Применение контроллеров в ИАС

К программно-техническим устройствам относятся микропроцессорные контроллерные модули, модули ввода/вывода, операторские панели, коммутационные модули.

Рассмотрим основные технические характеристики котроллеров, по которым можно сделать выбор при проектировании ИАС:

1. производительность, определяемая характеристиками процессора;

2. диапазон обрабатывающих сигналов, определяемых характеристиками каналов модулей ввода/вывода, поддерживаемых контроллерами;

3. коммуникация возможности для подключения к сети, к персональному компьютеру и к другим устройствам.

4. набор средств программирования (пакеты программирования, ОРС-серверы, программы собственных протоколов).

5. использование промышленных протоколов для интеграции контроллеров в систему автоматизации.

6. эксплуатационные характеристики.

1. К характеристикам процессора, определяющих производительность контроллеров, относятся:

- разрядность и рабочая частота (16-, 32-битные);

- объем различных видов памяти ОЗУ (RAM), ПЗУ (ROM), ППЗУ (PROM), флеш (Flesh);

- поддержка алгоритмов управления в масштабе реального времени с сетевыми протоколами (от 100 МГц и более).

2. Характеристика контроллера «диапазон обрабатываемых сигналов» определяется количеством и уровнем коммутируемых сигналов, по способу подключения к МВВ. Например, приведенные ниже контроллеры MicroLogix обрабатывают всего лишь несколько десятков аналоговых и дискретных сигналов (рис. 22).

Рис. 22. Контроллеры фирмы MicroLogix

Контроллеры Simatic (Siemens) (рис. 23) обрабатывают до нескольких сот сигналов.

Рис. 23. Контроллеры фирмы Simatic

3. Коммуникационные возможности контроллеров определяются:

- количеством портов в процессорных модулях;

- количеством отдельных модулей;

- поддерживаемыми протоколами

4. Программное обеспечение контроллеров.

Для программирования ПЛК используются стандартизированные языки МЭК (IEC) стандартом IEC61131-3

Языки программирования для автоматизации (графические):

· LD – язык релейных схем - самый распространённый язык для PLC.

Ladder Diagram (LD, LAD, РКС) – язык релейной логики. Применяются также названия: язык релейно-контактной логики, релейные (или релейно-контактные) диаграммы (схемы), лестничной Язык программирования стандарта IEC61131-3. Предназначен для программирования промышленных контроллеров (ПЛК). Синтаксис языка был особенно удобен для замены логических схем, выполненных на релейной технике. Ориентирован на инженеров по автоматизации, работающих на промышленных предприятиях. Обеспечивает наглядный интерфейс логики работы контроллера, облегчающий не только задачи собственно программирования и ввода в эксплуатацию, но и быстрый поиск неполадок в подключаемом к контроллеру оборудовании.

Конкретные версии языка реализуются обычно в рамках программных продуктов, для работы с конкретными типами ПЛК, например, такими, как STEP 7 фирмы Siemens для работы с контроллерами SIMATIC.

Программа на языке релейной логики имеет наглядный и интуитивно понятный инженерам-электрикам графический интерфейс, представляющий логические (булевские) операции, как электрическую цепь с замкнутыми и разомкнутыми контактами, протекание или отсутствие тока в этой цепи соответствует результату логической операции (true - если ток течет; false - если ток не течет). Основными элементами языка являются контакты, которые можно образно уподобить паре контактов реле или кнопки. Пара контактов отождествляется с логической переменной, а состояние этой пары - со значением переменной.

· FBD – язык функциональных блоков. Второй по распространённости язык для PLC.

FBD (англ. Function Block Diagram) – графический язык программирования стандарта IEC61131-3. Предназначен для программирования промышленных логических контроллеров (ПЛК). Программирование на нём представляет собой размещение на поле набора логических блоков И, ИЛИ, НЕ, триггеров, таймеров, блоков обработки сигнала и установления связи между ними. Графическая программа состоит из экземпляров функциональных блоков и соединений между ними. Исполняется сверху вниз и слева направо. Функциональные блоки могут быть написаны на других языках, например IL или ST.

