9. Общие требования к системе паз.
6. Автоматизация управления на базе программно-технических комплексов
6.1. Микропроцессорные программно-технические комплексы децентрализованных асу тп
Для реализации децентрализованных АСУ ТП выпускаются универсальные МП ПТК, подразделяемые на ряд классов, каждый из которых рассчитан на определенный набор выполняемых функций и обрабатываемой информации.
На Рис. 6.1 показаны области применения универсальных МП ПТК
Основные сферы использования контроллеров на базе ПК (PC Based Control) - небольшие специализированные системы автоматизации в медицине, научных лабораториях, средствах коммуникации, для небольших достаточно замкнутых объектах в промышленности. Общее число входов/выходов не превышает нескольких десятков. Выполняемые функции либо достаточно сложная обработка измерительной информации с расчетом нескольких управляющих команд, либо специализированные формулы, аргументами которых являются измеряемые величины.
Рациональная область контролеров на базе РС определяется следующими условиями:
когда необходимо при сравнительно небольшом количестве входов/выходов производить большой объем вычислений за малый интервал времени;
когда средства автоматизации (СА) работают в окружающей среде, не слишком отличающейся от условий работы РС;
когда нет необходимости в использовании жесткого малого времени цикла контролера;
реализуемые контроллером функции целесообразно (в силу их нестандартности) программировать не на технологических языках, а на обычных языках программирования высокого уровня;
мощная поддержка работы операторов, реализуемая в обычных контролерах: диагностика работы, устранение неисправности без остановки контролера, модификация ПО во время работы СА – все это не имеет значения для заданной конкретной задачи.
Ведущие специалисты по автоматизации считают, что этот класс контролеров в России непомерно раздут. Частично занимает нишу других классов контроллерных комплексов в силу агрессивной рекламной компании основных компаний (Octagon и т.д.). Простоты и привычности ПО, легкости создания из компьютерных плат новых типов контроллеров, не учета заказчиками важности тех свойств, которые есть у специально разработанных контроллеров и отсутствуют у контроллеров, построенных на базе РС.
Локальные контроллеры (PLC - Process Local Control). В настоящее время распространяются несколько типов локальных контроллеров: встраиваемый в оборудование и являющиеся его неотъемлемой частью; станки с программным управлением, современные аналитические приборы; автономный, реализующий функции контроля и управления небольшим, но достаточно изолированным ТОУ.
Если 1-ый тип выполняется на раме без специального кожуха, поскольку монтируется в корпус оборудования, то 2-ой тип помещается в защитный корпус, рассчитанный на разные условия окружающей среды. Почти всегда эти контроллеры имеют порты, соединяющие их в режиме «точка – точка» с другой аппаратурой, и интерфейс, который может через сеть связывать их с другими средствами автоматизации: РСУ, диспетчерскими системами, пультами операторов и т.п. Часто в такой контроллер встраивается или подключается специальная панель интерфейса с оператором, которая состоит из дисплея и функциональной аппаратуры.
Следует выделить специальные типы контроллеров, выпускаемых для аварийной защиты процессов и оборудования и отличающиеся высокой надежностью, живучестью и быстродействием. Для увеличения надежности работы этих контроллеров разработаны различные варианты полной диагностики и резервирования, как отдельных компонентов, так и всего контроллера в целом. Можно отметить следующие распространенные варианты резервирования:
«горячий» резерв всех компонентов и/или контроллера в целом (при не прохождении теста в рабочем контроллере управление безударно переходит ко 2-му контроллеру);
троирование основных компонентов – мажоритарная логика (принцип голосования): выходной сигнал принимает тот, который определен в результате голосования, а контроллер, давший другой результат, объявляется неисправным;
работа по принципу «пара и резерв»; параллельно работает пара контроллеров в режиме голосования, а аналогичная пара в «горячем» резерве. При выявлении разности работы 1-ой пары управление переходит ко 2-ой; 1-ая пара тестируется, выявляется наличие случайного сбоя, либо наличие неисправности.
