Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Московский технологический университет»
МИРЭА
РЕФЕРАТ
Программирование АСУ
Архитектура систем управления, построенных на ПЛК
Москва 2017г.
Автоматизированная система призвана облегчить труд человека, расширить его функциональные возможности или заменить полностью, если это возможно. Поэтому архитектура систем автоматизации во многом напоминает строение человека: роль органов чувств выполняют датчики, роль рук, ног и органов речи — исполнительные устройства, роль мозга — компьютер или контроллер. Благодаря такой аналогии архитектура системы автоматизации становится понятной любому человеку на интуитивном уровне.
Однако при разработке конкретной системы возникает множество сложных практических вопросов, касающихся стандартизации, безопасности, коммерческой эффективности, технологичности, точности, надежности, совместимости, технического сопровождения, и т. п., которым посвящена презентация
измерительный преобразователь
Измерительные преобразователи могут иметь встроенный АЦП или ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь), а также микропроцессор для линеаризации характеристик датчика и компенсации погрешностей аналоговой части системы. В последнее время получили распространение цифровые датчики, объединяющие в себе первичный преобразователь физической величины в электрический сигнал, измерительный преобразователь и АЦП. Примером могут служить датчики температуры DS18B20 фирмы Dallas Semiconductor, у которых выходной сигнал является цифровым и соответствует спецификации интерфейса 1-Wire (www.maxim-ic.com).
модули аналогового ввода
модули дискретного ввода
счетного ввода
виде плат
программируемый логический контроллер
в дальнейшем мы будем употреблять термины «компьютер», и «контроллер» как синонимы
Устройства вывода (модули вывода) позволяют выводить дискретные, частотные или аналоговые сигналы. Дискретные сигналы используются, например, для включения электродвигателей, электрических нагревателей, для управления клапанами, фрамугами, насосами и другими исполнительными устройствами. Частотный сигнал используется обычно для управления средней мощностью устройств с большой инерционностью с помощью широтно-импульсной модуляции.
модели компонентов
Элементами архитектуры являются модели (абстракции) датчиков, устройств ввода-вывода, измерительных преобразователей, ПЛК, компьютеров, интерфейсов, протоколов, промышленных сетей, исполнительных устройств, драйверов, каналов передачи информации.
«Устройства ввода и вывода информации»
... устройств вывода. Для нормальной работы устройства вывода, так же, как и устройства ввода, необходимы управляющий блок (контроллер, или адаптер), специальные разъемы и электрические кабели и обязательно — управляющая программа (драйвер). Только при выполнении этих условий устройство вывода ...
Архитектуру создает архитектор [Клир]. Основным требованием к архитектору является знание предметной области (принципов функционирования объекта автоматизации) и знание технических характеристик аппаратных и программных средств, используемых для построения системы.
При построении архитектуры должны быть заложены следующие свойства будущей автоматизированной системы:
слабая связанность
тестируемость
диагностируемость
ремонтопригодность
надежность
простота обслуживания
безопасность
защищенность системы
экономичность
модифицируемость
расширяемость
наращиваемость
открытость
возможность переконфигурирования
длительность жизненного цикла
минимальное время на монтаж и пуско-наладку
Архитектура системы может быть различной в зависимости от решаемой задачи автоматизации. Такими задачами могут быть:
- o мониторинг (продолжительные измерение и контроль с архивированием полученной информации);
- o автоматическое управление (в системе с обратной связью или без нее);
- o диспетчерское управление (управление с помощью человека-диспетчера, который взаимодействует с системой через человеко-машинный интерфейс);
- o обеспечение безопасности.
Любая из перечисленных задач может выполняться на большом расстоянии между объектом автоматизации и системой. В этом случае говорят о задачах телемеханики (дистанционные измерение, управление, сигнализация).
Однако, в связи с тем, что каналы дистанционной связи (интернет, радиоканал, оптико-волоконный канал, проводной канал) органично входят практически в любую систему автоматизации, задачу телемеханики все реже выделяют как самостоятельную.
декомпозиции
При объектной декомпозиции используются распределенные системы управления (см. 1.1.3), когда каждый объект автоматизации оборудуется локальным технологическим контроллером, решающим задачи в пределах этого объекта. При функциональной декомпозиции систему автоматизации делят на части, группируя сходные функции, и для каждой группы функций используют отдельный контролер. Оба вида декомпозиции могут быть использованы совместно. Выбор способов декомпозиции является творческим процессом и во многом определяет эффективность будущей системы. автоматизированный архитектура декомпозиция
Объектная декомпозиция объекта автоматизации используется в современных SCADA-пакетах, см., например [Аблин]. Она аналогична объектной декомпозиции, используемой в объектно-ориентированном программировании (ООП), основными признаками которой являются абстрагирование, инкапсуляция, модульность, иерархическая организация [Буч]. Классам ООП соответствуют контроллеры (ПЛК), объектам — контроллеры с заданными свойствами (параметрами), инкапсуляция соответствует сокрытию конкретной реализации (например, с помощью функциональных блоков языка IEC 61131-3 (см. раздел «Программное обеспечение»)); благодаря инкапсуляции существенно упрощается структура системы с точки зрения системного интегратора и тем самым уменьшается количество возможных ошибок. Модульность обеспечивается модульностью аппаратного обеспечения системы, иерархичность естественным путем вытекает из требований заказчика.
