Микропроцессорная техника

1. Микропроцессорная техника

Ст. преподаватель
Попова Н.В.

2. Литература

• Харазов В.Г. «Интегрированные системы
управления технологическими процессами».
• Е.Б. Андреев, В.Е. Попадько «Технические
средства систем управления
технологическими процессами нефтяной и
газовой промышленности».
• Д.Парк, С.Маккей «Сбор данных в системе
контроля и управления».
• Э.Пар «Программируемые контроллеры».

3. Технические термины

• Контроллер -это логическое устройство,
обеспечивающее сбор, обработку данных и
выдачу управляющих воздействий.
• Контроллером в системах автоматизации
называют устройство, выполняющее
управление физическими процессами по
записанному в него алгоритму с
использованием информации, получаемой
от датчиков и выводимой в исполнительные
устройства

4. Отличие ПЛК от компьютеров

• Программируемые логические контроллеры
(ПЛК)
представляют собой конечный
(дискретный) автомат, имеющий конечное
количество входов и выходов, подключенных
посредством
датчиков,
ключей,
исполнительных механизмов к объекту
управления, и предназначенный для работы в
режимах реального времени.

5. Типы ПЛК

• Основным показателем ПЛК является число
каналов вводы-вывода. По этому признаку
ПЛК делят на группы:
• Нано ПЛК (менее 16 каналов)
• Микро ПЛК (более 16, до 100 каналов)
• Средние (более 100, до 500 каналов)
• Большие (более 500 каналов).

6. Типы ПЛК

• Многие
контроллеры
имеют
набор
сменных процессорных плат разной
производительности.
Это
позволяет
расширить
круг
потенциальных
пользователей системы без изменения её
конструктива.
• По конструктивному исполнению и способу
крепления контроллеры делятся на :

7. Типы ПЛК

• Панельные (для монтажа на панель или
дверцу шкафа);
• Для монтажа на DIN-рейку внутри шкафа;
• Для крепления на стене;
• Стоечные для монтажа в стойке;
• Бескорпусные (обычно одноплатные) для
применения
в
специализированных
конструктивах.

8. Типы ПЛК

• По области применения контроллеры
делятся:
• Универсальные общепромышленные;
• Для управления позиционированием и
перемещением;
• Коммуникационные;
• ПИД-контроллеры;
• Специализированные.

9. Типы ПЛК

• По расположению модулей ввода-вывода
ПЛК бывают:
• Моноблочными, в которых устройства в/в
не может быть удалено из контроллера и
заменено
на
другое
(одноплатный
контроллер).
• Моноблочный контроллер может иметь,
например, 16 каналов дискретного ввода и
8 каналов релейного вывода.

10. Типы ПЛК

• Модульные, состоящие из общей корзины
(шасси), в которой располагаются модуль
центрального процессора и сменные
модули в/в.
• Состав модулей выбирается пользователем
в зависимости от решаемой задачи.
Типовое число слотов для сменных модулей
от 8 до 32.

11. Типы ПЛК

• Распределенные (с удаленными модулями
в/в), в которых модули в/в выполнены в
отдельных корпусах, соединяются с
модулем контроллера по сети (обычно на
основе интерфейса RS-485) и могут быть
расположены на расстоянии до 1,2 км от
процессорного модуля.

12. Компоненты ПЛК

• К компонентам ПЛК относятся процессорные
модули, модули ввода-вывода аналоговых и
дискретных сигналов, сетевые коммуникационные
модули и модули специального назначения.
• Модульные ПЛК конфигурируются на базе шасси
или корзины. Отличие шасси от корзины состоит в
конструктиве и методе крепления модулей (4-12).
• Некоторые ПЛК не имеют корзины или шасси и
конфигурируются соединением модулей между
собой при помощи разъемов и защелок на боковых
поверхностях.

13. Компоненты ПЛК

• Модуль центрального процессора (CPU)
является
основной
интеллектуальной
составляющей
ПЛК,
обеспечивающей
обработку и хранение информации.
• CPU совмещены с модулем источника
питания, служащим для преобразования
сетевого напряжения переменного тока в
ряд напряжений, для питания CPU и
модулей ввода/вывода.

14. Компоненты ПЛК

• Процессорный модуль контроллера определяет
основное
функциональное
назначение
и
технические характеристики контроллера.
• К основным
относятся:
техническим
характеристикам
• способ выполнения программы;
• тип и тактовая частота микропроцессора
• объем памяти программ и памяти данных;

15. Компоненты ПЛК

• скорость выполнения логической операции
(команды, инструкции);
• встроенные функции (счетчики, ПИД-регулятор,
позиционирование и др.);
• число встроенных каналов аналогового и
дискретного ввода/вывода;
• тип и число последовательных портов (RS-232,
RS-485);
• интерфейсы промышленных сетей (Ethernet,
Profibus, CANbus и др.).

16. Входы-выходы

• В современных ПЛК широко используются
аналоговые входы и выходы.
• Аналоговый или непрерывный сигнал
отражает уровень напряжения или тока,
соответствующий некоторой физической
величине
в
каждый
момент
времени(температура, уровень, давление,
вес, положение, скорость ,частота и т.д.) к
любой физической величине.

17. Входы-выходы

• Аналоговые входы контроллеров могут
иметь
различные
параметры
и
возможности.
• К их параметрам относятся: разрядность
АЦП, диапазон входного сигнала, время и
метод преобразования, несимметричность
или дифференциальный вход, уровень
шума и нелинейность, возможность
автоматической калибровки, программная
или аппаратная регулировка коэффициента
усиления, фильтрация.

18. Входы - выходы

• Особые
классы
аналоговых
входов
представляют входы, предназначенные для
подключения термометров сопротивления и
термопар.
• Здесь требуется применение специальной
аппаратной
поддержки
(трехточечное
включение, источники образцового тока,
схемы компенсации холодного спая и т.д.).

19. Входы - выходы

• Дискретными
входными сигналами в
распределенных системах управления
являются сигналы коммутации кнопок,
конечных выключателей, контактов реле и
пр., а в качестве дискретных выходных
сигналов
служат сигналы управления
магнитными
пускателями,
реле,
сигнальными лампами, исполнительными
механизмами.