Локальные контроллеры рассчитаны на десятки входов/выходов от датчиков и ИМ. Их вычислительная мощность не велика, они реализуют типовые функции обработки информации, логического управления и регулирования
Сетевой комплекс контроллеров (PLC Network). Этот класс ПТК является наиболее широко внедряемым средством управления ТОУ во всех отраслях промышленности. Минимальный состав такого средства имеет ряд контроллеров, несколько дисплейных пультов операторов, промышленную сеть, соединяющую контроллеры и пульты между собой.
Контроллеры определенного сетевого комплекса (PLC Network) имеют ряд модификаций, отличающихся друг от друга мощностью, быстродействием, объемом памяти, возможностями резервирования, приспособляемостью к различным условиям окружающей среды, максимальным числом каналов входа/выхода. Это облегчает использование определенного сетевого комплекса для разнообразных технологических объектов, позволяет наиболее точно подобрать контроллеры требуемых характеристик под отдельные узлы автоматизируемого агрегата и разные функции контроля и управления.
В качестве дисплейных пультов (ДП) всегда используются те или иные РС в обычном или промышленном исполнении, большей частью с 2-мя типами клавиатур – обычной алфавитно-цифровой и специальной функциональной; с одним или несколькими мониторами с большими экранами.
Промышленная сеть может иметь различную структуру (топологию): шину (bus), звезду (mesh), кольцо (ring). Часто промышленная сеть подразделяется на отдельные сегменты, которые связаны между собой маршрутизаторами. Информация, передаваемая по сети специфична – это ряд как периодических, так и случайных во времени коротких сообщений. К передаче информации в промышленных сетях предъявляются следующие требования: сообщения ни в коем случае не могут быть утеряны (должна быть гарантия их доставки адресату); в ряде случаев для сообщений высшего паритета (alarm) должен быть также гарантирован интервал времени их передачи. Эти требования определяют особые методы доступа сообщений к промышленной сети (передача маркера, взаимодействие узлов сети ведущий / ведомый (Master/Slave)).
Сетевые комплексы контроллеров имеют верхнее ограничение, как по сложности выполняемых функций, так и по объему самого автоматизируемого объекта в пределах тысяч изменяемых и контролируемых величин. Большинство зарубежных фирм, работающих в СНГ, поставляют сетевые комплексы контроллеров.
Распределенные системы управления малого масштаба (DCS, Small Scale). Этот класс микропроцессорных средств превосходит большинство сетевых комплексов по мощности, а, следовательно, и по сложности выполняемых функций, но имеют ряд ограничений по объему автоматизируемого производства. Основное отличие этих средств от сетевых комплексов контроллеров заключается в большем разнообразии модификаций: контроллеров, блоков ввода / вывода, панелей оператора, большей мощности центральных процессоров контроллеров, позволяющих им обрабатывать более 10000 входных / выходных сигналов. Имеют несколько уровней промышленных сетей, которые соединяют контроллеры между собой с пультами операторов (нижний уровень). Используемый для связи оператора с пультом, контроллер расположен отдельно. Верхний уровень реализует связь отдельных узлов друг с другом и с пультом оператора. В ряде случаев сетевая структура развивается в направлении создания полевых сетей. В целом маломасштабные РСУ (DCS SS) охватывают отдельные цеха и участки производства. В этих системах кроме функций контроля и управления могут реализовываться более сложные алгоритмы управления (статическая, динамическая, статистическая оптимизация).
Полномасштабные распределенные системы управления (DCS, Full Scale). Наиболее мощный по возможностям и охвату производства класс МП ПТК, практически не имеющий границ ни по выполняемым функциям в производстве, ни по объему автоматизируемого производственного объекта. Включает в себя все особенности ниже перечисленных средств и дополнительно имеет ряд свойств, влияющих на возможности их масштабного использования:
- наличие промышленных сетей, позволяющих подключить к одной шине сотни узлов (контроллеров и пультов) и распределять эти узлы на значительные расстояния;
- существование модификаций контроллеров, наиболее мощных по вычислительным возможностям, что позволяет кроме обычных функций реализовывать в них современные высокоэффективные, но сложные и объемные алгоритмы контроля, диагностики и управления;
- широкое и проработанное в масштабах этой системы использование информационных сетей (обычно Ethernet) (для связи пультов операторов друг с другом; их связи с серверами БД, взаимодействия данного ПТК с корпоративной сетью предприятия, возможностью построения необходимой иерархии управляемых центров (планирование, диспетчеризация, оперативное управление));
- взаимодействие пультов управления в режиме client/server.
