Аппаратно-програмные комплексы информационных систем.

Литература.

1. Управляющие вычислительные комплексы: Учеб. пособие/ под редакцией Н.Л. Прохорова – М. Финансы и статистика, 2003.

2. Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. – М., Горячая линия, Телеком, 2009.

3. Петров И.В. Программируемые контроллеры: Стандартные языки и приемы прикладного программирования./ Под редакцией проф. И.П. Дьяконова. – М.: СОЛОН-пресс, 2004 – (Серия «Библиотека инженера»).

 

Методички.

1. Аппаратно-программные средства ИС: Методические указания к второй и третьей лабораторным работам./ РГРТУ В.В. Карасев, Нечаев Г.И. – 2006г.

2. Аппаратно-программные средства ИС: Методические указания к четвертой и пятой лабораторным работам./ РГРТУ В.В. Карасев. – 2009г.

 

Введение.

С момента зарождения ВТ рассматривалась как мощное средство автоматизации, прежде всего вычислительного процесса, а затем уже и других процессов:

- сбора данных о состоянии объекта;

- их визуализации;

- регистрации;

- обработки;

- выдачи управляющих воздействий УВ.

По мере совершенствования средств ВТ (СВТ), стали создаваться спецсредства автоматизации для различных сфер применения. Так появились информационно-вычислительные комплексы (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) является:

- промышленность;

- телекоммуникации;

- транспорт;

- оборона;

- авиация;

- космонавтика;

- объекты обеспечения жизнедеятельности человека;

- медицина.

 

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.

За последние 15 лет в стране модернизировано и создано вновь на современных АПК большое количество систем автоматизации в различных областях применения.

Под АПК будем понимать совокупность программно-технических средств, предназначенных для решения целевой задачи.

Примером АПК можно считать обычный ПК, целью которого является обработка персональных данных и выдача результатов в виде, удобным для пользователя. В связи с этим у ПК должна быть своя аппаратная и программная составляющие. Однако существует множество систем, отличающихся от ПК, которые предполагают, что исходные данные и результат их обработки вводятся в компьютер с помощью специализированных средств. Вид таких средств во многом определяется параметрами источника информации и приемника сформированных выходных воздействий, то есть 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 газопроводы и нефтепроводы, монорельсовые дороги, теплоэлектроцентраль (ТЭЦ), системы обеспечения жизнедеятельности и т.п.

Следовательно, задачами УСО являются:

- сбор данных об объекте;

- выдача необходимых управляющих воздействий (УВ) на механизмы, изменяющих состояние объекта.

Для комплексного решения целевой задачи (ЦЗ) требуются адекватные ее требованиям АПК.

АПК могут выступать не только как традиционные ПК, но и в виде промышленных рабочих станций, панельных компьютеров, АРМ-специалистов (АРМ – автоматизированное рабочее место), ИВК, УВК, промышленных контроллеров и компьютеров, системы интеллектуальных модулей и в виде встраиваемого в объекты оборудования.

Сетевые технологии расширяют возможности АПК, позволяя создавать распределенные в пространстве структуры ИС.

АПК различаются также быстродействием, условиями своего применения и массогабаритными параметрами.

 

Различают комплексы с условно низким, средним и высоким быстродействием.

АПК низкого быстродействия рассчитаны на медленное промышленное производство, в котором темп поступления сигналов с датчиков или выдача управляющих сигналов (УС) на механизмы не превышает нескольких десятков герц.

АПК среднего быстродействия характеризуются темпом поступления данных от нескольких десятков герц до единиц десятков килогерц.

АПК высокого быстродействия обладают темпом преобразования сигналов с частотами от сотни килогерц. Их сфера применения – регистрация и анализ быстропротекающих физических процессов (ядерные процессы), контроль над состоянием вращающихся с высокими скоростями рабочих органов различных агрегатов (наподобие турбин), робототехника, системы технического зрения и др.

 

Условия применения характеризуются несколькими параметрами.

1. Рабочей температурой, в которой функционирует АПК. Приняты три градации исполнения аппаратуры.

1.1. Е0 (от 0 до +60 градусов).

1.2. Е1 (от -25 до +75 градусов).

1.3. Е2 (промышленный) (от -40 до +85 градусов).

2. Ударами и вибрациями или их отсутствием.

3. Воздействие на аппаратуру твердых частиц или жидкостей. Степень защищенности характеризуется показателем IP (International Protection).

Соответственно, говорят об АПК, рассчитанных на жесткие или 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 технологическом оборудовании.

 

УВК и ИВК

 

Исторически первыми стали использовать ЭВМ физики. Физический эксперимент, особенно в ядерной физике, всегда отличался сложностью и большим числом контролируемых параметров.

Основу любого эксперимента составляет его активность. Схема активного эксперимента.

 

 

 

Мозгом исследовательской установки (ИУ) является ЭВМ. Целевая задача состоит в получении сведений о состоянии объекта исследовании (ОИ) или объекта управления (ОУ). Активность предполагает целенаправленное воздействие на объект по результатам данных, поступающих с датчиков (Д) на объекте, а воздействие заключается в выдаче управляющих сигналов на исполнительные устройства (ИУ).

В последующем развитии средств ВТ (СВТ), а также методов и средств измерений привели к созданию ИВК, как эффективного средства сбора данных для некоторых стандартных условий.

УВК предполагает присутствие в своем составе ИВК.

Структура УВК может быть представлена следующим образом.

 

 

АЦ и ГИ – аналого-цифровой и графическая информация.

УВК взаимодействует с объектом через УСО, которые образуют устройства аналогового и цифрового ввода-вывода.

Рассмотрим структуры конкретных УСО.

 

Структура УСО аналогового ввода.

 

 

Разнородные входные сигналы с помощью нормализатора сигналов (НС) приводятся к одному виду и диапазону. С помощью коммутатора аналоговых сигналов (КАС) аналоговые входные сигналы поступают на вход АЦП, который вырабатывает пропорциональный код, поступающий на системный интерфейс СИ. Процессом кодирования и обмена управляет устройство управления (УУ).

 

Структура устройства аналогового вывода.

 

 

 

Структурная схема устройства дискретного ввода.

 

 

Структура устройства дискретного вывода.

 

 

В нашей стране первые УВК были разработаны в начале 60-ых годов, когда ИНЭУМ (институт электронных управляющих машин) создал УВК М4, который был предназначен для управления в реальном времени комплексом радиолокационных станций (РЛС), следящих за искусственными спутниками Земли. М4 выпускался серийно в течение 15 лет, не имел иностранных аналогов и был построен исключительно на базе собственных технических решений.

В 1965г. ИНЭУМ возглавил работы по созданию агрегатной системы средств вычислительной техники (АССВТ). В 1970г. на ее базе была организована разработка АСВТ-М (системы на микроэлектронной базе). АСВТ-М обеспечивала сопряжение и взаимодействие разных типов ЭВМ. Комплексы АСВТ-М вместе с другими агрегатными комплексами государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП) составили техническую базу систем автоматизации в энергетике и в машиностроении.

С начала 70-ых годов в ИНЭУМ под руководством академика Б.Н. Наумова создается международная система малых ЭВМ (СМ ЭВМ). СМ ЭВМ включала в себя также промышленные контроллеры и УСО.