20. Входы - выходы

• К их параметрам относятся: характеристика
канала
релейный
(сухой
контакт)
или
транзисторный вывод (открытый коллектор),
напряжение гальванической изоляции, выходной
ток канала, индикация состояния канала.
• Широкий
диапазон
модулей
дискретного
ввода/вывода
определяется
напряжением
питания (переменного или постоянного тока),
полярностью сигнала, подключением через
винтовые клеммные колодки или специальные
соединители

21. Входы-выходы

• Помимо «классических»
дискретных и
аналоговых входов/выходов многие ПЛК
имеют специализированные входы.
• Они
ориентированы
на
работу
с
конкретными специфическими датчиками,
требующими
определенных
уровней
сигналов, питания и специальной обработки
(управления
шаговыми
двигателями,
интерфейсы дисплейных модулей и т.д.).

22. Входы - выходы

• Входы/выходы ПЛК не обязательно должны
быть физически сосредоточены в общем
корпусе с процессорным ядром.
• Входы-выходы
выполняются
в
виде
миниатюрных модулей, расположенных в
непосредственной близости от датчиков и
исполнительных механизмов. Соединение
подсистемы ввода/вывода с ПЛК выполняются
посредством одного общего цифрового
кабеля.

23. Режимы работы ПЛК

• Для математических систем характеристикой
качества работы является правильность
найденного решения.
• В системах реального времени помимо
правильности решения определяющую роль
играет время реакции.
• Логически верное решение, полученное с
задержкой более допустимой, не является
приемлемым.

24. Режимы работы ПЛК

• Принято различать системы жесткого и
мягкого реального времени. В системах
жесткого реального времени существует
выраженный временной порог.
• При его превышении наступают необратимые
катастрофические последствия.
• В системах мягкого реального времени
характеристики системы ухудшаются с
увеличением времени управляющей реакции.
Система может работать плохо, но ничего
катастрофического не происходит.

25. Режимы работы ПЛК

• Классический подход для задач жесткого
реального времени требует построения
событийно управляемой системы.
• Для
каждого
события
в
системе
устанавливается четко определенное время
реакции и определенный приоритет.
• Практическая реализация таких систем
сложна и всегда требует тщательной
проработки и моделирования.

26. Режимы работы ПЛК

• Большинство ПЛК работают по методу
периодического опроса входных данных
(сканирования). ПЛК опрашивает входы,
выполняет пользовательскую программу и
устанавливает необходимые значения выходов.
• Специфика применения ПЛК обуславливает
необходимость
одновременного
решения
нескольких задач.

27. Режимы работы ПЛК

• Прикладная
программа
может
быть
реализована в виде множества логически
независимых задач, которые должны работать
одновременно.
• Для ПЛК существенное значение имеет не
только быстродействие самой системы, но и
время
проектирования,
внедрения
и
возможной оперативной отладки.
• Современные ПЛК имеют типовое значение
времени
рабочего
цикла,
измеряемое
единицами миллисекунд и менее.

28. Условия работы ПЛК

• ПЛК – это конструктивно законченное
изделие, физическое исполнение которого
определяется требуемой степенью защиты,
начиная от контроллеров в легких
пластиковых корпусах, предназначенных
для монтажа в шкафу, и до герметичных
устройств в литых металлических корпусах,
предназначенных для работы в особо
жестких условиях.

29. Условия работы ПЛК

• Правильно подобранный по
условиям
эксплуатации контроллер включает в себя
полную гальваническую развязку входоввыходов, защиту по току и напряжению,
зеркальные выходные каналы, сторожевой
таймер задач и микропроцессорного ядра.
• Несколько сторожевых таймеров, входящих в
состав ЦП ПЛК, контролируют строго
определенное время выполнения одного
цикла управляющей программы и отдельных
ее частей.

30. Выбор ПЛК

Выбор ПЛК происходит по совокупности
характеристик и свойств. Учитывая специфику
устройств, критерии оценки можно разделить
на три группы:
• технические характеристики;
• эксплуатационные характеристики;
• потребительские свойства.

31. Критерии оценки

Технические
характеристики
•Количество каналов
•Быстродействие
•Уровни напряжения
входов/выходов.
• Диапазон рабочих
температур
Эксплуатационные
характеристики
• Относительная влажность
воздуха

32. Критерии оценки

Производитель
ность
•Время выполнения
операции
•Функциональность
Надежность
• Наработка на отказ
• Среднее время
восстановления

33. Архитектура ПЛК

• Архитектурой контроллера называют набор
его основных компонентов и связей между
ними.
• Типовой состав ПЛК включает центральный
процессор, память, сетевые интерфейсы и
устройства в/в.
• Иногда эта конфигурация дополняется
устройством для программирования и
пультом
оператора,
устройствами
индикации и т.д.

34. Узел распределенного ввода/вывода

35. Программируемый логический контроллер

• ПЛК ориентирован в основном на работу в
качестве локального узла сбора и передачи
данных в распределенной сети в реальном
масштабе времени или на локальное управление
объектом
с
проблемно-ориентированным
программным обеспечением, для реализации
алгоритмов логического управления, и/или
замкнутых систем автоматического управления в
сфере промышленной автоматики.

36. ПЛК в системе управления

Центральный процессор (ЦП) ПЛК имеет
следующие особенности:
• память программ и память данных ПЛК
разделены не только логически, но и физически.
• Специализация центральной памяти ЦП
является отличительной особенностью ПЛК,
причем область памяти выходных переменных
обязательно выполнена энергонезависимой с
целью поддержания состояния объекта при
отключении питания;

37. ПЛК в системе управления

• в ЦП ПЛК встраиваются аппаратные
устройства контроля адресного пространства,
которые могут быть различными, в зависимости
от структуры блоков памяти ПЛК;
• при построении ЦП используются методы
структурного
резервирования
составных
элементов.

