Лекция: Контроллер для распределенных систем КРОСС-500

Рис. 5.2. Распределенная АСУ ТП

Централизованная АСУ ТП имеет ряд недостатков:

· Hеобходимость применения в управляющих контролерах мощных высокопроизводительных процессоров. Поскольку все задачи решаются только одним процессором, то при большом количестве периферийных устройств и модулей ввода-вывода он должен иметь достаточно большую производительность.

· Большие трудности, связанные с расширением системы. При расширении или модернизации требуется замена конструктива контроллера и модификация или полная замена программного обеспечения.

· Невысокая надежность системы и повышенная подверженность действию помех. Поскольку электронные блоки системы при таком подходе сосредоточены в одном месте, то к ним приходится прокладывать большое количество силовых и сигнальных цепей (от датчиков и исполнительных устройств), что при больших габаритах системы снижает надежность и увеличивает стоимость (большой расход дорогостоящей кабельной продукции) системы.

В связи с резким удешевлением микропроцессорной техники с одновременным повышением их надежностных характеристик, уменьшением их размеров и увеличением их функциональных возможностей появилось большое количество малогабаритных контроллеров и компьютеров, обладающих невысокой стоимостью. Наличие развитых сетевых средств позволяет связывать эти контроллеры в единую сеть, причем различные узлы (контроллеры, интеллектуальные модули ввода-вывода, компьютеры) этой сети могут быть разнесены друг от друга на достаточно большие расстояния.

Такая распределенная архитектура системы управления обладает следующими достоинствами:

· Высокая надежность работы системы. Четкое распределение обязанностей в распределенной системе делает ее работоспособной даже при выходе из строя или зависания любого узла. При этом работоспособные узлы продолжают осуществлять сбор данных и управление процессом или осуществляют последовательный останов технологического оборудования.

· Малое количество проводных соединений. Контроллеры имеют возможность работать в тяжелых промышленных условиях, поэтому они, как правило, устанавливаются в непосредственной близости от объекта управления. В связи с этим существенно снижается расход кабельной продукции, а для организации сети, как правило, достаточно всего двух или четырех проводов.

· Легкая расширяемость системы. При появлении дополнительных точек контроля и управления достаточно добавить в системы новый узел (контроллер, интеллектуальный модуль ввода-вывода).

· Малые сроки проведения модернизации. Наибольший выигрыш достигается при модернизации крупных систем, поскольку большая часть аппаратных средств и программного обеспечения не требует модификации.

· Использование компьютеров и контроллеров меньшей мощности.

· Легкость тестирования и отладки. Поскольку все элементы системы активны, легко обеспечить самодиагностику и поиск неисправности.

В настоящее время на Российских предприятиях функционирует большое количество контроллеров как импортных, так и отечественного производства, позволяющих строить распределенные АСУ ТП. Среди них контроллеры КРОСС-500 и комплекс полевых приборов ТРАССА (ОАО «ЗЭиМ», г. Чебоксары), комплекс Деконт (фирма «ДЭП», г. Москва), Теконик (АО «Текон», г. Москва), DCS-2000 (ЗАО «Эмикон»,
г Москва), контроллеры и УСО серий NL и CL (ООО «НИЛ АП», г. Таганрог), ADAM-4000, 5000, 6000 (Advantech), I-7000, 8000 (ICP DAS), сетевые контроллеры фирм Siemens, Analog Device и др.

Контроллер для распределенных систем КРОСС-500

Основное назначение контроллера КРОСС-500 (рис.5.3) – построение высокоэффективных (недорогих и надежных) систем автоматизации различных технологических объектов. Контроллер обеспечивает хорошее соотношение производительность/стоимость одного управляющего или информационного канала, однородность аппаратуры автоматики на предприятии, уменьшает затраты на ЗИП, обучение персонала и т.п.

Основные области применения контроллера КРОСС-500 – системы автоматизации технологических объектов широкого класса (простых и сложных, медленных и быстрых, сосредоточенных и распределенных в пространстве) в различных отраслях с непрерывными и дискретными технологическими процессами (энергетические, химические, нефте- и газодобывающие, машиностроительные, сельскохозяйственные, пищевые производства, производство стройматериалов, предприятия коммунального хозяйства т.п.).

Контроллер ориентирован на построение недорогих систем различной алгоритмической и информационной сложности:

· макро-система (до 3840 каналов);

· миди-система (64-128 каналов);

· мини-система (16-64 каналов);

· система малой, локальной автоматики (бесконтактная релейная логика).

