Текст
                    В. В. Кангин,
В Н. Козлов
Аппаратные
и программные
средства
систем управления
Промышленные
сети и контроллеры



УДК 681.3: 681.5 ВВК 32.965; 32.973 К19 Рецензенты: доктор технических наук, профессор С. Л. Моругин, кандидат технических наук, доцент А. И. Прошин Кангин В. В. К19 Аппаратные и программные средства систем управ- ления. Промышленные сети и контроллеры: учебное пособие / В. В. Кангин, В. Н. Козлов. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. — 418 с. : ил. — (Автома- тика). ISBN 978-5-94774-908-3 Рассмотривается организация распределенных систем управления технологическими процессами на основе компьютерной техники: архи- тектура основных типов промышленных сетей, компоненты человеко- машинного интерфейса, типы рабочих станций и управляющих конт- роллеров. Приводится сравнительная оценка контроллеров с точки зре- ния их экономических и эксплуатационных характеристик. Большое внимание уделено вопросам программирования промышленных конт- роллеров. Для студентов вузов, специализирующихся по направлениям «Технологические машины и оборудование» и «Конструкторско- технологическое обеспечение машиностроительных производств». Полезно также инженерам-практикам, связанным с автоматизацией технологических процессов. УДК 681.3: 681.5 ББК 32.965; 32.973 По вопросам приобретения обращаться: «БИНОМ. Лаборатория знаний» Телефон: (499) 157-52-72, e-mail: binom@Lbz.ru http://www.Lbz.ru ISBN 978-5-94774-908-3 © БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010
Оглавление Введение.............................................5 Глава 1. Структура современных систем управления технологическими процессами..........................7 1.1. Применение компьютеров IBM PC в промышленности.............................7 1.2. Сравнение промышленных компьютеров в стандартах MicroPC и РС/104................27 1.3. Комплекс программ промышленной автоматизации Wonderware Factory Suite — новый уровень интеграции систем управления производством...38 1.4. Архитектура и оборудование цифровых промышленных сетей...........................51 1.5. Промышленные сети как инструмент построения современных АСУ ТП...........................71 1.6. Промышленные сети на основе полевых шин.85 Глава 2. Основные типы человеко-машинного интерфейса, промышленные компьютеры..............................98 2.1. Промышленные компьютеры фирмы ADVANTECH..............................98 2.2. Рабочие станции........................101 2.3. Панельные компьютеры...................103 2.4. Модульные промышленные компьютеры......107 2.5. Процессорные платы.....................109 2.6. Одноплатные компьютеры для встраиваемых применений..................................112 2.7. Одноплатные компьютеры Biscuit PC.....114 2.8. Назначение промышленных компьютеров....115 2.9. Интегрированные системы управления.....125
4 Оглавление Глава 3. Промышленные контроллеры для систем управления..........................................147 3.1. Промышленные контроллеры и промышленные компьютеры фирмы Octagon Systems.............147 3.2. Однокристальные микроконтроллеры семейства MCS®96 фирмы Intel..........................156 3.3. OpenLine — новая концепция развития аппаратных средств построения распределенных систем.....161 3.4. Технологический язык программирования IBM PC совместимых контроллеров MicPlus.............183 3.5. Система подготовки программ для промышленных контроллеров UltraLogik......................194 3.6. Оборудование промышленной автоматизации фирмы Fastwel................................209 3.7. Промышленные контроллеры фирмы Siemens .... 224 Глава 4. Устройства для создания распределенных систем сбора данных и управления...........................231 4.1. Активное оборудование промышленных сетей .... 231 4.2. Открытые промышленные сети.............237 4.3. Характеристики промышленных сетей......272 4.4. Возможности CAN-протокола..............277 4.5. Протоколы прикладного уровня CAN-сетей..290 4.6. Интерфейсы последовательной передачи данных. Стандарты EIA RS-422A/RS-485 .............. 311 4.7. Сравнение FOUNDATION™ fieldbus hPROFIBUS-PA................................328 4.8. Локальные сети Ethernet в АСУ ТП.......339 4.9. Понятия и базовые компоненты AS-интерфейса ... 355 Глава 5. Лабораторный практикум.....................381 5.1. Лабораторная работа №1. Изучение модулей ADAM-5017, ADAM-5055S, ADAM-5051D..................................381 5.2. Лабораторная работа №2. Изучение модуля ADAM-5050...................394 5.3. Лабораторная работа №3. Изучение модуля ADAM-5018...................404 Литература..........................................415
Введение Современное промышленное производство характеризуется тенденцией к усложнению. Это накладывает определенные требования и на свойства систем управления этим производством. Система управления должна быть быстродействующей, «интеллектуальной», то есть иметь возмож- ность быстро перестраиваться под новые условия производства, быть надежной, дешевой, простой в обслуживании персоналом и т. д. Можно привести еще десяток свойств, но даже не это является главным показателем уровня развития современных систем управле- ния промышленным производством. Дело в том, что общество всту- пило в такую фазу развития, когда «дошли руки» до автоматизации наукоемких видов производств (машиностроение, химическая про- мышленность, транспорт, энергетика, связь), которые в полной мере ранее не могли быть автоматизированы в силу многомерности и сложности процессов, протекающих в них. Все это, несомненно, отложило отпечаток на свойства современных систем управления технологическим оборудованием и производством: они стали компьютеризированными. И не просто компьютеризирован- ными. Они стали сетевыми. Промышленная сеть — то фундаменталь- ное понятие, которое кратко характеризует все свойства современной системы управления технологическим оборудованием. Изучать современную систему управления — это изучать про- мышленную сеть. Данное учебное пособие предназначено для фор- мирования знаний в этой новой для студента-механика области зна- ний. Детально рассмотрены основные типы промышленных сетей, даны их сравнительные характеристики. Рассматриваются такие воп- росы, как архитектура промышленных сетей, оборудование, на основе которого они формируются, протоколы (правила) обмена ин- формацией между участниками (узлами) сети. Ряд разделов посвящен сравнительной оценке тех или иных типов промышленных сетей. Показано, какие характеристики сетей явля- ются основными и наиболее важными при выборе их для использова- ния. Большое внимание уделено рассмотрению вопросов организации
(* Введение чспоиски м:н in mi юго интерфейса, а каюке промышленным компью- 1срам основным элементам верхнего уровня систем управления. Не обойдены вниманием и промышленные контроллеры — основные элементы нижнего уровня систем управления. Именно на них, как правило, возложены задачи непосредственного управления промышленным оборудованием. Именно они объединяются друг с другом промышленной сетью. Через промышленную сеть к ним под- соединяются и элементы верхнего уровня: рабочие станции, панель- ные компьютеры, промышленные компьютеры. В конце учебного пособия приводится лабораторный практикум, посвященный изучению модулей промышленного контроллера ADAM-5510 и его программированию в среде UltraLogik. При подготовке учебного пособия авторы частично использовали иллюстративный материал, содержащийся в рекламных проспектах производителей аппаратуры, а также в отдельных выпусках журнала «Современные технологии автоматизации».
