Выбор контроллерного оборудования

Задачей выбора средств реализации проекта АС является анализ вариантов, выбор компонентов АС и анализ их совместимости.

Конкретные типы средств автоматизации выбирают с учетом особенностей технологического процесса и его параметров.

В первую очередь принимают во внимание такие факторы, как пожаро и взрывоопасность, агрессивность и токсичность среды, число параметров, участвующих в управлении, и их физико-химические свойства, дальность передачи сигналов информации и управления, требуемые точность и быстродействие. Эти факторы определяют выбор методов измерения технологических параметров, требуемые функциональные возможности регуляторов и приборов (законы регулирования, показание, запись и т.д.), диапазоны измерения, классы точности, вид дистанционной передачи и т.д.

Конкретные приборы и средства автоматизации следует подбирать по справочной литературе, исходя из следующих соображений:

- для контроля и регулирования одинаковых параметров технологического процесса необходимо применять однотипные средства автоматизации, выпускаемые серийно. При этом нужно отдавать предпочтение приборам и средствам автоматизации Государственной системы промышленных приборов (ГСП);

- при большом числе одинаковых параметров рекомендуется применять многоточечные приборы;

- класс точности приборов должен соответствовать технологическим
требованиям;

- для автоматизации технологических аппаратов с агрессивными средами
необходимо предусматривать установку специальных приборов, а в случае
применения приборов в нормальном исполнении нужно защищать их.

В этом разделе ПАС обосновывается выбор контроллерного оборудования. Основная задача АС- это выполнение алгоритмов автоматизированного управления технологическим процессом (ввод сигналов измерений, вычисление регулирующего воздействия, вывод сигналов управления исполнительным органом). Для решения этих задач используется программируемый логический контроллер (ПЛК), который включает в себя процессорный модуль и модули ввода-вывода (устройства сопряжения с окружающими объектами, УСО) (рис.9). Для этого УСО осуществляют, в случае необходимости, нормализацию сигналов (приведение к унифицированному уровню сигналов), преобразование их в цифровой код и ввод/ выводные операции с сигналами измерения и управления.

Шины Profibus, CAN

Рис.9 Пример устройства ввода/ вывода ПЛК

Процессорная часть осуществляет централизованное управление УСО, различные виды вычислений, в том числе вычислительное масштабирование сигналов и логическое обеспечение протоколов обмена информационными кадрами с окружающими объектами.

Как видно из рисунка 9, к модулям ввода/вывода с помощью электрических кабелей подключаются датчики и исполнительные механизмы. В зависимости от того, служит ли модуль для ввода сигналов с датчиков в систему управления или выводит управляющие сигналы на исполнительные устройства, модули осуществляют, соответственно, аналого-цифровое или цифро-аналоговое преобразование.

 

Модули ввода/вывода базового назначения бывают 4 типов: модули аналогового и дискретного ввода/вывода.

Модули аналогового ввода (AI, analogue input). Они принимают от датчиков, подключенных к его входам, электрические сигналы унифицированного диапазона, например: 0-20 или 4-20 мA (токовый сигнал); 0-10 В или 0-5 В (потенциальный сигнал); миливольтовый сигнал от термопар (TC) или сигнал от термосопротивлений (RTD) (в случае неунифицированного сигнала для ввода данных необходим специальный модуль - нормализатор). Внутреннее устройство (АЦП) преобразует их в цифровой код.

Пусть в технологическом процессе используется датчик давления с диапазоном измерений 0-6 бар и токовым выходом 4-20 мA. Датчик измеряет давление P, которое в данный момент равно 3 бар. Так как датчик линейно преобразует значение измеряемого давления в токовый сигнал, то на выходе датчика будет:

I вых = 4 + 3/6*(20-4) = 12 мA;

Вход модуля AI, настроенный на те же диапазоны (4-20 мA и 0-6 бар), принимает сигнал 12 мA и делает обратное преобразование:

P = 6*(12-4)/16 = 3 бар.

Программа, находящаяся в процессоре ПЛК, осуществляет масштабирование этой физической величины, или присваивает ей цифровой код.

Соответствие диапазона электрического сигнала между входом модуля и выходом подключенного к нему датчика обязательно для корректной работы системы.

Модули дискретного ввода (DI, discrete input). Принимают от датчиков дискретный электрический сигнал, который может иметь только два значения: или 0 или 24 В (в редких случаях 12, 48 В постоянного тока, 120 В переменного тока). Вход модуля DI также может реагировать на замыкание/размыкание контакта в подключенной к нему цепи. К DI обычно подключают датчики контактного типа, кнопки ручного управления, статусные сигналы от систем сигнализации, приводов, позиционирующих устройств и т.д.

