измерение текущих параметров объекта управления (ТТ) и теле­сигнализацию положения двухпозиционных объектов (ТС), представлена на рис.3.7. Связь с верхним уровнем по сети осуще­ствляется через асинхронный резервируемый канал RS-485. Все модули ввода-вывода, процессор и блок питания устанав­ливаются в монтажный каркас на 4, 6 или 8 мест, обеспечивающий объединение модулей по шине ISA. Промышленный контроллер содержит постоянную часть — модуль процессора и блок питания и переменную часть — модули ввода и вывода дискретных и анало­говых сигналов. Блок процессора и блок питания занимают по од­ному месту каждый. На остальных 2, 4 или 6 местах могут устанав­ливаться модули УСО разработки ИНЭУМ или других компаний-производителей, чьи модули выполнены в формате microPC. Мо­дули УСО одновременно являются кроссовыми модулями; под­ключение сигналов ввода-вывода осуществляется через 48-кон­тактный разъем фирмы Wago, а соединение с объектом выполняет­ся ленточным кабелем с проводами сечением до 1,5 мм2. Монтажный каркас, кроссовые модули, сетевой фильтр, ши­ны заземления размещаются в навесном шкафу размером 600x500x220 мм, внешний вид которого показан на рис. 3.8. Конструкция шкафа обеспечивает пылевлагозащиту по норме IP-55, сейсмостойкость — при максимальном расчетном землетрясении 8 баллов. ПЛК работает в диапазоне температур от —10 до +45°С (по спе­циальному заказу от —40 до +70°С). По требованиям к электро­магнитной совместимости ПК относятся к 3-й группе исполне­ния по ГОСТ Р.50746-95. По электробезопасности ПК удовлетво­ряют требованиям категории 3 по МЭК 1010-1 (Международная электротехническая комиссия). Сеть ПЛК этого типа строится на основе протокола Modbus. Система сбора информации и управления может включать до 124 ПЛК. Каждый ПЛК может иметь до 192 каналов ввода-вывода. Мак­симальное удаление ПЛК от УВК при использовании интерфейса RS-485 — 1,2 км, а при использовании волоконно-оптической линии связи - до 40 км. Модуль процессора (рис. 3.9) предназначен для использова­ния в качестве вычислителя. Вычислительное ядро модуля составляют: • микропроцессор i80386 ЕХ25(33) МГц; • ОЗУ 512 Кбайт -2 Мбайт; • ПЗУ (Flash-память) 1 - 4 Мбайт. Микропроцессор помимо блока вычислений объединяет в се­бе также таймер типа 8254А, контроллер прерываний типа 8259А, последовательные каналы, сторожевой таймер, контроллер пря­мого доступа к памяти, периферийные порты, логику управления энергопотреблением. ОЗУ выполнено на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM) емкостью 128 К х 8 бит (или 512 К х 8 бит). В качестве ПЗУ используется микросхема энергонезависимой Flash-памяти емкостью 1(2) Мбайт. Часть емкости микросхемы используется для хранения базовой системы MS DOS и приклад­ных программ. Предусмотрена возможность установки модуля Flash-памяти Disk On Chip фирмы M-Systems емкостью от 8 до 140 Мбайт. Модуль имеет также следующие компоненты: • энергонезависимые часы реального времени, которые питаются от источника питания микропроцессора (когда он включен) или от литиевой батареи напряжением 3 В; • 24-разрядную периферийную шину (три 8-битных порта ввода-вывода), предназначенную для подключения принтера, алфа­витно-цифрового жидкокристаллического (ЖК) дисплея типа PCI604 фирмы Power-tip, имеющего 4 строки по 16 символов, 45-клавишной клавиатуры FT90045D фирмы BOPLA или ис­пользования для дискретного ввода-вывода с формированием прерываний по различным условиям; • четыре асинхронных последовательных канала передачи дан­ных для связи с терминалом или ЭВМ: СОМ1 и COM2 — RS-232С (аппаратная реализация эквивалентна микросхеме 16С450), COM3 и COM4 - RS-485 (используют UART16C550) с оптоизоляцией 500 В и скоростью обмена данными до 920 Кбит/с; • синхронный последовательный канал SSIO (Serial Synchronous Input/Output), используемый в режиме резервирования для об­мена данными между процессорами со скоростью до 5 Мбит/с; • 48 каналов дискретного ввода-вывода (TTL-уровни), к которым могут подключаться модули дискретного и аналогового ввода-вывода УСО; каналы выполнены на базе двух микросхем 82С55А, каждая микросхема имеет три порта по 8 параллельных линий ввода-вывода, каждый порт имеет отдельный адрес и мо­жет быть сконфигурирован на вход и на выход; • 8-разрядную системную шину ISA, блок управления обеспечи­вает формирование управляющих сигналов в соответствии со спецификацией ISA; • контроллер сети Ethernet (в зависимости от варианта исполне­ния модуля), построен на базе микросхемы CS8900 фирмы Cristal Semiconductors, поддерживает скорость передачи данных 10 Мбит/с. На модуле установлен разъем расширения системной шины, cоответствующий спецификации РС/104, который позволяет ус­танавливать модули расширения непосредственно на плату про­цессора. Системное программное обеспечение включает в себя: • базовую систему ввода-вывода (BIOS) с встроенным отладоч­ным монитором; • операционную систему PTS DOS 6.65 (MS DOS) и ядро реаль­ного времени RTK. В монтажный каркас могут быть установлены два модуля про­цессора. Один модуль активен (режим Master), а другой отключен от системной шины и находится в режиме горячего резерва (ре­жим Slave). При срабатывании сторожевого таймера управление передается резервному процессору. Питание модуля осуществля­ется от источника питания напряжением +5 В, максимальный потребляемый ток — 1 А. Устройства связи с объектом Устройства связи с объектом выполняют следующие функ­ции: • ввод и преобразование в двоичный код постоянного тока; • ввод и преобразование в двоичный код напряжений постоянно­го тока; • ввод и преобразование в двоичный код сигналов термоэлектри­ческих преобразователей (ТЭП); • ввод и преобразование в двоичный код сигналов термометров сопротивлений; • подавление помех общего и нормального вида в измерительном тракте ввода аналоговых сигналов; • ввод дискретных сигналов; • вывод дискретных сигналов; • число-импульсный ввод; • обмен информацией с СМ1820М по интерфейсу ISA. Рассмотрим некоторые из модулей УСО СМ 1820М.ПК. Модули ввода аналоговых сигналов (МАВ) Модули аналогового ввода предназначены для ввода и преоб­разования входных аналоговых сигналов в двоичный код. Эти модули обеспечивают коммутацию входных аналоговых сигна­лов, аналого-цифровое преобразование по каждому из входных каналов и вывод результатов преобразования на интерфейс ISA. Технические характеристики МАВ Количество каналов ввода и преобразования аналоговых сигналов в различных исполнениях МАВ от 8 до 48 Параметры входных сигналов: диапазон входных сигналов постоянного тока …….. 0—5 мА; 0—20 мА; 4—20 мА; ±5 мА; ±20 мА диапазон напряжений постоянного тока: ………………………………… от 0-10 мВ, 0-100 мВ до 0-1,28 В, от ±10мВ, ±100мВ до±1,28 В диапазон сигналов с выхода термоэлек­трических преобразователей (ТЭП) — стандартных градуировок по ГОСТР50451-92 от ±10 мВ до+80 мВ диапазон сигналов с выхода термометров сопротивления с зависимостью отношения сопротивлений от температуры по ГОСТ 6651-94 от 0-25 Ом до 0-3,2 кОм Способ подключения термометров сопротивления 2-, 3- и 4-проводной Разрядность цифрового кода АЦП 12—16 двоичных разрядов Основная приведенная погрешность преобразования: на диапазонах ввода постоянного тока не более ±0,1 % на диапазонах ввода напряжений постоянного тока 0—10 мВ (±10 мВ) не более ±0,2 % на остальных диапазонах ввода напряжений постоянного тока не более ±0,1% Скорость измерения по одному каналу 50—6000 изм/с Входное сопротивление: на диапазонах ввода токовых сигналов не менее 200 Ом на диапазонах ввода сигналов по напряжению не менее 200 МОм Коэффициент подавления помехи общего вида на частотах от 0 до 50 Гц: не менее 120 дБ Максимальная амплитуда помехи общего вида 1 кВ Коэффициент подавления помехи нормального вида на частоте (50±1) Гц не менее 80 дБ Гальваническая развязка с электрической прочностью 1500 В Габаритные размеры модулей 124,5x114,3x18 мм Ток потребления модулей от системного источника питания 5 В не более 0,5 А Масса модулей не более 200 г Интерфейс модулей ISA Типовой модуль МАВ (рис. 3.10) состоит из двух основных ча­стей: аналоговой и цифровой. Аналоговая часть модуля содержит: узел нормализации вход­ных сигналов, содержащий согласующие резисторы для преобра­зования входных токов с выхода измерительных преобразовате­лей, располагаемых на объекте, в эквивалентные напряжения; 16-канальный аналоговый мультиплексор AD439F; аналого-циф­ровой сигма-дельта-преобразователь AD7731, рассчитанный на подключение трех дифференциальных сигналов (один использу­ется как тестовый) и использующий внешние источники опорно­го и испытательного напряжения, а также кварцевый резонатор; дешифратор номера канала аналогового мультиплексора; источ­ники специализированного электропитания, имеющие гальва­ническую развязку, с выходными напряжениями +5 В (аналого­вое), +5 В (цифровое) и +15 В. Цифровая часть модуля содержит: • интерфейсный узел на базе программируемой логической инте­гральной схемы (ПЛИС) Altera EPM7064, обеспечивающей управление со стороны шины ISA (выполнение операций чтения и записи данных, выбор номера канала мультиплексора, обес­печение сброса модуля, чтения байта состояния модуля); • формирователь шины данных интерфейса ISA; • наборное поле для выбора базового адреса модуля (НПБА); • наборное поле для выбора уровня прерывания (НПП). Между аналоговой и цифровой частями модуля имеется узел гальванической развязки на основе оптрона HCPL 4661. По отношению к процессору модули представлены массивом 8-разрядных адресуемых регистров (портов), которые размеша­ются в поле адресов внешних устройств. Массив состоит из трех портов ввода и трех портов вывода. Опрос портов модулей осуще­ствляется как по инициативе процессора (по опросу готовности), так и по инициативе модулей (по запросу прерывания). Адрес порта ввода-вывода определяется как сумма базового адреса (N), являющегося общим для всех портов, и смещения, закрепленно­го за каждым портом. Базовый адрес и уровень прерывания зада­ются набором перемычек на наборных полях. Возможны пять режимов работы цифровой части преобразо­вателя: запись 8 бит данных в АЦП, чтение 8 бит данных из АЦП, проверка флагов состояния, запись данных в регистр выбора ка­нала преобразования и сброс. Для включения любого из режимов нужно, чтобы адрес, выставляемый на шине ISA, соответствовал адресу этого режима. Работа МАВ возможна в режиме последовательного опроса всех каналов, многократного опроса одного из каналов и после­довательного опроса нескольких предварительно заданных кана­лов в заданной последовательности. Модуль дискретного ввода (МДВ) Модуль МДВ предназначен для приема дискретных сигналов от датчиков типа «сухой контакт», гальванической развязки дат­чиков и ПК и передачи принятой информации на шину ISA. Технические характеристики МДВ Количество входных двухпроводных каналов 10 — 32 Параметры входных двухпозиционных сигналов типа «сухой контакт»: в состоянии «замкнуто» не более 150 Ом в состоянии «разомкнуто» не менее 50 кОм Гальваническая развязка с электрической прочностью 1500 В Габаритные размеры модуля 124,5x114,3x15 мм Максимальное сопротивление линии связи с датчиком не более 500 Ом Ток потребления модуля от системного источника питания 5 В не более 0,5 А Масса модуля не более 200 г Интерфейс модуля ISA Рассмотрим устройство и работу МДВ (рис. 3.12). Модуль со­держит: дешифратор адреса (ДА); наборное поле выбора базово го адреса (НПБА); формирователь шины данных (ФШД); фор­мирователи данных (ФД) портов ввода с адресами N+0 и N+1; оптроны; входные RC-цепи; гальванически развязанный источ­ник питания (ИП) датчиков. По отношению к процессору модуль представляет собой два 8-разрядных адресуемых регистра (порта), которые размещаются в поле адресов портов ввода. Опрос портов модуля осуществляет­ся по инициативе процессора без предварительного опроса го­товности. Датчики типа «сухой контакт» могут быть подключены к лю­бым каналам модуля через кроссовую колодку XS1. Кроссовая колодка XS1 соединяется с вилкой ХР1. Входные RC-фильтры служат для подавления помех и нормализации величины тока че­рез светоизлучающий диод. Модули дискретного вывода (МДВыв) Модули предназначены для вывода дискретных сигналов на объект управления. Они обеспечивают коммутацию тока в на­грузке, питаемой от внешнего источника. Модули МДВыв обес­печивают побайтный прием информации с интерфейса ISA. Технические характеристики МДВыв Количество выходных каналов, подключаемых по однопроводной схеме 10 — 32 Коммутируемый ток низкого уровня не более 500 мА Коммутируемое напряжение не более 50 В Коммутация цепей повышенной мощности (релейный выход): постоянного тока ЗА, 28 В переменного тока 5 А, 240 В Защита выходов от ЭДС (электродвижущая сила) самоиндукции при работе на индуктивную нагрузку Габаритные размеры модуля 124,5x114,3x15 мм Ток потребления модуля от системного источника питания 5 В не более 0,5 А Масса модуля не более 200 г Интерфейс модуля ISA Рассмотрим устройство и работу МДВыв. Структурная схема модуля, коммутирующего ток низкого уровня, приведена на рис. 3.13. Модуль содержит: дешифратор адреса (ДА); наборное поле выбора базового адреса (НПБА); формирователь шины данных (ФШД); регистры данных (РД) портов вывода с адресами N+O ... N+2; формирователи данных (ФД) портов ввода с адресами N+0 ... N+2; мощные формирователи выходных сигналов (ФВС); схе­му сброса (СхС). В каждом канале нагрузка подключается к кроссовой колодке XS1 OUT1-OUT20. Кроссовая колодка XSI соединяется с вилкой ХР1. По отношению к процессору модуль представляет собой че­тыре 8-разрядных адресуемых регистра (порта), которые разме­щаются в поле адресов портов вывода, и три 8-разрядных адресуемых регистра (порта), которые размещаются в поле адресов пор­тов ввода. Запись в порты вывода и чтение из портов ввода модуля осу­ществляется по инициативе процессора без предварительного опроса готовности. Адрес портов вывода и ввода определяется как сумма базового адреса (N), являющегося общим для всех пор­тов, и смещения, закрепленного за каждым портом. Базовый ад­рес задается набором перемычек. При записи состояния каналов процессор исполняет команду записи OUT (сигнал IOWC#), адресуя один из портов вывода, принадлежащих модулю. Адресные сигналы ADR[9::0] пocтупают на дешифратор адреса, который формирует сигнал выборки пор­та N+0, N+1 или N+2. Этот сигнал стробирует запись данных D[7::0], поступающих из процессора по шине ISA в соответству­ющий регистр данных. Выходы регистров связаны с входами мощных формировате­лей выходных сигналов. Если в некоторый разряд любого из трех регистров данных записана «1», то выходной транзистор соответ­ствующего мощного формирователя будет открыт и в нагрузке потечет ток. Если в тот же разряд записан «0», то выходной тран­зистор соответствующего мощного формирователя будет закрыт, и ток в нагрузке не будет течь. Программное обеспечение СМ1820М.ПК Базовое программное обеспечение. Промышленный контрол­лер CM 1820M.ПК с программной точки зрения является устрой­ством, совместимым с IBM PC. Базовое программное обеспече­ние ПЛК содержит ОС, совместимую с MS DOS, и ядро реально­го времени RTKernel (RTK). Разработаны драйверы для модулей УСО. Многозадачная система реального времени RTK использует­ся в целях разработки прикладного программного обеспечения (ППО) для управления технологическими процессами. Система RTK может быть скомпилирована с прикладной программой; та­ким образом, единая программа будет содержать ядро, драйверы и прикладные задачи. Ядро обеспечивает многочисленные функ­ции управления задачами, семафорами, прерываниями и осуще­ствляет необходимые средства обмена между задачами. Время пе­реключения задачи составляет 6 мкс (для процессора i486, 33 МГц), число приоритетов задач — 64. Базовая система ввода-вывода (BIOS) контроллера совмести­ма с BIOS IBM PC. Операционная система MS DOS и приклад­ное программное обеспечение записаны в Flash-памяти ПК. Прикладное программное обеспечение. ППО обеспечивает не­прерывный сбор информации от объектов, ее обработку и пере­дачу на верхний уровень, а также прием и выполнение команд с верхнего уровня комплекса (от УВК). Структурно ППО состоит из пяти независимых задач — «Дискретный ввод», «Аналоговый ввод», «Счетчик», «Управление», «Аварийная запись» и обработ­чика прерываний (для приема и выполнения команд с верхнего уровня). Задачи могут иметь разный приоритет, обслуживать различ­ное число каналов, иметь разные уставки и работать с разными периодами опроса. Эти параметры могут быть изменены коман­дами с верхнего уровня комплекса. Обычно задачи циклически сканируют (опрашивают) определенные устройства ввода (на­пример, дискретный ввод, аналоговый ввод) и при фиксации оп­ределенных изменений (например, изменение сигнала, выход за уставки) формируют специальное сообщение с меткой времени, которое записывается в кольцевой буфер. При сеансе связи с верхним уровнем комплекса эти сообще­ния передаются на верхний уровень. При долговременном отсут­ствии сеанса связи эти сообщения могут (при задании с верхнего уровня специального режима) записываться в специальный файл на Flash-диске. Протокол канального уровня по сети RS-485/RS-422. Цент­ральная станция (верхний уровень, УВК) в рабочем режиме пе­риодически (например, через 200 мс) опрашивает ПЛК. Промыш­ленный контроллер подтверждает свою готовность ответным па­кетом. Сеанс связи (общения) между центральной станцией и ПЛК происходит следующим образом. Центральная станция всегда инициирует сеанс связи. Она по­сылает служебные пакеты, на которые выбранный ПЛК должен послать ответный пакет. В случае неполучения ответного пакета (за заданное время) центральная станция повторяет (до 8 раз) по­пытку передать пакет. В свою очередь, ПЛК только отвечают на за­просы центральной станции. При посылке от центральной станции все ПЛК на интерфейсе RS-485 (на выбранном сегменте) получают этот пакет и проверя­ют адрес получателя. При обнаружении контроллером своего ад­реса пакет анализируется, в противном случае — игнорируется. При анализе пакета определяется контрольная сумма пакета, ко­торая сравнивается с полученной. При неправильной контроль­ной сумме пакет игнорируется. Кроме того, пакеты циклически нумеруются. При приеме пакета с неправильным номером он иг­норируется. Пакет представляет собой набор байтов (различной длины, но не более — для текущей версии - 32 байт). Первые четыре и последний байт пакета — служебные, они присутствуют во всех пакетах. Первый байт определяет адрес получателя, второй байт — адрес отправителя, третий задает общую длину пакета и цикли­ческий номер пакета, четвертый байт задает тип команды или статуса в ответном пакете. Остальные байты обычно определяют параметры команды или ответные данные. Последний байт — контрольная сумма. Каждый абонент сети имеет уникальный адрес. Адрес 0 заре­зервирован для центральной станции. Остальные (от 1 до 255) ис­пользуются рабочими станциями. Тестовое программное обеспечение. Тестовое ПО проверяет ме­трологические характеристики модулей УСО. Так, для МАВ оце­нивается основная приведенная погрешность ввода и преобразо­вания аналоговых сигналов. После проведения заданного числа измерений (при цикличе­ской работе после 50 измерений) на монитор выводятся результа­ты измерений по всем заданным каналам в виде таблицы, завися­щей от типа проверяемого модуля. Так, например, при измере­нии эталонного напряжения результаты выводятся в следующем виде: канал ср.зн. откл. напр.мВ ско.мкВ откл.мкВ погр.% NN ХХХХХ YYYY НННН.НН ООООО МММММ П.ППП Здесь NN — номер канала, для которого выводится информация; ХХХХХ — среднее значение измерений по данному каналу в единицах модуля; YYYY — максимальное отклонение от среднего в единицах модуля; НННН.НН — среднее значение измерений в милливольтах; ООООО — среднеквадратичное отклонение измерений от среднего в ми­кровольтах; МММММ — максимальное отклонение измерений от номинального зна­чения в микровольтах; П.ППП — приведенная погрешность измерения — отношение макси­мального отклонения от номинального значения к диапазону измерения в процентах. Разрядность выводимых значений за­висит от заданного диапазона измерения. Разработанные и апробированные конфигурации контролле­ров СМ1820М.ПК, используемые как самостоятельно, так и сов­местно с УВК. СМ1820М.ВУ, позволяют строить разнообразные системы автоматизированного управления с повышенными тре­бованиями к надежности, помехозащищенности, сейсмостойко­сти, электромагнитной совместимости, пылевлагозащищенности для круглосуточного непрерывного режима эксплуатации в те­чение длительного времени. 