PRODCS – архітектура контролера РСУ
Архітектура контролера РСУ.
Програмований логічний контролер (ПЛК, PLC) – мікропроцесорний пристрій, призначений керувати технологічним процесом та інші складними технологічними об'єктами.
Принцип роботи контролера полягає у виконанні наступного циклу операцій:
1. Збір сигналів із датчиків; 2. Обробка сигналів згідно з прикладним алгоритмом управління; 3. Видача керуючих впливів на виконавчі устрою.
У нормальному режимі роботи контролер безперервно виконує цей цикл із частотою від 50 разів на секунду. Час, що витрачається контролером виконання повного циклу, часто називають часом (або періодом) сканування; у більшості сучасних ПЛК сканування може налаштовуватись користувачем в діапазоні від 20 до 30000 мілісекунд. Для швидких технологічних процесів, де критична швидкість реакції системи та потрібне оперативне регулювання, час сканування може становити 20 мс, проте для більшості безперервних процесів період 100 мс вважається цілком прийнятним.
Апаратно контролери мають модульну архітектуру та можуть складатися з наступних компонентів:
1. Базова панель (Baseplate). Вона служить розміщення у ньому інших модулів системи, встановлюваних у спеціально відведені позиції (слоти). Усередині базової панелі проходять дві шини: одна – для подачі живлення на електронні модулі, інша – для пересилання даних та інформаційного обміну між модулями.
2. Модуль центрального обчислювального устрою (СPU). Це мозок системи. Власне в ньому відбувається математична обробка даних. Для зв'язку з іншими пристроями CPU часто оснащується мережевим інтерфейсом, який підтримує той чи інший комунікаційний стандарт.
3. Додатковікомунікаційні модулі Необхідні для додавання мережевих інтерфейсів, які не підтримуються безпосередньо самим CPU. Комунікаційні модулі суттєво розширюють можливості ПЛК із мережевої взаємодії. З їхньою допомогою до контролера підключають вузли розподіленого вводу/виводу, інтелектуальні польові прилади та станції операторського рівня.
4. Блок живлення. Потрібний для запитки системи від 220 V. Однак багато ПЛК не мають стандартного блока живлення та запитуються від зовнішнього.
Рис.1. Контролер РСУ з комунікаціями Profibus та Ethernet.
Іноді на базову панель, крім зазначених вище, допускається встановлювати модулі введення/виведення польових сигналів, які утворюють так зване локальне введення/виведення (докладніше тут). Проте більшість РСУ (DCS) характерне використання саме розподіленого (віддаленого) вводу/вывода.
Відмінною особливістю контролерів, які застосовуються в DCS, є можливість їхнього резервування. Резервування необхідне підвищення стійкості до відмови системи і полягає, як правило, у дублюванні апаратних модулів системи.
Мал. 2. Резервований контролер із комунікаціями Profibus та Ethernet.
Резервовані модулі працюють паралельно і виконують одні й самі функції. При цьому один модуль знаходиться в активному стані, а інший, будучи резервом, – у режимі "standby". У разі відмови активного модуля система автоматично перемикається на резерв (це називається “гарячий резерв”).
Зверніть увагу, контролери пов'язані шиною синхронізації, якою вони моніторять стан один одного. Це рішення дозволяє рознести резервовані модулі на значну відстань один від одного (наприклад, розташувати їх у різних шафах або апаратних).
Припустимо, вНа даний момент активний лівий контролер, правий - знаходиться в резерві. При цьому, навіть перебуваючи в резерві, правий контролер має у своєму розпорядженні всі процесні дані і виконує ті ж самі математичні операції, що і лівий. Контролери синхронізовані. Припустимо, трапляється відмова лівого контролера, саме модуля CPU. Управління автоматично передається резервному контролеру, і він стає головним. Тут дуже велике значення мають час, який система витрачає на перемикання на резерв (зазвичай менше 0.5 с) та відсутність збурень (удару). Наразі система працює на резерві. Як тільки інженер замінить модуль CPU, що відмовив на справний, система автоматично передасть йому управління і повернеться у вихідний стан.
На рис. 3 зображено резервований контролер S7-400H виробництва Siemens. Цей контролер входить до складу РСУ Simatic PCS7.