На основе СМ ЭВМ выпускались измерительно-вычислительные комплексы широкого применения (ИВК-1 и ИВК-2 и др.).

СМ ЭВМ стали массовой школой компьютерной грамотности для десятков тысяч специалистов.

В настоящее время ИНЭУМ продолжает выполнять собственные разработки. Это связано с тем, что в ряде областей хозяйственной деятельности и государственного строительства существуют объективные ограничения, которые обуславливают необходимость отечественного оборудования.

 

Системные интерфейсы АПК.

Рассматриваемые ниже интерфейсы служат для построения структур специализированного (часто промышленного) компьютера или контроллера.

1. Интерфейс CAMAC (КАМАК).

Интерфейсная система КАМАК служит для создания УСО. Она позволяет строить сложные многокрейтные измерительно-вычислительные системы с реализацией функций управления. КАМАК создавалась в ядерных центрах Европы с целью автоматизации физического эксперимента.

В основе КАМАК лежит следующая архитектура.

В основе КАМАК лежит крейтная структура, состоящая из функциональных модулей ФМ. Через контроллер крейт подключается к системной магистрали ЭВМ. Поэтому интерфейсная часть контроллера однозначно определяется типом ЭВМ. Другая часть контроллера (функциональная) отвечает за его взаимодействие с функциональными модулями (ФМ) и подчиняется требованиям стандартов на аппаратуру КАМАК. Основу КАМКАК составляют электрический, механический и логический стандарты. Для всех интерфейсов стандарты схожи.

Логический стандарт КАМАК

ФМ располагаются на станциях крейта с номерами от 1 до 25.Станции 25 и 24 занимает контроллер. Обмен данными на магистрали – синхронный.

Обменов бывает три: синхронный (известны характеристики устройства), асинхронный (идет постоянный опрос), по прерыванию (выставляется флаг по завершении процесса). Обмен осуществляется под управлением контроллера, которое осуществляется командой компьютера.

Контроллер и ФМ обмениваются сигналами, представленными на рисунке.

Среди сигналов можно выделить следующие группы.

1. Сигналы команд КАМАК.

N: N1…N23 – адреса ФМ; N0, N24…N31 – адреса Контроллера.

Адресация модулей в крейте – географическая.

A: A0…A15 – субадреса узлов ФМ.

F: F0…F31 – операции (функции) КАМАК. F0 – чтение, F16 – запись.

NiAjFk – адресуемая команда КАМАК.

 

2. Сигналы состояния: X,Q,L,B.

X – обязательный ответ модуля на команду.

Q – ответ модуля, заложенный разработчиком.

L – сигнал запроса на обслуживание.

B – запрещает действия на магистрали.

 

3. Сигналы управления: Z, C, I, S1, S2.

Z – сигнал начальной установки крейта.

C – очистка регистров.

I – внешний запрет действий.

S1, S2 – исполнительные сигналы (стробы).

 

4. Сигналы данных W, R. Поступают по отдельным каналам.

 

Длительность цикла команд на магистрали 1мкс для адресуемых команд.

Для программирования ФМ были созданы для КАМАК расширения популярных языков.

Каждый ФМ имеет интерфейсную и функциональные части. Интерфейсная часть содержит дешифраторы адреса и команд и схемы согласования адресов с магистралью.

Рассмотрим для иллюстрации программную модель одного из модулей – модуля АЦП-3.

 

Расшифровка команд.

Команда	Субадрес	Действие	Ответ Q
F0	A0	Чтение РКА	true
F2	A0	Чтение и сброс РКА	true
F9	A0	Сброс РКА	false
F24	A11	Блокировка пуска АЦП	false
F25	A0	Пуск АЦП	false
F26	A11	Разрешение пуска АЦП	false

 

Опорное напряжение – 10,24В; допустимая амплитуда по модулю: 5,2В.

 

Характеристика преобразования АЦП не линейная и имеет вид:

Для линеаризации закодированных данных используют выражение

Uвх = cod*d, если cod < 2^N-1. В противном случае – Uвх = cod*d – 10,24, где N – разрядность, а d – шаг квантования.

 

Интерфейс VME (Versabus Module Europebus)

К 2000-ому году половина всех открытых шин в мире была шинами VME. Шина VME создана в 1981 году и стала стандартом для встраиваемых микропроцессорных систем реального времени. VME использует отдельные шины адреса и данных. Младшие модели шины VME имели сначала 80-ми, затем 16-ти разрядные шины данных и соответственно 16-ти и 24-ех разрядные шины адреса. Затем, появились более производительные варианты: VME32 (скорость обмена 40 Мб/с), VME64 (до 80 Мб/с) и VME64X (до 160 Мб/с). VME является многопроцессорной шиной, работа не которой основана на принципе задатчик – исполнитель. Задатчики поочередно занимают магистраль в соответствии с приоритетом. Для повышения быстродействия арбитраж производится параллельно с обращениями к магистрали. Магистраль содержит 4 линии арбитража и 7 прерывания. Отдельный модуль занимает системный контроллер. Он содержит арбитр, системный генератор, аппаратуру инициализации и обнаружения отказов. Протокол обмена асинхронный. Модули выполняются в стандарте «Евромеханика» типоразмеров 3U и 6U. VME64X содержит «горячую замену» модулей в крейте и поддерживает технологию «plug and play». В этом стандарте внедрена географическая адресация модулей.

Шина VME широко используется у военных, в сфере телекоммуникаций и в промышленной автоматизации.

В 1984г. появился стандарт VXI (VME eXtention for Instrumentation) – расширение VME для измерительных систем.

Рынок VXI предлагает свыше 1250-ти наименований. В альянс VXI входит свыше 80-ти фирм по всему миру. VXI позволяет строить сложные вычислительные системы, состоящие из десятков крейтов, в каждой из которых до 13 модулей.

Развитие шины VME связано с внедрением технологий последовательной передачи данных (см. ниже).

 

Интерфейс CompactPCI (cPCI)

Стандарт CompactPCI создавался с целью применения достоинств компьютерной шины PCI в системах автоматизации. Напрямую применять изделия, выполненные в стандарте PCI, в промышленных разработках не всегда возможно (они не обеспечивают достаточный теплоотвод, ударо- и вибропрочность и требуемую эксплуатационную надежность). Избавиться от этих недостатков позволяет стандарт CompactPCI. Он базируется на:

- на стандарте PCI;

- механический стандарт «Евромеханика»;

- стандарты «наштырьковые соединители» (IEC 1076-4-101 – международная электротехническая комиссия).

 

Причины, по которым за основу был взят PCI.

1. Шина PCI обладает высокой производительностью. 32-ух разрядная PCI для тактовой частоты 33МГц обеспечивает производительность в 132Мб/с, для 64-х – 264 Мб/с. Для 66 МГц – 264 Мб/с для 32-ух разрядной и 528 Мб/с для 64-х.

2. Не требуется разрабатывать дополнительные логические схемы шинного интерфейса.

3. Шина PCI не зависит от типа микропроцессора и допускает работу с логикой, питаемой от 3,3 В.

4. Совместимость программных средств.