38. ПЛК в системе управления

• Кроме приема информации, адаптеры
дискретных входов выполняют предварительную
обработку сигнала, выделение полезного
сигнала из зашумленного, реализуют развязку
сигналов с различными уровнями мощности.
• Интерфейс
между
датчиками,
исполнительными устройствами и ЦП ПЛК
обеспечивается специальными электронными
модулями ввода/вывода (адаптеры).

39. Программируемый логический контроллер (ПЛК).

Весь
комплекс
этих
решений
можно
подразделить на следующие функциональные группы:
• специальная архитектура центрального процессора
ПЛК;
• использование
различных
способов
резервирования;
• использование программных методов защиты
информации;
• специальная схемотехника УСО;
• организация специальных быстродействующих
магистралей связи с удаленными УСО;
• специальное конструктивное исполнение.

40. Программируемый логический контроллер (ПЛК)

• Для систем ПЛК характерно то, что они не
требуют непрерывного контроля со стороны
диспетчера (в отличие от SCADA и DCS),
достаточно периодической проверки статуса.
• Большую часть времени система ПЛК работает
без надзора со стороны человека, т.е. в
автоматическом (автономном) режиме.

41. Системное и прикладное программное обеспечение

• Системное программное обеспечение
(СПО)
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.

42. Системное и прикладное программное обеспечение

• 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

43. Принципы работы ПЛК

• В начале прогона ПЛК «читает» состояние всех
входов и фиксирует их значение в памяти.
• Изменение состояния каких-либо входных
сигналов в течении прогона программы будет
воспринято ПЛК только в следующем цикле.
• Выходные данные ведут себя также и
обновляются одновременно в конце прогона
программы.

44. Принципы работы ПЛК

• Задачи управления требуют непрерывного
циклического контроля. В любых цифровых
устройствах непрерывность достигается за
счет применения дискретных алгоритмов,
повторяющихся через достаточно малые
промежутки.
• Вычисления ПЛК всегда повторяются
циклически.

45. Принципы работы ПЛК

• Одна интерпретация , включающая замер,
обсчет
и
выработку
воздействия,
называется рабочим циклом ПЛК.
• По включению питания ПЛК выполняет
самотестирование и настройку аппаратных
ресурсов, очистку оперативной памяти
данных, контроль целостности прикладной
программы пользователя.

46. Принципы работы ПЛК

• Рабочий цикл состоит из нескольких фаз:
1. Начало цикла.
2. Чтение состояния входов.
3. Выполнения кода программы пользователя.
4. Запись состояния выходов.
5. Обслуживание аппаратных ресурсов ПЛК.
6. Монитор системы исполнения.
7. Контроль цикла времени.
8. Переход в начало цикла.

47. Принципы работы ПЛК

• Общая продолжительность рабочего цикла
ПЛК называется временем сканирования.
• Время сканирования в значительной
степени определяется длительностью фазы
кода пользовательской программы.
• Время с момента изменения состояния
системы
до
момента
выработки
соответствующие
реакции
называется
временем реакции.

48. Принципы работы ПЛК

• Для ПЛК время реакции зависит от
распределения моментов возникновения
события и начала фазы чтения входов.
• Время реакции ПЛК не превышает
удвоенного времени сканирования.
• Время цикла сканирования является
базовым показателем быстродействия ПЛК.

49. Контроль времени рабочего цикла

• Пользовательская программа не должна
содержать бесконечных циклов. Иначе
управление системе исполнения не будет
передано
и
функционирование
контроллера будет нарушено.
• Для преодоления этой проблемы служит
контроль времени цикла.

50. Контроль времени рабочего цикла

• Контроль осуществляется при поддержке
аппаратно реализованного «сторожевого
таймера».
• Если
фаза
пользовательского
кода
выполняется
дольше
установленного
порога, её работа будет прервана.
• Обслуживание
сторожевого
таймера
выполняется в рабочем цикле ПЛК

51. Процессор, программа и файлы данных

• Процессорный файл – это общий файл
программы с данными, созданный под
отдельным именем.
• Он содержит все инструкции, данные и
информацию о конфигурации, относящиеся
к программе пользователя.

52. Процессор, программа и файлы данных

• Файл процессора – это перемещаемая
единица. Он может быть расположен в
терминале APS и может быть передан в/из
процессора SLC-500 или в/из модуля
памяти расположенного в процессоре
Файл
процессора
01
Файл
процессора
02
APS- терминал
SLC-500
Файл
процессора
03
Модуль памяти

53. Файлы программ

• Файлы программ- содержат информацию
контроллера, основную цикловую программу и
подпрограммы.
• Первые три файла необходимы для каждой
программы. Ими являются:
• Системная программа (файл 0) – Это файл
необходим всегда, он содержит различную
системную информацию запрограммированную
пользователем, такую как тип процессора,
конфигурацию Вх/Вых, имя процессорного файла и
пароль.

54. Файлы программ

• Основная цикловая программа (файл 2) –
этот файл необходим всегда и содержит
инструкции, запрограммированные
пользователем, определяющие как будет
работать контроллер.
• Цикловые подпрограммы (файл с 3 по 255)
эти файлы создаются пользователем и
вызываются инструкциями подпрограмм,
расположенными в основной цикловой
программе.

55. Файлы данных

• Файлы данных содержат данные, которые
соответствуют инструкциям в файле
цикловой программы.
• Каждая программа может содержать до 256
файлов данных.
• Эти файлы организуются соответственно
типам содержащихся в них данных.

56. Файлы данных

• Первые 9 файлов данных (0-8) имеют тип
по умолчанию. Пользователем
определяются оставшиеся 9-255 файлов.
• Выход (файл 0) –хранит состояние выходов
контроллера
• Вход (файл 1) – хранит состояние входов
контроллера.

57. Файлы данных

• Состояние (файл 2) – хранит информацию о
работе контроллера. Осуществляет поиск
неисправностей в контроллере и в работе
программы.
• Битовый файл (файл 3) – файл
используется как пространство для
запоминания внутренних меток.