Рис.5.3. Контроллер КРОСС-500

Контроллер предназначен для решения следующих типовых задач автоматизации:

· сбор информации с датчиков различных типов и ее первичная обработка (фильтрация сигналов, линеаризация характеристик датчиков, приведение сигналов к физическим единицам измерения и т.п.);

· выдача управляющих воздействий на исполнительные органы различных типов;

· контроль технологических параметров по граничным значениям и аварийная защита технологического оборудования;

· регулирование прямых и косвенных параметров по различным законам;

· логическое, программно-логическое управление технологическими агрегатами, автоматический пуск и останов технологического оборудования;

· математическая обработка информации по различным алгоритмам;

· регистрация и архивация технологических параметров;

· технический учет материальных и энергетических потоков (электроэнергия, тепло) различными участками производства;

· обмен данными с другими контроллерами в рамках контроллерной управляющей сети реального времени;

· обслуживание станций технолога-оператора, прием и исполнение их команд, аварийная, предупредительная и рабочая сигнализация, индикация значений прямых и косвенных параметров, выдача значений параметров и различных сообщений на пульт технолога-оператора и рабочих станций верхнего уровня;

· обслуживание технического персонала при наладке, программировании, ремонте, проверке технического состояния контроллера;

· самоконтроль и диагностика всех устройств контроллера в непрерывном и периодическом режимах, вывод информации о техническом состоянии контроллера обслуживающему персоналу.

Отличительные особенности контроллера КРОСС-500:

· Интеллектуальная система ввода-вывода.

· Функционально-децентрализованная архитектура.

· Высокие динамические качества.

· Проектно-компонуемый состав и масштабирование с точностью до одного канала.

· Высокие базовые уровни надежности и живучести.

· Развитые возможности резервирования.

· Настройка и контроль модулей, осуществляемые как дистанционно, так и автономно.

· Наличие интерфейса с пультом технолога-оператора. Наличие средств связи контроллера с верхним уровнем.

· Возможности программирования технологической программы пользователя (ТПП).

· Применение стандартных средств, обеспечивающих системную и программную совместимость контроллеров как с контроллерами ТРАССА-500, P-130ISa, так и с изделиями других фирм.

· Особенности конструкции, обеспечивающие гибкие возможности по географическому расположению устройств контроллера в любом конструктиве.

Состав контроллера КРОСС-500

Контроллер КРОСС-500 имеет функционально-децентрализован-ную архитектуру, построенную на центральном процессоре, интеллектуальных модулях ввода-вывода, программируемых модулях автономного управления (микроконтроллерах) и четырех последовательных высокоскоростных внутренних шинах, объединяющих модули.

Все элементы контроллера работают параллельно и автономно: каналы ввода-вывода в модулях; сами модули, управляющие процедурами ввода-вывода и первичной обработки данных (фильтрация, линеаризация, калибровка); четыре внутренние шины, осуществляющие обмен данными модулей с центральным процессором; центральный процессор, выполняющий технологическую программу контроллера.

Контроллер КРОСС-500 является проектно-компонуемым изделием, состав которого определеяет пользователь в зависимости от решаемых задач. Контроллер в общем случае компонуется из блоков, модулей и других устройств из нижеследующего состава [34]:

· блок центрального процессора БЦП, БЦП2;

· модули ввода-вывода МВВ постоянного состава и проектно-компонуемые;

· микроконтроллер МК1;

· блок программируемого микроконтроллера Т-МК1;

· терминальные блоки ТБ и соединения гибкие СГ;

· блоки и модули питания;

· пульт настройки РN1;

· блок переключения БПР-10.

Блоки центрального процессора БЦП, БЦП2 управляют работой контроллера, имеют резидентное программное обеспечение (РПО), включающее операционную систему реального времени RTOS-32 и исполнительную систему ISaGRAF Target. Предназначены для загрузки и выполнения технологической программы пользователя (ТПП).

Блоки построены на базе РС-совместимых процессоров. БЦП2 построен по двухъядерной архитектуре и имеет коммуникационный сопроцессор (по заказу), снимающий с основного процессора функции

Табл.5.1. Характеристики блоков центрального процессора

опроса модулей ввода-вывода. Связь между процессорами организована через ОЗУ с двусторонним доступом. Краткие характеристики блоков приведены в табл.5.1.

Программируемый микроконтроллер МК1 может выполнять функции управления, регулирования и защиты автономно от центрального процессора или параллельно с ним. Микроконтроллер МК1 выполнен на базе проектно-компо-нуемого модуля ADIO1 и имеет до 8 ячеек с аналоговыми каналами ввода-вывода; 8 дискретных входов; 8 дискрет­ных выходов. МК1 отличается от модуля ADIO1 схемой платы процессора и резидентным программным обеспече­нием, позволяющим выполнять собственную технологичес­кую программу пользователя.

МК1 обеспечивает управление объектом, снижая избыточ­ность и стоимость систем.

Блок программируемого микроконтроллера Т-MK1 имеет проектно-компонуемый состав: до 8 ячеек с аналого­выми и дискретными каналами ввода-вывода. Параметры ячеек приведены в таблице 5.2.

