Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
|
Технологии построения АСУ ТП Операторские станции ШЛЮЗ Контрол лерная шина про- ар- цес- хив сор про- цес- сор про- цес- сор ан.вых. ан.вх. ан.вх. ан.вых. дис.вх. дис.вых. ... дис.вых. …... ... ... ... ... Интеллектуальные приборы FIELDBUS Традиционная Операторские станции
контроллеры контроллер ... ... ... дис.вх. ... ... ... 4-20 мА, 24в 4-20 мА, 24в 1 Обычные приборы Датчики технологических параметров Клапаны,насосы, задвижки Полевой Уровень АСУТП Верхний Уровень АСУТП Уникальные системы, то есть системы, работающие по уникальным протоколам связи и производимые и поддерживаемые одной компанией, получили название закрытых систем. Большинство таких систем зародилось в те времена, когда проблемы интеграции изделий от разных производителей не считались актуальными. |
|
Успешно же интегрировать в единую систему изделия от различных производителей, позволяет использование принципов открытых систем. |
|
Применительно к промышленным сетям частные решения - это интеллектуальная собственность отдельных компаний, и использование таких технологий ограничивается необходимостью получения лицензионного права пользования. Другое дело - открытые системы, открытые технологии, открытые сети. |
|
Сеть считается открытой, если она удовлетворяет следующим критериям: |
|
|
|
|
Более коротко это можно сформулировать так: каждый желающий имеет возможность использовать то, что уже наработано, или выполнять собственные разработки, в том числе и такие, которые могут использоваться другими. |
|
Если некоторая fieldbus-технология относится к открытым системам, то она должна обладать следующим рядом принципиальных качеств: |
|
|
|
|
Очевидно, что конечной целью создания открытой промышленной сети является достижение именно взаимозаменяемости отдельных ее компонентов. Это возможно, если спецификации протоколов полные и существует отлаженная система тестирования и сертификации новых изделий. |
|
Результаты исследований рынка промышленных сетей, предоставленные независимыми маркетинговыми компаниями, убедительно свидетельствуют о постоянном росте открытых fieldbus-систем: около 20% в год. Однако до сих пор существенную долю рынка занимают закрытые (частнофирменные) решения. |
|
Что такое fieldbus? |
|
Корнем термина fieldbus является слово field - область, сфера, место приложения. Промышленные сети (fieldbuses) применяются на уровне устройств, обслуживающих реальный процесс производства и переработки материалов. Выход в системы представления (визуализации) данных, коммерческие и административные системы организуется, как правило, через стандартные офисные сети типа Ethernet через протокол TCP/IP. |
|
Fieldbus - это основополагающий термин, определяющий некоторую цифровую сеть, призванную заменить широко использовавшуюся ранее централизованную аналоговую 4 20мА-технологию. Такая сеть является цифровой, двунаправленной, многоточечной, последовательной коммуникационной сетью, используемой для связи изолированных друг от друга (по функциям) таких устройств, как контроллеры, датчики, силовые привода и т. п. Каждое field-устройство обладает самостоятельным вычислительным ресурсом, позволяющим относить его к разряду интеллектуальных (smart fieldbus device). Каждое такое устройство способно самостоятельно выполнять ряд функций по самодиагностике, контролю и обслуживанию функций двунаправленной связи. Доступ к нему возможен не только со стороны инженерной станции, но и стороны аналогичных ему устройств. Поэтому технология fieldbus - это нечто большее, чем просто замена 4 20мА-технологии. |
|
Fieldbus - это сеть для промышленного применения, логически очень похожая на LAN-сети, применяемые в офисных приложениях. Однако промышленные сети отвечать специфическому набору требований: |
|
|
|
|
|
|
Ключевые требования здесь - детерминированность поведения, предполагающая, что все возможные события в сети могут быть заранее четко определены, и повышенная надежность передачи данных. |
|