 

Шина PCI разработана в 1992 году фирмой Intel. Архитектура CompactPCI строится на основе логических, электрических и программных спецификаций стандарта PCI. Шины адреса и данных CompactPCI (как и PCI) мультиплексированы (по одной шине идут и адреса и данные, поочередно). При блочной передаче данных достаточно задать начальный адрес для обмена, а затем весь блок данных можно передавать непрерывно, порциями по 4 (8) байтов за один такт (зависит от разрядности шины) (такт ~30нс). Это выгодно при сетевом обмене и обмене с накопителями.

В системах управления циркулируют, в основном, не блоки данных, а отсчеты различных параметров.

Следует помнить, что циклу передачи по шине предшествуют подготовительные операции: арбитраж, задержка данных и их приемника. В лучшем случае эта задержка (арбитраж) составит два такта, в худшем – 258 тактов. Между процессором и магистралью всегда устанавливается хотя бы один мост, а это сулит еще три такта задержки. Операция чтения занимает четыре такта. Следовательно, в идеале, при отсутствии тактов ожидания, одно значение данных будет считано с магистрали за 9 тактов. Примерно 3,7 млн. отсчетов в секунду.

Сравним этот показатель с аналогичным параметром шины ISA. В ISA раздельные шины адреса и данных. Ее тактовая частота 8,33 МГц. Шина тратит на операцию чтения два такта, при этом такты ожидания отсутствуют. Следовательно ISA позволяет получить ~4 млн. отсчетов в секунду.

Вывод: при одиночных обращениях CompactPCI практически не дает выигрыша по сравнению с ISA.

Готовая PCI-плата может быть прямо переведена в стандарт CompactPCI без изменения схемотехники и программного обеспечения. PCI-компоненты являются массовыми, а значит – дешевыми.

CompactPCI основан на общепринятой промышленной и военной технологии создания высоконадежных, встраиваемых систем – на технологии пассивной объединительной магистрали.

Шина выдвигает жесткие требования по согласованию сигналов, передаваемых по отдельным линиям (допустимое рассогласование по времени распространения сигнала для шины с тактовой частотой 66МГц – 1нс).

В шине PCI, а значит и в CompactPCI, реализован контроль четности, который обеспечивает высокую надежность передачи данных.

В автоматизации необходимым качеством грамотно спроектированной системы является возможность масштабирования технического решения.

Системы на базе CompactPCI масштабируются путем использования мостов (PCI-to-PCI Bridge).

CompactPCI использует популярный стандарт «Евромеханика» (модули выпускаются в форматах 6U и 3U). CompactPCI обеспечивает возможность простой интеграции с системами на базе VME. Для этого используют мосты (PCI-to-VME).

Стандарт CompactPCI поддерживает стандарты P&P (Plug and Play) и «горячую замену».

Стандарты и спецификация стандарта PXI

Спецификацию PXI (PCI eXtention for Instrumentation) представила компания National Instruments в 1997г. Тогда она объявлялась как модульная измерительная платформа на основе PCI 33 МГц, которая должна напрямую переноситься на CompactPCI.

Архитектура PXI имеет следующий вид.

 

Левый слот в крейте занимает системный контроллер (СК). Локальная шина (ЛШ) служит для обмена данными между модулями. Контроллер STAR TRIGGER синхронизирует работу СК и МВВ (модули ввода-вывода). Разработка приложений ведется с помощью пакета LABView.

 

Интерфейс PCI PCI-Express (PCIe)

PCI-Express – это последовательная шина. Передача сигналов по ней осуществляется по дифференциальным парам проводов (нет деления проводов на сигнальный и общий): по одной паре в одном направлении, по другой – во встречном. Количество пар проводов может быть увеличено, соответственно имеем PCI-Express х1, x4, x8, x16, x32. Логический ноль передается уровнями от 0,2В до 0,4В, единица – от 0,4В до 0,8В. Одна пара обеспечивает скорость обмена порядка 2,5 Гбит/с. Для PCI-Express х32 теоретическая скорость достигает 8 Гбайт/с (практическая – 6,4 Гбайт/с).

PCI-Express позволяет избавиться от недостатков параллельных шин. На высоких скоростях функционирования параллельные шины становятся источниками помех, возникают также проблемы с синхронизацией обмена. Ряд компаний, включая Intel, позиционируют PCI-Express как универсальное решение, объединяющее как компоненты на плате, так и различные платы и модули ввода-вывода в рамках одного конструктива. Даже для решения тех задач, где нет необходимости в широкой полосе (т.е. в высоком быстродействии) PCI-Express, производители оборудованию все равно предпочитают его, так как он упрощает разработку, экономит место на плате и расход меди на контакты.

Приведем схему преобразования данных для PCI-Express.

Каждый байт в PCI-Express кодируется 10-ю битами. Избыточность нужна для повышения надежности синхронизации при передаче длинных последовательностей нулей и единиц.

Покажем в сравнении производительность трех шин.

Шина	PCI	AGP 8x	PCI-Express x8
Теоретическая скорость передачи (Мб/с)
Эффективная скорость передачи (Мб/с)

 

 

PC/104

Модули в формате PC/104 производят с 1984г. Логически стандарт PC/104 повторяет стандарт ISA. Ключевыми отличиями PC/104 от ISA являются:

- компактность конструкции (размер модулей PC/104 – 90х96 мм);

- разъем PC/104 сквозной, штыревой (как у PCI-Express);

- уменьшенный ток выходных шинных формирователей (4мА против 20мА: меньше модулей, но и меньшее рассеивание мощности);

- расширенный температурный диапазон (многие производители выпускают платы для диапазона -40 - +85^оС).

Благодаря своим небольшим массогабаритным показателям модули PC/104 широко используются во встраиваемых приложениях.

Объединение модулей в один конструктив может происходить следующими способами:

- компоновка на базовой плате (обычно не более 4-ех модулей на плате);

- компоновка модулей в стек;

- применение модуля PC/104 в качестве мезонинного модуля.

С 1994г. модулями PC/104 заинтересовались военные и их стали выпускать в соответствии со стандартом MIL-STD-1553 (ГОСТ 26765.52-87).

Шина PC/104 присутствует в большом числе модулей, выполненных в форматах VME, AT96 (Advanced Technology), STD-32.

В 1997г. консорциум производителей модулей PC/104 предложил стандарт PC/104+. Размер плат (модулей) сохранился, но на них добавился разъем для подключения сигналов шины PCI (32-разрядной).

В настоящее время в шину PC/104 внедряют технологии последовательной передачи данных. Фирма Kontron (ФРГ) производит изделия в формате PCI/104 Express. Фирма планирует продлить существование формата PC/104 как минимум еще 10 лет. Пропускная способность шины PCI/104 Express позволяет использовать ее в коммутаторах 1/10 Gbit Ethernet, в специальных устройствах на основе ПЛИС (или FPGA-матриц), в DSP-процессорах и других системах интенсивного обмена данными.

Использование принудительного вентилятора охлаждения центрального процессора (ЦП) во встраиваемых устройствах часто неприемлемо по причине малых размеров конструктива, а так же ввиду низкой надежности самих вентиляторов (среднее время наработки на отказ (MTBF) меньше 20-ти тысяч часов, а плат же – более 100 000 часов).

