Технические средства АСУТП(продолжение).Устройства связи с объектом, контроллеры

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Основные англоязычные термины в АСУТП
PLC (Programmable Logic Controller) - программируемый логический контроллер (ПЛК)
HMI (Human Machine Interface) - человек-машинный интерфейс, устройство для оперативного управления технологическим процессом или отдельной установкой. В качестве HMI сегодня обычно используются специализированные видео-терминальные графические и текстовые панели либо персональные компьютеры в промышленном исполнении
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) - супервизорное управление и сбор данных (система «верхнего» уровня). SCADA-система обеспечивает сбор, обработку, архивацию и визуализацию данных для централизованного мониторинга и управления технологическим процессом
RTU (Remote Terminal Unit) - микропроцессорное устройство для сбора данных и дистанционного управления в удаленных необслуживаемых местах
RIO (Remote Input Output) - удаленный ввод-вывод сигналов

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Устройства связи с объектом (УСО)

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Функции УСО
Нормализация аналогового сигнала, т.е. приведение границ шкалы первичного непрерывного сигнала к одному из стандартных диапазонов входных сигналов АЦП.
Предварительная низкочастотная фильтрация аналогового сигнала - ограничение полосы частот первичного непрерывного сигнала с целью снижения влияния на результат измерения помех различного происхождения.
Обеспечение гальванической изоляции между источниками сигнала и каналами системы.
Помимо этих функций ряд УСО может выполнять более сложные функции за счет наличия в их составе АЦП, дискретного ввода-вывода, микропроцессора и интерфейсов передачи данных.

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Классификация УСО по типу сигналов
Аналоговые
аналого-цифровые преобразователи АЦП,
цифро-аналоговые преобразователи ЦАП и др.
Дискретные
Входные: опрос датчиков с релейным выходом, выключателей, контроля наличия напряжения в сети и т.д., а выходные
Выходные: формируют сигналы для управления пускателями, двигателями и прочими устройствами.
Цифровые
Работают только с цифровой информацией
Например, коммуникационные модули, предназначенные для сетевого взаимодействия (например, повторители для увеличения протяженности линии связи, преобразователи интерфейсов RS-232/RS-485).

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Классификация УСО по направлению прохождения данных
устройства ввода, обеспечивающие передачу сигналов датчиков;
устройства вывода для формирования сигналов на исполнительные механизмы;
двунаправленные.

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
В реальных системах модули УСО могут не присутствовать в виде самостоятельных устройств, а входить в состав датчиков (в этом случае датчики называют интеллектуальными) или промышленных компьютеров.
Примером могут служить датчики, выдающие готовый цифровой сигнал. В этом случае граница между первичным преобразователем и УСО проходит где-то внутри датчика.
С другой стороны, УСО могут быть выполнены в виде АЦП/ЦАП-плат, вставляемых в стандартные ISA или PCI слоты компьютера. В этом случае аналоговые сигналы могут быть введены прямо в компьютер, где и преобразуются в цифровой вид.

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Контроллеры

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Промышленный контроллер
Промышленный контроллер — управляющее устройство, контроллер, применяемое в промышленности, на транспорте и других отраслях по условию применения и задачам, близким к промышленным. Применяется для автоматизации технологических процессов, управления климатом и др. Широкий термин, охватывающий множество возможных реализаций:
устройство управления на основе механических, электрических и электронных схем, созданные до внедрения в системы автоматизации вычислительной техники, сохраняются оптимально решая некоторые частные задачи в конкретных устройствах, например контроллер электрического двигателя
промышленный контроллер на базе промышленного компьютера, по архитектуре близкого к персональному компьютеру, но имеющему специальное исполнение для применения в промышленных условиях и снабженого специальными устройствами, например, для подключения к промышленной сети
программируемые логические контроллеры и близко примыкающие к ним программируемые интеллектуальные реле
встроенные контроллеры, в том числе микроконтроллеры

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Программируемый логический контроллер
Программируемый логический контроллер, ПЛК — микропроцессорное устройство, предназначенное для управления технологическими процессами в промышленности и другими сложными технологическими объектами (например, системы управления микроклиматом). Принцип работы ПЛК заключается в сборе сигналов от датчиков и их обработке по прикладной программе пользователя с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства.

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
ПЛК, как правило, не имеют развитых средств интерфейса, типа клавиатуры и дисплея, устанавливаются в шкафах, их программирование, диагностика и обслуживание производится подключаемыми для этой цели программаторами — специальными устройствами (устаревшая технология) или устройствами на базе PC или ноутбука, со специальным программным обеспечением, а возможно и со специальными интерфейсными платами.
В системах управления технологическими процессами ПЛК взаимодействуют с системами человеко-машинного интерфейса: операторскими панелями или рабочими местами операторов на базе PC.
Датчики и исполнительные устройства подключаются к ПЛК или централизованно: в стойку ПЛК устанавливаются модули ввода-вывода, подключённые к датчикам и исполнительным устройствам отдельными проводами, или по методу распределённой периферии, когда удалённые от ПЛК датчики и исполнительные устройства связаны с ПЛК общей сетью, например, сетью Profibus с протоколом DP.