Модификацией FBD является язык программирования CFC. Он позволяет произвольно задавать порядок выполнения блоков. FBD предельно прост в изучении и удобен для прикладных специалистов, не имеющих специальной подготовки в области информатики.

· SFC – язык диаграмм состояний. Используется для программирования автоматов.

Sequential Function Chart – язык программирования стандарта IEC61131-3.

Предназначен для программирования промышленных контроллеров. Широко используется в SCADA/HMI пакетах.

SFC – графический язык, предназначенный для написания программ последовательного управления технологическим процессом, описывающий его в форме близкой к диаграмме состояний. Аналогом может служить сеть Петри с разноцветными фишками. В каждом состоянии система выполняет действия (подпрограммы) с определенными модификаторами. Например, модификатор N – исполнять, пока состояние активно.

Основными элементами языка являются:

· состояния, в которых выполняются определенные действия, одновременно могут быть активны несколько состояний, одно из состояний является начальным;

· переходы из состояния в состояние, для каждого перехода задаются логическое условие перехода к следующему шагу;

· альтернативное ветвление алгоритма, когда из текущего состояния возможны переходы к нескольким состояниям, при этом каждому переходу соответствует свое логическое условие и при выполнении алгоритма производится только один из альтернативных переходов;

· параллельное ветвление, в отличие от альтернативного имеет общее условие перехода на несколько параллельно работающих веток;

· переход к заданному состоянию;

· останов процесса.

· CFC – не сертифицирован IEC61131-3, дальнейшее развитие FBD.

Языки для программистов ПЛК (текстовые):

· IL – Ассемблер.

IL (Instruction List) – язык программирования стандарта IEC61131-3. Предназначен для программирования промышленных контроллеров. По синтаксису напоминает ассемблер. Ориентирован на профессиональных программистов и разработчиков контроллеров и ПО для них. Является вместе с LD одним из самых распространённых при программировании ПЛК.

· ST – паскале-подобный язык.

Structured Text (ST) — язык программирования стандарта IEC61131-3. Предназначен для программирования промышленных контроллеров и операторских станций. Широко используется в SCADA/HMI/SoftLogic пакетах. По структуре ближе всего к языку программирования Паскаль. Удобен для написания больших программ и работы с аналоговыми сигналами и числами с плавающей точкой.

При разработке ИАС можно руководствоваться двумя подходами для выбора контроллера:

1. использовать контроллер одного из специализированных производителей (например, Siemens, Allen Bredley, Omron и т.д.) или взять за основу контроллер с открытой архитектурой. В этом случае программирование контроллера осуществляется строго с использованием специализированного программного обеспечения, поставляемого производителем. Выбор дополнительных аппаратных средств и SCADA системы также ограничен из-за отсутствия совместимости с разработками конкурентов. Практически, это увеличивает затраты на стыковки различных систем, а также зависимость от номенклатуры одного производителя, что в некоторых случаях может привести к невозможности реализации специфичных задач.

2. использовать контроллер с открытой (РС-совместимой) архитектурой. Проблемы совместимости становятся решаемыми. Во-первых, появляется возможность разработки любого программного протокола. Во-вторых, при отсутствии необходимого аппаратного модуля, он также может быть разработан, поскольку аппаратная архитектура такого контроллера тоже открыта. В качестве примера такого контроллера можно привести контроллеры фирмы Beckhoff. Использование контроллера с открытой архитектурой предоставляет широкое многообразие способов его программирования, не зависящих от конкретного производителя.

Рассмотрим серию устройств CX1000.(рис. 23 а) Это модульная система, которую можно смонтировать на шину. Ее компоненты соединяются вместе и устанавливаются в шкаф управления или в распределительную коробку, в зависимости от требуемых функций

Рис.23 а. Контроллеры Beckhoff.

Модули серии CX1000 соединяются друг с другом стандартизированной шиной PC104 (16 бит). Некоторые компоненты серии – это модули, которые можно соединять в группы. Базовое устройство состоит из модуля ЦП (CX1000-0000) модуля электроснабжения (CX1100-000x). Дальнейшие системные интерфейсы для последовательного соединения (2x RS 232, и RS422, RS485), так же как и аудио-сигналы доступны отдельно.

