Лекция: Контроллер средней информационной мощности МФК1500

Осенью 2009 года компания «Промконтроллер», входящая в группу «ТЕКОН» (www.tecon.ru), представила новую разработку – многофункциональный программируемый контроллер МФК1500 (рис. 4.1), выполненный в оригинальном современном дизайне [32]. МФК1500 знаменует отказ от металлоемкого конструктива «Евромеханика 19» и переход разработки отечественных средств автоматизации на качественно новый уровень. Модули контроллера МФК1500 имеют запатентованный пластмассовый корпус из негорючего поликарбоната.

Рис. 4.1 Промышленный контроллер МФК1500

МФК1500 в линейке оборудования ТЕКОН позиционируется как контроллер среднего класса, пришедший на замену широко распространенным контроллерам ТКМ52 и МФК, с расширением возможностей по функционалу, условиям применения и проектирования. Контроллер предназначен для построения управляющих и информационных систем автоматизации технологических процессов среднего и высокого уровня сложности и может применяться как в составе централизованных, так и распределенных систем управления.

Контроллер МФК1500 во многом унаследовал передовые схемотехнические решения от флагмана линейки ТЕКОН – контроллера МФК3000. Разработчики контролера старались сохранить в новом устройстве надежность МФК3000, расширить возможности масштабирования и снизить стоимость решений, создаваемых на его основе.

Конструкция контроллера позволяет гибко выбирать количество и различные сочетания модулей ввода/вывода для каждого объекта автоматизации (от 4 до 64 модулей, в том числе модуль центрального процессора). МФК1500 может управлять подсистемами АСУ ТП энергоблоков, энергетических и водогрейных котлов, других объектов энергетики. Контроллер cоответствует отраслевым требованиям, предъявляемым к системам автоматизации ответственных объектов химической, атомной и нефтеперерабатывающей промышленности и может с успехом применяться в подсистемах противоаварийных защит и блокировок.

МФК1500 обладает следующими преимуществами:

· развитые возможности дублирования и резервирования контроллера в АСУ ТП, что позволяет проектировать системы, устойчивые к единичному отказу;

· возможность проектирования систем оптимальной конфигурации, масштаба от 100 до 1500 каналов (от 2 до 64 модулей в составе одного контроллера, включая модуль ЦП);

· подключение к объекту через клеммно-модульные соединители, что выносит тепловыделение за пределы контроллера и позволяет обходиться без принудительной вентиляции;

· номенклатура модулей и клеммно-модульных соединителей покрывает основные типы сигналов АСУ ТП;

· индивидуальная гальваническая развязка аналоговых каналов модулей ввода/вывода;

· возможность «горячей» замены модулей, в том числе процессорного модуля, поддержка технологии Plug&Play;

· поддержка протокола Modbus TCP/RTU/ASCII;

· резервирование процессорного модуля и модулей ввода-вывода;

· развитые средства диагностики модулей;

· дублированная системная шина контроллера;

· дублированное питание контроллера 220 VАC/VDC;

· дублированная внутренняя шина синхронизации данных резервированных ЦП;

· дублированный интерфейс Ethernet 100 Base-T;

· исполнения на диапазоны температур: +1...+60°С, -40...+60°С.

Большое внимание при создании контроллера уделялось возможности оптимального (как по функциям, так и по стоимости) проектирования систем масштаба от 100 до 1500 каналов. В составе контроллера предусмотрено применение шасси на 4, 8, 16 в любых комбинациях, что позволяет проектировать контроллеры от 4 до 64 модулей с избыточностью не более 3 свободных мест. Аналоговые модули имеют исполнения на 2, 4, 8 и 16 каналов, а дискретные – на 16 или 32 канала, что также позволяет выбирать оптимальную конфигурацию системы. Кроме того, в номенклатуре имеются модули с комбинацией каналов ввода и вывода, а клеммно-модульные соединители позволяют подключать к одному модулю УСО дискретные сигналы различных уровней.

Для применения с контроллером МФК1500 разработаны новые клеммно-модульные соединители (КМС) и умощнители дискретных сигналов (УДС) унифицированного типоразмера, более компактные по сравнению с устройствами предыдущего поколения. Одностороннее обслуживание контроллера МФК1500 в сочетании с новыми компактными клеммно-модульными соединителями и умощнителями позволяет разместить в одностороннем шкафу глубиной 400 мм систему управления, способную обрабатывать до 550 дискретных согналов.

В составе контроллера МФК1500, наряду с собственными модулями центрального процессора, предусмотрена возможность использования более мощного процессорного модуля P05-02 от контроллера МФК3000. Модули ЦП МФК3000 устанавливаются в отдельное шасси.

Резервирование

В МФК1500 обеспечивается многоуровневое резервирование и дублирование ресурсов контроллера, что позволяет разрабатывать системы автоматизации с различными требованиями к степени безопасности. Разработчику АСУ ТП предоставляется возможность определить режим использования контроллера с частичным или полным резервированием и дублированием ресурсов МФК1500:

· резервирование или троирование модулей УСО;

· резервирование модулей центральных процессоров (ЦП);

· 100% горячее резервирование контроллеров.