58. Файлы данных

• Таймер (файл 4) хранит накопленные значения
таймеров, значения уставок таймеров и биты
состояния.
• Счётчик (файл 5) – хранит накопленные
значения счетчиков, значения уставок счетчиков
и биты состояния.
• Управления (файл 6) хранит длину, позицию
указателя и биты состояния для таких
инструкций, как сдвиговые регистры и
секвенсеры.

59. Файлы данных

• Целые числа (файл 7) – файл используется
для запоминания числовых значений, или
битовой информации
• Зарезервированный (файл 8) –файл
недоступен для пользователя.

60. Файлы данных

• Определяемый пользователем (файл 9255) – типы этих файлов определяются
пользователем и могут быть как бит,
таймер, счетчик, управление, целых чисел.
Возможность использование файла 9 в
качестве
файла
коммуникационного
интерфейса.

61. Способы программирования ПЛК

• Как правило, многие контроллеры имеют
закрытую структуру, т.е. программируются
софтом от производителя ПЛК. Так,
например, ПЛК Simens программируются
только с помощью Step7, Step7 Microwin или
Logo
Comfort,
а
ПЛК
Schneider
программируются только с помощью Unity
или Concept.

62. Способы программирования ПЛК

• Несмотря на это существуют программируемые
логические контроллеры с открытыми или
полуоткрытыми
платформами,
на
них
предустановлены такие ОС, как WindowsCE,
VxWorks, Linux, либо они основываются на
процессорах фирм Motorola , Intel, Infineon, Atmel,
Hitachi, PowerPC и др. Такие ПЛК могут
программироваться различным ПО, например,
CoDeSys.
Пример: ПЛК - Овен ,ADAM.

63. Способы программирования ПЛК

• Несмотря на разнообразие программного
обеспечения и реализаций ПЛК, языки
программирования ограничены стандартом МЭК
61131-3 (Международная электротехническая
комиссия). Это сделано не из праздной
необходимости все унифицировать, а с целью
сохранить некоторые стандартные подходы к
программированию контроллеров.
• Выделяются
пять
видов
языков
программирования:

64. Языки программирования

• LD (LAD- ladder diagram, KOP- kontakt plan, РКСрелейно-контакторная схема, контактный план,
лестничная диаграмма)
• FBD (functional block diagram, диаграмма
функциональных блоков)
• IL (instruction list, STL, statement list, язык
инструкций; очень похож на ассемблер, но очень
своеобразен)
• ST (Structured Text) является языком высокого
уровня (типа Паскаля).
• SFC (series functional charts, последовательные
функциональные диаграммы, язык графов)

65. Языки программирования

• Язык LD - графический язык, основанный на
принципах
релейно-контактных
схем
(элементами
релейно-контактной
логики
являются:
контакты,
обмотки
реле,
вертикальные и горизонтальные перемычки и
др.) с возможностью использования большого
количества различных функциональных блоков.
• Достоинствами
языка
LD
являются:
представление
программы
в
виде
электрического потока, наличие простых
правил, использование только булевых выражений.

66. Языки программирования

• Язык FBD - это полностью графический язык
высокого
уровня,
обеспечивающий
управление потоками данных, включающих
все типы. Позволяет использовать очень
мощные алгоритмы простым вызовом
функций и функциональных блоков, имеет
большую
библиотеку
блоков,
удовлетворяет
непрерывным
динамическим процессами, хорош для
сложных вещей подобно ПИД-регуляторам

67. Языки программирования

• Язык IL
является языком низкого
(машинного) уровня, что существенно
облегчает, например, условный или
безусловный
вызов
функциональных
блоков и функций, выполнение назначений
и условных или безусловных переходов
внутри секции, похож на Ассемблер. Язык IL
позволяет создавать высокоэффективные и
оптимизированные функции.

68. Языки программирования

• Язык ST служит для создания процедур со
сложной логикой. Удобен для написания
больших программ и работы с аналоговыми
сигналами и числами с плавающей точкой.
• Может использоваться как в главных
программах, так и в теле функции или FBD, а
также для описания действий внутри
элементов редакторов SFC или Flow Chart.

69. Языки программирования

• Язык SFC предназначенный для описания
функций последовательных операции и
позволяющий ясное и однозначное
определение
желаемого
поведения
системы управления. Отличается строгим
математическим определением.
• Удобен для описания как последовательных
процессов,
так
и
пакетных
или
параллельных
процессов,
легко
комбинируется с другими языками

70. Релейные диаграммы

Цепи
• Релейная схема представляет собой две
вертикальные шины питания, между ними
расположены горизонтальные цепи,
образованные контактами и обмотками
реле.
• Количество контактов в цепи произвольно,
реле одно.

71. Релейные диаграммы

• Если последовательные контакты замкнуты, ток идет
по цепи и реле включается. При необходимости
можно включить параллельно несколько реле,
последовательное включение не допускается.
• В LD каждому контакту ставится в соответствии
логическая
переменная,
определяющая
его
состояние.
• Если контакт замкнут, то переменная имеет
значение ИСТИНА, если разомкнут – ЛОЖЬ
• Имя переменной пишется над контактом и
фактически служит его названием.

72. Лестничная логика

• Лестничная логика - программа, подобная
контактно-релейным схемам в автоматике,
написанная с использованием инструкций
контроллера. Структурные элементы
лестничной логики:
• Ранг - элемент программы лестничной
логики, состоящий из входных или
выходных инструкций.

73. Открытая сетевая архитектура NetLinx

• Открытая сетевая архитектура NetLinx – это
стратегия
использования
технологий
открытых сетей для непрерывной интеграции
всех уровней от высшего управляющего
звена до цеха. Сети в архитектуре NetLinx DeviceNet, ControlNet и EtherNet/IP –
пользуются общим языком и универсальным
набором коммуникационных сервисов.

74. Открытая сетевая архитектура NetLinx

• Архитектура
NetLinx,
часть
интегрированной
архитектуры,
легко
объединяет все компоненты в систему
автоматизации от нескольких устройств на
одной сети до множественных устройств на
множественных сетях, включая доступ к
Internet, тем самым увеличивая гибкость,
уменьшая затраты на установку и
увеличивая эффективность.