5.6. Стандарт МЭК 61131 Открытые системы Привязать потребителей к своим изделиям — мечта любого производства. С этой целью секреты технологии, позволяющие получить высокие качественные показатели продукции, должны тщательно охраняться. Это классический закрытый подход. Для потребителя желательно иметь возможность совместно использо­вать изделия разных фирм. Но с точки зрения производителя это не выгодно, поскольку повышает вероятность того, что заказчик откажется от некоторых покупок в пользу конкурентов. На самом деле это поверхностное заключение справедливо не всегда. Так, если продукция является достаточно технически сложной и имеет широкую сферу применений, то удовлетворить каждое конкретное пожелание индивидуального заказчика почти невозможно и дорого. Недовольство даже одной малосуществен­ной для большинства деталью может привести к отказу от про­дукции данной фирмы вообще. При производстве же совместимой продукции (подчиненной требованиям открытого стандарта) фир­ма производитель может сконцентрироваться на развитии наибо­лее удачных своих решений. Не опасаясь потерять заказчика, производитель может отказаться от невыгодных для себя изделий или частей работы. Кроме того, благодаря совместимости появля­ется возможность внедрять свои передовые изделия даже в полно­стью захваченных областях рынка. Так начинающие коллективы получают шанс проявить себя и найти свое, пусть даже не очень большое место среди промышленных гигантов. Тем самым расши­ряется и сам рынок. Выгоду открытого подхода наглядно доказа­ла фирма IBM на примере своих ПК. В 1979 году в рамках Международной Электротехнической Ко­миссии (МЭК) была создана специальная группа технических экспертов по проблемам ПЛК, включая аппаратные средства, мон­таж, тестирование, документацию и связь. Первый вариант стандарта был опубликован в 1982 году. Вви­ду сложности получившегося документа было решено разбить его на несколько частей. В настоящее время стандарт включает сле­дующие части. Часть 1. Общая информация. Часть 2. Требования к оборудованию и тестам. Часть 3. Языки программирования. Часть 4. Руководства пользователя. Часть 5. Спецификация сообщений. Часть 6. Промышленные сети. Часть 7. Программирование с нечеткой логикой. Часть 8. Руководящие принципы применения и реализации языков ПЛК. Первоначально стандарт имел номер 1131, с 1997 года МЭК перешел на 5-цифровые обозначения. Теперь правильное наиме­нование международной версии стандарта — МЭК 61131. После принятия стандарта появилась возможность создания аппаратно-независимых библиотек. Это регуляторы, фильтры, управление сервоприводом, модули с нечеткой логикой и т. д. Наиболее удачные, отработанные востребованные библиотеки ста­новятся коммерческими продуктами. Семейство языков МЭК Диаграммы SFC В семействе МЭК-языков SFC (Sequential Function Chart –последовательная функциональная схемаt) диаграммы стоят особняком, а точнее, выше по отношению к остальным четырем языкам. Диаграммы SFC являются высокоуровневым графическим инструментом. Благодаря SFC идея превращения модели системы в законченную программу ста­ла реальностью. В отличие от применения вспомогательных средств моделирования SFC дает действующий непосредственно в ПЛК прототип. Заслуга первой практической реализации языка этапов и пере­ходов для ПЛК принадлежит французским фирмам. Совместная работа изготовителей ПЛК и объединения пользователей привела к появлению национального стандарта «Графсет» и международ­ного стандарта МЭК 848 (1988 г.). МЭК 61131-3 заимствовал «Графсет» с некоторыми доработками. Оригинальный метод формального описания дискретных сис­тем был предложен Карлом Адамом Петри в 1962 году. Он опира­ется на разделение системы или отдельных ее частей на множест­во простых позиций. Позиция описывает состояние части систе­мы. Причем состояние понимается здесь достаточно гибко, это может быть состояние оборудования, процесса или программы. Переходы между позициями происходят при выполнении опреде­ленных условий. Графически позиция отображается в виде окружности (см. рис. 7.2). Переходам соответствуют отрезки, сое­диненные с позициями направленными дугами. Каждая позиция способна обладать маркером и передавать его другим позициям по исходящим дугам. Маркеры отображается в виде жирной точки. Допускается одновременное присутствие нескольких маркеров. В настоящее время отождествлять SFC с сетями Петри уже не­льзя. Рис. 7.2. Сеть Петри SFC-диаграммы В отличие от сетей Петри дуги в SFC имеют выраженную на­правленность сверху вниз и отражаются прямыми линиями. По­зиции в SFC называют шагами или этапами. На диаграмме они отражаются в виде прямоугольников. Благодаря такому «кубиз­му» существует возможность реализации диаграмм в символах псевдографики (рис. 7.3). Задать несколько стартовых шагов в SFC нельзя, только один шаг диаграммы является начальным. Рис. 7.3. SFC-диаграмма, выполненная символами псевдографики (условие перехода — язык IL) Графическая диаграмма SFC состоит из шагов и переходов между ними. Разрешение перехода определяется условием. С ша­гом связаны определенные действия. Описания действий выпол­няются на любом языке МЭК. Сам SFC не содержит каких-либо управляющих команд ПЛК. Действия могут быть описаны и в виде вложенной SFC-схемы. Можно создать несколько уровней подобных вложений, но в конечном счете действия нижнего уров­ня все равно необходимо будет описать на IL, ST, LD или FBD. Целью применения SFC является разделение задачи на про­стые этапы с формально определенной логикой работы системы. SFC дает возможность быстрого построения прототипа системы без программирования. Причем для отработки верхнего уровня не требуется детальное описание действий, так же как и привязка к конкретным аппаратным средствам. Список инструкций IL Язык IL (Instruction list) дословно — список инструкций. Это типичный ассемблер с аккумулятором и переходами по меткам. Набор инструкций стандартизован и не зависит от конкретной целевой платформы. Поскольку IL самый простой в реализации язык, он получил очень широкое распространение до принятия стандарта МЭК. Точнее, не сам IL, а очень похожие на него реализации. Практически все производители ПЛК Европы создавали подобные системы программирования, похожие на со­временный язык IL. Существуют примеры реализации команд и на основе русскоязычных аббревиатур. Наибольшее влияние на формирование современного IL оказал язык программирова­ния STEP контроллеров фирмы Siemens. Язык IL позволяет рабо­тать с любыми типами данных, вызывать функции и функциона­льные блоки, реализованные на любом языке. Таким образом, на IL можно реализовать алгоритм любой сложности, хотя текст бу­дет достаточно громоздким. Текст на IL — это текстовый список последовательных инст­рукций. Каждая инструкция записывается на отдельной строке. Инструкция может включать 4 поля, разделенные пробелами или знаками табуляции: Метка: Оператор Операнд Комментарий Метка инструкции не является обязательной, она ставится то­лько там, где нужно. Оператор присутствует обязательно. Опе­ранд необходим почти всегда. Комментарий — необязательное поле, записывается в конце строки. Ставить комментарии между полями инструкции нельзя. Структурированный текст ST Язык ST (Structured Text) — это язык высокого уровня. Синтаксически ST представляет собой несколько адаптиро­ванный язык Паскаль. Вместо процедур Паскаля в ST испо­льзуются компоненты программ стандарта МЭК. Для специалистов, знакомых с языком С, освоение ST также не вызовет никаких сложностей. В качестве иллюстрации срав­ним эквивалентные программы на языках ST и С: В большинстве комплексов программирования ПЛК язык ST по умолчанию предлагается для описания действий и условий пе­реходов SFC. Это действительно максимально мощный тандем, позволяющий эффективно решать любые задачи. Релейные диаграммы LD Язык релейных диаграмм LD (Ladder Diagram) или релейно-контактных схем (РКС) — графический язык, реализу­ющий структуры электрических цепей. РКС — это амери­канское изобретение. В начале 70-х гг. XX в. релейные автоматы сборочных конвейеров начали постепенно вытеснятся програм­мируемыми контроллерами. Некоторое время те и другие рабо­тали одновременно и обслуживались одними и теми же людьми. Так появилась задача прозрачного переноса релейных схем в ПЛК. Различные варианты программной реализации релейных схем создавались практически всеми ведущими производителя­ми ПЛК. Благодаря простоте представления РКС обрел заслу­женную популярность, что и стало основной причиной включе­ния его в стандарт МЭК. Графически LD-диаграмма представлена в виде двух вертика­льных шин питания. Между ними расположены цепи, образован­ные соединением контактов. Нагрузкой каждой цепи служит реле. Каждое реле имеет контакты, которые можно использовать в других цепях. Логически последовательное (И), параллельное (ИЛИ) соедине­ние контактов и инверсия (НЕ) образуют базис Буля. В результа­те LD идеально подходит не только для построения релейных ав­томатов, но и для программной реализации комбинационных ло­гических схем. Благодаря возможности включения в LD функций и функциональных блоков, выполненных на других языках, сфе­ра применения языка практически не ограничена. Функциональные диаграммы FBD FBD (Function Block Diagram) — это графический язык программирования. Диаграмма FBD очень напоминает принци­пиальную схему электронного устройства на микросхемах. В отличии от LD «проводники» в FBD могут про­водить сигналы (передавать переменные) любого типа (логиче­ский, аналоговый, время и т. д.). Иногда говорят, что в релейных схемах соединительные проводники передают энергию. Провод­ники FBD тоже передают энергию, но в более широком смысле. Здесь слово «энергия» применимо в том смысле, в котором им оперируют не электрики, а экстрасенсы. Очевидно, что шины пи­тания и контакты здесь уже не эффективны. Шины питания на FBD диаграмме не показываются. Выходы блоков могут быть по­даны на входы других блоков либо непосредственно на выходы ПЛК. Сами блоки, представленные на схеме как «черные ящи­ки», могут выполнять любые функции. FBD-схемы очень четко отражают взаимосвязь входов и выхо­дов диаграммы. Если алгоритм изначально хорошо описывается с позиции сигналов, то его FBD-представление всегда получается нагляднее, чем в текстовых языках. Современные тенденции построения промышлен­ных контроллеров: • повышение интеллектуальных возможностей контроллера: уве­личение производительности процессора и объема оператив­ной памяти, использование Flash-памяти, выход в локальные сети Ethernet, Profibus, Canbus и другие, применение многоза­дачных систем реального времени — RTK (Real Time Kernel), QNX, MS Windows NT и т.д.; • возможность простой реконфигурации каналов ввода-вывода; • пылевлагозащищенное, вибропрочное и ударопрочное испол­нение; • работа в широком диапазоне температур (от — 40 до + 70°С); • отсутствие механических устройств (накопителей на дисках, вентиляторов); • высокая степень электромагнитной совместимости; • приближение контроллеров к датчикам и исполнительным ор­ганам нижнего уровня автоматизации; • возможность автономного выполнения задач обработки ин­формации и управления при выходе из строя машин верхнего уровня. 6. Программно-технический комплекс «САРГОН-6» ПТК «САРГОН-6» (Система Автоматизации энеРГетического ОборудоваНия) – это отечественная система для создания полнофункциональных АСУТП энергетических объектов (энергоблока, цеха, станции/производства), основанная на современных схемотехнических решениях, технологиях системного программирования и дружественных интерфейсах. «САРГОН-6» разрабатывался на основе многолетнего опыта внедрения ПТК как собственного производства, так и ведущих мировых производителей. Разработке предшествовал серьезный анализ достоинств и недостатков систем, присутствующих на рынке. Особое внимание уделялось достижению показателя цена/качество, превосходящего не только ПТК предыдущих поколений, но и традиционные средства КИПиА: регуляторы, релейные схемы защит и блокировок, показывающие приборы. Основными средствами оптимизации соотношения цена/качество ПТК стали: использование широкого ряда современных отечественных контроллеров, повышение дружественности интерфейсов программных средств как с разработчиками, так и с операторами, широкое применение типовых решений. Автоматизация процесса разработки и модернизации АСУТП, обеспечиваемая программными средствами ПТК, позволяет упростить и значительно ускорить создание крупных систем, приводя к быстрой отдаче вложенных средств. Системы, спроектированные на базе ПТК «САРГОН», являются полнофункциональными и могут легко модифицироваться в процессе эксплуатации силами самого заказчика. Рассмотрим основные компоненты ПТК «САРГОН-6». ЗАО НВТ-Автоматика - один из ведущих поставщиков программно-технических комплексов и услуг по созданию полнофункциональных АСУТП для электростанций РАО ЕЭС России (первая распределенная система была создана ими в 1994 г.) [17]. Основные направления деятельности – создание полнофункциональных АСУТП энергетических объектов и разработка ПТК САРГОН. В ПТК САРГОН v.6.5 используются два семейства моноблочных контроллеров: АРМКОНТ производства ЗАО НВТ-Автоматика и TREI-5В-05 производства ТРЭИ ГмбХ (г. Пенза). Контроллеры различаются между собой по вычислительной мощности и конструкции, но общность назначения определяет сходство основных характеристик: компактная, прочная конструкция, допускающая монтаж на DIN-рейку; приспособленность к работе в жестких условиях эксплуатации – длительная работа при температуре до 60°С без принудительной вентиляции в условиях сильных электромагнитных полей; наличие резервной сети Ethernet; большое количество высокоскоростных последовательных интерфейсов – у TREI-5В-05 имеется 8 каналов RS-485/232 (из них 6 высокоскоростных и 2 среднескоростных), у АРМКОНТ-300 – 4 канала (2 высокоскоростных)); большая вычислительная мощность – оба контроллера оснащены РС-совместимыми блоками ЦП и большим объемом оперативной и Flash памяти (TREI-5В-05, предназначенный для управления энергетическими установками в целом, – процессором класса Pentium с частотой 500 МГц; АРМКОНТ-300, предназначенный для управления функциональными группами и агрегатами, – процессором класса i-80486/133 МГц. Разница в производительности соответствует различию в назначении – количество сигналов, обрабатываемых АРМКОНТ-300, в среднем в 4 раза меньше, чем TREI-5В-05. При использовании по назначению мощности контроллеров более чем достаточно для реализации всех функций в соответствии с требованиями; ОС РВ – в составе ПТК САРГОН оба контроллера работают под управлением Windows CE с квантом реального времени 1 мс. Основой распределенной системы являются интеллектуальные модули УСО семейства АРМКОНТ А4. Характеристики модулей, оснащенных 32-разрядными контроллерами и 2 быстродействующими сетевыми каналами, позволяют полностью отказаться от использования крейтовых ПЛК даже при создании АСУТП крупных энергоблоков. По назначению все программные средства ПТК можно разделить на три группы: системы реального времени, средства разработки, средства настройки и тестирования. При разработке ПТК САРГОН было принято решение об использовании максимально распространенных ОС, из имеющих необходимые показатели надежности работы. Начиная с версии 5.0 ПТК, в качестве таковых были выбраны ОС на платформе Win32 – семейство Windows NT/2000/XP/2007 для компьютеров, Widows Server 2000/2003/2008 для серверов и Windows CE 5/6 для контроллеров. Единая программная платформа ОС облегчает совместимость всех программных средств ПТК, а их широкая распространенность обеспечивает простоту эксплуатации ПТК и обучения персонала заказчика. При этом для компьютеров и серверов используется стандартная конфигурация ОС (необходима только настройка оперативных АРМ для работы в режиме реального времени), а для контроллеров своя сборка ОС формируется для каждого типа ПЛК. Фирменное программное обеспечение (ФПО) предназначено для реализации в ПТК всех функций управления и обработки информации, требуемых от ПТК по стандарту [18]. В состав ФПО входят: системы реального времени TkA (система РВ для АРМ операторов, инженеров и руководителей предприятия – TkA6w и система РВ для микропроцессорных контроллеров - TkA6ce); средства разработки: • система технологического программирования TkAprog; • система автоматического конфигурирования TkAconf; • графический конфигуратор мнемосхем TkAdraw; • редактор палитр изображений PAlCreate; • формирователь отчетов TkAreport; • библиотека типовых FB (ПИД-регулятор, интегратор и т.п.); • объектная библиотека базовых терминальных моделей (исполнительные устройства, аналоговый и дискретный параметры); • объектная библиотека моделей, ориентированная на определенный тип объектов управления (котел, турбоустановка, энергоблок и т.п.); средства тестирования: встроенные в систему реального времени TkA6w; комплекс тестирования контроллеров и контроллерных сетей «MFC_TEST»; система инженерного сопровождения «P.I.D.-expert» (разработка ООО «НПО Техноконт»). В типовых конфигурациях (АСУТП энергоблока) исполнительная система РВ ТkА имеет следующие характеристики: время опроса инициативных дискретных сигналов – 10 мс; длительность основного программного цикла контроллеров – 100 мс; полное время реакции защит – 100 мс; время опроса модуля УСО ( Modbus 1МБит/с) – 1мс. 6.1 Программное обеспечение ПО ПТК «САРГОН-6» включает: • ОС, устанавливаемые на контроллерах, компьютерах и серверах; • наборы тестов и драйверов, поставляемых изготовителями технических средств; • фирменное ПО комплекса "САРГОН" (ЗАО "НВТ-Автоматика"). Основу фирменного ПО составляют следующие компоненты: Система реального времени ТкА - современная высокоэффективная исполняющая система реального времени, устанавливаемая на все вычислительные узлы АСУТП. Кроме традиционных SCADА-компонент в ТкА встроены: • виртуальная машина эффективного исполнения программ, написанных на технологическом языке; • набор драйверов типовых сетей и устройств; • система передачи и исполнения команд с диспетчером приоритетов; • микроядро многопоточного исполнения технологических программ, не зависящее от ОС; • система автоматического сквозного контроля достоверности информации; • средства мониторинга и отладки конфигураций в РВ периодически обслуживаемых АРМ технологов. ПО «САРГОН» обеспечивает резервирование компьютеров АРМ оператора без использования дополнительной аппаратуры. Рекомендуемые требования к компьютерам АРМ оперативного контура (под Windows NT/2000): Pentium4 1,7 MHz, 128MB RAM, 40 GB EIDE. Система автоматического конфигурирования ТкАconf обеспечивает: ◦ ведение единой БД проекта АСУТП, включающей до 1000 вычислительных узлов и 100000 параметров; ◦ поддержку всех стадий проектирования и сопровождения АСУТП; ◦ автоматизацию процесса проектирования, включая автоматическую генерацию конфигураций ПО всех вычислительных узлов АСУТП и автоматическую трассировку передаваемой информации; ◦ автоматическое отслеживание изменений; ◦ возможность перемещения программных компонентов по «дереву» АСУТП. Автоматические процедуры, встроенные в систему проектирования, существенно снижают трудоемкость привязки АСУТП к объекту, что позволяет многократно выполнять ее, например, при многоэтапном внедрении системы. Система технологического программирования TkAprog использует передовые технологии системного программирования: ◦ объектный подход, используемый в ПТК на всех уровнях (от датчика до ТЭС), позволяет описать управление ТП любого уровня сложности в виде набора простых алгоритмов, технологически очевидно связанных между собой; ◦ систему технологического программирования обеспечивает представление программы в виде набора таблиц и диаграмм, максимально естественных для пользователя (за простым интерфейсом скрывается мощь непроцедурного языка, построенного на теории автоматов); ◦ простоту описания параллельно выполняющихся процессов, т.к. взаимодействие между ними организуется на системном уровне; ◦ виртуальную машину САРГОН на всех вычислительных узлах АСУТП, обеспечивающую уникальную независимость технологических программ от распределения по контроллерам – ни перенос программного модуля в другой контроллер, ни, даже, изменение типа контроллера (в пределах ПТК САРГОН) не требует модификации технологической программы; ◦ сочетание режимов интерпретации и компиляции в системе программирования, обеспечивающее простоту отладки и эффективность исполнения программ в реальном времени; ◦ эффективность многократного использования компонентов, обеспечиваемая объектной технологией; ◦ возможность применения готовых библиотечных компонентов при создании собственных программ. Система комплексной отладки и моделирования Abtester обеспечивает уникальные возможности отладки технологических программ: 􀀹 полнофункциональное имитационное моделирование работы системы управления до энергоблока включительно на обычном персональном компьютере с минимальным дополнительным программированием и конфигурированием (менее 5% от проектного); 􀀹 отладку любого алгоритма и заданной совокупности алгоритмов в режимах: имитации, выполнения на тестовой конфигурации, пошагового выполнения на реальном объекте; 􀀹 использование в процессе имитации и отладки тех же системных механизмов, что и в режиме on-line ТкА, гарантирующее адекватность результатов тестирования. Система информационного тестирования ИнфАтест предназначена для тестирования информационных связей между программными компонентами, которые рассматриваются как «черные ящики»: 􀀹 включает набор тестов, контролирующих правильность передачи и обработки информации в АСУТП; 􀀹 позволяет обнаруживать различные виды ошибок и отслеживать изменения в обработке данных, происходящие при изменении версии базового программного обеспечения, технологической программы или конфигурации. Система тестирования особенно эффективна для полномасштабной АСУТП станции/производства, включающей сотни вычислительных узлов. Библиотеки типовых решений Набор библиотек, содержащий готовые решения распространенных задач автоматизации: 􀀹 объектная библиотека базовых терминальных моделей (задвижки, клапана, насосы, аналоговые и дискретные параметры, системы регулирования), реализованная на языке «НАВТ»; 􀀹 библиотека регулирования BAR, содержащая типовые звенья САР (компонент «САРГОН», производимый ЗАО «Дельфин-Информатика» г. Москва); 􀀹 объектные библиотеки моделей, ориентированные на определенный тип объекта управления: химводоочистка, энергоблок и т.