Резервирование или троирование модулей УСО выполняется программным обеспечением самих модулей, без привлечения ресурсов центрального процессора и использования дополнительного оборудования. Резервированные или троированные модули УСО могут устанавливаться в произвольные посадочные места, в т. ч. в разных шасси. При таком использовании МФК1500 можно осуществить дублирование только тех модулей УСО, входные/выходные сигналы которых участвуют в алгоритмах защит и блокировок и резервировать модули выходов регуляторов. Это позволяет, например, реализовать в рамках одного контроллера информационную подсистему (без резервирования модулей УСО) и подсистему управления, где требуется резервирование.

Резервирование модулей ЦП значительно повышает надежность всего контроллера. При отказе основного ЦП происходит переключение на резервный за время не более 10 мс с момента обнаружения отказа, без «провалов» по выходам модулей УСО. За счет постоянной синхронизации данных резервного ЦП с данными основного ЦП регуляторы и защиты переключаются безударно. Механизм резервирования ЦП выполняется программными средствами, при этом синхронизация (зеркализация) данных в ЦП осуществляется по дублированной внутренней шине.

Резервирование модулей ЦП и модулей УСО необходимо использовать при разработке систем ПАЗ и автоматического регулирования. Также резервирование ЦП при соблюдении определенных мер безопасности позволяет модернизировать технологическое программное обеспечение контроллера без останова объекта управления.

При 100% горячем резервировании МФК1500 требуется соединение контроллеров дублированным кабелем для передачи сигналов переключения между контроллерами (рис. 2).

Рис. 4. 2 Резервирование МФК1500

Полноценная поддержка технологии резервирования неразрывно связана с необходимостью наличия развитых средств диагностики. Причем диагностика необходима как в основном, работающем в данный момент оборудовании, чтобы при отказе своевременно выполнить переключение на резервное оборудование, так и в резервном, чтобы вовремя обнаружить отказ, не допустить переключения на неисправный модуль и выполнить замену модулей, в которых обнаружены отказы.

В МФК1500 встроены развитые средства диагностики.

На модуле ЦП выполняются:

· контроль «зависания» технологической программы (Watchdog);

· контроль напряжения питания по обеим шинам питания контроллера;

· контроль напряжений внутренних источников питания;

· контроль выполняемых процессов в многозадачной операционной системе;

· контроль работы внутреннего интерфейса;

· контроль работы внешних сетевых интерфейсов;

· контроль температуры.

В модулях ввода/вывода выполняются:

· контроль «зависания» программы в микропроцессоре модуля (Watchdog);

· контроль целостности программы и данных в flash-памяти;

· контроль линии связи с датчиками на обрыв для аналоговых модулей;

· контроль выхода аналогового сигнала за рабочий диапазон;

· контроль отказа АЦП;

· контроль температуры на модуле;

· контроль качества связи по каждому из каналов внутреннего интерфейса;

· контроль времени обращения к модулю по внутреннему интерфейсу;

· индикация остатка количества записей в flash-память модуля;

· индикация версий встроенного ПО и ревизий печатных плат модулей.

На контроллерном уровне постоянно отслеживается целостность передаваемых данных по дублированным шинам.

Состав и принципы функционирования

МФК1500 имеет распределенную архитектуру и модульную конструкцию. Один контроллер может включать несколько шасси на 4, 8 и 16 посадочных мест. В составе одного контроллера могут использоваться до 64 модулей ввода/вывода.

Архитектура контроллера МФК1500 имеет дублированную систему питания, состоящую из двух шин, подключенных к двум источникам питания. Источники питания могут быть подключены к сети переменного тока напряжением от 93 до 240 В или постоянного тока напряжением от 100 до 240 В. Выход из строя любого источника питания или короткое замыкание одной из шин 24 В не приводит к отказу контроллера, равно как и короткое замыкание питания на модуле.

Дублированная внутренняя шина данных МФК1500 разрешает многомастерную работу. Это позволяет при фиксированном цикле опроса всех модулей выделять отдельные сигналы в особый тип инициативных сообщений. При изменении таких сигналов модули УСО сами передают в ЦП данные измененных каналов, что позволяет повысить быстродействие системы защит при сохранении общего цикла опроса модулей УСО. Протокол обмена обеспечивает гарантированное время доставки как инициативных сообщений от модулей ввода/вывода к ЦП, так и сообщений от ЦП к самим модулям УСО. Любой модуль может передавать инициативные сообщения как по результатам диагностики, так и по факту изменения входного сигнала. Гарантированное время доставки инициативных сообщений зависит от общего количества модулей и составляет от 1 мс до 6 мс (6 мс – для контроллера, состоящего из 64 модулей).

Рис.4.3 Модуль центрального процессора CPU715

Модуль центрального процессора CPU715 (рис.4.3) выпускается в трех исполнениях, отличающихся тактовой частотой процессора (INTEL XScale® 266 или 533 МГц), объемом памяти (32 Mb SDRAM, 16 Mb Flash или 64 Mb SDRAM, 32 Mb Flash) и аппаратной поддержкой резервирования контроллеров. На модуле ЦП расположены 2 порта Ethernet 100 Mb, 2 порта RS-485 с индивидуальной гальванической развязкой, порт RS232 и ключ переключения режимов работы ЦП. Переключатель имеет три положения: LOCK, RUN и PRG. При старте ЦП переходит в режим конфигурирования контроллера (положение PRG) или режим управления (положения RUN и LOCK).