Мал. 3. Резервований контролер S7-400H.
Дещо інше технічне рішення показано на прикладі резервованого контролера FCP270 виробництва Foxboro (рис. 4). Цей контролер входить до складу системи управління Foxboro IA Series.
Мал. 4. Резервований контролер FCP270.
На базовій панелі встановлено два процесорні модулі, що працюють як резервована пара, і комунікаційний модуль для сполучення з оптичними мережами стандарту Ethernet. Взаємодія між модулями відбувається за внутрішньою шиною (теж резервованою), захованою безпосередньо в базову панель (її не видно на малюнку).
На малюнку нижче показано контролер AC800M виробництва ABB (частина РСУ Extended Automation System 800xA).
Мал. 5. Контролер AC800M.
Не резервований варіант. Контролер складається із двох комунікаційнихмодулів, одного СPU та одного локального модуля введення/виводу. Крім цього, до контролера можна підключити до 64 зовнішніх модулів вводу/виводу.
При побудові РСУ важливо вибрати контролер, який задовольняє всі технічні умови і вимоги конкретного виробництва. Підбираючи оптимальну конфігурацію, інженери оперують певними технічними характеристиками промислових контролерів. Найбільш значущі перераховані нижче:
1. Можливість повного резервування. Для завдань, де стійкість до відмови критична (хімія, нафтохімія, металургія і т.д.), застосування резервованих конфігурацій цілком виправдано, тоді як для інших менш відповідальних виробництв резервування часто виявляється надмірним рішенням.
2. Кількість та тип підтримуваних комунікаційних інтерфейсів. Це визначає гнучкість і масштабованість системи управління загалом. Сучасні контролери здатні підтримувати до 10 стандартів передачі даних одночасно, що багато в чому визначає їхню універсальність.
3. Швидкодія. Вимірюється, зазвичай, у кількості виконуваних за секунду елементарних операцій (до 200 млн.). Іноді швидкодія вимірюється кількістю функціональних блоків, що обробляються за секунду (що таке функціональний блок – буде розказано в наступній статті). Швидкодія залежить від типу центрального процесора (популярні виробники – Intel, AMD, Motorola, Texas Instruments і т.д.)
4. Об'єм оперативної пам'яті. Під час роботи контролера до його оперативної пам'яті завантажено запрограмовані користувачем алгоритми автоматизованого управління, операційну систему, бібліотечні модулі тощо. Очевидно, чим більше оперативної пам'яті, тим складніші і об'ємніші алгоритми контролер може виконувати, тим більше простору для творчості упрограміста. Варіюється від 256 кілобайт до 32 мегабайт.
5. Надійність. Напрацювання на відмову до 10-12 років.
6. Наявність спеціалізованих засобів розробки та підтримка різних мов програмування. Очевидно, що існування спеціалізованого середовища розробки прикладних програм – це стандарт для сучасного контролера АСУ ТП. Для зручності програміста реалізується підтримка відразу кількох мов як візуального, і текстового (процедурного) програмування (FBD, SFC, IL, LAD, ST; у наступній статті).
7. Можливість зміни алгоритмів управління на “льоту” (online changes), тобто. без зупинки роботи контролера. Для більшості контролерів, які застосовуються в РСУ, підтримка online changes життєво необхідна, оскільки дозволяє тонко налаштовувати систему або розширювати її функціонал прямо на виробництві, що працює.
8. Можливість локального введення/виводу. Як видно із рис. 4 контролер Foxboro FCP270 розрахований на роботу тільки з віддаленою підсистемою вводу/виводу, що підключається до нього оптичними каналами. Simatic S7-400 може спокійно працювати як з локальними модулями вводу/виводу (вільні слоти на базовій панелі є), так і віддаленими вузлами.
9. Вага, габаритні розміри, вид монтажу (на DIN-рейку, на монтажну панель або стійку 19”). Важливо враховувати при проектуванні та збиранні системних шаф.
10. Умови експлуатації (температура, вологість, механічне навантаження). Більшість промислових контролерів можуть працювати в нелюдських умовах від 0 до 65 ° С та за вологості до 95-98%.