Пусть в технологическом процессе используется насос. Когда он не работает, его статусный (выходной) контакт разомкнут. Соответствующий дискретный вход модуля DI находится в состоянии “0”. Как только насос запустили, его статусный контакт замыкается, и напряжение 24 В идет на клеммы входа DI. Модуль, обнаружив напряжение на дискретном входе, переводит его в состояние “1”.

Модули дискретного вывода (DO, discrete output). В зависимости от внутреннего логического состояния выхода (“1” или “0”) возбуждает на клеммах дискретного выхода или снимает с них напряжение 24 В. Есть вариант, когда модуль в зависимости от логического состояния выхода просто замыкает или размыкает внутренний контакт (модуль релейного типа).

Модули DO могут управлять приводами, отсечными клапанами, зажигать светосигнальные лампочки, включать звуковую сигнализацию и т.д. В

качестве выходных устройств в этом модуле применяется промежуточные реле, например, 3SJ5 или РЭК.

Модули аналогового вывода (АО, analogue output). Действуют как AI, только в обратном направлении. Для этого в модуле используются цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).

Пусть в технологическом процессе используется регулирующий клапан с управляющим входом 4-20 мA. Пусть принято решение использовать его наполовину (т.е. на 50%). Выход АO, к которому подключен вход клапана, генерирует ток I вых:

I вых = 4 + (20-4)*0.5 = 12 мA;

Регулируемый клапан, обнаружив на своем входе ток 12 мA, переходит на 50% открытия.

Соответствие диапазона электрического сигнала между выходом модуля и входом, подключенного к нему исполнительного механизма, обязательно.

Модуль ввода/вывода также характеризуются канальностью – числом входов/выходов, а, следовательно, и количеством сигнальных цепей, которые к нему можно подключить. Например, модуль AI 4 – это четырехканальный модуль аналогового ввода. К нему можно подключить 4 датчика. DI 16 – шестнадцати- канальный модуль дискретного ввода. К нему можно подключить 16 статусных сигналов с какого-нибудь агрегата.

В современных системах расположение модулей ввода/вывода на DIN-рейке строго не регламентировано, и их можно устанавливать в произвольном порядке. Однако один или несколько слотов, как правило, резервируются под установку интерфейсного модуля. Одним их жестких требований, предъявляемых к современным подсистемам ввода/вывода, – это возможность “горячей” замены модулей без отключения питания (функция hot swap).

Современный рынок средств автоматизации предлагает широкий спектр аппаратных и программных устройств для построения надежных и удобных в эксплуатации систем. Не существует отрасли промышленности, в которой не было бы потребности применения контроллеров. Одними из их главных преимуществ является снижение, вплоть до полного исключения, влияния, так называемого человеческого фактора на управляемый процесс, сокращение персонала, минимизация расходов сырья, улучшение качества исходного продукта, и в конечном итоге существенное повышение эффективности производства.

Одной из важнейших особенностей микроконтроллера является наличие разного типа стандартных интерфейсов (RS 485, CAN и др.), которые используются для связи с цифровыми устройствами. Интерфейс служит для двух целей: первая это организация связи устройства с другими устройствами (с компьютером или интеллектуальным датчиком), а вторая – связь микроконтроллера с другими микросхемами на плате. В тех случаях, когда автономное устройство работает вне какой-либо системы, и не требуется передачи или прием данных от другого устройства, тогда интерфейс нужен лишь для связи микроконтроллера с другими микросхемами.

 

Интерфейсная связь между контроллером и подсистемой ввода/вывода. Такая связь возможна благодаря интерфейсному модулю, поддерживающему один из принятых коммуникационных протоколов: Profibus DP, Modbus RTU, Modbus +, CAN, DeviceNet, ControNet и т.д. Вообще, насчитывается более 50 стандартов промышленных шин. На рисунке 10 показана цифровая шина, объединяющая один контроллер (в виде телевизора) и четыре узла ввода/вывода.

Рис. 10. Шина ввода/вывода

Программировать ПЛК, как правило, рекомендуется на языках стандарта IEC-61131.3. Для тех, кто привык к релейно-контактным схемам, рекомендуется работать с языком, созданным на их основе (Ladder Diagram), а тем, кому понятней электронные схемы, могут воспользоваться языком функциональных блоковых диаграмм (Functional Block Diagram). Опытные программисты могут использовать возможности всех языков.