Помимо шасси и модуль центрального процессора в состав контроллеры входя модули УСО, КМС, УДС, источники питания (ИП), кабели и вспомогательное оборудование.

В табл. 4.1 приведены краткие технические характеристики модулей УСО.

Табл.4.1 Характеристики модулей УСО

Программное обеспечение

Контроллер МФК1500 предоставляет разработчику АСУ ТП возможность создания, загрузки и отладки прикладных проектов, используя языки технологического программирования в соответствии с международным стандартом IEC 61131-3. Среда технологического программирования, установленная на инженерной станции разработчика АСУ ТП, взаимодействует с исполнительной системой контроллера, состав и функциональные характеристики которой определяются конфигурацией контроллера и выбранной средой программирования.

В зависимости от требований, предъявляемых к АСУ ТП, разработчик системы может использовать для программирования контроллеров среду ISaGRAF v.5, а также инструментальные средства, входящие в состав SCADA ТЕКОН. Базовой системой программирования для всей линейки контроллеров ТЕКОН является система ISaGRAF.

Основой базовой исполнительной системы является системное программное обеспечение (СПО), обеспечивающее доступ ко всем ресурсам контроллера и эффективное выполнение прикладной программы пользователя. Загрузка подготовленных прикладных программ в память контроллера для отладки и выполнения производится по сети Ethernet, используя протокол TCP/IP.

Базовым СПО контроллеров ТЕКОН является СПО TeNIX®, включающее ядро многозадачной ОС Linux с драйверами и файловой системой, а также подсистему ввода/вывода, взаимодействующую со встроенным программным обеспечением модулей УСО. СПО TeNIX® контроллеров МФК1500 имеет удобное встроенное средство конфигурирования, тестирования, и мониторинга состояния ресурсов контроллера – программу TUNER. Программа TUNER имеет пользовательский Web-интерфейс. Доступ к программе TUNER осуществляется по протоколу TCP/IP при использовании любого графического Internet браузера современных операционных систем: Internet Explorer, Opera, Netscape, Mozilla, Google Chrome и т.д.

Основными функциональными возможностями программы TUNER являются:

· конфигурирование контроллера;

· индикация текущих настроек;

· проверка функционирования контроллера;

· доступ к диагностической информации;

· активизация функций и системных сервисов;

· визуализация архива пользовательских сообщений;

· обновление СПО контроллера.

Система программирования ISaGRAF (рис. 6) состоит из среды разработки ISaGRAF Workbench и среды исполнения (целевой задачи), предустановленной на МФК1500. Среда разработки предоставляет полный набор средств для визуального интерактивного создания программ, документирования проектов, архивации, мониторинга проекта, off-line симуляции, «горячего» редактирования проектов. Встроенная библиотека ISaGRAF включают в себя около ста функций и функциональных блоков обработки целочисленных, вещественных, дискретных, временных и строковых переменных.

В ISaGRAF заложена концепция структурного программирования, предоставляющая возможность описать автоматизируемый процесс в наиболее простой и понятной форме. Система позволяет осуществлять распределенную разработку прикладного проекта, простое построение и конфигурирование сетей, «запускать» несколько ресурсов на одном МФК1500, обмениваться данными непосредственно между контроллерами. Среда ISaGRAF Workbench полностью русифицирована и поставляется с электронной документацией на русском языке.

Разработчику АСУ ТП также доступны алгоритмы из библиотеки TIL Std, реализующей функции регулирования, статических и динамических преобразований, индивидуального и группового управления исполнительными механизмами, контроля выборки сигналов. Функциональные блоки библиотеки TIL Std служат дополнением к существующим стандартным функциям и функциональным блокам, интегрированным в среду ISaGRAF. Применение указанных функциональных блоков предоставляет разработчику АСУ ТП средства для более удобной и быстрой разработки пользовательских приложений.

Универсальным средством доступа со стороны SCADA-систем к переменным прикладного проекта ISaGRAF, исполняемого в контроллере, является программа TeconOPC Server. TeconOPC Server позволяет связать систему верхнего уровня с МФК1500, работающего в сети Ethernet по протоколу TCP/IP. Возможно автоматическое конфигурирование OPC-сервера. TeconOPC Server может быть запущен SCADA-системой с автоматической загрузкой определенного файла конфигурации. В процессе работы ведется журнал событий с регистрацией времени подключения и отключения, нарушений качества передачи данных.

Помимо открытой платформы на базе системы программирования ISaGRAF и OPC-технологии, контроллер МФК1500 применяется в составе интегрированного программно-технического комплекса ТЕКОН. Программное обеспечение ПТК ТЕКОН имеет мощную базу данных, удобный и простой интерфейс, среду разработки программ пользователя, модульную среду исполнения и современные средства экспорта/импорта данных.