п., реализованные на языке технологического программирования. ПТК «САРГОН» позволяет создавать функционально-полные АСУТП масштаба станции/производства. При этом обеспечиваются: высокие надежность и качество при оптимальной цене: 􀀹 наработка контроллеров на отказ более 100000ч; 􀀹 высокая надежность компонентов, возможность резервирования; 􀀹 современный дизайн и конструктивы; 􀀹 цены в несколько раз ниже большинства импортных ПТК при сопоставимом качестве и лучшей приспособленности к российским условиям эксплуатации; высокая открытость и расширяемость системы: 􀀹 открытые протоколы и интерфейсы, встроенная поддержка наиболее популярных стандартов; 􀀹 функционально-полный комплект инструментального ПО за небольшую цену (см. диск, цены в €); 􀀹 поставка прикладного ПО в исходных текстах; быстрое внедрение АСУТП с четкой разбивкой на законченные этапы, без увеличения совокупной стоимости внедрения, например: 􀀹 создание общестанционной информационной системы в объеме параметров РАС всех энергоблоков (энергетических установок) как основы АСУТП станции; 􀀹 решение локальных задач регулирования, защиты, блокировок; 􀀹 подключение существующих микропроцессорных средств автоматизации к АСУТП (может выполняться одновременно с созданием АСУТП ТЭС); 􀀹 создание АСУТП ХВО, электроцеха и т.д.; 􀀹 поочередное создание управляющих АСУТП энергоблоков (энергетических установок) путем дополнения действующих информационных АСУТП управляющими функциями; 􀀹 интеграция в АСУ энергосистемы через Интернет или Интранет. В настоящее время в «НВТ-Автоматика» разработаны типовые решения для АСУТП следующих энергетических объектов: 􀀹 теплоэлектростанция; 􀀹 котло-турбинный цех (схемы блочная, с поперечными связями), электроцех, химцех; 􀀹 энергоблок, технологический блок станции с поперечными u1089 связями; 􀀹 химводоочистка; 􀀹 тепловая станция (водогрейная), промышленная котельная (паровая); 􀀹 компрессорная станция; 􀀹 производство стекловолокна. Полнофункциональные управляющие АСУТП охватывают все типы тепломеханических установок на этих объектах. Благодаря своей универсальности ПТК «САРГОН» может с успехом применяться для автоматизации ТП в любых других отраслях промышленности, поскольку имеет встроенную, свободно расширяемую библиотеку типовых алгоритмов. 6.2 ТЕКОН Группа компаний ТЕКОН (год основания – 1990) производит универсальные промышленные контроллеры разной информационной мощности МФК3000, МФК1500, МФК, ТКМ52, ТКМ410 и модули ТЕКОНИК®, предназначенные для решения широкого круга задач автоматизации объектов в различных отраслях промышленности и ЖКХ. Изделия ТЕКОН отвечают требованиям международных и российских стандартов и находятся в доступной ценовой нише. Многофункциональный контроллер ТКМ410 Контроллер ТКМ410 (выпускается с 2004г) предназначен для построения управляющих и информационных систем автоматизации технологических процессов малого и среднего (по числу входов-выходов) уровня сложности и широким динамическим диапазоном изменения технологических параметров, а также построения отдельных подсистем сложных АСУ ТП. Контроллер используется для сбора, обработки информации и управления объектами в схемах автономного управления или в составе распределенной системы управления на основе локальных сетей уровней LAN и Fieldbus. Конструкция контроллера позволяет встраивать его в стандартные монтажные шкафы или другое монтажное оборудование, которое защищает от воздействий внешней среды, обеспечивает подвод сигнальных проводов и ограничивает доступ к контроллеру. Контроллер может работать в автономном режиме, в режиме удаленного терминала связи и в смешанном режиме. Области применения Основные области применения контроллера: • Системы управления центральными тепловыми пунктами (ЦТП) и другими объектами теплоэнергетики; • АСУ ТП малой и средней сложности предприятий с непрерывными или дискретными технологическими процессами различных отраслей (энергетические, химические, нефте- и газодобывающие, машиностроительные, сельскохозяйственные, пищевые производства, производство стройматериалов, предприятия коммунального хозяйства т.п.); • Управление механизмами, агрегатами, линиями и т.п. как автономно, так и в составе распределенных АСУ ТП. Контроллер предназначен для работы: • как автономное устройство управления небольшими объектами (авто- номный режим); • как удаленный терминал связи с объектом в составе распределенных систем управления (режим удаленного терминала связи); • одновременно как локальное устройство управления и как удаленный терминал связи с объектом в составе сложных распределенных систем управления (смешанный режим). Задачи, решаемые контроллером: • Сбор информации с датчиков различных типов и ее первичная обработка (фильтрация сигналов, линеаризация характеристик датчиков, сигналов и т.п.); • Выдача управляющих воздействий на исполнительные органы различных типов; • Контроль технологических параметров и аварийная защита многофунк- ционального оборудования; • Регулирование параметров по различным законам; • Логическое, программно-логическое управление технологическими агрегатами, автоматическое включение и выключение многофункционального оборудования; • Математическая обработка информации по различным алгоритмам; • Регистрация и архивирование параметров технологических процессов; • Обмен данными в распределенных системах, обмен данными с другими контроллерами, работа с интеллектуальными датчиками; • Обслуживание оператора-технолога, прием и исполнение команд, аварийная, предупредительная и рабочая сигнализация, индикация значений прямых и косвенных параметров, передача значений параметров и различных сообщений на панель оператора и в SCADA-систему верхнего уровня; • Самоконтроль и диагностика всех устройств контроллера в непрерывном и периодическом режимах, вывод информации о техническом состоянии контроллера. Работа в автономном режиме В автономном режиме контроллер решает задачи информационной емкости до 80 каналов. При этом управление объектом производится прикладной программой, которая хранится в энергонезависимой памяти контроллера. Программирование контроллера осуществляется с помощью системы программирования ISaGRAF PRO компании ICS Triplex. Загрузка подготовленных прикладных программ в память контроллера для отладки производится либо через последовательный порт, либо по сети Ethernet. Для отображения информации и управления может применяться графическая панель оператора V04M. Программирование панели оператора выполняется на персональном компьютере с помощью программы VisiBuilder разработки НПКФ «Дейтамикро». Переменные контроллера – совокупность системных переменных контроллера (значения каналов ввода-вывода контроллера и V04M, переменная состояния контроллера, пользовательские сторожевые таймеры и т.д.), пользовательских переменных и переменных ISaGRAF, которые доступны для чтения и записи при помощи Системы Пользовательской Настройки и Тестирования 410, TeconOPC-сервера, V04M, системы ISaGRAF PRO. TeconOPC-сервер — универсальное средство доступа к данным в контроллере со стороны SCADA-систем, которые поддерживают технологию OPC. Сервер получает данные с контроллера (значения каналов ввода-вывода и переменные ISaGRAF) по сети Ethernet (протокол TCP/IP). В процессе работы ведется журнал событий с регистрацией времени подключения и отключения, нарушений качества передачи данных. Реализована процедура автоматического восстановления сетевого соединения. VisiBuilder — система программирования, предназначенная для создания прикладных программ, обеспечивающих функционирование панели оператора V04М. Система программирования панели V04М представляет собой совокуп-ность инструментального ПО для PC – VisiBuilder – и встраиваемого ПО для V04М. С помощью инструментального ПО определяются используемые при ра- боте протоколы обмена и их параметры, проектируются рабочие и аварийные экраны и описывается логика обработки входных данных для организации навигации по экранам. Построенная прикладная программа терминала компилируется и загружается в V04М. К контроллеру V04M подключается посредством интерфейса RS-232. Инструментальное ПО включает в себя следующие компоненты: • интегрированная среда разработки прикладной программы; • компилятор прикладной программы V04M; • загрузчик прикладной программы; • эмулятор V04M; • эмулятор контроллера. Все компоненты, за исключением эмулятора контроллера, объединены в рамках интегрированной среды разработки. Конфигуратор контроллера ТКМ410 – предназначен для: • задания конфигурационных параметров контроллера (например, параметр подавления дребезга дискретных входов, IP-адрес контроллера и тому подобное), • чтения/записи значений каналов ввода-вывода, • чтения/записи внутренних переменных контроллера. Конфигуратор ТКМ410 всегда установлен в контроллере. Доступ к конфигуратору возможен двумя способами: через Web-интерфейс или с помощью терминала через COM1. Подробнее работа с ним описана в главе «Конфигуратор контроллера ТКМ410». Работа в режиме удаленного терминала связи с объектом Управляющая программа в этом режиме исполняется на вычислительном устройстве верхнего уровня иерархии (например, на промышленном компьютере), соединенном с контроллером по последовательному интерфейсу RS-232/RS-485 или по сети Ethernet (ТСР/IP). В этом случае контроллер обеспечивает сбор информации с объекта и выдачу управляющих воздействий на объект. Следует отметить, что данный вариант является неоптимальным, так как не использует полностью интеллектуальные возможности контроллера в распределённой системе управления. Работа в смешанном режиме в качестве интеллектуального узла распределенной АСУ ТП В этом режиме управление объектом производится прикладной программой, хранящейся в энергонезависимой памяти контроллера. При этом контроллер подключен к сети Ethernet, что позволяет вычислительному устройству верхнего уровня иерархии иметь доступ к значениям входных и выходных сигналов контроллера и значениям рабочих переменных прикладной программы, а также воздействовать на эти значения. В контроллере могут быть использованы все свободные интерфейсы, а также его индикатор. Одновременное исполнение прикладной программы и работа по сети Ethernet поддерживается средствами операционной системы контроллера и системой ввода-вывода. Данный вариант в наибольшей степени использует ресурсы контроллера ТКМ410 и позволяет создавать с его помощью гибкие и надежные распределенные АСУ ТП любой информационной мощности (до десятков тысяч каналов). При этом обеспечивается живучесть отдельных подсистем. Состав и характеристики контроллера Контроллер изготавливается в металлическом корпусе, предназначенном для крепления на вертикальную плоскость или DIN-рейку. Внешние разъемы выведены на верхнюю и нижнюю сторону контроллера. Корпус контроллера имеет степень защиты IP20 и предназначен для установки в монтажном шкафу. В состав контроллера входят: • Центральный 32-разрядный микропроцессор ATMEL ARM AT91M55800 33 МГц; • Flash-память для хранения СПО и прикладного программного обеспечения контроллера объёмом 2 Мб; • Системное ОЗУ 2 Мб; • Энергонезависимое статическое ОЗУ объемом 512 Кб с питанием от резервной литиевой батарейки; • Встроенные часы реального времени с питанием от резервной литиевой батарейки; • Сторожевой таймер аппаратного сброса WatchDog; • Последовательные интерфейсы СОМ1 (RS-232, UART16550), СОМ2 (RS-232, UART16550), СОМ3 (RS-232, три провода), СОМ4 (RS-232/RS-485, три провода), СОМ5 (RS-485); • Последовательные интерфейсы СAN1/CAN2 (ISO11898); • Интерфейс Ethernet IEEE 802.3 10BaseT; • Количество аналоговых входов измерения сигналов термопреобразователей сопротивления - 8 каналов; • Количество аналоговых входов измерения сигналов тока (с возможностью питания от встроенного источника) - 8 каналов; • Количество аналоговых выходов - 2 канала; • Количество входных дискретных каналов 24В – 36; • Встроенный источник 24В для питания дискретных датчиков типа «сухой контакт»; • Количество входных частотных/числоимпульсных каналов – 4; • Количество выходных дискретных каналов (механические реле, ~220 В, 2 А) – 12; • Количество выходных дискретных каналов (симисторы, ~220 В, 2 А) – 12; Для отображения информации применяется программируемая графическая панель оператора V04M. Контроллер устойчив к воздействию следующих климатических и механических факторов: • температура окружающего воздуха — от плюс 5 до плюс 55 °С (от минус 40 до плюс 70°С) без конденсации влаги; • относительная влажность окружающего воздуха — от 5 до 95 % при температуре плюс 30 °С без конденсации влаги; • атмосферное давление — от 66 до 106,7 кПа; • вибрация для частот от 5 до 9 Гц с амплитудой смещения 0,075 мм; • вибрация для частот от 9 до 150 Гц с ускорением 10 м/с2. Питание контроллера — переменный ток напряжением 220 (+22; –33) В и частотой 50 ± 2 Гц. Потребляемая мощность с учетом подключенных внешних цепей – не более 100 Вт. Габаритные размеры контроллера без ответных частей разъемов — не более 425×160×71 мм. Габаритные размеры контроллера с учетом присоединенных ответных частей разъемов — не более 425×180×71 мм. Масса контроллера — не более 5 кг. Контроллер ТКМ410 имеет интерфейс 10BASE-T Ethernet, удовлетворяющий спецификации IEEE 802.3, скорость 10 Мбит/с: • сигнал передается по двум витым парам; • длина кабеля — до 180 метров; • топология — «точка-точка» (для объединения более двух станций не- обходимо использовать коммутатор). Интерфейс CAN в данной версии СПО контроллера ТКМ410 не поддерживается. В последующих версиях СПО планируется поддержать протокол CANopen для построения высоконадежной промышленной сети. В зависимости от заказа контроллер может иметь два последовательных интерфейса CAN1 и CAN2. Контроллер выполняет функции ведущего узла (master) сети CANopen. Основные характеристики интерфейса CANopen: • топология — «шина»; • скорость обмена — 10…1000 кбит/с; • расстояния без ретрансляторов — до 5 км; • количество узлов сети без ретрансляторов — до 63; • линия связи — экранированная витая пара (ISO11898); • гальваническая развязка интерфейса. Интерфейсы CAN1 и CAN2 имеют гальваническую развязку сигналов от цифровой земли контроллера. Испытательное напряжение гальванической развязки – 500 В. 6.5. Система интеллектуальных модулей «ТЕКОНИК» 6.5.1. Назначение Система интеллектуальных модулей «ТЕКОНИК» соответствует ГОСТ 12997 и МЭК 61131-2 и относится к изделиям государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации. Она предназначена для построения распределенных автоматических и автоматизированных систем измерения, контроля, регулирования, диагностики и управления производственными процессами, технологическими линиями и агрегатами. Она легко интегрируется в локальные сети уровней LAN (Ethernet) и Fieldbus (CAN, Modbus, RS-485 и др.). При разработке системы «ТЕКОНИК» был учтен накопленный опыт применения контроллеров в отечественных условиях. В связи с этим система «ТЕКОНИК» имеет следующие преимущества. • Внешние цепи подключаются к модулям ввода-вывода без дополнительных промежуточных соединителей. Для подключения входных проводов используются разъемные клеммные соединители «под винт». • При замене модулей не требуется отсоединение подводящего кабеля. Клеммы имеют разъемные части, к которым подключаются объектовые провода. • Модули можно размещать ближе к объекту. Используя малоканальные модули удобно подключать различные типы входных и выходных сигналов. • Конфигурация модулей может производиться как на месте, так и с использованием удаленного соединения. Для этого не требуется включать и выключать питание модулей. В отличие от упрощенных зарубежных аналогов модули имеют специальные средства защиты для применения в условиях сильных промышленных помех по ГОСТ Р 51317.6.2 (МЭК 61000-6-2). • Гальваническая развязка процессорной части от последовательного коммуникационного интерфейса. • Гальваническая развязка процессорной части от входов и выходов. • Индивидуальная гальваническая развязка входов/выходов для некоторых типов модулей. • Устойчивость к воздействию электростатических разрядов по ГОСТ Р 51317.4.2 (МЭК 61000-4-2) — контактный разряд 8 кВ, воздушный разряд 15 кВ. • Устойчивость к воздействию наносекундных импульсных помех в цепях электропитания и ввода-вывода по ГОСТ Р 51317.4.4 (МЭК 61000-4-4). • Устойчивость к воздействию динамических изменений напряжения сети электропитания по ГОСТ Р 51317.4.11 (МЭК 61000-4-11). • Устойчивость к воздействию микросекундных импульсных помех большой энергии в цепях электропитания по ГОСТ Р 51317.4.5 (МЭК 61000-4-5). • Специальные схемы подавления синфазных помех в цепях измерения аналоговых сигналов. • Специальные схемы подавления симметричных помех нормального вида в цепях измерения аналоговых сигналов термопар и термопреобразователей сопротивления. • Встроенные аппаратные и настраиваемые программные фильтры подавления дребезга дискретных сигналов. • Встроенные аппаратные и настраиваемые программные фильтры в каналах измерения аналоговых сигналов. • Встроенную функциональную диагностику доступных вычислительных ресурсов и входных/выходных каналов. • Обязательную защиту передаваемой информации контрольной суммой (программно или аппаратно). • Каждый модуль имеет встроенный дублированный таймер WatchDog для предотвращения зависания. Для особо ответственных систем с высоким уровнем помех и требованиями по быстродействию и надежности рекомендуется применение последовательного коммуникационного интерфейса CAN (CANopen). Все модули имеют малое энергопотребление и не требуют принудительной вентиляции. Модули в стандартном исполнении предназначены для работы в температурных условиях от плюс 5 до плюс 55 С. 6.5.2. Технические характеристики системы «ТЕКОНИК» 6.5.2.1. Типы последовательного коммуникационного интерфейса модулей ввода-вывода Система интеллектуальных модулей «ТЕКОНИК» имеет два варианта исполнения последовательного коммуникационного интерфейса, объединяющего модули ввода-вывода: • Т4000 — ASCII-протокол типа «запрос-ответ», совместимый с командами модулей ADAM-4000 фирмы Advantech; • CANopen — стандартный протокол верхнего уровня на базе широко распространенного интерфейса CAN (по специальному заказу). Сравнительные характеристики коммуникационных интерфейсов приведены в таблице 1. Для подключения модулей ввода-вывода используется распространенная в промышленности витая пара проводников в экране с волновым сопротивлением линии 120 Ом. 6.5.2.2. Коммуникационный интерфейс RS-485/ASCII Для передачи используется стандартный интерфейс RS-485, работающий в полудуплексном режиме с одной витой парой проводников в общем экране. Мастер сети (процессорный модуль Т7101, T7102 или другой процессорный модуль, например, контроллер МФК, ТКМ52 или персональный компьютер) передает и принимает данные через стандартный СОМ-порт. Для преобразования сигнала требуется интеллектуальный конвертор сигнала интерфейса RS-232 в RS-485. Автоматический конвертор берет на себя функцию управления переключением направления передачи и обеспечивает преобразование уровней сигнала. Применение пассивного конвертора затруднительно из-за сложной программной реализации задержек при работе с СОМ-портами в современных операционных системах. В качестве такого устройства рекомендуется применять автоматический конвертор интерфейсов RS-232/RS-485 —ТСС485А. Конвертор ТСС485А имеет перемычки, позволяющие работать с модулями ввода-вывода на разных скоростях. Процессорный модуль Т7102 содержит встроенный автоматический конвертор RS-232/RS-485. Протокол Т4000 построен по схеме «запрос-ответ». Мастер сети посылает команды удаленным модулям и получает на них ответ. В системе «ТЕКОНИК» поддержаны основные команды ввода-вывода серии ADAM-4000 и добавлены некоторые новые команды. Система команд описана в документе «Программное обеспечение системы модулей ввода-вывода и управления «ТЕКОНИК». Руководство программиста. ДАРЦ.71028-03 33 01-1». 