Приведенная классификация носит сугубо приближенный характер. Четких границ между классами ПТК никогда не существовало. В последние годы они тем более размываются, так как открытость и стандартность отдельных компонентов таких комплексов позволяет компоновать их из разных средств, соединять различными типовыми сетями и создавать систему управления из сочетания отдельных компонентов, выпускаемых разными фирмами и относящихся к разным классам.
В 1979 году в рамках Международной Электротехнической Комиссии (МЭК) была создана группа экспертов по проблемам ПЛК, включая аппаратные средства, монтаж, тестирование, документацию и связь. Первый вариант стандарта был опубликован в 1982 году. Ввиду сложности документа его разбили на следующие части.
Часть 1. Общая информация.
Часть 2. Требования к оборудованию и тестам.
Часть 3. Языки программирования.
Часть 4. Руководство пользователя.
Часть 5. Спецификация сообщений.
Часть 6. Промышленные сети.
Часть 7. Программирование с нечеткой логикой.
Часть 8. Руководящие принципы применения и реализации языков ПЛК.
Первоначально стандарт имел номер 1131, с 1997 года МЭК перешел на 5-цифровые обозначения – МЭК 61131. Стандарт развивается и готовится следующая его редакция МЭК 61499.
Для программирования контроллеров и SCADA-систем стандартизированы 5 языков программирования (IEC 61131-3):
- SFC – Sequential Function Diagrams – последовательности функций, блок-схемы;
- FBD – Functional Block Diagrams - язык функциональных блоков;
- LD – Ladder Diagrams – язык релейных схем;
- ST – Structured Text – язык, похожий на Pascal;
- IL – Instruction List – язык мнемоник, ассемблер.
Важно отметить, что использование данного стандарта полностью соответствует концепции открытых систем, а именно, делает программу для контроллера независимой от конкретного оборудования - ни от типа процессора, ни от операционной системы, ни от плат ввода-вывода. После принятия стандарта появилась возможность создания аппаратно-независимых библиотек. В настоящее время программы многих фирм производителей ПЛК поддерживают этот стандарт. К достоинствам стандартных языков программирования следует отнести простоту и доходчивость представления, единые требования при подготовке специалистов, возможность создания комплексов проектирования МЭК 61131-3. Такой подход позволяет автоматизировать работу разработчика прикладной системы автоматизации.
Язык FBD.
Является графическим языком функциональных блоков (ФБ). Программа для контроллера представляется в виде набора функциональных блоков, соединенных дугами, имитирующими входные, выходные и промежуточные переменные (рисунок 6.2).
В качестве входов могут быть любые константы и переменные. Входы конфигурируются (соединяются) с выходами и должны совпадать с ними по типу.
Стандартная библиотека ФБ:
- присваивание переменных,
- логические операции (AND, OR, NOT, XOR и т.д.),
- арифметические действия,
- сравнение,
- операции преобразования форматов,
- доступ к системным параметрам (сброс счетчика, изменение параметров таймера и др.),
- тригонометрические функции,
- алгоритмы управления (реле, ПИД-закон) и др.
Пример реализации логической функции y = (x1 AND NOT x2) OR x3 изображен на рисунке 6.3.
Рис. 6.2
Рис. 6.3
Язык LD.
Является языком релейных схем, стандартным графическим вариантом класса языков релейно-контактных схем.
Логические выражения описываются в виде реле. Ввиду своих ограниченных возможностей язык дополнен таймерами, счетчиками и т.д. Пример реализации логической функции предыдущего примера на LD представлен рисунком 6.4.
Рис. 6.4
Язык SFC.
Относится также к графическим языкам программирования и используется для описания алгоритмов в виде функциональных карт. Язык был разработан в конце 1970-х годов во Франции и позже стал основой для разработки международного стандарта IEC 848 «Подготовка функциональных карт для управляющих систем».