Переход на fieldbus-технологию обещает улучшение качества, снижение затрат и повышение эффективности конечной системы. Эти обещания основаны на том факте, что принимаемая или передаваемая информация кодируется в цифровом виде. Каждое устройство может выполнять функции управления, обслуживания и диагностики. В частности, оно может сообщать о возникающих ошибках и обеспечивать функции самонастройки. Это существенно увеличивает эффективность системы в целом и снижает затраты по ее сопровождению. Серьезный ценовой выигрыш получается за счет проводников и монтажных работ: аналоговая технология связи требует, чтобы каждое устройство имело собственный набор проводов и собственную точку соединения. Fieldbus устраняет эту необходимость, так как использует всего одну витую пару проводников для объединения всех активных (контроллеры) и пассивных (датчики) устройств. |
|
Кроме того, общее количественное снижение оборудования делает всю систему не только проще в эксплуатации, но и надежнее за счет уменьшения потенциальных аппаратных отказов. |
|
1. ASI |
|
Первые продукты, работающие по технологии ASI, вышли на рынок в 1993 году. Сегодня эта технология поддерживается рядом известных фирм: IFM, Limberg, Siemens, Pepperl+Fuchs, Allen-Bradley и др. |
|
Основная задача этой сети - связать в единую информационную структуру устройства самого нижнего уровня автоматизируемого процесса (датчики и разнообразные исполнительные механизмы) с системой контроллеров. Это следует из названия: Actuator Sensor Interface (ASI). |
|
ASI-интерфейс позволяет через свои коммуникационные линии передавать не только данные, но и запитывать датчики. Здесь используется принцип последовательной передачи на базовой частоте. Информационный сигнал модулируется на питающую частоту. |
|
В качестве физической среды используется специальный неэкранированный двухпроводный кабель с трапециевидным профилем. Этот кабель позволяет подключать датчики, устанавливаемые на подвижных частях механизмов. Топологией ASI-сети может быть шина, звезда, кольцо или дерево с циклом опроса 31 узла за 5 мс. Максимальный объем данных с одного ASI-узла - 4 бит. |
|
2. CAN |
|
История этого протокола началась в начале 80-х годов, когда технология создания и эксплуатации современных транспортных средств потребовала установки на них большого числа датчиков, увязываемых в единую информационную сеть с замыканием на бортовом компьютере автомобиля. Компания BOSCH (Германия) разработала для этой цели протокол CAN (Control Area Network), получивший статус международного стандарта ISO11898. По своим характеристикам он удовлетворяет не только требованиям задач реального времени, но и реализует высокую степень обнаружения и исправления ошибочных телеграмм. |
|
CANbus - это последовательная шина с децентрализованным доступом на основе модели CSMA/CM. Возможные коллизии, связанные с одновременным запросом шины, разрешаются на основе приоритетности передаваемых сообщений. |
|
История развития этого протокола - яркий пример того, как не доведенная до конца работа по стандартизации приводит к появлению целого семейства несовместимых друг с другом протоколов. Дело в том, что развитие CAN остановилось на определении только первых двух уровней OSI-модели. Появилось большое число разработок 7-го уровня для CAN, оформленных как самостоятельные протокольные решения: SDS (Honeywell), DeviceNET (Allen Bradley), CAL (CiA-ассоциация), CAN11 (BMW), SeleCAN (Selectron), Kingdom (Kvaser), MiCAN (RMI) и несколько других. |
|
Ясно, что такая ситуация мало устраивает пользователей- им самим предлагается сделать выбор в пользу той или иной вариации на тему CAN. При этом лидерами в этом семействе, безусловно, являются SDS и DeviceNET (американский рынок) и CAL (Европа). |
|
3. HART |
|
Протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer), разработанный фирмой Rosemount Inc. в середине 80-х годов, реализует известный стандарт BELL 202 FSK (Frequency Shift Keying), основанный на 4 20мА-технологии. |
|
Схема взаимоотношений между узлами сети основана на принципе MASTER/SLAVE. В HART-сети может присутствовать до 2 MASTER-узлов (обычно один). Второй MASTER, как правило, освобожден от поддержания циклов передачи и используется для организации связи с какой-либо системой контроля/отображения данных. Стандартная топология - "звезда", но возможна и шинная организация. Для передачи данных по сети используются два режима: |