6.5.2.3. Коммуникационный протокол CANopen CAN (Controller Area Network) — широко распространенная последовательная шина, применяемая в тех отраслях, где необходима высокая надежность и скорость передачи сообщений в реальном времени. Активно применяются полевые сети на основе CAN в области промышленной автоматизации. Были разработаны протоколы верхнего уровня, ставшими стандартами 'de facto'. В настоящее время DeviceNet, Smart Distributed System и CANopen утверждены как части 2, 3 и 4 стандарта EN 50325 «Industrial communications subsystem based on ISO11898 (CAN) for controller-device interfaces». Сеть на основе CAN имеет хорошую перспективу благодаря очевидным преимуществам. • Простая двухпроводная сеть. • Широкий выбор компонентов, низкая стоимость и высокое качество. • CAN стандарт ISO 11898 описывает физический и канальный уровни, что представляет собой хорошую базу для реализации высокотехнологичных сетевых решений. • Надежное с аппаратной точки зрения решение. Более 15 лет разработки, развития и тестирования крупнейшими производителями промышленного оборудования дают гарантии технически надежного решения. • Эффективное решение в области сбора и передачи данных — короткие передаваемые сообщения, скорость передачи до 1 Мбит/с, открытый протокол, интеллектуальные контроллеры, управляющие обменом на низком уровне. • Гибкие решения для конкретных систем на основе стандартизованных протоколов высокого уровня. Стандарты CAN specification version 2.0 и ISO 11898 описывают физический и канальный уровень (2 из 7) модели ISO/OSI. Если обозначение CAN или CANbus встречается в литературе других фирм без упоминания протокола передачи, то следует понимать, что пользователю предоставляется лишь возможность передавать и принимать байты, и протокол верхнего уровня придется разрабатывать самостоятельно. Международная ассоциация пользователей и производителей в области примышленной автоматизации CiA (CAN in Automation) была основана в 1992 году. В настоящее время более 300 компаний являются членами ассоциации. CiA разработала открытый протокол CANopen, специально предназначенный для применения в области промышленной автоматизации. ЗАО «ТЕКОН» является членом CiA с 1999 года и принимает активное участие в ее деятельности. Разработка открытых распределенных систем управления на основе полевых сетей является основным направлением деятельности компании. CANopen — протокол верхнего уровня, специально разработанный для использования в промышленных применениях, который базируется на ISO 11898. CANopen основан на CAL (CAN Application Layer) и определяет набор профилей устройств, которые упрощают совместное использование продуктов различных производителей. Наиболее важные — профили устройств ввода/вывода, исполнительных устройств и человеко-машинного интерфейса. CAL обеспечивает пользователя основным набором служб для чтения и записи переменных, передачи данных и событий. Зависимость скорости передачи в сети от расстояния приведена в таблице 2. Таблица 2. Зависимость скорости передачи от расстояния в сети CAN Скорость обмена, кбит/с Длина линии связи, м 1000 25 800 50 500 100 250 250 125 500 50 1000 20 2500 10 5000 Физическая среда соответствует ISO 11898. Сигнал передается по сбалансированной экранированной витой паре с волновым сопротивлением 120 Ом. Количество узлов в сети — 63. Для работы с интерфейсом CANopen процессорный модуль должен иметь коммуникационный адаптер MicroCAN. Адаптер содержит встроенный микроконтроллер, который выполняет коммуникационные и протокольные функции, и освобождает вычислительные ресурсы центрального процессора. Еще одно преимущество такого решения — независимость от установленной операционной системы и освобождение пользователя от необходимости программной реализации протокола общения с модулями. Процессорный модуль является мастером в сети. Мастер следит за процессом обмена в сети, контролирует работоспособность модулей. Все сообщения в сети имеют приоритеты. Приоритет зависит от типа модуля. Наивысший приоритет имеют аварийные сообщения, управления сетью и сигналы модулей дискретного ввода. Для сокращения накладных расходов при передаче данных сеть конфигурируется следующим образом: мастер посылает в сеть SYNC-сообщение, а все дискретные модули ввода по этому сообщению начинают передавать актуальную информацию. Команды на вывод передаются во время обязательной паузы между SYNC-циклами. Аналоговый ввод осуществляется по запросу во время паузы. Для служебной и прочей информации (например, загрузка программ или данных конфигурации модулей) также остается свободная пауза (рисунок 1). Наиболее важные входные дискретные сигналы можно сконфигурировать для работы по изменению входного сигнала с гарантированным минимальным временем доступа. Передача аварийного сообщения происходит сразу после события. Система «ТЕКОНИК» имеет большую гибкость при конфигурировании, обладает мощными вычислительными ресурсами (процессоры семейств х86) и большим количеством каналов ввода-вывода. Система предназначена для сбора, обработки информации и управления объектами в схемах распределенного управления и легко интегрируется в локальные сети уровней LAN (Ethernet) и Fieldbus (CAN, Modbus, RS-485 и др.). Система построена на основе открытой архитектуры с PC-совместимым процессорным модулем и стандартными сетями Ethernet (TCP/IP), CAN (протокол CANopen), RS-485 (протокол Т4000, совместимый с контроллерами серии ADAM 4000 фирмы Advantech) и др. Система интеллектуальных модулей «ТЕКОНИК» имеет два режима работы: 1. Режим, основанный на SoftPLC, когда модули ввода-вывода управляются непосредственно от персонального компьютера. 2. Режим работы в составе распределенных систем. Здесь есть два варианта работы, когда модули ввода-вывода управляются: • процессорным модулем в промышленном исполнении — Р04 или Р04М; • контроллерами МФК или ТКМ52. 6.5.3.1. Работа системы под управлением персонального компьютера Роль программируемого контроллера в этом случае выполняет РС-совместимый компьютер обычного или индустриального исполнения. Программа выполняется на компьютере, а управление объектом производится с помощью удаленных распределенных модулей ввода-вывода. Для связи с модулями могут применяться оба последовательных коммуникационных протокола системы «ТЕКОНИК». В состав поставки системы «ТЕКОНИК» входит сервисное программное обеспечение Tecon Tool Kit. Это Windows-приложение обеспечивает полный набор функций для конфигурирования, настройки и проверки всех режимов работы модулей по протоколу Т4000. Перед началом работы программа позволяет сканировать сеть, определять состав подключенных модулей и их параметры. Специальные средства пользовательского интерфейса позволяют выполнять отдельные команды или последовательности команд без знания синтаксических особенностей протокола Т4000. Программа поддерживает все существующие модули и дополняется по мере появления новых типов модулей и протоколов. На рисунке 2 представлена наиболее простая реализация системы, где мастером сети является компьютер. Модули подключаются к компьютеру с помощью конвертора ТСС485А. Количество модулей в сети определяется характеристиками интерфейса RS-485, каждый сегмент сети может включать до 30 модулей. ПК Конвертер ТСС485А Репитер ADAM-4510S Модули Модули Для увеличения количества модулей используется ретранслятор сети RS-485. В качестве ретранслятора может применяться конвертор ТСС485А (без гальванической развязки сегментов), работающий в режиме ретранслятора или автоматический ретранслятор ADAM-4510S фирмы ADVANTECH (с гальванической развязкой сегментов). Максимальное количество модулей в сети с учетом установки ретрансляторов может достигать 63. 6.5.3.2. Режим работы в составе распределенных систем На рисунке 3 представлено возможное построение распределенной системы. ПК Коммутаторы ПК Панель Панель V04M V04M МВВ Процессорные модули МВВ Рис.3. Пример построения распределенной системы Система представляет собой двухуровневую сетевую структуру. Первый уровень реализован c помощью сети Ethernet, позволяющей объединить технологические контроллеры и операторские станции. Системное программное обеспечение, устанавливаемое на контроллер, поддерживает сетевые протоколы ТСР/IP или NetBEUI. Второй уровень представляет полевая шина RS-485 или CANopen. Данная структура в полной мере использует большие коммуникационные возможности системы «ТЕКОНИК», позволяющие с помощью стандартных интерфейсов и протоколов подключиться к вычислительным средствам верхнего уровня и наиболее интересна при автоматизации крупных объектов. К процессорному модулю можно подключить различные внешние периферийные устройства по последовательным интерфейсам RS-232/RS-485 или по сети Ethernet. В качестве пульта оператора-технолога может использоваться выносная панель оператора V04. Кроме того, на рисунке 3 показаны возможные варианты подключения панели оператора V04. В зависимости от требований к организации пользо-вательского интерфейса на объекте, возможны подключение V04 к процессорному модулю, либо к полевой сети. В этом режиме управление объектом производится процессорным модулем, в память которого загружена прикладная программа. Существует два варианта Системного Программного Обеспечения (СПО) системы «ТЕКОНИК»: Tecon Trace Mode или СПО TENIX на базе OS Linux. В первом случае программировать можно с помощью системы программирования Trace Mode фирмы Adastra. Система Trace Mode обеспечивает поддержку международного стандарта на языках программирования промышленных контроллеров IEC 61131-3 и не требует профессиональных знаний по программированию. В случае применения СПО TENIX достигается наиболее полное использование ресурсов системы. СПО TENIX содержит многозадачную операционную систему Linux, сервер ввода-вывода и пользовательские библиотеки. Про- граммирование осуществляется с помощью системы подготовки программ ISaGRAF фирмы CJ International. Система содержит полную поддержку всех языков стандарта IEC 61131-3 (международный стандарт на языки программирования промышленных контроллеров). Система не требует профессиональных знаний по программированию. Как дополнение к существующим алгоритмам обработки переменных в рамках среды ISaGRAF, компания ТЕКОН разработала библиотеку алгоритмов управления, предоставляющую возможность более удобной и быстрой разработки пользовательских задач для программиста автоматизации. Библиотека содержит аналоговый и импульсный ПИД (П, ПИ, ПД) регуляторы, алгоритмы ШИМ и интегрально-дифференциального преобразования, алгоритмы балансировки, фильтрации, сглаживания, функции статических и динамических преобразований, индивидуального и группового управления исполнительными механизмами, контроля выборки сигналов. Также в библиотеку включены алгоритмы поддержки работы с блоком клавиатуры и индикации V04 и аппаратным сторожевым таймером WatchDog. Библиотека постоянно дополняется новыми алгоблоками. Загрузка подготовленных прикладных программ в память процессорного модуля производится либо по последовательному каналу СОМ1 (SLIP, PPP), либо по сети Ethernet, используя протокол TCP/IP. Другой интересной особенностью системы «ТЕКОНИК» является возможность использования встроенного SNMP-агента, обеспечивающего обмен контроллера с верхним уровнем по SNMP-протоколу. SNMP-протокол является стандартом для организации систем управления и мониторинга состоянием сетевых устройств, таких как маршрутизатор, коммутатор. При использовании сети GSM реализована возможность инициативного выхода контроллера на связь с диспетчерским пунктом при возникновении аварийной ситуации на объекте. 6.5.4. МОДУЛИ ВВОДА-ВЫВОДА 6.5.4.1. Общие технические характеристики модулей ввода-вывода Модули ввода-вывода системы «ТЕКОНИК» предназначены для ввода, вывода, преобразования и гальванической изоляции сигналов управления объектом. Они являются средством измерения и подлежат калибровке и поверке в части измерительных трактов и трактов вывода аналоговых сигналов при производстве и ремонте, а также поверке в процессе эксплуатации. Конструкция корпусов модулей имеет степень защиты IP20 по ГОСТ 14254. Модули имеют унифицированное конструктивное исполнение корпуса, позволяющее устанавливать модули на стандартный 35-мм DIN-рельс внутри монтажных шкафов или другого оборудования, защищающего от воздействий внешней среды, обеспечивающего подвод сигнальных проводов и ограничивающего доступ к модулям. Подключение проводов к модулю осуществляется с помощью разъемных соединителей. Сечение соединительных проводов от 0,5 до 2,5 мм2. Конструкция модулей состоит из 4 плат: • платы устройства связи с объектом (УСО); • платы питания; • платы процессора; • платы индикации. На плате УСО установлены выходные цепи с гальванической развязкой. На плате питания находится блок питания с одним изолированным и одним не- изолированным выходом, преобразующим напряжение 24 В в напряжение 5 В. На плате процессора находится микроконтроллер, гальванически изолированная интерфейсная часть и три светодиода, индицирующие состояние модуля. Печатные платы соединены в неразборный узел. Плата индикации подключена к плате УСО гибким плоским кабелем с разъемом. На ней находятся светодиоды, индицирующие состояние выходов. Электропитание модулей ввода-вывода осуществляется от источника постоянного тока номинальным напряжением 24В +5/-4В без провалов и выбросов, выходящих за границы допустимого отклонения. Длина проводов питания от источника питания 24 В до модуля не должна превышать 10 м. Потребляемая мощность модулей ввода-вывода не превышает 3,2 Вт без учета подключения внешних цепей. Испытательное напряжение гальванической развязки контактной группы от земли источника питания — 2 кВ. Испытательное напряжение гальванической развязки между соседними контактными группами — 2 кВ. Испытательное напряжение гальванической развязки между сигналами последовательного коммуникационного интерфейса и землей источника питания — 500 В. Все модули имеют дублированный сторожевой таймер WatchDog. Модули ввода-вывода устойчивы к воздействию следующих климатических и механических факторов: • температура окружающего воздуха от плюс 5 до плюс 55 °С; • относительная влажность окружающего воздуха от 5 до 95 % при температуре +35 °С; • атмосферное давление от 80 до 106,7 кПа; • вибрация для частот от 5 до 9 Гц с амплитудой смещения 3,5 мм; • вибрация для частот от 9 до 150 Гц с ускорением 10 м2/с. Габаритные размеры модулей — не более 108×98×68 мм. Габаритные раз- меры модулей с учетом присоединенных ответных частей разъемов — не более 108×118×68 мм. Более точные технические характеристики можно узнать из описаний каждого модуля. При проектировании системы «ТЕКОНИК» каждый модуль ввода-вывода является узлом в сети. Модули имеют встроенный блок питания и гальванически изолированный интерфейс CAN (ISO11898) или RS-485. На рисунке 15 показан пример подключения модулей. Модули могут находиться в одном из четырех режимов. • Режим «Работа» — модуль непрерывно осуществляет при наличии каналов ввода измерение входных сигналов, обрабатывает полученные значения и запоминает их во внутреннем буфере. При наличии каналов вывода данные из внутреннего буфера поступают на выходы модуля (данные на выход поступают с заданным периодом независимо от обновления их во внутреннем буфере). Одновременно с этим модуль принимает и выполняет команды, поступающие через интерфейс RS-485 от ЦП контроллера. • Режим «Конфигурирование» — установка параметров связи (адрес, скорость, использование контрольной суммы), диапазона входных/выходных сигналов, формата данных. • Режим «Настройка» — чтение и установка параметров настройки модуля (в зависимости от типа модуля). • Режим «Модуль неисправен» — модуль переходит в этот режим в случае обнаружения ошибки в ходе диагностики. Приведем пример реализации модуля. Модуль T3204 предназначен для ввода восьми низкоуровневых унифицированных аналоговых сигналов напряжения, а также сигналов термопар в промышленных условиях в составе системы «ТЕКОНИК», в контрольном и технологическом оборудовании АСУ ТП. Программные параметры, задаваемые индивидуально для каждого входного канала модуля, которые можно изменять в режиме «Настройка» в процессе эксплуатации с помощью программы Tecon Tool Kit: • тип входного сигнала, подключаемого к каждому каналу модуля; • тип датчика; • границы измеряемого диапазона; • амплитуда симметричной помехи, кратной 50Гц, на фоне которой производится измерение. Ток потребления модуля при напряжении питания 24 В — не более 60 мА. Масса модуля — не более 0,3 кг. Измеряемые сигналы низкого уровня фильтруются входными RC-фильтрами нижних частот и подаются на аналоговый мультиплексор, который исключает даже кратковременное взаимное замыкание. После мультиплексора сигнал подается на сигма-дельта АЦП, где происходит его дальнейшая обработка. Микросхема АЦП содержит инструментальный усилитель с программируемым коэффициентом усиления, сигма-дельта модулятор, программно настраиваемый цифровой режекторный фильтр. Данные по последовательному интерфейсу передаются в микроконтроллер модуля, выполняющий команды из встроенной памяти. За работой микроконтроллера следит микросхема сторожевого таймера Watchdog, обеспечивающая холодный аппаратный перезапуск микроконтроллера модуля в случае его аварийного зависания в результате сбоя в электропитании системы или проникновения в схему модуля помехи, превышающей оговоренные в ТУ значения. Для хранения калибровочных коэффициентов предназначена внешняя микросхема ЭППЗУ. Для компенсации дополнительной термо-ЭДС, в случае подключения к модулю сигналов термопар, в модуле устанавливается датчик компенсации холодного спая, измеряющий температуру объектовых соединителей XP3 и XP4. Количество каналов аналогового ввода — 8. Тип гальванической развязки — групповая. Разрешающая способность АЦП — 14 разрядов. Предел допускаемого значения основной приведенной погрешности зависит от выбранного диапазона. Для модуля Т3204-02 максимальное значение основной приведенной погрешности – не более 0,05 %. Для модуля Т3204 максимальное значение основной приведенной погрешности – не более 0,2 %. Дополнительная погрешность от изменения температуры окружающей среды — ±0,05%/10°С. Входное сопротивление измерительного канала — не менее 100 кОм. Допустимая разность потенциалов между датчиками каналов — не более 5 В. Входные каналы имеют пассивные RC-фильтры нижних частот первого порядка для подавления помех нормального вида с частотой среза 20 Гц, крутизна спада — 6 дБ/окт. Значение частоты настройки цифрового фильтра составляет 50 Гц. Подавление помехи нормального вида частотой 50 Гц — не хуже 90 дБ. Подавление помехи общего вида — не хуже 110 дБ. Модуль Т3204 имеет измерительные диапазоны напряжения постоянного тока: 0…+10, 0…+50, 0…+100 мВ, 0…+500 мВ, 0…+1,00 В, а также ±10, ±50, ±100 мВ, ±500 мВ, ±1,00 В. Подключение входных сигналов к модулю производится при выключенном питании датчиков в соответствии с рисунками 42, 43 и 44. Несоблюдение этого условия может привести к повреждению модуля. 6.6. Состав ПО контроллеров с операционной системой на базе ОС Linux. МФК и ТКМ-52 - программируемые РС совместимые промышленные контроллеры с открытой программной архитектурой. Обобщенная структура программного обеспечения этих контроллеров с операционной системой на базе ОС Linux приведена на рисунке. Система программирования панели V04M VisiBuilder предназначена для создания прикладных программ, обеспечивающих функционирование панели V04M, как в составе технологических контроллеров ТКМ52C, МФК и системы «Теконик» различных модификаций, а так и в качестве самостоятельного изделия. Панель предназначена для обеспечения простого взаимодействия оператора с данными контроллерами или другими устройствами, поддерживающими необходимые протоколы. Терминал V04M является интеллектуальным устройством, позволяющим организовывать пользовательский интерфейс, используемый при эксплуатации объекта и проведении пусконаладочных работ. Система программирования панели V04M представляет собой совокупность инструментального ПО для PC – VisiBuilder – и встраиваемого ПО для V04M. В процессе программирования панели V04M она подключается к PC по RS232. С помощью инструментального ПО определяются используемые при работе протоколы обмена и их параметры, проектируются рабочие и аварийные экраны и описывается логика обработки входных данных для организации навигации по экранам. Построенная прикладная программа терминала компилируется в промежуточную форму и загружается в V04M. Терминал предназначен для обеспечения человеко-машинного интерфейса с контроллером. Для взаимодействия с контроллером терминал подключается к нему посредством интерфейса RS485 (или RS232). Обмен данными с контроллером осуществляется в рамках протокола Т4000, при этом терминал является мастером. Для обеспечения взаимодействия терминал должен периодически посылать команды контроллеру, подтверждаемые ответами. Встроенное ПО (emV04M), служащее для интерпретации прикладной программы, включает в себя: • графическую библиотеку; • драйвер протокола T4000; • библиотеку экранных элементов; • модуль конфигурирования и загрузчик прикладной программы. 