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Виды ПЛК
Классические ПЛК (OMRON, Siemens Simatic S7, Segnetics SMH2010)
ПЛК на базе процессора i8088/8086/80186/ (ICPDAS, Advantech)
интеллектуальные реле (Siemens LOGO!, Zelio Logic)
программные ПЛК на базе PC-совместимых компьютеров
MicroPC
WinCon
Распределённые системы управления DCS

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Примеры контроллеров
фирмы Schneider Electric
(Modicon)

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Zelio
Zelio logic – Интеллектуальное реле

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Twido
Программируемые контроллеры

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
TSX Micro:
Мощный ПЛК для своего размера

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
TSX Premium

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
TSX Momentum
УСО для промышленных информационных шин
или автономный контроллер

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Modicon TSX Momentum
Открытая платформа для автоматизации
Исчерпывающий набор цифровых, аналоговых и смешанных вх./вых.
оптимизированное подключение
встроенный источник питания
Одномодульная платформа для:
подключения к разнообразным шинам
Modbus
Modbus Plus
WorldFip, FIPWAY, FIPIO
Ethernet TCP/IP
Interbus S
Profibus DP
DeviceNet
CAN
LON

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
RS232
(Modbus)
Сеть в/в
Port (Interbus)
Сеть даных
(Redundant Modbus Plus)
Процессор
База
в/в
Адаптер
связи
Modbus Port
Сеть Modbus Plus
I/O Bus (Interbus)
I/OBus (Interbus)
Modicon TSX Momentum
Автономный контроллер с сетевыми возможностями

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Magelis iPC – Промышленные ПК
Гибкость выбора:
различные блоки ПК и исполнения передней панели исходя из потребностей заказчика

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Сеть FIPWAY
ДИФФУЗИЯ
ДЕФЕКОСАТУРАЦИЯ
ВЫПАРКА
ETHERNET TCP/IP
АРМ
оператора
АРМ
оператора
АРМ
оператора
АРМ
нач. смены
АРМ
технолога
PREMIUM
PREMIUM
PREMIUM
PREMIUM
Реализация фирмы ЦАНТ
АСУ ТП Волоконовского сахарного завода

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Производители ПЛК
Ведущие мировые производители:
Siemens AG,
Bernecker & Rainer,
Delta Electronics,
Rockwell Automation,
Schneider Electric,
Omron.
Другие производители:
Advantech,
VIPA,
WAGO I/O,
Phoenix Contact
Российские производители ПЛК :
ЭлеСи,
Сегнетикс,
МЗТА,
НПП Автоматика-С,
Овен,
Fastwel,
Текон

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Промышленный ПК
Промышленный ПК — компьютер на основе платформы x86, предназначенный для решения производственных задач в различных отраслях промышленности и транспорта. Основываясь на стандартном аппаратном и программном обеспечении промышленные компьютеры, тем не менее, как правило предполагают следующие преимущества:
повышенная надёжность;
стойкость к вибрации и механическим ударам;
стойкость к внешним электромагнитным полям;
расширенный диапазон рабочих температур;
увеличенный жизненный цикл изделия.
Также, зачастую промышленный ПК обладает дополнительными интерфейсами, такими, как PROFIBUS

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Коммуникации для ПЛК
RS-485
ProfiBus
ModBus Plus
CAN
AS-Interface
Промышленный Ethernet

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
PROFIBUS
открытая промышленная сеть, прототип которой был разработан компанией Siemens AG для своих промышленных контроллеров SIMATIC, на основе этого прототипа
PROFIBUS объединяет технологические и функциональные особенности последовательной связи полевого уровня. Она позволяет объединять разрозненные устройства автоматизации в единую систему на уровне датчиков и приводов.
PROFIBUS использует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами (протоколы DP и PA) или между несколькими ведущими устройствами (протоколы FDL и FMS).
Физический, канальный уровни и уровень приложений

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Физический уровень PROFIBUS
Физически PROFIBUS может представлять из себя:
электрическая сеть c шинной топологией, использующая экранированную витую пару, соответствующая стандарту RS-485.
оптическая сеть на основе оптоволоконного кабеля.
инфракрасная сеть.
Скорость передачи по ней может варьироваться от 9,6 Кбит/сек до 12 Мбит/сек.