Современный рынок контроллеров и программно-технических комплексов весьма разнообразен. Выбор наиболее приемлемого варианта представляет собой многокритериальную задачу, решением которой является компромисс между стоимостью, техническим уровнем, надежностью, комфортностью, затратами на сервисное обслуживание, полнотой программного обеспечения и многим другим.

Поэтому важно выделить их основные характеристики и свойства, на основании которых можно сделать выбор при построении систем управления.

В качестве таких характеристик при выполнении проекта АС предлагается семь обобщенных показателей:

• характеристики процессора;

• характеристики периферийной части ПЛК;

• характеристики каналов ввода/вывода, поддерживаемых контроллерами;

• коммуникационные возможности;

• условия эксплуатации;

• техническая поддержка;

• программное обеспечение.

Характеристики процессора- это тип, разрядность основной процессорной платы и рабочая частота; поддержка математики с плавающей запятой, позволяющая выполнять эффективную обработку данных; наличие битовых операций, число манипуляций для обработки данных, возможности системы прерываний. Чем меньше манипуляций для обработки данных, чем совершеннее система прерываний, тем более предпочтителен такой процессор в АСУ ТП.

Характеристики периферийной части ПЛК - это наличие и объем различных видов памяти: ОЗУ (RAM), ПЗУ (ROM), СППЗУ (EPROM), ЭСППЗУ (EEPROM), флэш (Flash), количество и разнообразие каналов ввода-вывода.

Главной отличительной особенностью E(E)PROM (в т. ч. и Flash) от ПЗУ-энергонезависимой памяти является возможность перепрограммирования при подключении к стандартной системной шине микропроцессорного устройства. В EEPROM реализуется возможность производить стирание отдельной ячейки при помощи электрического тока. Во флэш-памяти используется несколько отличный от EEPROM тип ячейки-транзистора. Технологически флэш-память родственна как EPROM, так и EEPROM. Основное отличие флэш-памяти от EEPROM заключается в том, что стирание содержимого ячеек выполняется либо для всей микросхемы, либо для определённого блока (кластера, кадра или страницы). Обычный размер такого блока составляет 256 или 512 байт, однако в некоторых видах флэш-памяти объём блока может достигать гигабайтов. Стирать можно как блок, так и содержимое всей микросхемы сразу. Таким образом, в общем случае, для того, чтобы изменить один байт, сначала в буфер считывается весь блок, где содержится подлежащий изменению байт, стирается содержимое блока, изменяется значение байта в буфере, после чего производится запись измененного в буфере блока. Такая схема существенно снижает скорость записи небольших объёмов данных в произвольные области памяти, однако, значительно увеличивает быстродействие при последовательной записи данных большими порциями.

Преимущества флэш-памяти по сравнению с EEPROM:

• более высокая скорость записи при последовательном доступе за счёт того, что стирание информации во флэш производится блоками;

• себестоимость производства флэш-памяти ниже за счёт более простой организации.

Недостаток - медленная запись в произвольные участки памяти.

Большинство фирм-производителей поставляют на рынок средств и систем автоматизации семейства контроллеров, каждое из которых рассчитано на определенный набор выполняемых функций и объем обрабатываемой информации. Среди них имеются семейства самых малых контроллеров

(микро) небольшой вычислительной мощности, способных поддерживать максимум несколько десятков вводов/выводов, в основном, дискретных. Область применения таких контроллеров - сбор данных и системы противоаварийной защиты. В качестве примеров таких контроллеров можно привести контроллеры семейства MicroLogix (Allen-Bradley), Direct Logic DL05 (Koyo), Nano (Schneider Electric).

Семейства малых контроллеров способны поддерживать сотни вводов/выводов, выполнять более сложные функции. Эти контроллеры имеют достаточно развитый аналоговый ввод/вывод, выполняют операции с плавающей точкой и функции ПИД-регулирования. К этой группе контроллеров можно отнести SLC 500 (Allen-Bradley), TeleSAFE Micro16 (Control Microsystems), Simatic S7-200, 300 (Siemens).

Контроллеры средней мощности, обладая достаточной памятью и быстродействием, могут обрабатывать уже тысячи переменных дискретного, аналогового и скоростного типа. Применяются для автоматизации небольших объектов процессов. Это контроллеры PLC-5 (Allen-Bradley), Premium (Schneider Electric), Direct Logic DL405 (Koyo) и другие.