|
1) асинхронный: по схеме "MASTER-запрос\SLAVE-ответ" (один цикл укладывается в 500 мс); |
|
2) синхронный: пассивные узлы непрерывно передают свои данные MASTER-узлу (время обновления данных в MASTER-узле за 250-300 мс). |
|
За одну посылку один узел может передать другому до 4 технологических переменных, а каждое HART-устройство может иметь до 256 переменных, описывающих его состояние. Контроль корректности передаваемых данных основан на получении подтверждения. |
|
4. FOUNDATION FIELDBUS |
|
Эта сеть родилась в результате сотрудничества двух ведущих американских ассоциаций - ISP и WorldFIP, которые до 1993 года пытались самостоятельно создать универсальную промышленную сеть. В 1994 году появилась ассоциация Fieldbus Foundation, продвигающая на рынке и обеспечивающая поддержку сети Foundation Filedbus (FF). После многолетних безуспешных попыток разработать универсальную промышленную сеть, предпринятых ведущими комитетами по стандартизации IEC и ISA, ассоциация Fieldbus Foundation пришла к синтезированному решению с использованием наработок из разных источников под общим названием Foundation Fieldbus. Итак, FF сегодня - это: |
|
|
|
|
|
Основная область применения этой сети - самый нижний уровень распределенной системы автоматизации с обвязкой устройств, работающих во взрывоопасных средах и использующих сеть как для информационного обмена, так и для собственной запитки. |
|
У протоколов FF и Profibus-PA много общего и именно поэтому со стороны европейской ассоциации по стандартизации CENELEC сделано предложение о включении FF в стандарт EuroNorm 50170 в качестве самостоятельной его части. |
|
5. LON |
|
Протокол LON (точнее LONTalk) был разработан американской компанией Echelon Corporation для построения интеллектуальных систем жизнеобеспечения зданий. В основе LON-технологии лежит использование специального интерфейсного кристалла Neuron. В 1990Кг. компания ECHELON заключила договор с компаниями Toshiba и Motorola об исключительном праве этих компаний на его производство. Этот однокорпусный кристалл содержит 3 микропроцессора: MAC (media access control CPU - ЦП доступа к среде передачи), NET (network CPU - сетевой ЦП) и APP (application CPU - ЦП приложений). MAC-процессор поддерживает первый и второй уровни OSI-модели; NET-процессор реализует функции с третьего по шестой уровень; APP-процессор обрабатывает функции прикладного уровня. |
|
Существуют протоколы и методы кодирования для самых разнообразных физических каналов передачи данных. Например, метод дифференциального манчестерского кодирования выбран для витой пары, FSK-модуляция применяется для работы на сегментах линий электропроводки и на радиоканалах. LON-сеть может состоять из сегментов с различными физическими средами передачи: витая пара, радиочастотный канал, инфракрасный луч, линии напряжения, коаксиальный и оптический кабели. Для каждого типа физического канала существуют трансиверы, обеспечивающие работу сети на различных по длине каналах, скоростях передачи и сетевых топологиях. |
|
При разрешении коллизий используется предсказывающий алгоритм их предупреждения, то есть доступ к каналу упорядочивается на основе знания о предполагаемой нагрузке этого канала. Узел, желающий передавать, всегда получает доступ к каналу со случайной задержкой из некоторого диапазона. Для предотвращения снижения пропускной способности сети величина задержки представлена как функция числа незавершенных заданий (backlog), стоящих в очереди на выполнение. Способность алгоритма, реализованного на MAC-уровне, "предсказывать" основана на оценке числа незавершенных заданий. Каждый узел имеет и поддерживает текущее значение backlog: инкрементирование и декрементирование происходит по результатам отправления и приема пакетов. |
|
Максимальная размерность LON-сети - 32000 узлов, соединенных различными физическими средами в произвольной сетевой конфигурации. |
|
6. PROFIBUS |
|