75. Промышленные сети

• EtherNet/IP
–
стандарт
открытой
промышленной сети, который поддерживает
неявный и явный обмен сообщениями и
использует промышленное, стандартное
оборудование Ethernet и физическую среду
(окружение).

76. Промышленные сети

• ControlNet позволяет интеллектуальным
высокоскоростным устройствам обмениваться
информацией,
требующейся
для
диспетчерского контроля, координации гибких
производственных модулей, операторского
интерфейса, конфигурирования удаленных
устройств, программирования и устранения
неисправностей.

77. Промышленные сети

• DeviceNet предлагает высокоскоростной
доступ к данным на уровне цеха при помощи
широкого
спектра
производственных
устройств
и
существенное
снижение
количества проводов.
• Data Highway Plus (DH+) — локальная сеть,
разработанная для поддержки удалённого
программирования в приложениях уровня
заводской площадки.

78. Промышленные сети

• DH-485 – это промышленная локальная
сеть (LAN), разработанная для приложений
уровня
заводской
площадки.
DH-485
позволяет вам подключить до 32 устройств,
цветные
графические
системы
и
персональные компьютеры. Сегмент DH-485
совместно с дополнительными сегментами
RS-232-C (протокол DF1) образует сеть DH485.

79. Промышленные сети

RS-232 — это название стандарта (RS recommended standard - рекомендованный
стандарт, 232 - его номер), описывающего
интерфейс для соединения компьютера и
устройства передачи данных. В RS-232
используются
два
уровня
сигналов:
логические 1 и 0. Логической 1 соответствуют
отрицательные уровни напряжения, а
логическому 0 - положительные.
• Современное название EIA/TIA-232-E.

80. Классификация микропроцессорных программно-технических комплексов (ПТК)

• Все
выпускаемые
универсальные
микропроцессорные ПТК подразделяются
на классы, каждый из которых выполняет
определенный набор функций, начиная с
простейшего класса, минимального по
функциям и объему автоматизируемого
объекта, и, кончая классом, который может
охватывать
задачи
планирования
и
технического
управления
на
всем
предприятии.

81. Классификация микропроцессорных программно-технических комплексов (ПТК)

• Контроллер на базе ПК
• Локальный ПЛК
• Сетевой комплекс контроллеров
• РСУ малого масштаба
• Полномасштабные РСУ

82. Контроллер на базе ПК (PC based)   

Контроллер на базе ПК (PC based)
• Основные сферы использования контроллеров на
базе
ПК
специализированные
системы
автоматизации в медицине, научных лабораториях,
средствах
коммуникации,
для
небольших
замкнутых объектов в промышленности.
• Общее число входов/выходов такого контроллера
обычно не превосходит нескольких десятков, а
функции выполняют достаточно сложную обработку
измерительной
информации
с
расчетом
управляющих воздействий.

83. Контроллер на базе ПК (PC based) 

Контроллер на базе ПК (PC based)
• Область применения контроллеров на базе ПК
можно очертить следующими условиями:
• при нескольких входах и выходах объекта надо
производить большой объем вычислений за
достаточно
малый
интервал
времени
(необходима
большая
вычислительная
мощность);
• средства автоматизации работают в окружающей
среде, не слишком отличающейся от условий
работы обычных ПК;
• нет
необходимости
в
использовании
контроллера;

84. Контроллер на базе ПК (PC based) 

Контроллер на базе ПК (PC based)
• На рынке контроллеров на базе ПК в России
успешно работают компании: Octagon,
Advantech, Analog Devices и др.

85. Локальный ПЛК (PLC)

• Малые логические контроллеры обычно
рассчитаны на десятки входов/выходов; их
вычислительная мощность невелика; они
реализуют простейшие типовые функции
обработки измерительной информации,
логического управления, регулирования.
• В настоящее время существует несколько их
типов:

86. Локальный ПЛК (PLC)

• встраиваемый
в
оборудование
и
являющийся его неотъемлемой частью;
примеры
такого
интеллектуального
оборудования: станки с ЧПУ, автомашинисты,
современные
аналитические
приборы;
встраиваемые контроллеры выпускаются без
специального
кожуха,
поскольку
они
монтируются в общий корпус оборудования

87. Локальный ПЛК (PLC)

• Автономный - реализующий функции контроля и
управления небольшим, достаточно изолированным
технологическим объектом.
• Автономные контроллеры помещаются в защитные
корпуса, рассчитанные на разные условия окружающей
среды.
• Автономные
контроллеры
оснащаются
коммуникационными портами или интерфейсами,
которые могут через сеть связывать их с другими
средствами автоматизации, так же в такой контроллер
встраивается или подключается панель , состоящая из
дисплея и функциональной клавиатуры.

88. Локальный ПЛК (PLC)

• Следует выделить специальные типы
контроллеров, выпускаемых для аварийной
защиты процессов и оборудования и
отличающиеся
высокой
надежностью,
живучестью, быстродействием.
• В
этих
контроллерах
предусмотрены
различные варианты полной диагностики и
резервирования как отдельных компонентов,
так и всего контроллера в целом.

89. Локальный ПЛК (PLC)

• Контроллеры,
предназначенные
для
целей
противоаварийной
защиты,
должны
иметь
специальный сертификат, подтверждающий их
высокую надежность и живучесть.
• Зарубежные фирмы, работающие в этом секторе
рынка:
• General Electric Fanuc Automation с контроллерами
сер. 90 Micro;
• Rockwell Automation с контроллерами сер. Micrologic
1000;
• Schneider Automation с контроллерами сер. TSX Nano;
• Siemens с контроллерами сер. С7-620.