Наконец, некоторые крупные фирмы производят класс контроллеров очень высокой вычислительной мощности, обладающих памятью, измеряемой мегабайтами и гигабайтами. Их способность обрабатывать десятки тысяч переменных и предопределила одну из областей применения - в качестве концентраторов информации, получаемой от локальных контроллеров. Вычислительные возможности этого класса контроллеров позволяют реализовывать сложные алгоритмы (адаптивное, оптимальное управление), применяемые при автоматизации непрерывных технологических процессов. Наиболее яркими представителями этой группы контроллеров являются ControlLogix (Allen-Bradley), Simatic S7– 400 (Siemens), Fanuc 90-70 (GE Fanuc), VME (PEP Modular Computers).

Характеристики каналов ввода/вывода контроллеров.

Параметры контроллера с точки зрения поддерживаемых им каналов ввода/вывода являются определяющими при его выборе. Важно не только количество каналов ввода/вывода, поддерживаемое контроллером, но и разнообразие модулей ввода/вывода по количеству и уровням коммутируемых сигналов (ток/напряжение), а также способы подключения внешних цепей к модулям ввода/вывода.

Как зарубежные, так и отечественные производители контроллеров комплектуют свои изделия широкой гаммой модулей дискретного и аналогового ввода/вывода. По количеству подключаемых сигналов различают модули на 4, 8, 16, 32 и 64 канала. Такое разнообразие модулей облегчает подбор требуемой конфигурации контроллера, позволяя минимизировать стоимость технических средств.

Коммутируемые модулями дискретного ввода/вывода сигналы могут иметь различный уровень напряжения переменного и постоянного тока. Это 12, 24,

48 В постоянного тока, 120 и 240 В переменного тока с различными нагрузками по току.

Уровни коммутируемых сигналов модулями аналогового ввода/вывода могут быть самыми разнообразными. Это 0-5В, 0-10В, +5В, +10В по напряжению и 0-5мА, 0-20мА, 4-20мА по току. Есть и специальные модули для ввода в контроллеры сигналов от термопар и термометров сопротивления различных градуировок. Приведенные здесь данные по уровням сигналов, безусловно, не исчерпывают всего разнообразия, представленного на рынке.

Различаются модули ввода/вывода и по способу подключения внешних цепей. К одним модулям внешние цепи подключаются с помощью клемм с винтовыми зажимами. Возможно также подключение внешних цепей через съемные терминальные блоки или фронтальные соединители, что позволяет производить замену модулей без демонтажа внешних цепей. Некоторые производители ПТК предлагают системы ввода/вывода, в которых внешние низковольтные цепи подключаются посредством пружинных зажимов. Фирма WAGO является мировым лидером в области пружинной клеммной техники. При использовании этих клеммников практически исключены ошибочные действия монтажников при соединении проводов, поскольку зачищенный участок провода может быть только в двух состояниях: зафиксированное (необходимый контакт обеспечен) или не зафиксированное (контакта нет вообще), в то время как в клеммах с использованием винтовых зажимов возможен промежуточный вариант - плохо закрученный винт. Подкупает также в WAGO лёгкость монтажа.

На лицевой панели модулей ввода/вывода могут быть расположены светодиоды индикации состояния внешних цепей.

Одной из важнейших характеристик контроллеров является их способность поддерживать локальный, расширенный, удаленный и распределенный ввод/вывод.

Под локальным следует понимать такой ввод/вывод, когда модули ввода/вывода размещаются непосредственно на том же шасси, на котором размещен и модуль центрального процессора (такая схема называется иногда крейтовой). Так как количество слотов в шасси ограничено (максимум 16 - 18 для некоторых контроллеров), то и количество локальных вводов/выводов может быть также ограничено. Преимущество локальных вводов/выводов заключается в том, что они имеют высокую скорость обновления данных. При всех прочих равных условиях, скорость обработки этих вводов/выводов очень высока. Эта характеристика особенно важна, когда речь идет о регулировании технологических параметров.

Для поддержки большего числа каналов ввода/вывода фирмы-производители аппаратных средств снабдили свои системы возможностью их расширения посредством DIN рейки (рис.11). Модули ввода/вывода на DIN рейке соединяются между собой специализированным коротким кабелем и могут быть отнесены максимум на несколько десятков метров от центрального.

 

Некоторые комплексы контроллеров способны поддерживать несколько DIN реек с большим числом модулей ввода/вывода.

Например, контроллеры PLC-5/40L, PLC-5/60L (Allen-Bradley) допускают расширение локального ввода/вывода для ускоренного обновления данных до 16 модулей ввода/вывода.