При построении многоуровневых систем автоматизации, как правило, стоят задачи организации информационного обмена между уровнями. В одном случае необходим обмен комплексными сообщениями на средних скоростях. В другом - быстрый обмен короткими сообщениями с использованием упрощенного протокола обмена (уровень датчиков). В третьем требуется работа в опасных участках производства (переработка газа, химическое производство). Для всех этих случаев PROFIBUS имеет решение. Сегодня, говоря о PROFIBUS, необходимо иметь ввиду, что под этим общим названием понимается совокупность трех отдельных протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA. Все три варианта протокола используют общий канальный уровень (уровень 2 OSI-модели). |
|
Протокол PROFIBUS-DP был спроектирован для организации быстрого канала связи с датчиковым уровнем. В основе алгоритма работы лежит модель циклического опроса каналов. Кроме этого, существует набор ациклических функций для конфигурирования, диагностики и поддержки сигналов. В DP-протоколе существуют три типа устройств: |
|
|
|
|
DP-протокол позволяет организовать мономастерную (один DPM1 и до 126 DP-Slaves) и многомастерную конфигурацию (несколько DPM1 и DP-Slaves). |
|
Протокол PROFIBUS-FMS появился первым и был предназначен для работы на так называемом цеховом уровне. Здесь требуется высокая степень функциональности, и этот критерий важнее критерия скорости. FMS-протокол допускает гибридную архитектуру взаимодействия узлов, основанную на таких понятиях, как виртуальное устройство сети, объектный словарь устройства (переменная, массив, запись, область памяти, событие и др.), логическая адресация и т.д. |
|
Протокол PROFIBUS-PA - это расширение DP-протокола в части технологии передачи, основанной не на RS485, а на реализации стандарта IEC1158-2 для организации технологии передачи во взрывоопасных средах. Он может использоваться в качестве замены старой 4-20мА-технологии связи. Для коммутации устройств нужна всего одна витая пара, которая может одновременно использоваться и для информационного обмена, и для запитывания устройств. |
|
На одном физическом канале (RS485 или оптоволоконном) одновременно могут работать устройства PROFIBUS всех трех типов. Рабочая скорость передачи может быть выбрана в диапазоне 9,6-12000Ккбит/с. |
|
PROFIBUS - это маркерная шина, в которой все циклы строго регламентированы по времени и организована продуманная система тайм-аутов. Протокол хорошо разрешает разнообразные коллизии в сети. Настройка всех основных временных параметров идет по сценарию пользователя. |
|
Исследования, проведенные независимыми западными маркетинговыми компаниями, свидетельствуют о том, что PROFIBUS покрывает свыше 40% рынка открытых промышленных сетей в Германии и Европе. Идет стремительный процесс завоевания и американского рынка. Но самое главное то, что сегодня PROFIBUS рассматривается как кандидат на обретение статуса международного стандарта IEC (МЭК). |
|
7.WorldFIP |
|
Протокол WorldFIP (World Factory Instrumentation Protocol) разработан на основе французского стандарта, известного как NFC46-600 или FIP. Его разработал консорциум компаний, производящих полевые устройства, в которых используется система сообщений. Протокол WorldFIP удовлетворяет требованиям реального времени. Главные члены консорциума - Honeywell, Baily Controls, Cegelec, Allen Bradley, Telemecanique, Electricity de France, Elf. |
|
Протокол построен на гибридном (централизованный/децентрализованный) доступе к шине и для передачи данных использует режим широкого вещания (broadcast). Контроль обеспечивается со стороны центрального узла сети (central unit), называемого Арбитром. Основной поток данных организован как набор отдельных переменных, каждая из которых идентифицирована своим именем. Любая переменная, обработанная в одном узле-передатчике, может быть прочитана всеми узлами-приемниками одновременно. Использование режима широкого вещания избавляет от процесса присваивания каждому устройству уникального сетевого адреса. |
|
Функции управления некоторым процессом могут распределяться между различными устройствами на шине. Это возможно потому, что все "приемники" одновременно принимают одинаковые переменные, а время обновления данных и их передача подчиняются строгому контролю. Основу FIP составляет "база данных реального времени". |
|