7. Обзор АПК для промышленной автоматизации 7.1. ПЛК фирмы Siemens Одним из крупнейших мировых производителей АПК является немецкая компания Siemens. Она выпускает широчайший спектр средств промышленной автоматизации. Рассмотрим некоторые из них. Фирма выпускает универсальные программируемые контроллеры SIMATIC S7-300 и программируемые контроллеры высшего класса SIMATIC S7-400. Контроллеры S7-300 – это модульные ПЛК с естественным охлаждением. Они могут включать в свой состав: • модуль центрального процессора (CPU); • сигнальные модули (SM) для ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов; • коммуникационные процессоры (CP) для организации обмена данными через Industrial Ethernet, PROFIBUS, AS-Interface (Actuator-Sensor), PtP (Point-to-Point ?) интерфейс; • функциональные модули (FM) – интеллектуальные модули для решения задач скоростного счета, позиционирования, автоматического регулирования и др.; • интерфейсные модули (IM) для подключения стоек расширения к базовому блоку контроллера; • блоки питания (PS). Большинство центральных процессоров S7-300 позволяет использовать в системе локального ввода/вывода до 32 модулей различного назначения. При этом для размещения модулей может потребоваться до 4 монтажных стоек расширения. Связь между стойками осуществляется через интерфейсные модули. Модули IM 365 позволяют создавать двухрядные конфигурации, а модули IM 360 и IM 361 – 2-, 3-, и 4-рядные конфигурации: Стойка расширения 1 м 2-рядная конфигурация Базовый блок Стойка расширения до 10 м 4-рядная конфигурация Базовый блок Блоки CPU представлены линейкой новых моделей: CPU 312/ 314/ 315/ 317-2DP, а также семейством S7-300C (Compact). Все новые CPU отличаются увеличенными объемами памяти и повышенным быстродействием, используют в качестве загружаемой памяти микро карту памяти MMC емкостью до 8 Мб. MMC используется для сохранения данных при перебоях в питании, для хранения архива проекта. Отличительной чертой S7-300C является наличие встроенных входов и выходов, а также набора встроенных в операционную систему технологических функций. Все встроенные дискретные входы универсальны. Они могут использоваться для ввода дискретных сигналов или для выполнения встроенных функций. Часть дискретных выходов может работать в импульсном режиме. Набор встроенных функций зависит от типа CPU. В наиболее мощных CPU дискретные входы могут использоваться в качестве входов аппаратных прерываний, поддерживаются функции быстрого счета, измерения частоты или длительности периода, ПИД-регулирования, позиционирования по одной оси. Каждый CPU оснащен встроенным блоком питания с входным напряжением =24 В. Блоки питания PS 307 служат для преобразования напряжения переменного тока 120/230 В в напряжение постоянного тока 24 В (2, 5, 10 А). Для конфигурирования и программирования контроллеров SIMATIC S7-300 используются пакеты STEP 7 или STEP 7 Lite. Пакет STEP 7 Lite применяется для контроллеров, используемых в качестве автономных систем управления, не содержащих CP и FM. (Цены здесь и ниже для Siemens – на 12.2003 г.) Характеристика CPU 312 CPU 314 CPU 313C CPU 317-2DP Память, Кб 16 48 32 512 Логические 200 нс 100 нс 100 нс 100 нс float, мкс 6 4 4 2 Количество Fl/Ti/C 1024/ 128/128 2048/ 256/256 2048/ 256/256 32768/ 512/512 Каналов D/A 256/64 1024/256 1024/256 65536/4096 Цена, € 280 500 740 2800 Контроллеры S7-400 – модульные ПЛК для решения сложных задач автоматического управления. Модули поддерживают “горячую” замену. Объединение модулей – в монтажной стойке через ее внутреннюю шину. К одному базовому блоку допускается подключать до 21 стойки расширения. Фиксированные позиции в стойке только у блока питания. Всего в стойке может быть от 4 до 18 модулей. Интерфейсные модули S7-400 предназначены для организации связи между базовым блоком контроллера и его стойками расширения, а также для подключения S7-400 к сети PROFIBUS-DP. Для дублирования питания стойки возможна установка двух блоков питания PS 407. Работа выполняется при естественном охлаждении. В традиционных системах распределенного ввода/вывода на основе PROFIBUS-DP существует множество несогласованных циклов: цикл выполнения программы центрального процессора, циклы обмена данными через PROFIBUS-DP, циклы обслуживания входов станций распределенного ввода/вывода и др. В результате этого считываемые в память значения входных сигналов системы относятся к различным моментам времени, что вносит погрешности в работу системы автоматического управления. Для того чтобы исключить названные погрешности, используют изохронный режим. Контроллеры S7-400 могут комплектоваться центральными процессорами 7 типов. При построении сложных систем имеется возможность параллельной работы до 4 центральных процессоров. Процессорные модули располагают рабочей памятью от 48 Кб (CPU 412-1) до 2 Мб (CPU 417-4) для выполнения программ, столько же для хранения данных. Имеется также загружаемая память: встроенная на 256 Кб и ее расширение – карта RAM на 64 Мб + столько же карта Flash EEPROM. Время выполнения логических операций – 80-200 нс, для операций с плавающей точкой – 480-600 нс. Цена – от 1000 до 10000 €. Для построения систем автоматического управления с повышенными требованиями к надежности их функционирования предназначены резервированные системы автоматизации S7-400H. S7-400H состоит из двух идентичных подсистем, работающих по принципу “ведущий-ведомый”. Обе системы выполняют одну и ту же программу. Управление процессом осуществляет ведущая подсистема. В случае ее отказа управление в течение 30 мс безударно передается ведомой подсистеме. Для пользователя есть только один центральный процессор и одна программа его работы. Во время переключения с ведущего на ведомый исключается потеря данных и запросов на прерывание. Операции Операции синхронизации работы двух процессоров выполняются по оптоволоконной линии связи через модули синхронизации. (Дорогое удовольствие). Фирма Siemens выпускает широкую номенклатуру модулей для своих контроллеров семейств Simatic S7-300/400. Производятся также модули с расширенным диапазоном рабочих температур – от –20 до +70. Для универсальных ПЛК S7-300: SM 331 – модули аналогового ввода с числом каналов от 2 до 8 и разрешением от 9 до 16 бит (169 – 645 €); SM 332 – модули аналогового вывода на 2-8 выходов с разрешением 11-15 бит (280- 840 €); SM 334/335 – модули ввода/вывода аналоговых сигналов – 4 входных и 2 выходных канала; SM 321 – модули ввода дискретных сигналов на 4-32 канала (109-360 €); SM 322 –модули дискретного вывода 4-32 каналов; SM-323 – модули дискретного ввода/вывода по 8 каналов. Функциональные модули этой серии позволяют управлять шаговыми двигателями (FM 353), серводвигателями (FM 354), производить позиционирование по двум осям (FM 351) и другие действия. Для ПЛК S7-400: SM 431 – модули аналогового ввода на 8 или 16 каналов с разрешением 13-16 бит (514-2000 €); SM 432 –модуль аналогового вывода на 8 каналов с разрешением 13 бит (770 €); SM 421 – модули дискретного ввода по 16-32 каналам; SM 422 – модули вывода дискретных сигналов по 8-32 каналам. Функциональные модули: 3-канальные модули позиционирования (FM 451/453); 16-канальные регуляторы с аналоговым и импульсным выходом (FM 455C и S) и др. Еще одна фирма – Octagon Systems (США) – выпускает изделия в стандарте MicroPC, который рассчитан на жесткие условия эксплуатации (-40 + 85), стойкость к вибрациям до 5-10g и к ударам до 20-40g. Платы имеют размеры 114х124 мм. 100% применение элементной базы КМОП позволяет в несколько раз снизить потребляемую мощность по сравнению с обычным IBM РС. Таким образом, платы Octagon Systems не требуют принудительного воздушного охлаждения и могут устанавливаться в герметизированные корпуса. Для питания необходим единственный источник напряжения 5 В. Среднее время наработки на отказ (MTBF) для изделий фирмы имеют порядок 200000 часов. Изделия серии MicroPC представляют собой идеальное сочетание полной (в том числе и конструктивной) совместимости с шиной ISA и малого размера плат, обеспечивающего высокие механические характеристики системы и лёгкое встраивание изделий MicroPC в любое оборудование. Почти всю разработку и отладку программного обеспечения можно производить на обычном персональном компьютере, установив в него платы ввода_вывода MicroPC, а затем переносить готовое программное обеспечение в контроллер, где в ПЗУ уже находится ядро операционной системы DOS 6.22. Однако при этом Вы можете использовать практически любое знакомое Вам программное обеспечение и средства разработки (например DOS, Windows NT/95/98, QNX, Linux и др.), которые работают на стандартной IBM PC платформе, или специальные инструментальные пакеты и библиотеки (UltraLogik, RTKernel и др.). Новые платы Octagon Systems полностью совместимы с современными встраиваемыми ОС Windows CE .NET, Windows XP Embedded, QNX Momentics и Linux, что значительно сокращает время создания конечной системы. Фирма выпускает также компактные одноплатные компьютеры с поддержкой Ethernet, USB, PC/104+, COM-портов, интегрированным видеоадаптером и др. атрибутами IBM PC. В номенклатуру изделий входят процессорные платы и платы ввода/вывода в стандарте PC/104 и многое другое. Фирма LiPPERT Automationstechnik GmbH была основана в 1987 году и специализируется в разработке и производстве высокотехнологичных и высококачественных микроконтроллеров и встраиваемых ПК для промышленного применения в жёстких условиях эксплуатации. Изделия компании широко используются в промышленных и встраиваемых компьютерах, мультимедиа, Интернет и телекоммуникационных устройствах для промышленных, мобильных и потребительских приложений. Все изделия LiPPERT работают в температурном диапазоне –20...+60°С или –40...+85°С. С 1998 года компания является сертифицированным системным интегратором Microsoft. Поставляемая продукция совместима с Windows (9x, NT, CE, 2000, XP), Linux, QNX, VxWorks и может программироваться на Assembler, C++ и других популярных языках. Производство компании сертифицировано по стандарту ISO 9001. Фирма выпускает одноплатные промышленные компьютеры формата РС/104 и РС/104+, встраиваемые компьютеры формата ETX (114х95 мм), модули ввода/вывода. Поддерживаемые ОС: Windows (9x, NT, CE, 2000, XP), Linux, QNX, VxWorks. Grayhill Inc — американская компания со штаб_квартирой в западном пригороде Чикаго Ла Гранже (штат Иллинойс). Свою производственную деятельность компания начала в 1943 году с выпуска изделий для оборонной промышленности. Выпускает ПЛК семейств OpenLine, OpenDAC. Они рассчитаны на подключение к ним различного числа несущих панелей с модулями ввода/вывода. Контроллеры построены на микропроцессорах фирм Intel (80386SX, 40 МГц) и AMD (586, 133 МГц). Количество каналов ввода/вывода – от 32 до 128 со скоростью опроса 500 мкс для цифровых и 1 мс для аналоговых. Внутренний интерфейс объединительной платы контроллера – PC/104, внешний – или Ethernet (10 Мбит/с) или RS-485. Фирма Grayhill выпускает модули нескольких серий, в том числе серии OpenLine, обеспечивающие гибкость ввода/вывода. Для этого они содержат всего 2 канала определенного типа (или один – дифференциальный). Модули аналогового ввода позволяют использовать сигналы от термопар, термометров сопротивления и других аналоговых датчиков. Все модули имеют гальваническую развязку с напряжением изоляции до 2500 В, рассчитаны на жесткие условия эксплуатации (от -40 до +85, 20 g вибрации размахом 15,24 мм, удар 1500). Модули, как правило, устанавливаются в специализированные монтажные панели, имеющие клеммные соединители для подвода внешних цепей. Стандартные и миниатюрные модули устанавливаются на специальных монтажных платах и удерживаются винтами или крепёжными металлическими полосами. Светодиодные индикаторы показывают состояние каждого модуля. Предохранители 5 А защищают выходные модули от короткого замыкания в нагрузке. Для модулей с типом корпуса Open Line существуют специальные монтажные панели. Маркировка модулей: <тип модуля > - <вход/выход><вид сигнала><суффикс>. Тип модуля OpenLine – 70L для дискретного и 73L для аналогового. Модули стыкуются с оборудованием Advantech с помощью платы UNIO96/48. Модули аналогового ввода имеют АЦП на 16 разрядов с временем преобразования 500 мкс/канал. Разрешение модулей аналогового вывода 12 бит. Компания маркирует модули цветом: аналогового ввода – синие, аналогового вывода – голубые, дискретного ввода на постоянном токе – желтые, на переменном токе – белые, дискретного вывода – соответственно черные и красные. Варианты исполнения модулей Тип модуля (корпуса) Размер Стандартный 43,2×31,8×15,2 мм Миниатюрный 43,2×25,4×10,2 мм Полноразмерный G5 48,3×55,9×11,7 мм Модули OpenLine 55,9×68,58×12,95 мм Отечественная фирма Fastwel выпускает широкую номенклатуру изделий в формате MicroPC. Она производит ПЛК, процессорные платы, модули ввода/вывода в форматах PC/104, MicroPC и AT96, терминальные платы и др. изделия. RTU186 - Специализированный встраиваемый контроллер с поддержкой USB, Ethernet и модема ● Процессор Am186CU 50 МГц (напаян на плате) ● ОЗУ 512 кбайт (напаяно на плате) ● Флэш_диск 512/1024 кбайт (напаян на плате) ● Часы реального времени ● Сторожевой таймер ● Оптоизолированный внешний сброс ● Файловая система FDOS, совместимая с MS_DOS 6.22 ● 2 последовательных порта: COM1 — RS_232C, COM2 — RS_232/RS_485 с гальванической изоляцией/модем ● USB: 1 порт slave ● Ethernet: 1 порт 10Base_T ● Модем: скорость до 56 кбит/с, опция ● Аналоговый ввод: 8 каналов (ток 0_20 мА/ напряжение 0_5; 0_10; ±5; ±10 В), разрешение 12 бит, гальваническая изоляция 1000 В ● Дискретный ввод: 16 каналов с поканальной гальванической изоляцией 2500 В, источник напряжения +9 В постоянного тока для запитки «сухих» контактов ● Дискретный вывод: 8 каналов типа «открытый коллектор», максимальный ток до 100 мА при 24 В ● Многофункциональный ввод_вывод: до 72 каналов с уровнями ТТЛ; возмож ность непосредственной работы с модулями серий 70G/73G и 70L/73L фирмы Grayhill ● Среднее время безотказной работы 355000 часов ● Требования по питанию: напряжение 10_28 В, максимальный ток 0,5 А ● Диапазон рабочих температур от –40 до +85°C ● Диапазон температур хранения от –55 до +85°C ● Относительная влажность от 5 до 95% (без конденсации) ● Габаритные размеры: 214×72×21,5 мм (без монтажной корзины) Расположение основных функциональных блоков RTU186 CPC502 – это модуль системного контроллера на основе процессора Intel Pentium M с поддержкой стандартов CompactPCI / PXI, 32-разрядной / 33 МГц шины для создания высокопроизводительных систем. Поддержка обоих стандартов, cPCI и PXI, включает возможность устанавливать мезонинные модули расширения с обеих сторон платы модуля. Ключевым отличием процессора Intel® Pentium® M является заново разработанное ядро с интегрированной кэш-памятью первого уровня объемом 64 кб и кэш-памятью второго уровня объемом до 2048 кб. Это ядро позволяет процессору Intel® Pentium® M обогнать процессор семейства Intel Pentium® 4 по соотношению величины вычислительной мощности на единицу частоты процессора. Процессор, устанавливаемый на плате, может быть в корпусе µFCPGA478 или µFCBGA479. Одним из преимуществ процессора Pentium M является очень низкое энергопотребление, и в то же время он может работать на впечатляющих скоростях от 1,1 до 2,0 ГГц при частоте системной шины в 400 МГц. CPC502 использует чипсет, в составе которого GMCH Intel 82855GME и Hance Rapid (6300ESB) ICH. На плате может быть напаяно до 1 Гб памяти DDR с ECC. Память может работать на частотах до 333 МГц. Система включает два порта Gigabit Ethernet и встроенный 2D/3D графический ускоритель Intel, в распоряжении которого имеется до 64 Мб памяти, разделяемой с системой. Это обеспечивает модулю большие возможности при работе с графикой через интерфейсы VGA или TFT LVDS. CPC502 поставляется со следующим набором PC-интерфейсов: шесть портов USB 2.0; три последовательных COM-порта; два интерфейса EIDE ATA100; один разъем CompactFlash Type I/II; один порт для работы с накопителями на гибких магнитных дисках; один параллельный порт и стандартные разъемы J1 и J2 на задней стороне модуля для подключения к шине CompactPCI. Модуль совместим с такими операционными системами как Microsoft Windows 2000/XP/CE, QNX и Linux. Fastwel предлагает модули в формате MicroPC: AI16-5A-1 (2, 3, 4) с АЦП на 16 однополярных или 8 дифференциальных каналов с выходным дополнительным кодом на 14 разрядов и скоростью преобразования для N каналов 100000/N выборок/с, 2 ЦАП на 12 разрядов, 8 линий дискретного вывода; AI8S-5A-1 (2) с 8 АЦП на 14 разрядов со скоростью преобразования 100000 выборок/с или по каналу DMA – 800000 выборок/с, 2 12-разрядных ЦАП, 16 линий дискретного вывода; AIC123 с возможностями модуля AI16-5A, но имеет программируемый цифровой фильтр, автокалибровку АЦП и ЦАП во всех диапазонах, программируемые уровни тревог, программное смещение диапазонов входного сигнала с точностью 40 мВ в пределах ± 5В. Все модули оснащены буфером FIFO на 1024 слова, используют автосканирование входов. ПО – FWAI под управлением Windows/XP и QNX/Neutrino. Кроме названных выше производителей видное место в их длинном ряду занимают компании Allen-Bradley, Motorola, Natoinal Instruments (США), WAGO (Германия). 8. Сетевые технологии АПК В настоящее время практически ни одна система управления не обходится без объединения отдельных устройств системы в сеть. Промышленная сеть – это набор стандартных протоколов обмена данными, позволяющих связать воедино оборудование различных производителей, а также обеспечить взаимодействие нижнего и верхнего уровней системы управления. На первых этапах развития ИСУ использовался последовательный порт компьютера и сеть RS-232. Затем на основе RS-232 в 1978 г. появилась сеть RS-422A, а в 1983 г. был создан вариант промышленной сети RS-485. Вариант сети на коаксиальном кабеле обеспечивает скорость передачи до 10 Мбит/с на длине линии менее 13 м. Структура сети объединяет источники, приемники данных, симметричную двухпроводную линию связи и два согласующие резистора 120 Ом на концах линии. Такая линия рассчитывается на подключение 32 единиц нагрузки. 