Для решения задачи отвода избыточного тепла производители используют ЦП Pentium 3 с пониженным энергопотреблением на частотах 300-600 МГц, а также процессоры от AMD серии EOD, однако, эти процессоры обладают невысокой производительностью. В 2006г. компания Intel прекратила выпуск Pentium 3.

 

Мезонинные технологии

Более 40% встраиваемых технологий применения промышленных компьютеров приходится на одноплатные компьютеры (все необходимое для решения задачи находится на одной плате). Однако регулярно возникает потребность в расширении возможностей системы или ее адаптации для конкретного применения. Чтобы удовлетворить названные потребности применяют специальные платы расширения малого размера. Их устанавливают непосредственно на платах-носителях, а потому называют мезонинными. Назовем востребованные интерфейсы для подключения мезонинных плат.

Стандарт PMC (PCI Mezzanine Card). Платы названного формата имеют размер 75х150 мм. По своим размерам модули (платы) PMC хорошо ложатся на платы стандарта «Евромеханика». Подобные платы выпускает американская фирма VMIC, а также фирма Kontron.

Стандарт PC-MIP. Стандарт предусматривает два типоразмера модулей: Type I – 47x90мм и Type II – 47x99мм. Фирма VMIC выпускает платы также и в этом стандарте.

Фирма Kontron выпускает не только PMC-мезонины, но еще и XMC-мезонины, реализующиеся на основе высокоскоростной последовательной PCI-Express шины.

 

АПК фирмы Advantec

Фирма выпускает устройства серии ADAM-5000 (Analog Digital Advantec Module), предназначенные для построения территориально распределенных систем сбора данных и управления. Они обеспечивают выполнение функций аналогового и дискретного ввода-вывода, первичного преобразования данных, приема команд от удаленного диспетчерского пункта управления (MTU – Massive Terminal Unit) и передачи в его адрес данных от модулей с использованием интерфейса RS-485 шины CAN (Controller Arrea Network) и технологии Ethernet. Эта группа устройств представлена следующими устройствами.

1. Программируемые логические контроллеры (ПЛК - PLC). К ним относят интерфейсы:

- RS-485 (ADAM 5510, ADAM 5511 (4 слота), ADAM-5510E (8 слотов));

- Ethernet (ADAM-5510/TCP (4 слота), ADAM-5510E/TCP (8 слотов)).

2. Базовые блоки. Контроллеры базовых блоков, в отличие от ПЛК обладают ограниченной самостоятельностью, связанной с первичной обработкой сигналов и управляются хостом. К ним относят интерфейсы:

- RS-485 (ADAM 5000/485 (4 слота), ADAM-5000E (8 слотов));

- Ethernet (ADAM-5000/TCP L (4 слотов), ADAM-5000/TCP (8 слотов));

- CAN (ADAM-5000/CAN (4 слота)).

 

 

Базовый блок ADAM-5000/TCP

Блок функционирует как центр обработки данных ввода-выдвода в составе сети Ethernet. Использование последней обеспечивает быстрый обмен данными, скорость которого выбирается автоматически.

Технические характеристики:

- 32-разрядный RISC-процессор Strong ARM (Intel);

- объем ОЗУ – 4 Мб;

- флэш-ПЗУ объемом 512 Кб;

- операционная система – ОС РВ;

- модулей – 8 с подключением до 128 каналов (максимальное число модулей ADAM-5024 - 4);

- доступ для восьми управляющих компьютеров;

- сторожевой таймер;

- потребляемая мощность 5 – Вт.

Коммуникационные характеристики:

- стандарт 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;

- максимальное удаление от хоста без повторителей – 100м;

- максимальное время реакции – не более 5мс.

 

Благодаря наличию в блоке порта RS-485 и соответствующего оборудования блок может исполнять роль шлюза для устройств, подключенных к сети RS-485.

Питание базового блока от нестабилизированного постоянного тока – от 10В до 30В.

Условия эксплуатации – от -10 до +70^оС.

Проводники сечением от 0,5 до 2,5 мм².

В качестве ПО используется:

- встроенная утилита;

- встроенный программный ModBus/TCP сервер и ModBus/TCP драйвер;

- программирование работы блока может вестись в пакетах Advantec-Studio, ADAMView, а также в распространненых средах программирования Delphi, C++, Visual Basic с использованием драйверов DLL (устанавливается при установлении утилиты) и драйвера ActiveX.

Охарактеризуем другие базовые блоки.

ADAM-5000/485, а затем и ADAM 5000E, являются устройствами распределенного сбора данных и управления на базе интерфейса RS-485. Оба блока имеют:

- порты RS-232 и RS-485;

- в качестве микропроцессора в них используется Intel 80188;

- объем ОЗУ – 32 Кб и 128 – флэш-ПЗУ;

- обмен данными ведется с хостом в полудуплексном режиме на сегменте сети длинной до 1200м;

- количество устройств в сегменте не более 32 (повторитель ADAM-4510 позволяет расширить сеть таким же сегментом);

- максимальное число узлов в сети, управляемых через один последовательный порт компьютера – 256;

- скорость обмена зависит от длинны сегмента и составляет от 1200бит/с до 115,2 кбит/с;

- символьный протокол обмена в стандарте ASCII, что позволяет им работать в составе вычислительных систем любых типов.

Блок ADAM-5000E имеет встроенный преобразователь интерфейса
RS-232 ó RS-485.

Потребляемая мощность 1 и 4 ВТ соответственно, что определяет возможное число устанавливаемых в них модулей ADAM-5024.

 

ADAM-5000/CAN. Блок рассчитан на работу в сетях CAN.

Характеристики:

- процессор Intel 80188;

- ОЗУ – 32 Кбайта;

- 4 модуля в блоке;

- мощность 1,2 Вт;

- два порта (интерфейса) – RS-232 и порт CAN;

- шина CAN использует метод доступа к сети передачи CSMA/CD.

Управление доступом ведется на основе приоритетов сообщений. Коллизии выявляются за счет поразрядного контроля каналов.

Наибольшее распространение получили протоколы обмена DeviceNet (125, 250 и 500 кбит/с) и CANopen (20, 125, 500 и 1000 кбит/с).

Скорость зависит от длины линии связи. Максимальное число узлов в сети CAN – 64. Обмен данными ведется по схеме ведущий – ведомый.

Формат кадра сообщения: 11-ти разрядный идентификатор и до 8-ми байтов в пакете.

К достоинствам CAN можно отнести:

- низкую стоимость;

- высокая надежность;

- простота конфигурирования и масштабирования сети;

- поддержка разнотипных физических сред передачи.

 

ПЛК фирмы Advantec

Первым ПЛК был ADAM-5510. Это IBM-PC совместимый, свободно программируемый автономный микроконтроллер на базе Intel 80188.

ПЛК содержит статическое ОЗУ на 256 кбайт, из которых 60 кбайт – с резервным питанием от батарейки, флэш-ПЗУ на 256 кбайт и флэш-память такого же размера. Во флэш-ПЗУ размещается ОС ROM-DOS. В ПЛК также встроены таймер реального времени и сторожевой таймер.

ПЛК имеет три независимых последовательных порта:

- COM1 (RS-232) – для связи с компьютером;

- COM2 (RS-485) – для связи с другими устройствами;

- COM3 – для связи с устройствами, использующими трехпроводный интерфейс RS-232.