Сегодня и российские компании участвуют в международных ассоциациях и клубах, связанных с промышленной автоматизацией, хотя еще несколько лет назад об этом приходилось только мечтать. На российском рынке уже существуют "центры кристаллизации" в области fieldbus-технологий: |
|
|
|
|
|
Эти центры не только знакомят с протоколами, но и активно внедряют новые технологии через конкретные проекты. Однако проникновение новых fieldbus-технологий на российский рынок носит несколько хаотичный и сиюминутный характер. Подчас эти новые решения приходят на уровне компонента системы. А поскольку модернизация устаревших систем автоматизации часто проводится фрагментарно, то без решения проблем стыковок этих фрагментов не обойтись. Решение этой задачи видится либо на основе использования готовых аппаратно-программных межпротокольных шлюзов (bridge), либо на построении коммуникационных серверов. |
|
Почти не проблема найти межпротокольный шлюз, например: ASi-Profibus (Siemens), Interbus-S Profibus (Foenix Contact), Ethernet-MIL1553-CAN-Profibus-LON (PEP Modular Computers) и т.д. Другое дело - организовать коммуникационные серверы с функциями обработки и архивирования данных. Эти задачи сегодня можно решить на различных процессорных архитектурах (VME, CompactPCI, Open PLC, PCI, ISA, PC104 и т.п.) и под управлением широкого класса операционных систем (Windows NT, Windows CE, OS9, VxWorks, QNX, pSOS+ и других). |
Контроллер – устройство на основе микропроцессора, служащее для управления технологическими процессами на производстве или для решения других технологических задач АСУ ТП.
В архитектуре АСУТП управляющие контроллеры занимают место между уровнем датчиков и исполнительных механизмов и системами верхнего уровня управления процессом. Основная функция контроллеров в системе - сбор, обработка и передача на верхний уровень первичной информации, а также генерация и передача управляющих воздействий на исполнительные механизмы.
Рассмотрим компоненты контроллера по порядку.
Источник питания должен обеспечивать непрерывность и надежность работы всех узлов контроллера. Особое внимание уделяется качеству стабилизации, уровню пульсаций и поддержанию схем контроллера некоторое время в рабочем состоянии, если пропадает внешнее электропитание. Поэтому многие контроллеры комплектуются источниками питания, совмещающими в себе функции сетевых фильтров и UPS (источников бесперебойного питания).
Модуль процессора. В зависимости от используемой электроники они могут быть восьми- и 16-разрядными, однако для АСУТП более важны другие их параметры: максимальное число обрабатываемых входов-выходов (до 8192), общий объем памяти программ (до 1664 Кбайт), время выполнения команды (0,1-0,5 мкс), число возможных таймеров/счетчиков, число входов прерываний, возможность расширения и т.д. Для эффективной работы процессорные модули управляющих контроллеров должны иметь (и имеют) разветвленную систему команд и характеристики управляющего компьютера с возможностью обмена информацией с другими уровнями управления процессом. По сути дела, по логическому построению модуль процессора контроллера - это системный блок персонального компьютера, за одним лишь исключением: вместо дисковых накопителей в контроллерах используются ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием и флэш-память.
Модули ввода. Работают с сигналами постоянного, переменного и импульсного тока. Предназначены для преобразования сигналов в цифровую форму и выдачи их на обработку по запросу процессора.
Модули вывода. Обеспечивают выдачу управляющего сигнала на исполнительный механизм. Могут выдавать управление постоянным, переменным, импульсным током, а также по типу реле - замкнуто/разомкнуто. Выпускаются с транзисторными, тирристорными, симисторными и релейными выходными цепями. Стандартная нагрузочная способность выходной цепи - 2 А.
Модули связи и интерфейсов. Обеспечивают связь контроллеров с верхним уровнем, а также между собой. В практике построения АСУТП используются как стандартные "компьютерные" интерфейсы (ИРПС, Centronics), так и специализированные шинные системы.
Специальные модули. Предназначены для выполнения специальных функций: подключения сенсоров, термопар, термосопротивлений, терминалов, программаторов и т. п.