8.1. Сеть BITBUS Для организации распределенных систем управления на базе локальной промышленной сети BITBUS предназначено изделие microTCX (Technological Control eXtention for Micro PC) компании ТЕКОН. Имеются примеры и других АПК сети BITBUS, скажем микропроцессорные интеллектуальные контроллеры СМ9107 ИНЭУМ. Сеть BITBUS соответствует стандарту IEEE-1118 (IEEE Standart Microcontroller System Serial Control Bus). В типичных применениях сеть Bitbus объединяет промышленные ПК и ПЛК. microTCX позволяет выйти в интерфейс Bitbus вычислительным машинам, имеющим шину, совместимую с шиной PC/XT ISA, и соответствующий разъем. По аналогии с другими сетевыми платами мы будем также употреблять термин "адаптер" применительно к microTCX, хотя microTCX является программируемым устройством, и он может выполнять гораздо больше функций, чем другие сетевые адаптеры. В локальной сети Bitbus адаптер microTCX обычно выполняет функции ведущего устройства (master), однако microTCX может работать и как ведомое устройство (slave). По терминологии локальной сети Bitbus PC представляет собой "расширение" (extention) адаптера, то есть дополнительное устройство, расширяющее возможности узла сети. Следует подчеркнуть, что PC действительно не является принципиально необходимым для нормальной работы адаптера устройством, поскольку microTCX представляет собой функционально полную одноплатную микроЭВМ, которой в минимальном варианте требуется только питание +5 В. Адаптер microTCX может работать под управлением собственного встроенного программного обеспечения, выполнять запросы от прикладных программ, работающих на PC (через драйверы), а также дополнительно выполнять прикладные программы, записанные пользователем в ОЗУ или ППЗУ адаптера. Основу собственного встроенного программного обеспечения адаптера (firmware) составляют многозадачная операционная система реального времени OS51 (Operation System for MCS-51) и системная задача дистанционного доступа и управления RAC (Remote Access and Control task), которая собственно и занимается поддержкой протокола Bitbus. Прикладные программы, работающие на PC, могут посылать и принимать сообщения в соответствии с протоколом Bitbus, используя для связи с адаптером поставляемые с ним программы-драйверы. Пользователь может создать также прикладные программы, оформленные в виде задач OS51, и разместить эти программы в ОЗУ или ППЗУ адаптера. Эти задачи будут работать одновременно с системной задачей RAC. Таким образом, при работе с адаптером microTCX можно разгрузить PC от части прикладных задач и повысить суммарную производительность системы управления. Для написания задач, которые будут исполняться процессором адаптера, можно воспользоваться любыми кроссовыми системами программирования для однокристальных микроЭВМ семейства MCS-51. Наиболее целесообразно использовать компилятор и отладчик системы TeconC+. Системное ПО версии 1.2C и выше содержит библиотеки и другие компоненты, необходимые для полноценной работы TeconC+. Однако, не существует принципиальной необходимости создавать пользовательское программное обеспечение для адаптера; функционально полное системное программное обеспечение microTCX делает его готовым к использованию непосредственно в момент поставки. Адаптер microTCX выполняет функции обслуживания локальной сети самостоятельно. От программы в PC (или от задач пользователя) адаптер получает только сами данные для обмена и возвращает полученные ответы. В терминах Эталонной Модели Открытых Систем ISO/OSI это означает, что программист общается с верхним (седьмым) уровнем, с уровнем приложений (application level). В комплект поставки адаптера microTCX входит драйвер для PC, компонуемый, поставляется в исходном тексте на языке Си. Поставляемая по отдельному заказу программа TCMon (для MS-DOS) обеспечивает доступ ко всем узлам сети Bitbus в режиме экранного диалога. При этом оператор получает возможность дистанционно управлять узлами, просматривать и изменять память узлов, отлаживать программное обеспечение узлов, обмениваться с ними файлами. Следует подчеркнуть, что адаптер microTCX полностью совместим с программным обеспечением для Bitbus, разработанным фирмой Intel. Адаптер microTCX специально приспособлен для надежного и отказоустойчивого управления, требующегося для локальных промышленных сетей. Адаптер обеспечивает гальваническую развязку PC от локальной сети (до 500 В), имеет встроенный сторожевой таймер (Watchdog), аппаратно выполняет программную команду сброса от PC. microTCX выполнен в виде одноплатного модуля. Электрорадиоэлементы расположены на четырехслойной печатной плате, соответствующей конструктивным требованиям IBM PC и Micro PC. Адаптер устанавливается в свободный слот PC и может работать с любым типом PC, совместимым с IBM PC XT/AT, от медленных IBM PC XT до Pentium с повышенной до 11 МГц частотой шины. Логически адаптер располагается в адресном пространстве ввода-вывода PC и занимает 8 последовательных адресов. Установка базового адреса производится с помощью трех перемычек. Таким образом, в одной PC можно установить до шести адаптеров, настроив их на различные свободные адреса ввода-вывода. Обмен информацией между адаптером и PC производится по опросу готовности адаптера или по прерываниям, в зависимости от пользовательской настройки адаптера, задаваемой перемычками, и от используемого драйвера. При обмене по прерываниям можно использовать либо две свободные линии прерываний (по записи и по чтению), или же одну общую линию прерываний. Возможна работа нескольких адаптеров microTCX на одну линию прерываний с использованием соответствующего драйвера. Технические характеристики интерфейса Bitbus Интерфейс Bitbus разработан фирмой Intel специально для построения распределенных систем управления. Интерфейс Bitbus имеет следующие характеристики: • топология – магистраль ("многоточка"); • электрические характеристики – RS-485; • скорость обмена – 375 кбит/с, 187,5 кбит/с или 62,5 кбит/с; • длина сегмента при скорости 375 кбит/с – до 300 м, при скорости 62,5 кбит/с – до 1200 м. • максимальная длина сети Bitbus определяется количеством и характеристиками используемых ретрансляторов и кабелей; • количество узлов в сети – в сумме до 250, но не более 28 узлов в одном сегменте; • протокол – SDLC; • вид посылок – единый кадр с кодированием NRZI и вставкой/удалением нуля; • длина сообщений – типично 20 байт, максимальная – 255; • способ защиты информации – циклический полиномиальный контроль-ный код кадра, счетчики сообщений; • среда передачи – одна или две экранированные витые пары; • сервис – функционально соответствует 1, 2 и 7 уровням Эталонной Мо-дели ISO/OSI. Спецификация интерфейса Bitbus оговаривает еще один (четвертый) режим работы – синхронный режим со скоростями обмена 500÷2400 кбит/сек. Однако, адаптер microTCX не поддерживает синхронный режим, поскольку в этом режиме протяженность линии связи не должна превышать 30 м. 2.2 Технические характеристики исполнений microTCX Общими для всех исполнений являются следующие технические характеристики: • габаритные размеры печатной платы 124,5 × 114 мм (стандартные размеры для плат Micro PC); • электропитание microTCX напряжением от 4,75 В до 5,25 В осуществляется от системного источника питания PC, потребляемая мощность не более 1,5 Вт. Адаптер microTCX может поставляться в двух конструктивных исполнениях: • для IBM PC - с планкой и разъемом DSUB-9F; • для Micro PC - без планки, с разъемом IDC 10-pin. Адаптер microTCX поставляется для работы в температурном диапазоне +5 ÷ +85 °C. Адаптер microTCX поставляется с установленной микросхемой ПЗУ, содержащей системное программное обеспечение (firmware), объемом 32К байт. Также на адаптере всегда установлено ОЗУ данных объемом 32К байт. Адаптер microTCX имеет панельку для установки ОЗУ/ППЗУ программ пользователя. Пользователь может устанавливать микросхемы ОЗУ или ППЗУ объемом 32К байт различных фирм-производителей, имеющие цоколевку JEDEC. Заводская установка скорости - 375 кбит/с (задается перемычкой). 8.2. Сети Ethernet В настоящее время сети Ethernet охватывают 80% сферы применения сетевых технологий. Первый экспериментальный протокол был создан в начале 70-х инженерами фирмы Xerox. Но только в конце 80-х появилась первая спецификация – Ethernet 10Base-5. Была реализована шинная топология на основе коаксиального кабеля со скоростью передача 10 Мбит/с. В качестве протокола доступа к разделяемой среде используется протокол CSMA/CD (множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий). Из-за размеров кабеля такую систему называли толстый Ethernet. Шинная топология затрудняла работу по модификации сети и не была безупречной по надежности. Спецификация 1990 г. 10Base-T позволяла строить сеть на дешевом кабеле типа неэкранированной витой пары 3 категории со скоростью передачи 10 Мбит/с по гибким топологиям звезда и дерево. В 1993 г. Ethernet начал использовать оптические линии связи - 10Base-F, что резко увеличило протяженность сети. В 1995 г. появился быстрый Ethernet - 100Base-T со скоростью передачи данных 100 Мбит/с. Его работу обеспечивали 3 физические среды передачи: - кабель с 2 витыми парами 5 категории - 100Base-TX; - кабель с 4 витыми парами 3 категории - 100Base-T4; - две оптические линии на базе многомодового оптоволокна - 100Base-FX. В 1997 г. был реализован полнодуплексный режим обмена данными. В 1998 г. была достигнута скорость передачи 1 Гбит/с - 1000Base-X. Эта спецификация поддерживает среды передачи в виде экранированной витой пары и оптоволокна. Признанным лидером в области Ethernet-технологий является фирма Hirschmann (ФРГ). Она еще в 1984 г. создала первую сеть Ethernet на базе оптоволокна. Сейчас она специализируется на выпуске оборудования для сетей любой степени сложности для эксплуатации в тяжелых промышленных условиях. Например, ее повторители моделей RT позволяют удлинять сегмент сети до 3000 м (RT1) даже до 20 км (RT2). Повторитель автоматически распознает режим обмена (дуплекс или полудуплекс) и скорость обмена 10/100 Мбит/с. Он же производит контроль подключенных сегментов сети с помощью контрольных сигналов. ВП ВП Оптоволоконный кабель Нужную топологию сети можно получить с помощью концентраторов. Они представляют собой многопортовые повторители сетевого интерфейса с равноправием портов. Концентраторы (хабы) обслуживают физический уровень сети и не чувствительны к протоколам верхних уровней. Они позволяют строить отказоустойчивую кольцевую топологию Hyper-Ring: ВП К О Н Ц Е Н Т Р А Т О Р Ы ВП Оптоволоконный кабель Резервная линия Концентратор RH1-TP/FL имеет 3 входа для витой пары и 2 входа для оптоволоконного кабеля. Для реализации технологии Hyper-Ring нужно соединить свободные оптические порты крайних устройств сети, а также установить один из хабов кольца в состояние следящего за основной линией связи. Для этого на нем переключатель режима устанавливают с положение redundant (запасной). Отказ любого узла кольца или обрыв линии связи будет обнаружен следящим концентратором в течение 20 мс, после чего подключится запасной сегмент. Число хабов в магистрали сети не должно превышать 11. Более интеллектуальными, по сравнению с концентраторами, устройствами являются коммутаторы. Коммутатор (Switch) поддерживает внутреннюю таблицу соответствия портов адресам подключенных к ним сетевых узлов. Таблица формируется автоматически или администратором сети. Коммутатор направляет полученный пакет данных в тот порт, адрес которого содержится в пакете, т.е. коммутатор выполняет функцию сегментирования сети. Скорость обмена определяется автоматически. Например, модель коммутатора RS2-TX поддерживает скорость 100 Мбит/с для 8 портов с подключением витой парой через соединитель RJ-45. К каждому порту м.б. подсоединено оконечное устройство или другой сегмент сети. Коммутатор обеспечивает большую надежность по сравнению с хабом, а также подключение большего числа оконечных устройств. Став лидером сетевых технологий офисов, Ethernet успешно адаптируется к тяжелым условиям эксплуатации в промышленности (промышленный Ethernet). Наиболее эффективным средством развития АСУ ТП с помощью промышленного Ethernet является интеграция существующих систем сбора и обработки данных, основанных на последовательных интерфейсах RS_232/422/485, посредством шлюзов. Это направление особенно интересно в условиях, когда у предприятия недостаточно финансовых средств для комплексной модернизации, а задача объединения ресурсов АСУ ТП в единый комплекс насущна и жизненно необходима. Применение устройств ADAM-4570/4571 делает подобную интеграцию реальностью, причем с минимумом затрат. 8.3. Сети PROFIBUS PROFIBUS ( PROcess FIeld BUS) – это классическая сеть с передачей маркера. Стандарт (DIN-19245) содержит 3 различных протокола: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP, PROFIBUS-PA. PROFIBUS-FMS появился первым (1990 г.) и был рассчитан на цеховый уровень. Скорость обмена данными – до 1,5 Мбит/с. Протокол PROFIBUS-DP (1992 г.) создавался для организации быстрого канала связи с уровнем датчиков и исполнительных устройств. В его основе лежит циклический опрос каналов, который дополняют ациклические функции конфигурирования, диагностики и поддержки обмена. Протокол использует три типа устройств: - мастер класса 2 (может выполнять функции конфигурирования и диагностики устройств сети); - мастер класса 1 (ПЛК с функциями ведущего узла); - ведомые устройства (DP-Slave). Скорость обмена – до 12 Мбит/с. Протокол PROFIBUS-PA (1997 г.) является расширением PROFIBUS-DP для взрывоопасных сред. Скорость обмена – 31,25 кбит/с. В Европе PROFIBUS покрывает ~ 40% рынка пром. сетей. Физическая среда – витая пара или оптоволоконный кабель. Количество узлов в сети – до 126. Топология – шина, звезда, кольцо. Скажем несколько подробнее об PROFIBUS-DP. Наиболее простой способ построе­ния системы показан на рис. 1. В этом случае цикл управления замыкается внутри рабочей станции, которая вы­ступает одновременно в роли опера­торской станции и программного ана­лога PLC. Для этого в ней устанавлива­ется мастер-карта PROFIBUS-DP, а ве­домые (slave) узлы подключаются к ней по топологии «общая шина». Рис. 1 Логически потоки данных в такой сети делятся на три основных цикла. 1. Цикл ввода-вывода выполняется под управлением контроллера ведомого уз­ла. В этом цикле происходит автомати­ческий опрос модулей ввода, установ­ленных в УСО, и строится таблица последних значений, готовых к передаче в сеть. Одновременно с этим происхо­дит передача выходным модулям УСО новых значений, полученных из сети. Длительность этого цикла зависит от количества установленных модулей и, как правило, измеряется единицами миллисекунд. 2. Цикл сетевого обмена реализуется по инициативе ведущего узла, в дан­ном случае по маркеру мастер-карты рабочей станции. В этом цикле веду­щий формирует пакеты, содержащие данные для модулей вывода каждого из абонентов, и принимает от них пакеты, в которых передается информация от входных модулей. Пакеты оптимизи­рованы настолько, что на передачу данных отводится ровно столько места, сколько эти данные занимают. Напри­мер, передача аналогового сигнала за­нимает в сетевом пакете два байта, а передача дискретного — один бит. Служебная информация в пакетах пре­дельно мала, поэтому теоретическая пропускная способность сети умень­шается в основном только в связи с из­держками на передачу и обработку маркера, а также из-за того, что пара­метры передаются по сети независимо от того, изменилось их значение со времени предыдущего цикла опроса или нет. Цикл сетевого обмена осуще­ствляется без участия центрального процессора рабочей станции и начина­ется сразу после подачи напряжения питания на сетевую карту и сетевые УСО. Данные, которые передаются ве­домым абонентам, ведущий постоянно берет из определенного поля адресов специальной двухпортовой памяти. В эту же память после каждого цикла об­мена по сети помещаются новые зна­чения, полученные от каналов ввода. Для ускорения сетевого обмена данные в пакетах передаются подряд, без ука­зания их источника или, наоборот, ад­ресата. Для того чтобы ведущий «знал», какие из участков своей двухпортовой памяти пе­редать каждому из абонен­тов и, соответственно, ка­кую длину пакета ожидать в ответ и что это будет обо­значать, такая сеть изна­чально должна быть одно­кратно сконфигурирована с помощью специальной программы. В результате работы программа-конфи­гуратор настраивает веду­щего и ведомых участни­ков друг на друга и сохраняет информацию о параметрах сети в энергонезависимой памяти всех узлов. Такая дисциплина работы PROFIBUS-DP, конечно, не допускает «горячего» (на ходу) изменения числа участников сети и даже состава их модулей ввода-вывода, но зато обеспечивает высокую скорость обмена. Так, например, цикл обмена по сети, которая обслуживает 5000 дискретных сигналов и 1000 ана­логовых, может составлять менее 2 миллисекунд! 3. Цикл управления внутри рабочей станции. Эта работа возлагается на центральный процессор. Он работает с так называемым образом процес­са, который находится в двух­портовой памяти сетевой карты. Процессору требуется считать из памяти информа­цию о входных каналах, осу­ществить над ней необходи­мые преобразования и вы­дать управляющие воздейст­вия, занеся в определенные ячейки памяти новые дан­ные. Такая конфигурация уп­равляющей системы по принципу работы и програм­мирования почти ничем не отличается от «вырожден­ной» централизованной сис­темы. Один и тот же процес­сор здесь отвечает и за управ­ление, и за интерфейс с опе­ратором. Преимущества, ко­торые мы смогли получить на данном этапе, — это осво­бождение процессора от за­дач ввода-вывода (обслужи­вание прерываний от АЦП, поддержка каналов DMA, не­обходимость работы с рези­дентными драйверами уст­ройств и т.п.), а также возможность максимально приблизить УСО к объекту контроля. Однако для многих задач такой под­ход не обеспечивает управление в ре­альном времени. Связано это с тем, что современное программное обеспече­ние операторского интерфейса в своей массе предназначено для работы под управлением операционной системы Windows, которая пока не оптимизиро­вана для работы в режиме жесткого ре­ального времени. Кроме того, операторская станция обычно отличается нестабильным программным окружени­ем (оператор может, на­пример, запустить зара­женную вирусом про­грамму), что в сочетании со сложностью самой операционной системы может нарушить функци­онирование приложения, отвечающего за управле­ние технологическим процессом вплоть до пол­ного «зависания» компьютера. Рассмотрим два возможных пути перехода к лучшему варианту системы. 1. Система с выделенным управляющим контроллером В этом случае (рис. 2) в сети при­сутствуют три типа устройств: один-единственный ведущий контроллер, одна или более рабочих стан­ций верх- Рис. 2. Система с выделенным управляющим контроллером него уровня, выполняющих роль операторских стан­ций, серверов архивации или шлюзов для связи с ло­кальной сетью предприя­тия, и необходимое коли­чество распределенных по территории цеха или пред­приятия устройств ввода-вывода. Единст­венным ведущим в этой се­ти является сетевая карта, установленная в контрол­лере. Контроллер «видит» че­рез окно двухпортовой па­мяти мастер-карты каналы ввода-вывода удаленных УСО и область памяти slave-карты рабочей стан­ции. Программа, выполня­ющаяся в контроллере, пи­шется на любом процедур­ном языке программирова­ния общего назначения или на одном из языков стандарта IЕС 61131. С по­мощью специальных инст­рументальных средств (например, Ultralogik) она работает в режи­ме реального времени и осуществляет основной цикл управления. Передавать в SCADA-систему желательно не все, а только то, что непосредственно должно быть вид­но оператору и сохраняться в архивах. Кроме SCADA-пакета, на рабочей станции должен быть установлен не­кий драйвер сети PROFIBUS-DP. Для современных пакетов могут использоваться соответствующие ОРС-серверы, поставляемые, например, фирмой Hilscher. Таким образом, описанная система обеспечивает очень быстрый и фикси­рованный по времени цикл управле­ния, гарантированную доставку сете­вых пакетов и независимое функцио­нирование SCADA-системы верхнего уровня. Рис. 3. Распределенное управление, локальные УСО 2. Распределенное управление В этой модели (рис. 3) рабочая станция является ведущей в сети, а контроллеры — ведомыми. В качестве контроллеров могут выступать, напри­мер, процессорные платы MicroPC с сетевыми адаптерами Hilscher. Все уст­ройства ввода-вывода в данном случае являются локальными. Контроллеры, с одной стороны, выполняют ввод-вы­вод из локальных устройств, произво­дят необходимые расчеты, осуществля­ют управление исполнительными уст­ройствами, а с другой — публикуют все необходимые данные в сетевой плате PROFIBUS-DP (Slave). Ведущему (ра­бочей станции) остается собрать дан­ные с контроллеров, передать им необ­ходимые управляющие воздействия и организовать взаимодействие с опера­тором и архивом. Данная архитектура также является полностью детерминированной и под­держивающей «распределенный ин­теллект», но в силу ограничения прото­кола PROFIBUS-DP не позволяет ис­пользовать в циклах управления уда­ленные переменные от других кон­троллеров без участия SCADA-систе­мы. Это связано с тем, что в сети PROFIBUS-DP может быть только один ведущий. Большой выбор аппаратных средств, оконечных устройств и программного обеспечения делает решения на базе PROFIBUS на сегодня одними из са­мых распространенных. Существуют три основных режима обмена данными в пром. сетях, эффективность использования которых зависит от конкретной задачи. ● Режим «Ведущий - ведомый». В этом простейшем режиме один из узлов ЦПС является ведущим устройством, которое последовательно опрашивает подчиненные узлы. В зависимости от содержания запроса ведомый узел либо выполняет полученную команду, либо передает ведущему текущие данные с подключенных оконечных устройств. Типичным примером ЦПС, построенной на таком принципе, являются сети PROFIBUS. Как правило, роли ведущего и ведомого закрепляются жестко и не меняются в процессе функционирования сети. ● Режим «Клиент - сервер». Данный режим имеет много общего с предыдущим и используется в системах с гибким распределением функций. Узел клиент запрашивает данные, а узел сервер их предоставляет. При этом клиент может запрашивать несколько узлов, а сервер – иметь несколько клиентов. Также функции клиента и сервера могут совмещаться на одном узле. Примером может послужить ЦПС Foundation Fieldbus. ● Режим «Подписка». В этом режиме узел, нуждающийся в регулярном поступлении какой - либо информации, подписывается на её получение от другого узла, после чего получает регулярные рассылки данных без дополнительных запросов. Режим имеет два варианта: в первом случае данные передаются циклически с определенным интервалом вне зависимости от динамики информации; во втором случае данные передаются только в случае их изменения. Данный режим также используется в сетях Foundation Fieldbus. Практика применения ЦПС (цифровых пром. сетей) на производстве неизбежно приводит к тому, что на разных участках предприятия функционируют сети разных стандартов, использующих неодинаковые среды передачи данных и протоколы. Что делать в такой ситуации, какими средствами объединить эти суверенные острова в единую мощную информационную систему? Одним из возможных вариантов является применение конверторов протоколов PKV фирмы Hilscher. Одним из наиболее интересных устройств данного типа являются конверторы протоколов ЦПС в среду Ethernet серии PKV 40. Устройства PKV 40, с одной стороны, поддерживают такие основные протоколы ЦПС, как CANopen, DeviceNet, PROFIBUS-DP, ModBus-Plus, AS-интерфейс, а также стандартные последовательные шины RS_232/422/485. С другой стороны, доступ к данным осуществляется по протоколу TCP/IP, обеспечивая прозрачную интеграцию в любую систему верхнего уровня автоматизации. Кроме доступа посредством TCP/IP, PKV 40 обеспечивает пользователя целым рядом «продвинутых» функций. Приверженцы Интернет-технологий в автоматизации могут воспользоваться встроенным Web-сервером. Создание страниц в стандартном формате html осуществляется любым редактором, после чего они передаются по сети в память устройства. Дальнейший просмотр накопленных устройством PKV 40 данных осуществляется обычным Интернет-браузером, то есть практически с любого компьютера из любой точки земного шара. Поддержка языка Java позволяет реализовать произвольную предварительную обработку данных, а также требуемый для технологов и специалистов интерфейс. Кроме того, PKV 40 может использоваться как самостоятельный ПЛК благодаря наличию процессора и предустановленной операционной системы ОС Windows CE. Большинство разработчиков уже в той или иной степени знакомы с этой ОС, которая за последние годы стала одним из стандартов дефакто в области встраиваемых систем. Возможность написания технологических программ обработки данных, поступающих от узлов ЦПС, делает PKV 40 очень гибким инструментом, готовым в любой момент перестроиться с учётом изменившихся требований производственного процесса. Для конфигурирования PKV 40 необходимо только стандартное для изделий Hilscher программное обеспечение SyCon, что облегчает инженерам АСУ ТП ввод оборудования в эксплуатацию. Настройка, в том числе загрузка пользовательских программ, может осуществляться как удаленно через TCP/IP, так и на месте установки оборудования через последовательный интерфейс, которым снабжен каждый PKV 40. Сети на основе интерфейса RS-485 и протокола Modbus см. в учебном пособии. 