90. Виды резервирования локальный ПЛК (PLC)

• горячий резерв всех компонентов и/или
контроллера в целом (при не прохождении теста в
рабочем контроллере управление безударно
переходит ко второму контроллеру);
• троирование основных компонентов и/или
контроллера в целом с "голосованием"
результатов
обработки
сигналов
всех
контроллеров (выходной сигнал принимается тот,
который дало большинство, а контроллер,
давший
другой
результат,
объявляется
неисправным);

91. Локальный ПЛК (PLC)

• работа по принципу "пара и резерв"
параллельно работает пара контроллеров с
голосованием результатов, а аналогичная пара
находится в горячем резерве (при выявлении
разности результатов работы первой пары
управление переходит ко второй, первая пара
тестируется и либо выявляется наличие
случайного
сбоя,
тогда
управление
возвращается к ней, либо выявляется
неисправность и управление остается у
второй.

92. Сетевой комплекс контроллеров (PLC NetWork)

• Этот класс ПТК является наиболее широко
внедряемым средством управления ТП во
всех
отраслях
промышленности.
Минимальный состав такой системы имеет
несколько
контроллеров,
дисплейных
пультов операторов и промышленную сеть,
соединяющую контроллеры и пульты
между собой.

93. Сетевой комплекс контроллеров (PLC NetWork)

• Контроллеры сетевого комплекса обычно
содержат ряд модификаций, отличающихся
друг
от
друга
мощностью,
быстродействием,
объемом
памяти,
возможностями
резервирования,
приспособлением к разным условиям
окружающей среды, максимальным числом
каналов входов/выходов.

94. Сетевой комплекс контроллеров (PLC NetWork)

• Это облегчает использование сетевого
комплекса
для
разнообразных
технологических
объектов,
поскольку
позволяет наиболее точно подобрать
контроллеры требуемых характеристик под
отдельные
узлы
автоматизируемого
объекта и разные функции контроля и
управления.

95. Сетевой комплекс контроллеров (PLC NetWork)

• Сетевые комплексы контроллеров имеют
верхние ограничения как по сложности
выполняемых
функций
(измерения,
контроля,
учета,
регулирования,
блокировки), так и по объему самого
автоматизируемого объекта, в пределах
тысяч измеряемых и контролируемых
величин
(отдельный
технологический
агрегат).

96. Сетевой комплекс контроллеров (PLC NetWork)

• Большинство зарубежных фирм поставляет
сетевые комплексы контроллеров (порядка
сотен входов/выходов на контроллер):
• DL 205, DL 305 фирмы Коуо Electronics;
• TSX Micro фирмы Schneider Automation;
• SLC-500 фирмы Rockwell Automation;
• QM1 фирмы Omron;
• S-300 фирмы Siemens.

97. РСУ малого масштаба (DCS Smoller Scale)

• Основные отличия этих средств от сетевых
комплексов контроллеров заключаются в несколько
большем
разнообразии
модификаций
контроллеров:
• блоков ввода/вывода, панелей оператора;
• большой мощности центральных процессоров,
позволяющих им обрабатывать более 10 000
входных/выходных сигналов;
• выделении удаленных блоков ввода/вывода,
рассчитанных на работу в различных условиях
окружающей среды;
• более развитой и гибкой сетевой структуре.

98. РСУ малого масштаба (DCS Smoller Scale)

• РСУ малого масштаба имеют несколько
уровней промышленных сетей, соединяющих
контроллеры между собою и с пультами
операторов
• нижний уровень, используемый для связи
контроллеров и пульта отдельного компактно
расположенного технологического узла;
• высший уровень, реализующий связи средств
управления отдельных узлов друг с другом и
с пультом оператора).

99. РСУ малого масштаба (DCS Smoller Scale)

• Сетевая структура развивается в направлении
создания полевых сетей, соединяющих отдельные
контроллеры с удаленными от них блоками
ввода/вывода и интеллектуальными приборами
(датчиками и ИУ).
• Такие сети позволяют передавать информацию
между контроллерами и полевыми приборами в
цифровом виде по одной витой паре, что
значительно сокращает длину кабельных сетей и
уменьшает влияние помех.

100. РСУ малого масштаба (DCS Smoller Scale)

• Маломасштабные РСУ охватывают отдельные
цеха и участки производства и в дополнении к
обычным функциям контроля и управления
часто могут выполнять более сложные и
объемные
алгоритмы
управления
(статическую и динамическую оптимизацию
объекта).
• Примеры маломасштабных РСУ: ControlLogix фирмы Rockwell
Automation; Simatic S7-400 фирмы Siemens; TSX Quantum
фирмы Schneider Automation.

101. Полномасштабные РСУ (DCS Full Scale)

• Это
наиболее
мощный
класс
микропроцессорных ПТК, практически не
имеющий границ ни по выполняемым
функциям, ни по объему автоматизируемого
объекта.
• Одна такая система может использоваться
для
автоматизации
производственной
деятельности
крупномасштабного
предприятия.

102. Полномасштабные РСУ (DCS Full Scale)

• Полномасштабные
РСУ
включает
все
особенности
перечисленных
микропроцессорных средств управления и
дополнительно имеет ряд свойств, влияющих
на возможности их использования:
• наличие промышленных сетей, позволяющих
подсоединять к одной шине сотни узлов
(контроллеров и пультов) и распределять их на
значительные расстояния;

103. Полномасштабные РСУ (DCS Full Scale)

• существование модификаций контроллеров,
наиболее мощных по вычислительным
возможностям,
что
позволяет
кроме
обычных функций реализовать в них
сложные и объемные алгоритмы контроля,
диагностики, управления;

104. Полномасштабные РСУ (DCS Full Scale)

• широкое использование информационных
сетей (Ethernet) для связи пультов
операторов друг с другом, с серверами БД,
для
взаимодействия
ПТК
сетью
предприятия и построения управляющих
центров (планирования, диспетчеризации,
оперативного управления);

105. Полномасштабные РСУ (DCS Full Scale)

• взаимодействие пультов управления в
режиме клиент/сервер;
• в составе ППП, реализующих функции
управления
отдельными
агрегатами
(многосвязного
регулирования,
оптимизации и т.д.), диспетчерского
управления участками производства, учета
и планирования производства в целом.

106. Полномасштабные РСУ (DCS Full Scale)

• Примеры фирм:
• ABB - Symphony;
• Honeywell - ТРС и PlantScape;
• Valmet - Damatic XDi;
• Yokogava - Centum CS,
• Foxboro - I/A Series,
• Fisher-Rosemount - Delta-V и др.