Физическое и логическое расположение контроллеров между датчиками, исполнительными механизмами и управляющими компьютерами обусловило необходимость совместной работы контроллера с этими устройствами и, естественно, наличия у контроллеров определенных "черт" как систем низшего, так и высшего уровня.
С низшим уровнем контроллеры имеют общие сигналы и управляющие воздействия, причем некоторые модули ввода способны снимать сигнал непосредственно с датчиков, а управляющее напряжение некоторых модулей вывода может служить напряжением питания для маломощных исполнительных механизмов.
Функционирование контроллеров под управлением собственного локального ПО должно быть тесно увязано с ПО систем более высокого уровня. Все современные программируемые логические контроллеры (ПЛК) обладают развитыми программными средствами. Программирование контроллера подразумевает описание в памяти ПЛК алгоритма функционирования контролируемой и управляемой технологической системы или ее части. В настоящее время не существует единого безусловного стандарта языков ПЛК, хотя существует международная норма IEC 1131. Но почти каждый производитель создает свой язык для контроллеров собственного производства. Языки создаются на основе Ассемблера конкретного кристалла, используемого в контроллере; чаще всего используется система команд MCS-51. Технологический язык ПЛК позволяет:
Большинство технологических языков, реализованных в контроллерах, позволяют представлять алгоритм в виде релейных или логических схем. В таком случае программирование сводится к графическому представлению функционирования системы и не требует детального изучения возможностей языка. Другими словами, специалист, настраивая контроллеры на выполнение определенной задачи, пользуется терминами самой задачи (процесса), а не конкретного языка программирования. К примеру, программа говорит контроллеру: опроси датчики клапанов 1 и 2 и контакты реле 5 и, если клапан 1 включен, а клапан 2 выключен или замкнуты контакты реле 5, включи двигатель 1.
Вводить программу в память контроллера можно при помощи специальных программаторов или через интерфейс компьютера. Каждый производитель вместе с контроллерами представляет пакет программ для создания и отладки контроллерного ПО на компьютере. Поставляются также различные симуляторы и специализированные редакторы, в том числе графические. После отладки программ контроллеры могут сохранять их в энергонезависимых ПЗУ, из которых программа перегружается в ОЗУ после включения питания или инициализации контроллера.
Многие современные контроллеры комплектуются программируемыми терминалами для отображения выполняемого процесса, что позволяет организовать удобное место оператора, не используя персональные компьютеры.
Конструктивно контроллеры изготавливаются по секционному блочному принципу. Каждый логический модуль физически представляет собой отдельный блок, который устанавливается либо в монтажную корзину, либо на единую монтажную шину. Коммутация между модулями осуществляется через единый монтажный кросс. Такой конструктив позволяет широко варьировать количество используемых модулей и оптимально подстраивать физическую архитектуру контроллера к решаемой задаче. Кроме того, такое построение удобно в обслуживании, модернизации и ремонте. При необходимости заменяются лишь отдельные модули, без изменения архитектуры всей системы.
В последнее время часто используется распределенная архитектура контроллерного уровня АСУТП. В больших, пространственно разнесенных установках возрастают затраты на кабельные соединения и чувствительность к помехам. Поэтому контроллеры, обладающие небольшим количеством входов-выходов, располагают в непосредственной близости от конкретных датчиков и исполнительных механизмов. Каждый контроллер управляет своим участком процесса, а связь с контроллерной сетью осуществляется через системы децентрализованного расширения, которые обеспечивают единый параллельный интерфейс и высокоскоростную передачу, вплоть до оптоволоконного кабеля.
Гибкость логической и физической архитектуры управляющих контроллеров позволяет организовать гибкую схему управления процессом. Управляющие контроллеры могут нести основную нагрузку по управлению процессом, выдавая на верхний уровень только "справочную" информацию, а могут быть лишь передаточным звеном между компьютером и конкретными элементами управления технологическим процессом. Современные управляющие контроллеры способны взять на себя управление каким угодно по величине процессом, с любой необходимой скоростью и точностью.