Максимальное число узлов сети, управляемых через COM2 – 256.

Прикладные программы пишут на Assembler, C и на языке логического программирования UltraLogic.

ADAM-5511 является аналогом ADAM-5510, но имеет флэш-диск на 512 кбайт. В качестве коммуникационного протокола используется встроенный стандартный протокол ModBus/RTU.

ПЛК ADAV-5511 позволяет подключать модули серии ADAM-4000 через интерфейс RS-485.

ADAM-5510E/TCP:

- тип процессора Intel 80188;

- объем ОЗУ 640кбайт (энергонезависимо – 384 кбайта);

- три последовательных порта ввода-вывода (RS-485 или RS-232, чистый RS-232, один порт Ethernet 10/100Base-TX);

- протокол прикладного уровня для последовательных портов – ModBus, я для сети Ethernet – ModBus/TCP;

- максимальное число модулей – 8;

- программная поддержка – библиотека Borland C++ for DOS.

Модули выполняются в определенных форматах (стандартах). Модули можно разделить на две большие группы: интеллектуальные модули и неинтеллектуальные модули. Первые способны самостоятельно выполнять возложенные на них функции сбора данных, управления, преобразования интерфейса, представление информации и др. Модули второй группы работают под управлением ПЛК или контроллера базового блока. Рассмотрим серии модулей, выпускаемых для промышленной автоматизации.

ADAM-3000. Модули этой серии предназначены для нормализации аналоговых сигналов, термопар, термометров сопротивления, тензомостов и некоторых других. Они используют трехуровневую гальваническую развязку (по входу, по выходу и по питанию) с напряжением изоляции до 1000В. Диапазон входного и выходного сигналов устанавливается с помощью переключателей. Имеется возможность включать/выключать активный фильтр нижних частот (ФНЧ) и тем самым изменять полосу частот пропускания с 5Гц на 1кГц. Питаются модули от +24В. Диапазон рабочих температур от 0 до +70^оС. Останавливаются на один DIN-рельс (промышленный стандарт Германии).

ADAM-4000 представлены интеллектуальными модулями, созданными 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 и обратно в серии имеются модули, выполняющие роль шлюзов между сетью Ethernet и последовательной сетью RS-485:

- ADAM-4570 имеет два порта RS-232/422/485;

- ADAM-4571 имеет один порт RS-232/422/485;

- ADAM-4572 для одного порта с протоколом ModBus (порт такой же);

Также все они имеют один порт Ethernet.

Модули аналогового ввода используют АЦП на 16-ть разрядов:

- ADAM-4011(преобразует сигналы с термопар, а также ток или напряжение);

- ADAM-4012 (ток, напряжение);

- ADAM-4013 и ADAM-4015 (термометры сопротивления);

- ADAM-4016 (для подключения тензодатчика);

- ADAM-4017 имеет восемь каналов преобразования сигналов;

- ADAM-4018 имеет восемь термопар;

- ADAM-4019 – универсальный, восьмиканальный модуль.

Максимальная частота опроса для всех модулей – 10Гц (суммарно по всем каналам).

Аналоговый вывод реализуют с помощью модулей ADAM-4021 (один канал) и ADAM-4024 (четыре канала). Модули содержат двенадцатиразрядный ЦАП и могут выдавать ток или напряжение.

Модули дискретного ввода-вывода:

- ADAM-4050 (семь каналов ввода с уровнем нуля не более одного вольт и уровнем единицы от 3,5В до 30В, восемь каналов вывода типа «открытый коллектор» с напряжением в 30В и током не более 30мА);

- ADAM-4052 (восемь каналов изолированного ввода);

- ADAM-4053 (шестнадцать каналов ввода, в том числе «сухой» контакт (уровню ноль соответствует замыкание на землю, уровню единицы соответствует разомкнутое состояние цепи) до 500 метров).

Модуль релейной коммутации:

- ADAM-4060 (имеет два нормально разомкнутых канала (Form A) и два переключающих канала (Form C));

- ADAM-4080 (содержит два тридцатидвухразрядных счетчика с частотой счета от 5Гц до 50кГц, длительность импульса не менее 10мкс, интервал времени измерения выбирается программно (0,2с или 1с)).

Модули релейной коммутации питаются нестабилизированным напряжением постоянного тока от 10В до 30В. Диапазон рабочих температур от -10^оС до +70^оС. Для расширенного диапазона температур, а именно -40^оС до +85^оС выпускаются следующие модули:

- ADAM-4117 (восьмиканальный аналоговый ввод тока и напряжения)

- ADAM-4118 (восьмиканальный ввод сигналов термопар);

- ADAM-4150 (дискретный ввод/вывод, аналог ADAM-4050);

- ADAM-4168 (модуль релейной коммутации);

- ADAM-45201 (преобразователь интерфейса RS-232 в RS-422/485).

ADAM-5000. Модули этой серии рассчитаны на работу в составе ПЛК или базового блока, которые объединяют четыре, либо восемь модулей. Аналоговый ввод можно реализовать с помощью следующих модулей:

- ADAM-5013 (имеет три канала для подключения термометров сопротивления, шестнадцатиразрядный АЦП, десть отсчетов в секунду суммарно на три канала, не совместим с ADAM-5000/CAN);

- ADAM-5017 (имеет восемь каналов ввода токового сигнала, и сигнала по напряжению, шестнадцатиразрядный АЦП);

- ADAM-5017H (имеет АЦП на тринадцать разрядов и повышенную частоту выборки (буква H), зависящую от блока, в котором установлен этот модуль – для ADAM-5510 и ADAM-5511 – 8кГц, для базовых блоков – 100Гц);

- ADAM-5017UH (имеет частоту выборки 100кГц);

- ADAM-5018 (имеет восемь каналов для подключения термопар).

У четырех вышеперечисленных модулей как у ADAM-5013.

Аналоговый вывод реализует модуль ADAM-5024 (четыре канала, двенадцатиразрядный ЦАП, программно-управляемая скорость нарастания выходного сигнала).

Дискретный ввод/вывод реализуют следующие модули:

- ADAM-5050 (шестнадцать каналов ввода или вывода, режим выбирается DIP-переключателем, уровни сигала – 0 не более 0,2В, а 1- от 4В до 30В, допускает режим сухой контакт по входу, а выход – открытый коллектор);

- ADAM-5051 и ADAM-5052 (соответственно шестнадцать или восемь каналов ввода);

- ADAM-5055S (имеет по восемь каналов ввода-вывода с гальванической развязкой и световой сигнализацией (обозначается буквой S в названии));

- ADAM-5056S (шестнадцать каналов вывода типа открытый коллектор).

Модули релейной коммутации ADAM-5060 и ADAM-5068 на шесть и восемь каналов соответственно. Они допускают коммутацию постоянного и переменного тока.

Модуль ADAM-5080 содержит четыре тридцатидвухразрядных независимых счетчика-таймера с TTL-входами (0 от 0В до 0,4В, 1- от 2,4В до 5В).

Коммуникационный четырехканальный модуль ADAM-5090 с интерфейсом RS-232 для ПЛК ADAM-5510, ADAM-5511.

ADAM-6000. Модули этой серии интеллектуальные, имеют интерфейс Ethernet и встроенную web-страницу. Для организации взаимодействие с верхними уровнями системы управления в модулях реализована поддержка протокола ModBus/TCP и обмен данными происходит через OPC-сервер.