9. Программное обеспечение АПК 9.1. Системное программное обеспечение 9.1.1 ПО управляющих вычислительных комплексов Основные особенности операционных систем реального времени Операционные системы общего назначения не предназначе­ны для решения задач реального времени. Они ориентированы в основном на рациональное распределение ресурсов ЭВМ между пользователями, а также между выполняемыми задачами. В УВК используются специализированные операционные системы — операционные системы реального времени (ОС РВ). Они управляют событиями и распределяют ресурсы УВК. Прин­ципиальным требованием к ОС РВ является гарантированное время реакции на внешние события, происходящие на управляе­мом объекте. Время реакции не должно превышать критического (deadline) времени для этого события. Критическое время обслу­живания события зависит от специфики управляемого объекта и должно быть известно при создании системы управления. Различают операционные системы жесткого (или детерми­нированного) и мягкого реального времени. Системы жесткого реального времени применяют для построения УВК, в которых задержка реакции недопустима, поскольку ведет к отказу систе­мы и может повлечь за собой катастрофические последствия. ОС мягкого реального времени используют при построении УВК, в которых задержка реакции не является отказом, однако может привести к потере качества, например к снижению производительности системы. В АСУТП используют, как правило, ОС же­сткого реального времени. Рассмотрим основные особенности ОС РВ, отличающие их от ОС общего назначения. Время реакции. Это ключевой параметр системы управления. Время реакции системы — интервал, охватывающий время от на­ступления события на управляемом объекте до выполнения не­обходимых ответных действий. Величина этого интервала зави­сит от ряда причин. Интервал времени от момента возникнове­ния события на объекте до завершения выработки модулями УСО запроса на прерывание определяется характеристиками ап­паратных средств УВК. Остальное время (интервал до начала вы­полнения требуемой задачи реального времени) определяется свойствами ОС и архитектурой процессора. Наиболее важными параметрами, характеризующими реак­тивность ОС, являются время задержки прерывания (interrupt latency) и время переключения контекста (context switching). Время задержки прерывания tЗП— это интервал времени от момента посылки запроса на прерывание до выполнения первой команды программы обработки прерывания. Обычно это время оценивается для худшего случая (при наличии других прерыва­ний, занятости процессора и т.д.) и зависит от эффективности операционной системы и архитектуры процессора, связанной с обработкой прерываний. Время переключения контекста tПК - это среднее время, которое система затрачивает на переключение между независимы­ми задачами: где ti, — время переключения i-й задачи; n — число одновременно выполняемых задач. Время tПК зависит от эффективности структуры данных уп­равления задачей, архитектуры процессора и набора инструкций. Время tЗП и tПК составляет от единиц до десятков микросекунд. Для оценки производительности ОС РВ разработаны различ­ные наборы тестов. Среди них — тесты BNCH для оценки произ­водительности отдельных компонентов и комплексные тесты, разработанные компанией AIM, для интегральных оценок. Механизмы реального времени. Распределение ресурсов. Опе­рационные системы реального времени являются многозадачны­ми, многопользовательскими системами. Они должны реагиро­вать на несколько одновременно происходящих событий, при­чем за время, критическое для этих событий вне зависимости от влияния других выполняемых задач или процессов. В связи с этим можно выделить две главные архитектурные особенности ОС РВ — структуру ядра и механизмы реального времени. К по­следним относятся особые механизмы планирования задач, сред­ства межзадачного взаимодействия и переключения задач и др. Планирование задач (процессов) связано с выбором системы приоритетов и алгоритмов диспетчеризации. В многозадачных ОС общего назначения планировщик в большинстве случаев ис­пользует модификации алгоритма круговой диспетчеризации. В соответствии с ним процессы находятся в циклической очереди на выполнение. Ресурс процессора предоставляется процессу на определенный квант времени (time slice). По истечении кванта времени процесс выгружается и, если он все еще не обслужен, помещается в конец очереди. Ресурс процессора передается сле­дующему процессу, первому в очереди. Очередь может регулиро­ваться приоритетами. Может быть выделено несколько уровней приоритетов, и на каждом уровне выполняется циклическое про­движение задач к началу очереди. Недостаток такого алгоритма для систем реального времени состоит в том, что только один процесс может владеть ресурсом процессора в течение определенного кванта времени. Планиров­щики ОС РВ используют алгоритмы диспетчеризации, позволя­ющие при необходимости переключить процесс до окончания предоставленного ему кванта времени. Текущий процесс приос­танавливается сразу при наступлении события, если в очереди появляется более приоритетный процесс. Приоритеты процессов могут задаваться различными способами, например, динамичес­ки изменяться в зависимости от активности процесса. Планиров­щик запускается всегда, если какой-либо процесс изменил свое состояние после получения сообщения или в результате аппарат­ного прерывания. К механизмам межзадачного взаимодействия относятся сема­форы, разделяемая память, сообщения и др., позволяющие син­хронизировать процессы и обеспечивать быстрый обмен информацией между ними. Важной архитектурной особенностью явля­ется возможность переключения процессов во время выполне­ния не только пользовательской, но и системной фазы ядра, что обеспечивает возможность обработки критических к времени прерываний. ОС РВ могут содержать ряд специальных механизмов работы с памятью: возможность блокировки страниц оперативной памя­ти, позволяющей фиксировать в ней высокоприоритетные про­цессы, критические к времени реакции, что ускоряет переключе­ние контекста и запуск этих процессов; средства оптимизации обмена данными с диском, например, кэширование дисков, поз­воляющее повысить быстродействие за счет хранения в опера­тивной памяти часто используемых дисковых блоков. Кроме то­го, имеются и другие механизмы, позволяющие обрабатывать любой процесс в пределах требуемого времени. Архитектура микроядра. Современные ОС РВ (QNX, OS-9, VxWorks, Lynx OS и др.) имеют микроядерную архитектуру. В ми­кроядро системы включаются только самые необходимые функ­ции, связанные с управлением памятью и процессами, обработ­кой прерываний и обработкой системных вызовов, сообщений, а драйверы, файловая система и другие функции вынесены из яд­ра. Размер микроядра современных ОС РВ составляет около 20 Кбайт. Операционные системы реального времени с микроядер­ной архитектурой обладают меньшим временем реакции на со­бытия. Время задержки прерывания в таких системах составляет порядка 10 мкс. Модульный принцип. Масштабируемость. Операционные сис­темы реального времени строятся по модульному принципу. Функциональные компоненты ОС - ядро, система управления файлами, система ввода-вывода и др. - реализованы в виде неза­висимых модулей. Такие операционные системы являются мас­штабируемыми и расширяемыми системами. Исходя из требова­ний применения, можно создавать как миниатюрные встроен­ные системы, размещаемые в ПЗУ, так и крупномасштабные се­тевые многопользовательские системы. ОС РВ поддерживают развитые средства разработки и включения в систему дополни­тельных драйверов для нестандартных устройств ввода-вывода. Аппаратная поддержка. ОС РВ работают на различных аппа­ратных платформах: Intel 386/486/Pentium, Motorola 680x0, Power PC, Siemens C16X и др., на которых строятся системы реального времени. ОС РВ с аппаратной платформой, на которой она ис­полняется, иногда называется целевой (target) системой. Потреб­ность в памяти для размещения ОС РВ (ядро, системные модули, драйверы и т.д.) составляет обычно около 20 Мбайт. Разработчи­ки ОС РВ стараются уменьшить размер системы. Важным свой­ством является возможность размещения ОС РВ и приложений в ПЗУ, что позволяет создавать компактные (в том числе встроен­ные в технологическое оборудование) системы без внешних на­копителей. Работа в вычислительных сетях. Операционные системы ре­ального времени поддерживают работу во всех основных типах локальных сетей (Ethernet, Profibus, CAN, Token Ring и др.), кото­рые являются средствами взаимодействия УВК и промышленных контроллеров; имеют прозрачный (transparent) доступ к ресурсам любого узла сети; отвечают требованиям надежности и отказоус­тойчивости (fault-tolerance), в частности предоставляют пользо­вателю сетевую избыточность и возможность гибкой переконфи­гурации системы; содержат программные средства защиты ин­формации от несанкционированного доступа. Соответствие стандартам. Современная концепция систем ре­ального времени связана с архитектурой открытых систем, осно­ванных на использовании стандартизованных аппаратных и про­граммных средств. В этой связи ОС РВ обладают следующими возможностями: • удовлетворяют общепринятым международным стандартам и соглашениям (прежде всего IEEE POSIX —Portable Operating System Interface for Computing Environments), что обеспечивает мобильность приложений; • поддерживают стандартные протоколы, например TCP/IP, для создания сетевых конфигураций; • имеют дружественный пользователю интерфейс общения (подобный пользовательскому интерфейсу для ОС общего назна­чения), основанный на стандартах X Windows, Motif и др.; • осуществляют поддержку стандартных систем управления база­ми данных. Средства разработки. Приложения реального времени — поль­зовательские программы, исполняемые в среде ОС РВ, — разра­батываются на инструментальном компьютере. Разработка и от­ладка приложений для ОС РВ осуществляется, как правило, в среде распространенных ОС общего назначения, например UNIX и MS Windows. Некоторые ОС РВ имеют «резидентные» средства разработки, исполняемые в среде самой ОС РВ. Ниже рассмотрены операционные системы реального време­ни, которые наиболее широко используются в УВК СМ1820М. Операционная система QNX. Это одна из наиболее широко распространенных операционных систем реального времени (http://www.sdw.ru/qnx). Она насчитывает более полумиллиона применений, преимущественно в системах управления и сбора данных, работающих в реальном времени. На систему QNX ори­ентировано более 100 компаний, выпускающих аппаратные и программные средства для УВК. В отечественной промышленно­сти QNX используется чаще других ОС РВ. Благодаря архитектур­ным особенностям ОС QNX может применяться в составе как ав­тономных интеллектуальных промышленных контроллеров, так и мощных многопроцессорных (SMP - Symmetric Multiprocessor) вычислительных систем. Таким образом, обеспечивается возмож­ность построения распределенных иерархических систем управ­ления на единой программной платформе. Система QNX служит базовой программной средой для УВК CM 1820M. Основными свойствами QNX являются: • гарантированное время реакции системы, что отвечает требованиям применения в системах жесткого реального времени; • работа в 32-разрядном режиме; • архитектура микроядра; • модульный принцип построения, что обеспечивает оптималь­ное использование реально необходимых ресурсов; • поддержка процессоров ix86, PowerPC, MIPS; • компактность, возможность размещения системы в ПЗУ (Flash, ROM) для встраиваемых (embedded) применений; • расширяемость (extensibility), достигаемая без снижения надеж­ности системы, поскольку включение новых модулей (драйве­ров и менеджеров ресурсов) не требует перестроения ядра; • масштабируемость (scalability) под различные технические тре­бования — от встроенных до многопроцессорных систем; • большое количество графических подсистем: графические при­ ложения можно создавать с помощью библиотечных функций, поставляемых с компилятором Watcom С; • поддержка ряда систем управления базами данных (Watcom SQL, dbVista, Faircom C-free и др.); • соответствие файловой системы требованиям стандарта POSIX; • поддержка сетевого протокола TCP/IP; • уникальная сетевая технология FLEET [Fault-tolerance (отказоустойчивая). Load-balancing (регулирующая нагрузку), Efficient (эффективная), Extensible (расширяемая), Transparent (прозрач­ная)]. Операционная система QNX построена на основе принципа микроядра. Микроядро QNX очень компактно. В него включены только базовые функции операционной системы: • управление планированием (диспетчеризацией) и взаимодейст­вием процессов; • управление передачей сообщений между процессами. Система в целом построена в виде совокупности независи­мых взаимодействующих компонентов. Микроядро дополняется менеджером процессов (Ргос), который создает процессы и уп­равляет процессами и памятью процессов, файловой системой (Fsys), менеджером устройств (Dev) и менеджером сети (Net). Эти системные компоненты размещаются вне пространства ядра. Операционная система QNX реализует простой и эффектив­ный механизм межзадачного обмена информацией между одновре­менно работающими процессами. Основной принцип коммуни­каций в ОС QNX — обмен сообщениями. Его использование обеспечивает эффективную совместную работу процессов в сис­теме. Сообщение — это пакет байтов, передаваемых от одного про­цесса к другому. Сообщение имеет смысл только для двух процес­сов — источника и приемника. Сообщения являются как спосо­бом передачи информации, так и способом синхронизации рабо­ты нескольких процессов. По информации о состояниях и при­оритетах процессов микроядро управляет их работой в целях эф­фективного распределения ресурсов системы. Компоненты, находящиеся вне микроядра, используют средства микроядра для обмена сообщениями. Микроядро может обработать сообщение или переслать его другому процессу. При этом микроядру безраз­лично, от какого процесса получено сообщение, от находящего­ся на том же компьютере или на другом узле сети. Такое свойство микроядра используется для передачи сообщений в распределен­ных системах управления. Система QNX работает в защищенном режиме. Микроядро защищено и доступно только по прямому вызову из системного процесса или аппаратного прерывания. Все программы защище­ны друг от друга, любая ошибка в одной из них не вызывает отка­за системы. Файловая система QNX сохраняет целостность дан­ных при отключении питания. Операционная система QNX построена по сетевой техноло­гии FLEET. Рассмотрим особенности этой технологии. Система QNX объединяет всю сеть в однородный набор ре­сурсов с прозрачным доступом к ним. Любые ресурсы, например дисковые накопители, принтеры и другие, могут быть добавлены к любой ЭВМ в сети; любой узел может быть исключен из сети или добавлен к ней без нарушения целостности системы. Поль­зователь, работающий на компьютере в одном из узлов сети, мо­жет иметь доступ к файлам, периферийному оборудованию и лю­бым другим ресурсам остальных узлов сети. Для программ, исполняемых в ОС QNX, нет различий между локальными и удаленными ресурсами. Система QNX может уп­равлять одновременно задачами в реальном масштабе времени и задачами, не зависящими от времени, что позволяет эффективно использовать оборудование сети. Любой узел может выполнять роль моста между двумя раз­личными локальными сетями, соответствующими стандарту IEEE 802. Таким образом, пользователь может работать одновре­менно в нескольких сетях: Ethernet, Token Ring и FDDI. В случае если какая-либо из них будет перегружена или выйдет из строя, ОС QNX способна автоматически перенаправить информацию через другую доступную сеть, что обеспечивает отказоустойчи­вость сети в целом. Менеджер сети выбирает путь для передачи информации к удаленному узлу, если он не единственный. Для обеспечения надежности ЭВМ могут быть соединены как основным (высокоскоростным), так и резервным сетевыми каналами. Резервный канал позволит сохранить соединение в случае отказа основной сети. Рассмотрим инструментальные средства разработки прило­жений. ОС QNX, которые, как отмечалось, широко используется для встраиваемых систем. Пакет Embedded Kit позволяет разместить ОС QNX и приложения пользователя в ПЗУ (Flash или ROM) раз­рабатываемого промышленного контроллера. Пакет поддержи­вает различные аппаратные платформы (Intel, Octagon, Ziatech и др.), архивацию данных или файлов в памяти, а также встраивае­мые файловые системы, которые обслуживают вызовы ввода-вы­вода стандарта POSIX. Многие приложения используют для отображения контроли­руемого технологического процесса в реальном времени графи­ческий интерфейс. Средством разработки графического интер­фейса для ОС QNX является, например, пакет Photon Developers Toolkit. Пакет представляет собой встраиваемую графическую оболочку с поддержкой 2D- и 3D-графики, а также с возможнос­тью запуска графических приложений, написанных для X Window System. Пакет создает компактный код для встраиваемых прило­жений реального времени. Пакет Photon Developers Toolkit содержит: • библиотеку графических примитивов; • набор графических стандартных компонентов; • средства интерактивного проектирования графических прило­жений PhAB (Photon Application Builder), обеспечивающие со­здание и редактирование сложных графических объектов из на­бора стандартных, а также вновь созданных компонентов. Для создания Интернет-приложений в среде ОС QNX имеет­ся пакет Voyager SDK (Software Development Kit), который содер­жит все инструменты, необходимые для разработки специализи­рованного Web-браузера. Браузер Voyager обеспечивает пользова­телю удаленный доступ к промышленному контроллеру. Операционная система Linux. В последнее время наблюдается тенденция встраивания функций поддержки режима реального времени в ОС общего назначения. Примером реализации такого подхода является операционная система Linux, которая име­ет специальные расширения для реального времени. Linux является 32-разрядной многозадачной и многопользо­вательской UNIX-подобной операционной системой, имеющей следующие основные свойства: • соответствие стандарту POSIX, что позволяет переносить разра­ботанное для классических UNIX-систем программное обеспечение на Linux-системы; • модульный принцип организации, что является безусловным преимуществом перед так называемыми «монопольными» (pro­prietary) UNIX-системами; • расширяемость и масштабируемость системы, что делает ее пригодной для использования как в простых промышленных контроллерах на базе 4386ЕХ-микропроцессора, так и в много­процессорных системах; • предоставление всех возможностей, доступных через вычисли­тельную сеть, поскольку Linux поддерживает работу с локаль­ными промышленными