Базы данных и системы управления базами данных
... информация, которую они потребляют и на основании которой в пределах собственной компетенции производят ввод и редактирование данных. С понятием базы данных тесно связано понятие системы управления базой данных. Это комплекс ... полю. Маска ввода – определяет форму, в которой вводятся данные а поле (средство автоматизации ввода данных). Подпись – определяет заголовок столбца таблицы для данного поля ...
слабо связанных
Программные модули, реализующие отдельные функции в разных контроллерах, могут взаимодействовать между собой по промышленной сети с помощью технологии СОМ фирмы Microsoft, CORBA консорциума OMG [Причард] или SOAP консорциума W3C [Ньюкомер]. Для разработки заказного программного обеспечения распределенных систем управления используют специальную среду разработки систем реального времени [Kim] или стандартное программное обеспечение на основе технологии DCOM фирмы Microsoft (см. раздел «Программное обеспечение»).
В статье [Perez-Aragon] приводится пример системы, в которой разные функции управления представлены в виде компонентов, написанных с помощью CORBA, распределенных между разными контроллерами либо сгруппированных в одном из них. В работе [Sunder] предлагается способ построения архитектуры системы на основе «ячеек автоматизации», при котором на разных уровнях иерархии используются одни и те же ячейки с одним и тем же программным обеспечением, что делает систему однородной несмотря на иерархичность и поэтому снижает трудоемкость ее проектирования и обслуживания.
Изображенная на рис. 1.1 система в зависимости от ее назначения и программного обеспечения может быть системой сбора данных, системой диспетчерского или автоматического управления, системой контроля, испытаний, диагностики и т.д. Это простейший вариант автоматизированной системы, построенной на основе одного компьютера, устройств ввода-вывода, датчиков и исполнительных устройств (актуаторов).
На рис. 1.1 датчики подсоединены к одному многоканальному измерительному преобразователю. Однако различные типы датчиков могут требовать различных типов преобразователей или работать вообще без них. Некоторые типы интеллектуальных датчиков имеют интерфейс RS-485 и могут подключаться непосредственно к компьютеру (контроллеру), как, например, датчики серии NL-1S фирмы НИЛ АП.
Системы мониторинга (наблюдения) за физическими процессами не содержат исполнительных устройств или используют электромагнитные (реже полупроводниковые) реле для коммутации измерительных цепей.
Обычный офисный компьютер в стандартной конфигурации имеет два порта USB, один СОМ-порт, один принтерный порт LPT и порт Ethernet, который появляется после установки в компьютер Ethernet-платы. Количество USB портов можно увеличить с помощью USB хабов, а количество COM-портов — с помощью преобразователя USB в COM (см. www.RealLab.ru/Interface_Converters.htm).
Промышленные компьютеры и контроллеры обычно имеют несколько портов RS-485, RS-422 и оптоволоконный порт. Для применения оптического канала с офисным компьютером к нему можно подключить оптоволоконный преобразователь интерфейса. Все перечисленные порты можно использовать для обмена информацией межу компьютером и внешними устройствами (рис. 1.2 Для увеличения дальности передачи сигнала по линии связи до 1,2 км можно использовать преобразователи интерфейсов RS-232 в RS-485 или RS-422, а также интерфейс «токовая петля» (см. раздел «Промышленные сети и интерфейсы»).
Архитектура и основные характеристики персонального компьютера
... перемычек при задании аппаратной конфигурации системы. У большинства персональных компьютеров системные платы содержат лишь основные функциональные узлы, а остальные ... и последовательных портов, которые используются для подключения устройства ввода и вывода, таких, например, как клавиатура, мышь, монитор, принтер. От типа корпуса системного блока зависят тип, размеры и размещение используемой ...
изолирующие
Если к компьютеру необходимо подключить еще одно устройство, а свободных портов не осталось, то можно использовать разветвители интерфейсов. Распространены разветвители интерфейсов USB (их еще называют хабами) и RS-232. Устройство, имеющее интерфейс RS_232, можно подключить к USB порту компьютера, если использовать преобразователь USB в RS-232.
К компьютеру могут быть подключены не только специализированные модули ввода-вывода, но и многие измерительные приборы широкого применения. Например, вольтметр HP 34401A имеет интерфейс RS-232 и может быть подключен к компьютеру и программам, поддерживающим COM-технологию (например, MS Excel) с помощью СОМ-объекта RL232man фирмы НИЛ АП, подробнее см. раздел «Программное обеспечение».
Типовыми применениями описанной системы может быть домашняя автоматизация [Богданов], испытательный стенд для тестирования серийной продукции [Денисенко], лабораторные работы в ВУЗе, локальное управление технологическим процессом, контроль температуры в теплице или элеваторе, см. «Примеры применения» на вебсайте НИЛ АП.