Модуль ЦП доступен в нескольких вариантах.

Это связано:

а) с внутренней конфигурацией памяти: есть 2 варианта – или 16мб флэш/32 ОЗУ или 64мб флэш/128 ОЗУ; последнее необходимо, если система оснащена Embedded Windows XP.

б) с конфигурацией системных интерфейсов: как вариант, можно добавить DVI и 2 USB интерфейса к Ethernet и RS 232, которые присутствуют по умолчанию.

в) с операционной системой: есть выбор между Microsoft Windows CE.NET и Embedded Microsoft Windows XP, – предустановленным программным обеспечением TwinCAT: CX1000 может быть установлен без системы TwinCAT, с TwinCAT CE PLC или с TwinCAT CE NC PTP, или с соответствующей полной версией индивидуального TwinCAT для ПЛК и Motion Control.

Доступны добавочные системные интерфейсы для последовательного соединения (2x RS 232, и RS422, RS485) и аудио сигналов.

Номенклатура добавочных модулей полевых интерфейсов для CX1000 добавляется с помощью соединения fieldbus для Profibus, CANopen, DeviceNet, SERCOS интерфейса и Lightbus, в версиях Master/Slave. Доступны следующие интерфейсы Fieldbus: Beckhoff Lightbus (master и slave), Profibus DP (master и slave), CANopen (master и slave), DeviceNet (master и slave) и SERCOS Interface (только master).

Использование fieldbus модулей master в CX1000 системах позволяет использовать все компонентов Beckhoff fieldbus (шинные соединители, шинные терминальные контроллеры, приводы и др.) в роли распределенных управляющих компонентов для сбора комплексных систем.

Использование fieldbus модулей slave позволяет употребление CX1000 систем в роли подчиненного распределенного контроллера для состава сложных или модульных систем.

К продукции российской фирмы ТЕКОН относятся программируемые логические контроллеры МФК, ТКМ51, ТКМ52, ТКМ21 различной мощности.

Контроллеры МФК относятся к классу PC-совместимых контроллеров. МФК - многофункциональный технологический контроллер, имеющий большую гибкость при конфигурировании, обладающий мощными вычислительными ресурсами (процессоры семейства 586) и большим количеством каналов ввода/вывода (более 750). Контроллер предназначен для сбора, обработки информации и управления объектами в схемах автономного управления или в составе распределенной системы управления на основе локальных сетей уровней LAN (Ethernet, Arcnet) и Fieldbus (Bitbus, CAN). Контроллер реализует функций программно-логического управления, многоконтурного регулирования, выполнения сложных алгоритмов управления, требующих большой вычислительной и информационной мощности.

Контроллер является проектно компонуемым устройством, т. е. модули (процессорный, коммуникационные, ввода/вывода) устанавливаются в контроллер изготовителем в соответствии с заказанной конфигурацией. Пользователь может самостоятельно наращивать или изменять конфигурацию контроллера.

Контроллер состоит из базовой части, одного процессорного модуля, коммуникационных модулей, модулей ввода/вывода, блока клавиатуры-индикации (необязательно).

В контроллере могут быть использованы два типа процессорных модулей P4823L, 5066A.

Характеристики процессорных модулей приведены ниже:

Контроллер имеет 16 посадочных мест для установки модулей ввода/вывода.

При любом типе процессорного модуля контроллер имеет следующие интерфейсы:

- последовательный порт RS-232 (COM1);

- интерфейс для подключения блока клавиатуры и индикации (COM2);

- интерфейс резервирования.

Дополнительные модули:

- модуль 5500 (Ethernet, стандарт 10BASE-T, витая пара);

- модуль 5560 (ArcNet, витая пара);

- модуль microTCX (BITBUS, витая пара).

Резервирование контроллеров МФК показано на рис 23 б.

Рис.23 б. Схема резервирования контроллеров МФК.

Схема резервирования включает в себя два взаимосвязанных определенным образом контроллера МФК с одинаковыми комплектацией, размещением собственного оборудования и базовым программным обеспечением. Для программирования контроллеров МФК используется пакет ISaGRAF