Производительность ПЛК оценивается по следующим параметрам:
• длительность контроллерного цикла (период считывания значений из каналов ввода, обработки в процессоре и записи в каналы вывода);
• время выполнения команд (отдельно логических, с фиксированной и с плавающей точкой);
• пропускная способность шины между контроллером и модулями ввода-вывода;
• пропускная способность промышленной сети;
• время цикла опроса всех контроллеров в одномастерной сети или цикл обращения маркера для многомастерных сетей с маркером (см. раздел "Промышленные сети и интерфейсы");
• время реакции.
Контроллер в системах автоматизации выполняет циклический алгоритм, включающий ввод данных и размещение их в ОЗУ, обработку данных и вывод. Длительность контроллерного цикла (его еще называют рабочим циклом) зависит от количества модулей ввода-вывода и наличия в них замаскированных (исключенных из процедуры обмена) входов-выходов, поэтому рассчитывается для каждой конфигурации автоматизированной системы отдельно.
При интенсивной математической обработке данных (например, при цифровой фильтрации, интерполяции или идентификации объекта управления в режиме нормального функционирования системы) длительность контроллерного цикла существенно зависит от быстродействия процессорного модуля.
В контроллерный цикл входит также обслуживание аппаратных ресурсов ПЛК (обеспечение работы системных таймеров, оперативное самотестирование, индикация состояния), контроль времени цикла, сетевой обмен, управление многозадачностью, отображение процесса выполнения программы на дисплее и т. п.
Перед началом работы ПЛК выполняет загрузку операционной системы и программы пользователя в ОЗУ и ПЗУ, начальное тестирование аппаратуры. ПЛК обычно может работать в режиме отладки, пошагового выполнения программы, просмотра и редактирования значений переменных и т. п.
В процессе функционирования ПЛК данные, введенные из устройств ввода, располагаются в ОЗУ и в течение рабочего цикла контроллера не изменяются. Прямое чтение входа во время выполнения одного цикла не выполняется. Это ускоряет процесс обработки данных и исключает непредвиденные ситуации.
В системах с распределенными по объекту модулями ввода-вывода длительность контроллерного цикла может определяться пропускной способностью промышленной сети, что в ряде случаев является ограничением на предельное количество модулей ввода-вывода.
Требования к длительности контроллерного цикла существенно зависят от области применения ПЛК. При управлении тепловыми процессами длительность цикла может составлять единицы и десятки секунд, в задачах для управления станками она измеряется миллисекундами, при опросе датчиков температуры на элеваторе контроллерный цикл измеряется сутками.
Время реакции контроллера - это интервал времени от момента появления воздействия на систему (со стороны модулей ввода или оператора) до момента выработки соответствующей реакции. Время реакции зависит от длительности рабочего цикла контроллера, которое определяется быстродействием модулей ввода-вывода и производительностью процессора.
В контроллерах для ответственных применений могут быть предусмотрены следующие функции самодиагностики:
• обнаружение ошибок центрального процессора;
• сигнализация о срабатывании сторожевого таймера;
• обнаружение отказа батареи или источника питания;
• обнаружение сбоя памяти;
• проверка программы пользователя;
• обнаружение выхода из строя предохранителя;
• обнаружение обрыва или к. з. в цепи датчика и нагрузки.
В контроллерах для систем противоаварийной защиты (ПАЗ) и сигнализации, а также для опасных промышленных объектов может быть предусмотрена возможность резервирования отдельных частей системы: промышленной сети, процессорного модуля или контроллера, источника питания, сетевого сервера, замкнутых контуров автоматического регулирования, модулей ввода-вывода. Объектом резервирования обычно является наиболее ответственная или наиболее ненадежная часть системы.
Возможность горячей замены элементов системы (т.е. без отключения питания) достигается одновременно аппаратными и программными средствами. Аппаратно предусматривается независимость начального состояния устройства от очередности подачи сигналов на его клеммы в процессе замены; программно обеспечивается возможность временного отсутствия компонента системы без ее зависания или перехода в аварийные режимы.
Надежность контроллеров характеризуется наработкой на отказ, которая определяется как отношение суммарного времени работоспособного состояния контроллера к математическому ожиданию числа его отказов в течение этого времени (ГОСТ 27.002-89) или наработкой до отказа - временем от начала эксплуатации до первого отказа.
Надежность связана с допустимыми механическими перегрузками - амплитудой вибрации в требуемом диапазоне частот, допустимым ускорением при ударе.
Для повышения безопасности систем автоматизации в контроллерах используются команды для установки начального состояния выходов сразу после подачи питания или в аварийном режиме. Эти состояния выбираются таким образом, чтобы после восстановления напряжения питания при случайном его прерывании или в аварийном режиме системы исполнительные устройства находились в безопасном для персонала или системы состоянии.