Для настройки web-страниц имеется возможность удаленной загрузки java-апплетов.

Коммуникационные модули:

- ADAM-6510 (четырехпортовый концентратор Ethernet со скоростью обмена на 10Мбит/с);

- ADAM-6520/ ADAM-6522 (соответственно пяти- и трехпортовые коммутаторы, скорость обмена – 10/100Мбит/с, выбирается автоматически);

- ADAM-6521 (пятипортовый коммутатор, один из портов которого - оптоволоконный).

- ADAM-6530 (модуль связи с модемом);

- ADAM-6500 (программируемый коммуникационный процессор со встроенной операционной системой Windows CE, flash-диском на16Мб, ОЗУ на 32Мб, с одним портом Ethernet, скорость 10/100Мбит/с, с одним портом RS-485 и с тремя портами RS-2320).

Модули аналогового ввода имеют шестнадцатиразрядные АЦП:

- ADAM-6015 (шесть дифференциальных каналов для подключения термометров напряжения);

- ADAM-6017 (восемь дифференциальных каналов с программной настройкой типа и диапазона входных сигналов по каждому каналу);

- ADAM-6018 (позволяет подключать восемь каналов термопар).

Универсальный модуль ADAM-6024 имеет шесть каналов аналогового ввода с АЦП на шестнадцать разрядов и диапазонами входных
сигналов + 10В и ток от 0мА до 20мА и от 4мА до 20мА. Модуль также содержит два канала аналогового вывода с ЦАП на двенадцать разрядов и выходными сигналами от 0В до 10В. По току диапазон такой же, как у АЦП. Модуль содержит по два канала дискретного ввода (допускается «сухой» контакт) и вывода (типа «разомкнутый коллектор»).

Модули дискретного ввода/вывода.

- ADAM-6050 (имеет двенадцать цифровых каналов ввода типа «сухой» и шестнадцать выходных каналов типа «открытый» коллектор);

- ADAM-6051 (двенадцать цифровых каналов ввода и два канала вывода, как у ADAM-6050, а также два тридцатидвухразрядных счетчика);

- ADAM-6060 (модуль релейной коммутации и цифрового ввода, шесть каналов ввода типа «сухой» контакт и шесть каналов типа form A, реализующих дискретный вывод).

Серия ADAM-7000 содержит многофункциональный ПЛК и модули. Из этих ПЛК модулей собирается на DIN-рельсе (DIN-рейке). Такая система может подключать до 128 аналоговых и до 512 дискретных каналов на один контроллер (на один ПЛК). Серия специализирована для промышленной автоматизации, в том числе для управления движением. Используются интерфейсы Ethernet и RS-485.

Серия ADAM-8000. Эту серию образуют ПЛК и подсистемы ввода/вывода для сетей FieldBus, которые отвечают требованиям реального времени. Названные устройства используют в системах промышленной автоматизации с повышенными требованиями к надежности и к временным параметрам контуров управления. Поэтому устройства этой серии работают в промышленных сетях, таких как PROFIBUS-DP, ModBus/TCP,CANopen и DeviceNet.

Контроллеры серии ADAM-8000 программно совместимы с контроллерами S7-300 фирмы Siemens, поэтому модули серии ADAM-8000 можно использовать в составе готовых систем автоматизации на базе S7-300.

В последние годы фирма выпускает моноблочные ПЛК для систем автоматизации зданий, такие как BAS-3512 и BAS-3520. Последний имеет четыре канала аналогового ввода и четыре канала аналогового вывода данных. Возможности ПЛК можно расширить модулями семейства BAS (до трех модулей к одному ПЛК, подключение через системную шину рядом с ПЛК).

Для создания программ используют инструментальное ПО, которое называется BUS Pro Builder и в котором разработка ПО ведется на языке FBD.

 

Платы сбора и обработки данных и управления

Платы, работающие на системной шине можно подразделить на многофункциональные, аналогового ввода и вывода, дискретного ввода/вывода, интерфейсные платы и специализированные платы.

Многофункциональные платы (МФП) могут производить ввод/вывод аналоговых и дискретных сигналов, а также содержать счетчики-таймеры. Платы выполняются под различные системные шины. Advantec выпускает МФП для шин PCI и ISA серии PCI-1710 и PCL-711 соответственно.

Платы серии PCI-1710 имеют базовый вариант и вариант с высоким коэффициентом усиления для обработки слабых сигналов – PCI-1710HG. Платы имеют устройство для автоматического опроса каналов. В статической памяти платы хранятся величины коэффициентов усиления по каждому каналу. Это обеспечивает быстрый опрос каналов (до 100 кГц) с разными способами подключения входного сигнала (дифференциальным или с общим проводом). Платы имеют выход FIFO (First In, First Out) объемом на 4*К значений для обеспечения высокой и предсказуемой скорости работы платы под управлением Windows. Плата генерирует прерывание при заполении буфера на половину. Число каналов (16/8) выбирается программно. Разрешение – 12 бит за 8мкс. Плата PCI-1710HG имеет частоту выборки, зависящую от коэффициента усиления: при коэффициенте усиления (К) равным 1 – 100кГц, 50 или 100 – 7кГц, а при К=1000 – 770Гц. Кроме АЦП платы содержат два двенадцатибитных ЦАП с частотой обновления данных на выходе и входе – 100кГц, скорость нарастания выходного сигнала – 10В/мкс. Выходной сигнал с внешним опорным + 10В. На плате имеется по шестнадцать каналов дискретного ввода/вывода типа TTL.

Advantec выпускает большое число серий плат.

PCI-1712 имеет частотй выборки 1МГц (остальные параметры схожи с 1710).

Плата PCL-818 отличается от 1710 тем, что имеет один ЦАП.

Плата PCL-1800 имеет частоту дискретизации 330МГц и два ЦАП.

 

Характеристика плат аналогового ввода.

Такие платы имеют не менее 12-ти разрядов, гальваническую развязку аналоговой и цифровой частей, программно переключаемые диапазоны входного сигнала, встроенный буфер FIFO объемом не менее 1К слов (1024), частоту опроса от 33кГц, программируемый или автоматический 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 от необходимости формирования соответствующий управляющих сигналов для каждого канала.

В режиме программного запуска момент начала преобразования в АЦП определяется программно. В режиме с программируемым генератором темп опроса определяется программируемым таймером платы.

Кроме внутреннего запуска АЦП большинство плат имеют внешний запуск, который может работать в трех режимах:

- «Post-trigger» (сбор данных начинается после поступления внешнего импульса запуска и продолжается до тех пор, пока не будет набрано заданное количество отсчетов);

- «Pre-trigger» (в нем сбор данных производится до поступления внешнего импульса запуска);

- «Middle-trigger» (сбор данных производится до и после поступления внешнего импульса запуска, а количество отсчетов задает пользователь).

На примере PCI-1713 покажем функциональную схему платы аналогового ввода.

Плата реализует три режима запуска преобразования:

- по команде программы;

- от внутренней схемы запуска;

- от внешнего источника.

Время преобразования – 2,5мкс, максимальная частота выборки – 100кГц, коэффициент усиления – 0,5, 1, 2, 4, 8. Диапазон рабочих температур – от 0 до 60^оС.