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Протокол доступа к шине
Для всех версий PROFIBUS существует единый протокол доступа к шине. Этот протокол реализуется на 2 уровне модели OSI (который называется в PROFIBUS-FDL).
Данный протокол реализует процедуру доступа с помощью маркера (token). Сеть PROFIBUS состоит из ведущих (master) и ведомых (slave) станций.
Ведущая станция может контролировать шину, то есть может передавать сообщения (без удалённых запросов), когда она имеет право на это (то есть когда у неё есть маркер). Ведомая станция может лишь распознавать полученные сообщения или передавать данные после соответствующего запроса.
Маркер циркулирует в логическом кольце, состоящем из ведущих устройств. Если сеть состоит только из одного ведущего, то маркер не передаётся (в таком случае в чистом виде реализуется система master-slave). Сеть в минимальной конфигурации может состоять либо из двух ведущих, либо из одного ведущего и одного ведомого устройства.

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Протоколы сети PROFIBUS
PROFIBUS DP (Decentralized Peripheral - Распределенная периферия) — протокол, ориентированный на обеспечение скоростного обмена данными между системами автоматизации (ведущими DP-устройствами) и устройствами распределённого ввода-вывода (ведомыми DP-устройствами). Протокол характеризуется минимальным временем реакции и высокой стойкостью к воздействию внешних электромагнитных полей. Оптимизирован для высокоскоростных и недорогих систем. Эта версия сети была спроектирована специально для связи между автоматизированными системами управления и распределенной периферией. Электрически близка к RS-485, но сетевые карты используют 2-х портовую рефлективную память, что позволяет устройствам обмениваться данными без загрузки процессора контроллера.
PROFIBUS PA (Process Automation - Автоматизация процесса) — протокол обмена данными с оборудованием полевого уровня, расположенным в обычных или Ex-зонах (взрывоопасных зонах). Протокол отвечает требованиям международного стандарта IEC 61158-2. Позволяет подключать датчики и приводы на одну линейную шину или кольцевую шину.
PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification - Спецификация сообщений полевого уровня) — универсальный протокол для решения задач по обмену данными между интеллектуальными сетевыми устройствами (контроллерами, компьютерами/программаторами, системами человеко-машинного интерфейса) на полевом уровне. Некоторый аналог промышленного Ethernet, обычно используется для высокоскоростной связи между контроллерами и компьютерами верхнего уровня и используемыми диспетчерами. Скорость до 12 Мбит/с.

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Языки программирования ПЛК
Для программирования ПЛК используются стандартизированные языки МЭК (IEC) стандартом IEC61131-3
Языки программирования для инженеров по автоматизации (графические)
LD — Язык релейных схем
FBD — Язык функциональных блоков
SFC — Язык диаграмм состояний — программирование автоматов
CFC — Не сертифицирован IEC61131-3, дальнейшее развитие FBD
Языки для программистов ПЛК (текстовые)
IL — Ассемблер
ST — Паскале-подобный язык

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Ladder Diagram (LD, LAD) язык релейной логики
Широко используется для замены логических схем, выполненных на релейной технике. Ориентирован на инженеров по автоматизации, работающих на промышленных предприятиях. Является самым распространенным языком программирования для ПЛК в США.

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
FBD (Function Block Diagram)
Программирование на нём представляет собой размещение на поле набора логических блоков И, ИЛИ, НЕ, триггеров, таймеров, блоков обработки сигнала и установления связи между ними. Состоит из переменных экземпляров функциональных блоков и соединений между ними. Исполняется сверху вниз и слева направо. Функциональные блоки могут быть написаны на других языках, например IL или ST.
Дальнейшим развитием FBD является язык программирования CFC.
/
A
B
Result
Пример:
A поделить на B и
записать в переменную Result

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Sequential Function Chart
Широко используется в SCADA/HMI пакетах.
SFC — графический язык, описывающий диаграмму состояний. Аналогом может служить сеть Петри с разноцветными фишками. К каждому состоянию могут быть подключены действия (подпрограммы) с определенными модификаторами. Например, модификатор N — исполнять, пока состояние активно. Чрезвычайно удобен для создания программ работы автомата.

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Пример: Поддержание уровня жидкости в сосуде с непрерывно вытекающей жидкостью
START
Motor On
Motor Off
N Motor_on
P Motor_off
level_low Уровень меньше (условие перехода - логическая переменная)
level_high Уровень больше (условие перехода - логическая переменная)
Начальное состояние
START Переход на начальное состояние

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Instruction List (IL)
По синтаксису напоминает ассемблер. Ориентирован на профессиональных программистов и разработчиков контроллеров и ПО для них. Является вместе с LD одним из самых распространённых при программировании ПЛК.
LD x
MUL A
ADD B
ST Y
Пример:
Линейное преобразование
Y(x)=A*x+B

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ
Structured Text (ST)
Широко используется в SCADA/HMI/SoftLogic пакетах. По структуре ближе всего к языку программирования Паскаль. Удобен для написания больших программ и работы с аналоговыми сигналами и числами с плавающей точкой.