Например, в системах с нагревом безопасным будет состояние отключенного нагревателя, в подъемных механизмах - состояние торможения. Наличие команд управление безопасными состояниями позволяет реализовать операцию автоматического рестарта автоматизированной системы после прерывания питания или после восстановления работоспособного состояния.
Способность контроллера переводить свои выходы в заранее определенное состояние сразу после обнаружения снижения напряжения питания или после внутреннего отказа называется отказоустойчивым отключением1.
Если повторный запуск ПЛК выполняется после того, как все динамические данные (переменные входов-выходов, состояние внутренних регистров, таймеров, счетчиков, программные контексты) были возвращены в заранее определенное состояние, то такой запуск называется холодным рестартом1. Холодный рестарт может быть как ручным, так и автоматическим.
Горячим рестартом называют повторный запуск ПЛК, который выполняется настолько быстро после пропадания питания, что все динамические переменные не успевают измениться и поэтому работоспособность восстанавливается таким образом, будто питания не пропадало.
Теплым рестартом называют повторный запуск после обнаружения неисправности питания с заранее определенным и программируемым пользователем множеством динамических данных и системным контекстом прикладной программы. Теплый рестарт характеризуется сигнализацией состояния или эквивалентными средствами, позволяющими убедиться в том, что прикладная программа зарегистрировала прекращение неисправности питания, обнаруженное конфигурацией ПЛК в режиме пуска.
Помехоустойчивость контроллера обычно оценивается по его соответствию комплексу стандартов по электромагнитной совместимости.
Промышленные контроллеры используют гальваническую изоляцию для устранения паразитных связей по общему проводу, земле и для защиты оборудования от высоких напряжений.
Степень защиты от воздействия окружающей среды, обеспечиваемая корпусом контроллера, классифицируется ГОСТ 14254-96. Для обозначения степени защиты используются две буквы "IP", за которыми следуют две цифры. Первая цифра обозначает степень защиты изделия от попадания внутрь твердых посторонних тел, вторая цифра обозначает степень защиты изделия от попадания воды. Расшифровка обозначений приведена в табл. 6.30, примеры корпусов показаны на рис. 6.2.
При выборе контроллера желательно оценивать степень его соответствия идеологии "открытых систем" чтобы не попасть в зависимость от одного поставщика и иметь возможность модифицировать систему по мере необходимости.
Открытые системы.
Одна из важнейших проблем, возникающих в АСУ ТП, при автоматизации измерений и в других областях, заключается в резком увеличении стоимости системы с ростом ее сложности. Объективная причина этого явления состоит в том, что сложные системы часто изготавливаются в единичных экземплярах, а это не позволяет сделать их дешевыми.
Распространенный метод решения указанной проблемы состоит в делении системы на модули таким образом, чтобы каждый из них становился коммерчески эффективным изделием и мог изготавливаться несколькими конкурирующими производителями в больших количествах.
Однако при этом возникает проблема аппаратной и программной совместимости модулей. Для достижения совместимости интерфейс, конструктив и выполняемые функции таких модулей должны быть стандартизованы.
Открытой называется модульная система, которая допускает замену любого модуля на аналогичный модуль другого производителя, имеющийся в свободной продаже по конкурентоспособным ценам, а интеграция системы с другими системами (в том числе с пользователем) выполняется без преодоления чрезмерных проблем.
Открытость можно рассматривать на разных уровнях иерархии программного и аппаратного обеспечения системы или ее составных частей. Открытыми, например, могут быть:
• физические интерфейсы, протоколы обмена, методы контроля ошибок, системы адресации, форматы данных, типы организации сети, интерфейсы между программами, диапазоны изменения аналоговых сигналов;
• пользовательские интерфейсы, языки программирования контроллеров, управляющие команды модулей ввода-вывода, языки управления базами данных, операционные системы, средства связи аппаратуры с программным обеспечением;
• конструкционные элементы (шкафы, стойки, корпуса, разъемы, крепежные элементы);
• системы, включающие в себя перечисленные выше элементы.
Под открытостью системы иногда понимают ее соответствие современным промышленным стандартам, которое обеспечивает возможность интеграции с другими открытыми системами.
Однако понятие открытости можно трактовать шире: оно должно подразумевать, что система не только удовлетворяет стандартам, но стандарт является общепризнанным, а в свободной продаже имеются аналогичные системы других производителей по конкурентоспособным ценам.
Открытые системы обладают следующими положительными свойствами, благодаря которым системные интеграторы проявляют к ним большой интерес:
• модульность;
• платформенная независимость;
• взаимозаменяемость с компонентами других производителей;
• интероперабельность (возможность совместной работы) с компонентами других производителей;
• масштабируемость.
Для обеспечения возможности построения открытых систем рынок должен быть наполнен программными и аппаратными средствами, которые являются взаимозаменяемыми, производятся независимыми предприятиями и удовлетворяют требованиям общепринятых стандартов. Ниже мы кратко опишем средства (составляющие) открытых систем.