 

Платы аналогового вывода.

Платы аналогового вывода имеют ЦАП не менее, чем на 12 бит со временен установления выходного сигнала не более 30мкс. Колическтво ЦАП от двух до 32-ух. Выходное напряжение + 10В, с током 10мА.

В большинстве ЦАП используются ЦАП с двойным буфером. Новые данные заносятся во второй буфер, пока преобразуются данные из первого. Это позволяет избежать искажений в выходном аналоговом сигнале. Некоторые платы имеют программную калибровку.

 

Платы дискретного ввода/вывода

Платы различаются числом каналов и наличием дополнительных функций. Ввод и вывод может быть как изолированным, так и не изолированным, рассчитанными на уровни сигналов TTL, или на другие диапазоны, или на «сухой» контакт. Для предотвращения вредного воздействия шумов и дребезга контактов входные каналы оснащают программируемым цифровым фильтром. При использовании фильтра состояние выходного канала не изменяется до тех пор, пока не истечет запрограммированный интервал времени с момента изменения выходного сигнала.

Программное обеспечение (ПО)

Фирма Advantec поставляет вместе с аппаратными средствами ПО, необходимое для их функционирования под управлением Windows. Процессу разработки систем управления предшествует установка утилиты. С ее помощью необходимо произвести сетевые настройки, конфигурирование каналов ввода/вывода, их калибровку и пр.

Утилита предоставляет пользователю командный терминал, который вызывается командой terminal в секции tool. Пользователь может вводить команду в адрес модуля и контролировать ее выполнение. Команда в формате ASCII имеет следующий вид:

[delimiter character] [address] [slot] [channel] [command] [data] [checksum].

Первый параметр – символ начала команды (разделитель). В качестве разделителя используются символы $ или #.

Команды делятся на системные, управления аналоговым и дискретным вводом/выводом.

Параметр address для модулей ADAM-6000 и базового блока ADAM-5000/TCP он всегда равен 01h (в шестнадцатеричном представлении).

Для модуля ADAM-6017 команда установки вида и диапазона входного сигнала для выбранного канала имеет вид: $aaAnntt.

aa – диапазон значений в шестнадцатеричном коде (ModBus-адрес – 01h).

nn – диапазон значений для nn от 00до 07 определяет номер канала.

tt – диапазон значений от 0x07 до 0x0D определяет двухсимвольный код типа входного диапазона (см. таблицу).

A – команда установки диапазона входных сигналов

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 используется по отношению к каналам модуля ADAM-5017: $aaSiArrff

Номер слота (i Si).

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 модуля ADAM-5017 работают в мультиплексном режиме (по очереди) и могут быть включены или выключены из процесса опроса соответствующей командой.

Для настройки модуля ADAM-5024 используются свои команды. Для конфигурирования j-ого канала, установленного в i-ый слот модуля используется команда: $aaSiCjArrff.

В качестве rr можно задать следующие диапазоны выходных сигналов (в шестнадцатеричном представлении):

- 30 (0 ~ 20 мА);

- 31 (4 ~ 20мА);

- 32 (0 ~ 10 В);

ff задает формат данных и скорость нарастания выходного сигнала.

Результат выполнения команды представлен в строке Responce (ответ). Ответ "!" означает, что команда была написана корректно, а "?" – нет.

После настройки каналов модулей на требуемые режимы можно приступать к программированию их действий.

Рассмотрим два варианта создания приложения.

Создание приложения в Advantec Studio (AS)

Advantec Studio – это интегрированный комплекс программных средств (SCADA-пакет – Supervisory Control And Data Acquisition). Пакет включает в себя все необходимое для решения задач по сбору данных, а также для создания HMI (Human Machine Interface). Для реализации функций сбора данных и основанного на нем диспетчерского управления объектом (SCADA-процесс) пакет обладает следующими свойствами:

- поддерживает интерактивное конфигурирование и удаленное администрирование;

- в пакете поддерживаются стандарты DNA, OPC, ODBC, XML, ActiveX компании Microsoft;

- имеет большую библиотеку готовых графических объектов;

- использует расширенный набор средств для упрощения разработки;

- включает в себя более сотни драйверов различных устройств и поддерживает спецификацию OPC для обмена данными с ними.

OPC – OLE for Process Control.

 

Некоторые особенности работы в среде.

Порт для ModBus/TCP – 502. Работа в Advatec Studio предполагает подключение необходимого драйвера, создание новой рабочей области проекта (Workspace), размещение объектов, позволяющих управлять модулями, привязка объектов к тегам (к переменным) и задание дополнительных условий работы. После старта пакета Advatec Studio в левой части пакета отображается рабочая область, имеющая вкладки:

- Database (база данных) – содержит теги, доступные пользователю;

- Graphics (графика) – содержит готовые проекты и библиотеку объектов;

- Tasks (задачи) – позволяет создавать математическое описание процессов, тренды, тревоги (alarm) и др.;

- Comm (связь) – позволяет подключать нужные драйверы связи.

Будем использовать драйвер MOTCP.dll (ModBus Protocol RTU/ASCII via TCP/IP). Драйвер можно найти, вызвав контекстное меню по папке Drivers на вкладке Comm. Если драйвер по какой-либо причине не был установлен, то его необходимо зарегистрировать стандартным для Windows методом – с помощью команды regsvr32.

Создается экранная форма приложения на вкладке Graphics в папке Screen, вызывают контекстное меню по этой папке и выполняют команду insert. Если форма выполняет функции меню, то на ней располагают командные кнопки.

Теги могут быть выбраны из базы тегов или созданы вручную.

На вкладке Comm раскрывают папку драйверы, а затем папку MOTCP. Двойной щелчек по MOTCP открывает Main Driver Sheet справа. В его рабочей области указывают имена тегов с их привязкой к конкретному оборудованию (прописывается IP-адрес, номер канала, вид действия и др.).

Номер канала выбирается в соответствии с таблицей в лабораторной работе.

Создание приложений в среде Delphi

Фирма предоставляет пользователю средства для разработки приложений в разных средах визуального программирования. Ядром таких средств выступает драйвер устройства Advantec – ADAMTCP.dll. Драйвер устанавливается вместе с утилитой. Драйвер поддерживает высокоскоростные функции, которые используют для сбора данных прямой доступ к памяти или прерывание.

Для подключения методов библиотеки к проекту используется функция ADAMTCP_Open. Она возвращает 0 в случае успешного подключения. Отключает библиотеку процедура ADAMTCP_Close. Физическое соединение с аппаратными средствами реализует функция ADAMTCP_Connect.

ADAMTCP_Connect(<IP-адрес>,

<порт, используемый ModBus/TCP>,

<ConnectionTimeout>,

<SendTimeout>,

<ReceiveTimeout>).

Процедура ADAMTCP_Disconnect разрывает соединение.

Названные подпрограммы обрамляют работу с модулями.

Эти действия реализуют и другие подпрограммы Advantec Automation/ADAM/ADAM-5000TCP-6000 Utility/DLL API Help, Demo.