107. Динамика работы ПТК

• Важными для многих применений являются
динамические
параметры
ПТК,
определяющие возможное быстродействие
разрабатываемых цепей контроля и
управления.
• Отдельными
являются:
показателями
динамики

108. Динамика работы ПТК

• минимальный цикл опроса датчиков и
минимальное время реакции на аварийные
сигналы при их обработке в цепях
аварийной
защиты:
внутри
одного
контроллера, при передаче управляющих
сигналов через системную сеть, при
прохождении
сигнала
через
пульт
оператора;

109. Динамика работы ПТК

• минимальный цикл смены динамических
данных в кадре на пульте оператора и
смены самих кадров, а также минимальное
время реакции на команду оператора с
пульта;
• минимальное время перезапуска как всей
системы, так и только отдельных
контроллеров после перерывов питания.

110. Надежность работы ПТК

• Надежность - это свойство объекта
сохранять во времени значения всех
параметров и выполнять требуемые
функции в заданных условиях применения.
Надежность является составным понятием.
Оно может включать в себя понятия
безотказности,
долговечности,
ремонтопригодности, сохраняемости.

111. Надежность работы ПТК

• В
промышленной
автоматизации
для
количественной оценки надежности чаще
всего используется параметр "наработка на
отказ" или "интенсивность отказов", а в
системах безопасности - "вероятность
отказа при наличии запроса"
• Неисправностью
называется
состояние
объекта, при котором он не соответствует хотя
бы одному своему параметру, указанному в
эксплуатационной документации.

112. Надежность работы ПТК

• Неработоспособностью
называется
состояние объекта, при котором он не
способен выполнять хотя бы одну из своих
функций, описанных в эксплуатационной
документации.
• Например, контроллер, у которого отказал
один
из
каналов
ввода,
является
работоспособным, но неисправным, если
этот канал не используется.

113. Надежность работы ПТК

• Дефектом называется каждое отдельное
несоответствие объекта установленным
требованиям (ГОСТ ).
• Отказом
называется
событие,
заключающееся
в
нарушении
работоспособности объекта. Факт отказа
устанавливается на основании некоторых
критериев
отказа,
т.е.
признаков,
позволяющих
судить
о
нарушении
работоспособности.

114. Надежность работы ПТК

• В результате отказа объект становится
неисправным.
• Отказы возникают вследствие применения
ненадежных схемотехнических решений на
стадии
проектирования
контроллеров,
электронных компонентов, изготовленных с
нарушением техпроцесса, некачественного
технологического оборудования и т. п.

115. Надежность работы ПТК

• Основные характеристики надежности не
могут достаточно точно определяться для ПТК
такой удобной и привычной характеристикой,
как "число часов наработки на отказ".
• Правильнее
оценивать
косвенными
показателями и возможностями ПТК:
• глубина
и
полнота
имеющихся
диагностических
тестов
определения
неисправностей в отдельных компонентах
ПТК;

116. Надежность работы ПТК

• возможности,
варианты
и
полнота
резервирования отдельных компонентов ПТК:
сетей, контроллеров, блоков ввода/вывода,
пультов оператора;
• наличие встроенных в систему блоков UPS
(аккумуляторов) и время их работы при
прекращении питания системы от сети, а
также возможность и длительность перерыва
питания (при отсутствии UPS) без нарушения
функций управления.

117. Основные задачи SCADA

SCADA может являться частью АСУ ТП, АСКУЭ
(автоматизированная система контроля и учета
электрической
энергии),
АСДКУ
(автоматизированная система диспетчерского
контроля и управления) системы экологического
мониторинга,
научного
эксперимента,
автоматизации здания и т. д.
SCADA-системы используются во всех отраслях
хозяйства,
где
требуется
обеспечивать
автоматическое управление технологическими
процессами в режиме реального времени.

118. Технические требования к SCADA-программе

Технические требования к SCADAпрограмме
В составе технических требований следует зафиксировать
требования, которые должны выявить качество предлагаемой SCADA-программы, объем выполняемых ею функций, удобство работы с ней операторов.
Запросы по общим свойствам SCADA-программы:
Открытость: производитель, время распространения, общий
тираж (является ли предлагаемая SCADA-программа
собственной разработкой для данного вида ПТК и
используемой только в данном ПТК, или применяется одна
из открытых SCADA-программ)

119. Технические требования к SCADA-программе

Технические требования к SCADAпрограмме
Структура: одномашинная, клиент-серверная;
Операционные системы, под которыми работает
SCADA-программа;
Особенности СУБД (система управления базами
данных)
собственная разработка или типовая СУБД,
разделение на оперативную и архивную БД, объемы
БД, средства защиты информации в СУБД;
Возможность эмуляции для отладки SCADAпрограммы;
число уровней доступа к информации, поступающей в
рабочие станции, а также особенности доступа

120. Основные задачи SCADA

Как правило, SCADA состоит из двух частей:
1. Среды разработки, где специалист рисует
и программирует технологические
мнемосхемы;
2. Среды исполнения, необходимой для
выполнения сконфигурированных
мнемосхем в режиме runtime. Фактически
это режим повседневной эксплуатации.

121. Подключение SCADA

Существует две схемы
операторских
станций
управления.
Рисунок 1
подключения
к
уровню
Рисунок 2

122. Подключение SCADA

Каждая операторская станция подключается
к контроллерам уровня управления
напрямую или с помощью промежуточного
коммутатора.
Подключенная таким образом операторская
станция работает независимо от других
станций сети, и поэтому часто называется
одномашинная (одиночной )(рисунок 1).

123. Подключение SCADA

Операторские станции подключают к серверу
или резервированной паре серверов, а
серверы в свою очередь подключаются к
промышленным контроллерам.
Таким образом, сервер, являясь неким
буфером, постоянно считывает данные с
контроллера и предоставляет их по запросу
рабочим станциям.
Станции, подключенные по такой схеме, часто
называют клиент-серверная (рисунок 2).