Блок Т-MK1 может выполнять функции управления, регули­рования и защиты автономно от центрального процессора или параллельно с ним. Т-МК1 может использоваться для построения небольших систем автоматизации без применения центрального процессора и имеет систему ввода-вывода блока Т-ADIO1. Один из последовательных портов Т-МК1 может использоваться для подключения блоков Т-ADIO1, Т-DIO1 и Т-МК1 с целью увеличения числа входов-выходов. В этом слу­чае Т-МК1 является «ведущим» в сети. Резидентное програм­мное обеспечение микроконтроллера включает операционную систему реального времени и исполнительную систему ISaGRAF Target. Программирование Т-МК1 осуществляется налюбом из шести языков системы ISaGRAF с некоторыми ограничениями на максимальное число переменных.

Проектно-компонуемые модули и блоки ввода-вывода сигналов:

· Mодуль ADIO1 – имеет до 8 ячеек с аналоговыми каналами ввода-вывода; 8 дискретных входов; 8 дискретных выхо­дов.

· Mодуль AIO2 – имеет до 8 ячеек с аналоговыми каналами ввода-вывода.

Проектно-компонуемый блок ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов повышенного быстродействия Т-ADIO1 также имеет проектно-компонуемый состав: до 8 ячеек с аналоговы­ми и дискретными каналами ввода-вывода, устанавливаемых в 8 выделенных мест модуля. Номенклатура и параметры ячеек приведены в таблице 5.2.

Проектно-компонуемый блок ввода-вывода дискретных сигналов Т-DIO1 имеет до 8 ячеек с дискретными каналами ввода-вывода, ячейки установлены в 8 выделенных мест модуля.

Модули ввода-вывода постоянного состава в зависимости от вида сигналов подразделяются на 2 группы:

· модули ввода-вывода дискретных сигналов с групповой или индивидуальной гальванической развязкой между каналами;

· модули ввода-вывода аналоговых сигналов с групповой гальванической развязкой.

Табл.5.2. Ячейки проектно-компонуемых модулей АDIO1, AIO2 и микроконтроллера МК1 и блока T-ADIO1, микроконтроллера Т-МК1

Терминальные блоки используются для подсоединения внешних цепей к МВВ и микроконтролле­ру МК1 через клеммные колодки, а также для преобразования уровней, гальванического разделения и усиления дискретных сигналов

В состав терминальных блоков входят:

· Аналоговые терминальные блоки, имеющие клеммные ко­лодки с винтовыми зажимами Т1-AI, Т1-AIО, Т1-TC,.Т1-TR, Т2-A.

· Дискретные терминальные блоки, имеющие клеммные ко­лодки с пружинными зажимами Т1-DI,.Т1-DIO,.Т1-DI-8,.Т1-DO,.Т1-DO-8.

· Дискретные терминальные блоки, имеющие дополнительные схемы преобразования входного-выходного сигнала и галь­ванического разделения между входами и выходами: Т1-DI-8/24, Т1-DI-8/110, Т1-DI-8/220, Т2-DI-8/24, Т2-DI-8/110, Т2-DI-8/220, Т1-DO-8S, Т1-DO-8R, Т1-DО-8P/24, Т1-DО-8P/110, Т1-DО-8P/220.

Подключение термнальных блоков а модулям к МВВ и микроконтролле­ру осуществляется при помощи гибких соединений: С1-А, С2-А, C1-D, С2-D-8/8.

Блок переключения БПР-10 выполняет контактное переключение до 8 аналоговых или дискретных сигналов и применяется в схемах резервирова­ния.

Пульт настройки PN1 предназначен для наладки, настройки и конфигурирования модулей, а также контроля и изменения параметров (коэффи­циентов) ТПП микроконтроллеров в автономном режиме.

Блок питания выполняет преобразование ~220/=24 В и предназначен для питания блоков контроллера. Выходная мощность 45 Вт.

Модули питания предназначенны для питания блока цент­рального процессора БЦП имеют несколько модификаций:

· AС220/5-15 выполняет преобразование ~220/=5 В. Выходная мощность – 15 Вт.

· DС24/5-15 выполняет преобразование =24/5 В. Выходная мощность – 15 Вт.

· AС220/5R-15 — резервированный модуль питания, выполняет преобразование ~220/=5 В. Выход­ная мощность – 15 Вт.

Все модули и терминальные блоки контроллера, кроме блока переключения БПР-10, выполнены для монтажа на DIN-рейку, межмодульные соединения осуществляются при помощи гибкого жгута, что исключает необходимость в специальных конструктивах. Контроллер может быть смонтирован в любой конструктивной оболочке с глубиной не менее 200 мм. Размеры модулей.–.высота 130(140) мм, длина (глубина) 100(125) мм, ширина (30,45,60,126) мм в зависимости от типа модуля. Каждый модуль имеет разъемы — для подключения внешних сигналов, интерфейса RS-485, пульта настройки и питания.