АПК на базе CompactPCI

Управляющие вычислительные комплексы (УВК) СМ1820М

Данные УВК были разработаны в ОАО ИНЭУМ и выпускаются с 1998 года. В основу разработки технических средств УВК положены следующие принципы:

- функционально-модульная архитектура (обеспечивает возможность гибкого переконфигурирования и резервирования)

- открытость и соответствие требованиям международных стандартов (обеспечивает интеграцию с АПК других производителей);

- непосредственная связь с объектом управления;

- управление объектом в реальном масштабе времени (в темпе протекания технологических процессов);

- возможность обслуживания объектов с разным количеством измерительных и управляющих каналов;

- эксплуатация в жестких промышленных условиях;

- жесткие требования к надежности и отказоустойчивости;

- широкое использование промышленных сетей в распределенных системах контроля и управления.

Для технических средств УВК характерно, во-первых, унифицированное конструктивное исполнение, а во-вторых, – использование современной, в том числе и зарубежной, элементной базы.

В состав СМ1820М входят промышленные контроллеры (ПК) СМ1820М.ПК и УВК СМ1820М.ВУ. Эти устройства позволяют строить многоуровневые иерархические (соподчиненные) комплексы для распределенных АСУ. В качестве системного интерфейса устройства используют промышленный интерфейс CompactPCI. Конструктивы выполнены на основе стандарта «Евромеханика».

Архитектура устройств совместима с архитектурой IBM PC.

Вычислительный блок строится по магистрально-модульной системе, представленной ниже.

РИС

На интерфейс CompactPCI устанавливаются модули, требующие высокой скорости обмена. Количество модулей может быть увеличено за счет установки расширителей магистрали. Для непосредственной связи с объектом управления разработаны промышленные контроллеры. Для подключения модулей УСО с шиной CompactPCI в ИНЭУМ разработан интерфейс СМ1820М-И1. На выход интерфейса можно подключать до 64-х модулей дискретного и аналогового ввода-вывода. Таким образом, в системе фактически присутствуют две магистрали, что существенно повышает производительность за счет разделения процессов:

- процессов обработки данных в реальном времени в интеллектуальных модулях, установленных на магистрали CompactPCI;

- процессов ввода/вывода данных через интерфейс СМ1820М-И1. Количество модулей для установки на шину CompactPCI может быть увеличено за счет мезонинных технологий.

Модули УСО, разработанные специально для СМ1820М, одновременно являются кроссовыми модулями. Оригинальная конструкция блока коммутации и модулей УСО обеспечивают удобство подключения и гибкость при компоновке комплексов.

В качестве операционных систем используют ОС USIX, QNX, Linux и Windows для оборудования верхнего уровня системы управления. Основным критерием оценки качества УВК следует считать надежность. Ее удалось повысить за счет применения элементной базы с малым потреблением энергии и за счет выбора рациональной конструкции. В СМ1820М отсутствуют вентиляторы, модули размещены вертикально, установлены в корпусах с большой площадью теплоотвода. Расчетное среднее время наработки на отказ комплекса СМ1820М больше 10тыс. часов. Средняя наработка на сбой – не менее 500 часов.

АПК ведущих мировых производителей для CompactPCI. Среди производителей АПК в CompactPCI выделяются фирмы Motorola, VMIC (США). Их оборудование функционирует под управлением ОС Unix, VxWorks, QNX, Linux, Windows. Motorola выпускает крейт на 21 модуль. Фирма VMIC производит платы для создания систем на базе CompactPCI.

Фирма ADDI_DATA (Германия) также производит платы в стандарте CompactPCI. Она предлагает плату CPCI-3120 для аналогового ввода/вывода (шестнадцатиразрядный АЦП с частотой выборки в 100КГц для 16-ти/8-ми каналов с программируемым коэффициентом усиления, 4/8 четырнадцатиразрядных ЦАП с временем установления – 30мкс, а также по четыре цифровых ввода/вывода).

Фирма Advantec производит многопортовую коммуникационную плату MIC-3620 с интерфейсом RS-232 (8 портов) со скоростью передачи 921,6 кбит/с.

ПЛК

Любая машина, способная автоматически выполнять некоторые операции имеет в своем составе управляющий контроллер (модуль, обеспечивающий логику работы устройства). Контроллеры реализуются по-разному: это может быть механическое устройство, пневматический или гидравлический автомат, релейная или электронная схема или даже компьютерная программа.

При создании машин, занятых в промышленном производстве приходится иметь дело не более чем с единицами однотипных устройств. Кроме того существенной является возможность быстрой перенастройки оборудования на выпуск другой продукции. Контроллеры, выполненные на основе реле или микросхем с жесткой логикой нельзя «научить» делать другую работу без их существенной переделки. Такой возможностью обладают только ПЛК.

Физически типичный ПЛК представляет собой блок с определенным набором входов и выходов для подключения датчиков и исполнительных механизмов.

Логика управления описывается программно на основе микрокомьютерного ядра. Одинаковые ПЛК могут выполнять разные функции. При этом для изменения нет необходимости переделывать аппаратную часть ПЛК. Аппаратная реализация входов и выходов мало подвержена изменениям. Опрос входов и выходов контроллер осуществляет автоматически. Независимо от способа физического соединения. Эту работу выполняет системное ПО. В идеале программиста не интересует, где расположены датчики, исполнительные элементы и т.д. Благодаря стандартизации языков программрирования прикладная программа является переносимой. Т.о. ПЛК – это программно управляемый, дискретный автомат, имеющий множество входов, связывающих его с объектом управления через датчики и множество выходов, связывающих его с устройством управления. ПЛК предназначен для работы в режиме РВ в условиях промышленной среды. Изначально ПЛК предназначались для управления последовательными логическими процессами. Современные ПЛК помимо простых логических операций способны выполнять цифровую обработку сигналов, управление приводами, реализовывать функции операторского управления, регулирования и т.п.

Абсолютное большинство ПЛК работает по методу периодического опроса (сканирования) входных данных. Специфика применения ПЛК обуславливает необходимость одновременного решения нескольких задач. В этой связи прикладная программа реализуется в виде множества логически независимых задач, которые должны работать одновременно. На самом деле ПЛК обычно имеет один процессор и выполняет несколько задач псевдопараллельно последовательными порциями. Поэтому время реакции на события оказывается зависящим от числа одновременно обрабатываемых событий. Современный ПЛК имеет типовое значение рабочего цикла, измеряемое единицами миллисекунд и меньше. Так как время реакции большинства исполнительных устройств значительно выше, то с реальными ограничениями возможности использования ПЛК по времени приходится сталкиваться редко. В некоторых случаях ограничением служит не время реакции на события, а обязательность его фиксации, например, работа с датчиками, формирующими очень короткие импульсы. Это ограничение преодолевается за счет использование специальных счетных входов. Другой часто возникающей задачей является интеграция ПЛК с другими устройствами. Т.о. создаются сети устройств, обладающие рядом специфических требований:

- режим реального времени (РВ);

- надежность в условии промышленной среды;

- ремонтопригодность;

- простота программирования.

Такой класс сетей получил название промышленных сетей или Fieldbus (к таким сетям относятся сети Bitbus, Modbus, Profibus, CANopen, DeviceNet и др.). Такие сети позволяют интегрировать аппаратуру различных фирм, но ни одна из них не может быть признана доминирующей.

Развитие средств сетевой интеграции привело к созданию распред