124. Обмен информации

Для сопряжения операторской станции с
промышленным контроллером на первой
устанавливается
специальное
ПО,
называемое драйвером ввода/вывода.
Драйвер
ввода/вывода
поддерживает
совместимый
с
контроллером
коммуникационный протокол и позволяет
прикладным программам считывать с
контроллера параметры или наоборот
записывать в него.

125. Обмен информации

Пакет визуализации обращается к драйверу
ввода/вывода каждый раз, когда требуется
обновление отображаемой информации или
запись измененных оператором данных.
Для взаимодействия пакета визуализации и
драйвера ввода/вывода используется
несколько протоколов, наиболее популярные
из которых OPC (OLE for Process Control) и
NetDDE (Network Dynamic Data Exchange).

126. Обмен информации

OPC и NetDDE – это протоколы
информационного
обмена
между
различными приложениями, которые могут
выполняться как на одном, так и на разных
компьютерах.

127. SCADA-пакеты

Отечественные SCADA-системы
К преимуществам отечественных SCADAсистем
можно
отнести
большую
приспособленность к российским условиям,
удобную техническую поддержку и, как
правило, низкую стоимость по сравнению с
зарубежными аналогами.
«Trace Mode» (AdAstra),
«Master SCADA» (НПФ «ИнСАТ»),
«Круг-2000» (НПФ «Круг»),
«САРГОН» («НВТ-Автоматика»).

128. SCADA-пакеты

Структуры SCADA-системы можно разделить
на модульные и интегрированные, причем это
относится как к системе в целом, так и к
инструментальной системе (т. е. системе
разработки АСУ ТП).
В первом случае все рассматриваемые системы
состоят из набора модулей, предназначенных
для различных целей: мониторы реального
времени, сетевая поддержка,
инструментальная система, коммерческий
учет и т. д.

129. SCADA-пакеты

Если рассматривать только инструментальную
систему, то в одних пакетах она представляет
собой единый интегрированный комплекс (как
в «Master SCADA», “Trace Mode 6”), а в
других — набор самостоятельных средств
разработки (как в «Круг-2000», «САРГОН»).
Подавляющее большинство SCADA-систем
реализовано на MS Windows-платформах. Именно
такие системы предлагают полный и легко
наращиваемые HMI-средства

130. SCADA-пакеты

Genesis32 (ICONICS, USA)
Delta V (Emerson, USA)
Centum (Yokogawa Electric Copr., Japan)
SIMATIC IT (Siemens, Germany)
LabView (National Instruments, USA)

131. Функциональные характеристика SCADA-систем

SCADA –система выполняет следующие функции:
Сбор данных от контроллеров;
первичная обработка данных;
ведение архивов данных (баз данных);
представление динамических схем объекта;
представление трендов измеряемых величин;
выдача сообщений о неисправностях и авариях;
печать протоколов и отчетов;

132. Функциональные характеристика SCADA-систем

обработка команд оператора;
связь с другими пультами операторов;
решение прикладных задач на базе текущих
данных (включает вторичную математическую
обработку данных - вычисление средних
значений величин, отклонений и т.п.)

133. Функциональные характеристика SCADA-систем

В SCADA различают два типа управления
удаленными объектами:
• Автоматическое управление –непрерывно
осуществляется на уровне контроллеров и
серверов на основе алгоритмов, заложенных
в программное обеспечение.
• Управление инициируемое оператором –
осуществляется также ЭВМ, на основе
команд отдаваемых оператором.

134. Функциональные характеристика SCADA-систем

Оператор (диспетчер) работающий со
SCADA-системой выполняет следующие
функции:
Планирует, какие следующие действия
необходимо выполнить;
программирует компьютерную систему на
последующие действия;
отслеживает результаты (полу)
автоматической работы системы;

135. Функциональные характеристика SCADA-систем

вмешиваться в процесс управления в случае
критических событий, когда автоматика не
может справиться или при необходимости
подстройки (регулировки) параметров
процесса.

136. Функциональные характеристика SCADA-систем

Функциональные особенности SCADAсистемы можно разбить на две группы:
1. Возможности связанные с управлением
технологическим процессом.
2. Возможности связанные с
проектированием самой системы
управления.

137. Автоматизированное рабочее место

• Важнейшей функцией SCADA – является
обеспечение работы автоматизированного
рабочего места диспетчера-оператора.
• Автоматизированное рабочее место
(АРМ) – это автономный диалоговый
(интерактивный) комплекс, система или
устройство на базе ЭВМ, предназначенный
для автоматизации работ, производимых
на рабочих местах.

138. Автоматизированное рабочее место

В системах промышленной автоматизации АРМ
зачастую реализуют в виде мнемосхем.
Мнемосхема – это совокупность сигнальных
устройств, изображений оборудования и
внутренних связей контролируемого объекта,
размещаемых на диспетчерских пультах,
специальных панелях или выполняемых на
персональном компьютере

139. Автоматизированное рабочее место

• Средства отображения информации и
органы управления на панелях должны
располагаться следующим образом:
1. Важные и наиболее часто используемые
средства отображения информации и
органы управления – в пределах
оптимальной зоны.

140. Автоматизированное рабочее место

2. Аварийные – в легко доступных местах, но
не в оптимальной зоне;
3. Второстепенные,
периодически
используемые средства изображения
информации и органы управления – не в
оптимальных
зонах,
при
этом
руководствуются в основном правилами
группировки и взаимосвязи между ними.

141. Автоматизированное рабочее место

Архивы – это получаемые от контроллеров
данные SCADA складывает в архивы.
Предварительно данные могут быть
обработаны (отфильтрованы, усреднены,
сжаты и т.п.). Длительность хранения
настраивается в SCADA индивидуально для
каждого параметра и может составлять до
нескольких лет.

142. Автоматизированное рабочее место

• Тренд – это графическое отображение
изменения параметра во времени. Тренды
в SCADA- системах могут показывать
изменение параметра за всю длительность
его хранения в архиве. Оператору
предоставляется возможность изменять
масштаб, как времени, так и самого
параметра.