сетями (например, Ethernet и Profibus) и обеспечивает доступ к удаленным УВК через сеть Интернет; сетевые технологии в Linux соответствуют концепции «клиент-сервер», реализуемой на основе протоколов TCP/IP; • возможность работы на большинстве известных 32-разрядных процессорных платформ: Intel, IBM, Motorola и др. Перенос си­стемы на другую платформу требует адаптации небольшой аппаратно-зависимой части исходного кода ядра (это в основном драйверы устройств и загрузчики ядра). Доступность исходного кода операционной системы дает возможность ее оптимальной настройки в конкретных случаях. Усеченный вариант Linux занимает 2 Мбайта на жестком дис­ке и хорошо подходит для компактных встроенных приложений (обычно потребность таких приложений в ресурсах оперативной памяти — от 2 до 8 Мбайт). Для поддержки режима реального времени в среде Linux раз­работаны специальные расширения KURT и UTIME, а также RTLinux. Программный пакет KURT является системой «мягкого» ре­ального времени, имеет два режима работы - нормальный и ре­ального времени, оформлен в виде системного модуля Linux RTMod, который является планировщиком реального времени. Планирование процессов реального времени может осуществ­ляться по событиям или по таймеру. При переключении в режим реального времени все обычные процессы в системе приостанавливаются до завершения процес­са реального времени. Планировщик RTMod выделяет каждому процессу реального времени интервал (квант) времени, равный 10 мс. Расширение UTIME позволяет увеличить частоту системного таймера и получить кванты времени до 1 мс. Режим «мягкого» ре­ального времени может быть использован, например, для задач обработки мультимедийной информации, требующих быстрой реакции системы. Расширение RTLinux реализовано в виде небольшого ядра, поддерживающего режим «жесткого» реального времени, под уп­равлением которого работает Linux [33]. Фактически ядро Linux становится ожидающей задачей в системе реального времени, которая выполняется только тогда, когда в очереди нет задач ре­ального времени. Процессы, выполняемые в среде Linux, не мо­гут при этом блокировать аппаратные прерывания и запрещать свою выгрузку из памяти. Техническое решение для реализации этих ограничений свя­зано с программной эмуляцией механизма аппаратной обработ­ки прерываний. Когда Linux посылает запрос на запрет прерыва­ния, ядро RTLinux перехватывает и сохраняет этот запрос, а затем возвращает управление ядру Linux. При возникновении аппарат­ного прерывания управление всегда получает ядро RTLinux. Если прерывание связано с режимом реального времени, активизиру­ется соответствующая программа обработки прерываний. В про­тивном случае прерывание переводится в режим ожидания. При поступлении запроса от Linux на разрешение прерывания осуще­ствляется программная эмуляция ожидающего прерывания и ак­тивизируется программа обработки прерывания в Linux. Ядро реального времени в Linux является непрерываемым, но поскольку его программы очень малы, нет причин для больших задержек в обслуживании. Тестирование ядра на аппаратной платформе Pentium 120 показало, что интервал задержки плани­рования задач не превышает 20 мкс. В настоящее время интерес к использованию ОС Linux в ка­честве базовой операционной системы в промышленных систе­мах управления постоянно растет. Такие системы обладают рядом преимуществ (распространенность и интеграция режима реаль­ного времени с развитыми средствами разработки), но в некото­рых случаях уступают стандартным ОС РВ в масштабируемости и компактности. Продвижением Linux в промышленные системы управления заняты более 100 компаний. Расширение RTLinux применимо для многих задач реального времени; ОС Linux может быть ис­пользована в качестве программной платформы для УВК СМ1820М. 9.1.2. ОС Windows Завершая разговор об операционных системах, нельзя не сказать об ОС Windows. В руководстве по эксплуатации АПК указывается вид ОС, под управлением которой он функционирует. Многие АПК работают под Windows. Эта ОС позволяет решать задачи ”мягкого” реального времени. Будучи системой общего назначения, Windows стоит гораздо дешевле ОС РВ. С ней связано множество информационных технологий компании Microsoft, реализованных в приложениях Windows. Есть примеры удачной адаптации Windows к задачам РВ. Так решения специалистов фирмы Venturcom стали фактическим стандартом для создания ответственных приложений жесткого реального времени на платформе Windows NT. Они пошли по пути модификации модуля Windows – слоя аппаратных абстракций HAL – Hardware Abstraction Layer. Этот модуль отвечает за выработку высокоприоритетных системных прерываний, мешающих задаче осуществлять управление в жестком РВ. Фирма поставляет программный продукт – Component Integrator – в качестве средства ускоренной разработки и внедрения приложений РВ под Windows. Пакет содержит инструментальные средства – ECK (Embedded Component Kit) и расширения РВ – RTX соответствующей версии. Другой подход применила компания RadiSys. Windows загружается как низкоприоритетная задача под ОС РВ iRMX. Все функции обработки и управления РВ выполняются каквысокоприоритетные задачи под управлением iRMX. Они изолированы в памяти ПК от приложений и драйверов Windows механизмом защиты процессора. Задача РВ становится независимой от работы Windows. 9.2. Прикладное ПО На рынке АПК существует большое количество программных продуктов класса SCADA/HMI. Они призваны автоматизировать процесс разработки приложений для отраслей промышленности. Нами уже был рассмотрен представитель класса – Advantech Studio. Назовем еще некоторые пакеты: Genesis32 компании Iconics (США) – универсальный пакет для ИСУ любой сложности; InTouch - Wonderware; FIX – Intellution; Trace Mode – AdAstra; Master SCADA - inSAT (Россия); и др. Технология OPC-сервер Технология связывания и внедрения объектов для систем промышленной автоматизации OPC (OLE for Process Control) предназначена для обеспечения универсального механизма обмена данными между датчиками, исполнительными механизмами, контроллерами, устройствами связи с объектом и системами представления технологической информации, оперативного диспетчерского управления, а также системами управления базами данных. Производители аппаратных средств, пользуясь спецификацией OPC, имеют возможность разрабатывать единственный сервер OPC для обеспечения единственного и наиболее общего способа организации доступа к данным и передачи в адрес приложений-клиентов различных производителей программного обеспечения для промышленной автоматизации. OPC основана на модели распределенных компонентных объектов Microsoft DCOM и устанавливает требования к классам объектов доступа к данным и их специализированным (custom) интерфейсам для использования разработчиками клиентских и серверных приложений. Опираясь на объектную технологию COM/DCOM, стандарт OPC фиксирует определенную модель взаимодействия между клиентом и сервером. Базовым понятием этой модели является элемент данных (Item). Каждый элемент данных имеет значение, время последнего обновления (time stamp) и признак качества, определяющий степень достоверности значения. Значение может быть практически любого скалярного типа – булево, целое, с плавающей точкой и т.п. – или строкой (так называемый OLE VARIANT). Время представляется с 100 наносекундной точностью (FILETIME Win32 API). Реальная точность измерения времени обычно бывает хуже и, в общем случая, зависит от реализации сервера и аппаратуры. Качество – это код, содержащий в себе грубую оценку – UNCERTAIN, GOOD и BAD (не определено, хорошее и плохое), а на случай плохой – еще и расшифровку, например QUAL_SENSOR_FAILURE – ошибка датчика. Следующим вверх по иерархии является понятие группы элементов (OPC Group). Группа создается OPC сервером по требованию клиента, который затем может добавлять в группу элементы (Items). Для группы клиентом задается частота обновления данных, и все данные в группе сервер старается обновлять и передавать клиенту с заданной частотой. Отдельно стоящих вне группы элементов быть не может. Клиент может создать для себя на сервере несколько групп, различающихся требуемой частотой обновления. Для каждого клиента всегда создается своя группа (кроме так называемых публичных групп), даже если состав элементов и частоты обновления совпадают. Отсоединение клиента приводит к уничтожению группы. Элементы в группе, таким образом, – это своего рода клиентские ссылки на некие реальные переменные (теги), находящиеся на сервере или в физическом устройстве. Понятие тега спецификацией OPC не определяется, но подразумевается неявно. Элементы в группу клиент добавляет по имени, и эти имена являются именами соответствующих тегов. Клиент может либо знать нужные имена заранее, либо запросить список имен тегов у сервера. Для запроса имен тегов служит интерфейс IOPC Browse Server Address Space, с помощью которого сервер описывает клиенту свое “пространство имен”, организованное в общем случае иерархически. Пример полного имени тега: Устройство1. Модуль5. АналоговыйВход3. При добавлении элемента в группу клиент всегда указывает это полное имя. Заметим, что группы, создаваемые клиентом, не обязаны совпадать (и, как правило, не совпадают) с подразделами пространства имен сервера, элементы в группу добавляются “в разнобой”. Единственное, что их объединяет – это общая частота обновления и синхронность отправки клиенту. Наконец, на верхней ступеньке иерархии понятий находится сам OPC-сервер. Из всех перечисленных (OPC группа, OPC элемент) он единственный является COM-объектом, все остальные объекты доступны через его интерфейсы, которые он предоставляет клиенту. Взаимосвязь групп и элементов OPC показана на рис.2. Рис. 2. Взаимосвязь групп и элементов OPC Основные причины создания OPC Довольно много программ-клиентов может получать данные из различных источников и делать их доступными для драйверов независимых разработчиков. Но при этом возникают следующие проблемы: Рис. 2a . Пример схемы работы "множества различных драйверов" ... • Каждая программа диспетчеризации должна иметь драйвер для конкретного устройства АСУ( см. рис.2a, 2б). • Возникают конфликты между драйверами различных разработчиков, что приводит к тому, что какие-то режимы или параметры работы оборудования не поддерживаются всеми разработчиками ПО. • Модификации оборудования могут привести к потере функциональности драйвера. • Конфликты при обращении к устройству – различные программы диспетчеризации не могут получить доступ к одному устройству одновременно из-за использования различных драйверов. Рис. 2b. ... и решения на базе OPC OPC проводит четкую разграничительную линию между производителями оборудования и разработчиками драйверов. Данная технология предоставляет механизм сбора данных из различных источников и передачу этих данных любой клиентской программе вне зависимости от типа используемого оборудования. Это позволяет разработчикам сосредоточиться на производительности и оптимизации работы серверной части, которая отвечает за сбор данных. Преимущества технологии OPC OPC был разработан для обеспечения доступа клиентской программы к нижнему уровню технологического процесса в наиболее удобной форме. Широкое распространение технологии OPC в промышленности имеет следующие преимущества: • Независимость в применении систем диспетчеризации от используемого в конкретном проекте оборудования. • Разработчики программного обеспечения не должны постоянно модифицировать свои продукты из-за модификации оборудования или выпуска новых изделий. • Заказчик получает свободу выбора между поставщиками оборудования, а также имеет возможность интегрировать это оборудование в информационную систему предприятия, которая может охватывать всю систему производства, управления и логистики. Архитектура OPC Стандарт обмена данными OPC базируется на распространенной общепринятой схеме Клиент-Сервер. Эта архитектура позволяет подключить множество клиентов к одному серверу. И наоборот, данный стандарт позволяет использования одним клиентом различных ОРС-серверов. Рис. 2с. Архитектура OPC-клиент/сервер в промышленной информационной системе Применение OPC в промышленных информационных системах Коммуникационный стандарт OPC позволяет использовать его для обмена данными в индустриальных информационных системах (Рис. 2с). В нижней части рис. 2с (Field Management), показаны три компьютера с установленными OPC-серверами, которые поддерживают различные спецификации OPC (см. далее). Каждый компьютер может иметь OPC-серверы с различными спецификациями. Существуют серверы, которые обмениваются данными с АСУ, построенной на ПЛК. Они разработаны на базе коммуникационного протокола (например, AS511, RK512, S-bus, Modbus, DF1 и т.д.), и "распознаются" подключенным оборудованием (например, ПЛК). Доступ к протоколам, хранящимся в базе данных, обеспечивается OPC-серверами, соответствующими спецификациям OPC Historical Data Access. В центральной части иллюстрации (Process Management) показаны еще три компьютера. На этих компьютерах установлен OPC-клиент – программа диспетчеризации – SCADA HMI (Supervisory Control And Data Acquisition Human Machine Interface). Соединение с OPC-серверами происходит через локальную сеть (LAN), что расширяет возможности в построении топологии сбора данных при помощи OPC-серверов. OPC-серверы опираются на коммуникационный протокол представленного оборудования (например, ПЛК). Не смотря на попытки увеличить в коммуникациях долю стандартных протоколов (Profibus, Interbus, CANBus и т.д.), сейчас трудно сказать, на основании чего лучше строить системы обмена данными: на базе специфических протоколов производителей оборудования или более стандартных протоколов полевых шин. По этой причине номенклатура OPC-серверов практически копирует номенклатуру наиболее популярных систем автоматического управления. В дальнейшем данные могут подыматься выше уровня Process Management для использования в системах управления и планирования производством, например ERP (Enterprise Resource Planning) или MES (Manufacturing Execution Systems) на уровне Business Management. Это позволяет использовать реальные данные всеми подразделениями предприятия, которые в них нуждаются. Типы спецификаций OPC Стандарт OPC был создан на базе спецификаций OPC. В настоящее время получили наибольшее распространение следующие спецификации: • OPC Data Access 1.0 и 2.0 – обеспечивает доступ к данным в режиме "реального времени". • OPC Alarm & Events – обеспечивает OPC-клиента информацией о специальных происшествиях и тревогах. • OPC Historical Data Access – обеспечивает доступ к протоколам и хроникам, хранящимся в базах данных. • OPC Batch – отправляет рецепты дозирования в технологический процесс и отслеживает их выполнение. Сейчас в разработке находятся еще две спецификации: • OPC Data Access 3.0 • OPC XML Рисунок 2 демонстрирует пример связи OPC-сервера и OPC-клиента при использовании одной OPC спецификации. Однако в спецификации OPC Data Access необходимо следить за использованием версии данной спецификации: сервер OPC Data Access 1.0 может общаться только с клиентом OPC Data Access 1.0 client. Поэтому удобней, если OPC-сервер поддерживает несколько версий OPC-спецификации. 9.3. Комплексы проектирования МЭК 61131-3 Контроллеры, программирование которых осуществляется со встроенного или выносного пульта, встречаются сегодня доста­точно редко. Как правило, это простые специализированные ПЛК, предназначенные для управления освещением по расписа­нию, регулировки температуры и т. д. Все программирование та­ких контроллеров сводится обычно к заданию набора констант. Для программирования ПЛК универсального назначения приме­няются ПК. Процесс разработки и отладки программного обеспе­чения происходит при помощи специализированных комплексов программ, обеспечивающих комфортную среду для работы про­граммиста. Традиционно все ведущие изготовители программируемых ПЛК имеют собственные фирменные наработки в области инстру­ментального программного обеспечения. Безусловно, большинст­во из них представляют удобные инструменты, оптимизирован­ные под конкретную аппаратуру. Понятно, что в разработке уни­версальных систем программирования, приемлемых для своих ПЛК и для ПЛК конкурентов, изготовители не заинтересованы. Кроме того, это достаточно сложная задача. Системы программи­рования ПЛК небольших фирм в лучшем случае реализуют один из языков МЭК с некоторыми расширениями, призванными со­хранить совместимость со своими же более ранними (нестандарт­ными) системами. Крупнейшие лидеры рынка ПЛК предлагают сегодня очень мощные комплексы с поддержкой МЭК-языков, также сохраняющие преемственность и фирменные традиции («Concept» Schneider Electric, «Step 7» Siemens). Открытость МЭК-стандарта — с одной стороны, и сложность реализации высококлассных комплексов программирования — с другой, привели к появлению специализированных фирм, заня­тых исключительно инструментами программирования ПЛК. Во Франции такие фирмы называют «дом программирования». Как и изделия домов мод системы программирования отличаются своим фирменным почерком, имеют свой стиль и собственных стойких поклонников. Но, к счастью, отличия комплексов сосре­доточены в реализации интерфейса, в стиле графики, наборе сервисных функций, дополнительных библиотеках и в реализа­ции системы исполнения, т. е. в том, что не касается примене­ния стандарта. Наибольшей известностью в мире пользуются следующие ком­плексы. CoDeSys 3S Smart Software Solutions http://www.3s-software.com CoDeSys это один из самых развитых функционально полных инструментов программирования МЭК 61131-3. Все дальнейшее изложение в данной книге опирается на CoDeSys. Это не означа­ет, что приведенная информация непригодна для других систем программирования. Везде, где есть существенные отличия или тонкости реализации, это будет особо подчеркнуто. Опора на Co­DeSys означает, что все примеры реализованы и протестированы именно в этой системе, если на это указано специально. Далее мы рассмотрим данный комплекс более подробно. ISaGRAF CJ International http://www.isagraf.com/ Наиболее яркая особенность ISaGRAF — это аппаратно незави­симый генератор TIC кода (Target Independent Code), благодаря чему, система исполнения интерпретирующего типа очень проста в адаптации. Какие-либо ограничения на аппаратную платформу практически отсутствуют. Помимо генерации TIC-кода, в ISaG­RAF существует возможность трансляции проекта в С текст. UltraLogik В июне 2004 года вышла в свет новая 32-разрядная версия популярной системы разработки UltraLogik для PC-совместимых контроллеров. Этот пакет предназначен для создания прикладного программного обеспечения сбора данных и управления технологическими процессами, которое исполняется на программируемых контроллерах с открытой архитектурой в соответствии со стандартом МЭК 61131-3. Ultralogik-32 работает под управлением наиболее популярных на сегодня ОС Windows 2000 и XP. Новая версия обладает целым рядом преимуществ по сравнению с предыдущей. Теперь вы можете программировать контроллер не только при помощи функциональных блоковых диаграмм (FBD), но и на других языках: Structured Text (ST), Instruction List (IL), Pascal и Assembler. Расширился набор типов переменных, базовых функциональных блоков и встроенных математических функций, что значительно упрощает использование системы. Включен также компилятор с возможностью оптимизации, позволяющий создавать компактный и быстродействующий код. Новая среда программирования имеет мощные коммуникационные возможности для работы в сетях RS-485 и Ethernet, включающие возможность организации соединений по протоколу TCP/IP и улучшенный обмен по протоколу IPX. Полная поддержка протокола Modbus обеспечивает совместимость контроллеров с другими устройствами и позволяет создавать как ведомые, так и ведущие узлы в сети. Необходимо отметить, что в новой версии UltraLogik появилась столь необходимая поддержка модулей распределенного ввода - вывода серии ADAM-4000. 10. Стандарты на конструктивы АПК Подавляющее большинство изделий выпускается в стандарте Евромеханика. Для стандарта МЭК 297 (дюймы) элементы конструкции плат, модулей, блоков, шкафов выполняются со следующими единицами измерения: - высота конструктива – 1U = 7/4″ = 44,45 мм; - ширина модуля – 1 HP = 0,2″ = 5,08 мм; - ширина субблока – 84 HP. Предпочтительные размеры плат в субблоки: Высотой 3U – 100х160 мм и 100х220 мм; Высотой 6U – 233,35х160 мм и 233,35х220 мм. Метрический стандарт МЭК 917: - высота - 1SU = 25 мм; - единицы ширины: 1mp1 = 25 мм, 1mp2 = 5 мм, 1 mp3 = 2,5 мм. Высота плат под установку в каркасы – 6SU и 12SU – 115 и 265 мм. Крупнейшим мировым производителем конструктивов является фирма Schroff (ФРГ). Степень защиты изделий от воздействия окружающей среды характеризуется, согласно МЭК 529, IP-кодом (International Protection). Степень защиты кодируется так: IPxy, где x и y – степени защиты от твердых тел и влаги соответственно.