Функциональные карты описывают управляющие последовательности с помощью заранее определенных правил для управляющих действий, которые необходимо произвести в определенной последовательности, а также деталей исполнения каждого шага. Карты состоят из наборов связанных пар «шаг – условие выполнения шага». Переход представляет собой набор операций над переменными. Переход – набор условных логических выражений, определяющий передачу управления следующей паре «шаг – переход». Шаги и переходы обязательно чередуются.
Функциональная карта разделена на две части:
1) порядковая часть (sequence part) – описывает последовательность главных управляющих шагов (левая сторона), но не содержит исполняемых действий;
2) управляющая часть (control part) – описывает исполняемые действия (блоки справа от шагов).
Каждое действие должно быть связано с каким-либо шагом и может быть описано принципиальной схемой, логической цепью или булевым выражением. Язык SFC не имеет средств для описания шагов, поэтому они выражаются средствами других языков стандарта.
Рис. 6.5
Порядковая часть функциональной карты в соответствии со стандартом IEC 848 состоит из столбца пронумерованных блоков, изображающих одиночные шаги. Вертикальная линия, соединяющая каждый блок с последующим, изображает активные соединения (прямые связи). Каждый переход от шага к шагу связан с логическим условием, называемым условием перехода (transition condition). Булево выражение для условия перехода записано рядом с горизонтальной чертой. Если условие удовлетворено, т.е. соответствующее выражение истинно, происходит переход и система выполняет следующий шаг.
Язык ST.
Текстовый язык высокого уровня, по синтаксису ориентированный на Pascal. Язык предоставляет булевы и арифметические операторы, а также конструкции структурного программирования:
IF … THEN … ELSE
CASE …
WHILE … DO
REPEAT … UNTIL
и т.д.
Пример:
VAR X1, X2, X3, Y: END VAR
IF X1=TRUE THEN X2:=FALSE: END IF:
IF X3=TRUE THEN X2:=FALSE ELSE X2:=TRUE: END IF:
Y:=(X1 AND NOT X2) OR X3
END FUNCTION BLOCK
Язык IL.
Текстовый язык низкого уровня. Выглядит как язык Ассемблера, но к архитектуре конкретного процессора не привязан.
Языки IEC 6-1131-3 содержат богатый набор стандартных функций:
- булевские;
- числовые (ADD, SUB, MOD, ABS, SQRT, LN, LOG, EXP, SIN, COS, TAN, ASIN, ACOS, ATAN и т.д.);
- преобразования типов;
- сравнения (INSERT, DELETE, REPLACE, FIND и другие);
- а также функции, определяемые производителем и пользователем.
Функциональные блоки:
- синхронизации состояний;
- дифференцирование переднего и заднего фронтов (R.TRIG, F.TRIG);
- счетчики (TP, TON, TOF, RTC);
- и др. функциональные блоки, в том числе определяемые пользователем.
Типы данных:
- битовые строки (BOOL, TYPE, WORD, DWORD, LWORD);
- целые (INT, SINT, DINT, LINT);
- без знаковые целые (USINT, IDINT …);
- вещественные (REAL, LREAL);
- временные (TIME, DATE, TIME OF DAY, DATE OF TIME);
- строки символов (STRING).
Имеется возможность задавать также массивы, структуры и т.д.
Одна и та же программа для PLC может быть написана на разных языках, а также на смеси языков. Например, одни функциональные блоки на FBD описываются с помощью LD, другие – на ST, FBD и т.д.
Все языки поддерживаются соответствующим программным обеспечением, наиболее распространенным из которых является ISaGRAF фирмы CJ International. Этот программный продукт представлен в виде двух частей: набора средств разработки и исполняемого на целевом PLC ядра-интерпретатора. Набор средств разработки исполняется на компьютере проектировщика и состоит из редактора, отладчика и препроцессора (подготавливает описанный алгоритм управления к виду, понятному интерпретатору).
Этот набор позволяет тестировать алгоритм в режиме эмуляции и получать листинг алгоритма на языке его описания.
После создания и отладки пользовательская программа загружается в память PLC для исполнения. В PLC ядро-интерпретатор транслирует пользовательский алгоритм.
Достоинство данной технологии разработки программ: машинно-зависимым является ядро, а не программа, что позволяет создавать программы для разных PLC, переходить с одного PLC на другой без переотладки. Недостаток: более медленное исполнение программы.