Удаленный ввод/вывод применяется для систем, в которых имеется большое количество датчиков и других полевых устройств, находящихся на достаточно большом расстоянии (1000 и более метров) от центрального процессора. Такой подход позволяет уменьшить стоимость линий связи за счет того, что модули ввода/вывода размещаются вблизи полевых устройств.

Условия эксплуатации. Прежде всего, следует определиться какой набор функций должен выполнять микроконтроллер и при каких условиях эксплуатации. Особые ограничения имеет температурный диапазон. В сибирских условиях, как правило, устанавливаются требования от -50^оС до +50^оС. Большинство ПЛК не могут эксплуатироваться при этой температуре. Для решения задачи их применения необходимо использовать термостатирование или другие способы применения контроллеров с ограниченным температурным диапазоном.

Автономные устройства часто в течение длительного промежутка времени не имеют возможности передачи данных на диспетчерский пункт, поэтому необходимо место для оперативного хранения информации. Одним из решений является хранение данных в ОЗУ, следовательно, чем больше объем ОЗУ, тем больше данных может в нем храниться. Кроме того, для автономных систем, очень важен такой параметр как напряжение хранения информации. Если напряжение питания снижается ниже минимально допустимого уровня, но выше напряжения хранения информации, то программа не выполняется, но данные в ОЗУ сохраняются. Напряжение хранения информации в микроконтроллерах фирмы Motorola, PIC и AVR составляет порядка 1-1,5В.

Рис.11. Организация расширенного ввода/вывода ПЛК на DIN рейке

 

Требования, предъявляемые к микроконтроллерам удаленных (распределенных) устройств, несколько отличаются от стандартных требований. Так, если в стационарных устройствах требования к пониженному энергопотреблению микроконтроллеров не являются определяющими, то в автономных удаленных устройствах они выходят на передней план. Зачастую автономные устройства это системы, которые имеют автономное питание (например, питание от батареек или аккумуляторов). В этом случае, желательно использовать либо микроконтроллер с расширенным, либо с пониженном диапазоном питания. Микроконтроллеры с расширенным диапазоном питания относительно неприхотливы к напряжению питания и подходят как для устройств с сетевым, так и с автономным питанием. Микроконтроллеры с пониженным диапазоном питания предназначены для изделий с автономным питанием, т.к. их ток потребления в несколько раз меньше тока потребления других микросхем. В то же время следует помнить, что микроконтроллеры с пониженным диапазоном питания обычно имеют меньшую максимальную частоту тактирования. Дополнительным основанием выбора ПЛК является необходимость удовлетворения системных требований проекта.

При выборе ПЛК рекомендуется выяснить следующие вопросы:

• Какие требуются периферийные устройства?

• Какие требуются характеристики ввод-выводных операций?

• Применяются ли битовые операции или только числовые?

• Сколько требуется манипуляций для обработки данных?

• Должен ли ПЛК управляться по прерываниям, по готовности или по командам человека? Каким количеством устройств (битов ввода/вывода) необходимо управлять?

• Какие устройства из числа многих возможных типов I/O устройств должны контролироваться управляться: терминалы, выключатели, реле, клавиши, сенсоры (температура, свет, напряжение и т.д.), визуальные индикаторы (LCD дисплеи, LED), аналого-цифровые (A/D), цифроаналоговые (D/A) преобразователи?

• Сколько напряжений сети питания требуется для контроллера?

• Насколько отказоустойчив источник напряжения?

• Будет ли работать ПЛК при напряжении сети питания технологической площадки?

• Должны ли напряжения удерживаться в узком фиксированном диапазоне изменений, или же ПЛК может работать при большой нестабильности?

• Какой необходим рабочий ток?

• Должен ли контроллер работать от сети или от батарей?

• Если от батарей, то должны ли использоваться перезаряжаемые батареи и если это так, то каково время работы без перезарядки, и какое для нее требуется время?

• Существуют ли ограничения по размеру, весу, эстетическим параметрам, таким как форма и/или цвет?

• Существуют ли какие либо специфические требования к условиям окружающей среды, таким как температура, влажность, атмосфера (взрывоопасная, коррозийная и т.д.), давление/ высота?

• Где должно базироваться пользовательское программное обеспечение: на дисках, флеш-памяти или ROM? Необходимо ли работа АС в реальном времени, и если да, то есть ли необходимость приобретения ядра программ реального времени или, возможно, будет достаточно обычной широко используемой версии?

• Достаточно ли персонала и времени для развития собственного ядра программ?

Ответы на эти вопросы следует документировать в ПЗ как обоснование выбора ПЛК.