Глава 1 Структура современных систем управления технологическими процессами 1.1. Применение компьютеров IBM PC в промышленности В этом разделе рассмотрены основные аспекты применения IBM PC в промышленности: • мощные компьютеры, предназначенные для управления произ- водственными и технологическими процессами в масштабах производственного участка, цеха или завода; • системы автоматизации нижнего уровня, которые могут встра- иваться непосредственно в промышленное или бортовое обору- дование; • внешние устройства; • сетевые протоколы, предназначенные для промышленных сис- тем автоматизации; • специфичное программное обеспечение. Рассматривая особенности применения компьютеров в промыш- ленности, нельзя не учитывать, что эта сфера не является обособлен- ной и в той или иной степени воспринимает тенденции компьютер- ного рынка. Одним из проявлений таких тенденций является постоянно растущая популярность архитектуры IBM PC. Часто упот- ребляемое здесь слово «архитектура» в нашем случае означает общие принципы построения и функционирования вычислительной сис- темы или ее составной части. Архитектура определяется системой ко- манд процессора и типом системной шины, используемой для подключения дополнительных внешних устройств. Исторические аспекты развития компьютерной техники Через некоторое время после того как в СССР было принято реше- ние не разрабатывать свои компьютеры, а копировать западные, нашу страну заполнили аналоги мэйнфреймов IBM (ЕС ЭВМ), а также клоны мини- и микрокомпьютеров фирмы DEC (СМ ЭВМ,
8 Глава I «Электроника-60», ДВК). Эти же компьютеры составили костяк авто- матизированных систем управления (АСУ) и промышленных систем автоматизации первой волны. В настоящее время мэйнфреймы, тес- нимые распределенными вычислительными системами на базе ло- кальных сетей, в нашей стране исчезли. Архитектура фирмы DEC оказалась более живучей. Однако, не- смотря на то что целое поколение специалистов, кому сейчас за 30, было воспитано на этой архитектуре, компьютеры линии LSI-11, PDP-11 и VAX неумолимо сдают свои последние позиции. В качестве основы для систем самого низкого уровня, как правило, использовались освоенные нашей промышленностью микроконтрол- леры, совместимые с изделиями MCS80, MCS48 и MCS51 фирмы Intel. В остальном мире развитие миникомпьютеров шло различными путями. В результате повышения степени интеграции элементной базы появились так называемые рабочие станции. Повальное увлече- ние процессорами с сокращенным набором команд (RISC) привело к появлению архитектур SPARC (Sun Microsystems), Alpha (DEC), MIPS (Silicon Graphics), РА-RISC (Hewlett-Packard) и других. Упомя- нутые архитектуры продвигаются на рынок достаточно мощными компаниями и находят применение в системах промышленной автоматизации и управления. Каждый изготовитель миникомпьютеров, как правило, использо- вал системную шину самостоятельной разработки. Поэтому неудиви- тельно, что в этой области были предприняты попытки стандартиза- ции. В качестве универсальных системных шин для промышленных миникомпьютеров фирмой Intel была предложена шина Multibus II, а фирмой Motorola — шина VME. После некоторого периода конкурентной борьбы шина VME по- лучила более широкое признание независимых изготовителей, в ре- зультате чего Intel недавно объявила о прекращении производства из- делий с шиной Multibus. Параллельно конкуренция между этими же компаниями опреде- ляла и развитие рынка микропроцессоров и микроконтроллеров. Хотя сейчас свои однокристальные контроллеры выпускает практи- чески каждая крупная электронная компания, именно разработки Intel и Motorola легли в основу большинства систем автоматизации нижнего уровня. Такие системы, конструктивно оформленные в виде законченных устройств, получили название программируемых логических кон- троллеров (PLC). Для связи с объектом управления эти контроллеры имеют некоторое количество аналоговых и/или цифровых входов/вы- ходов. Часто имеются встроенные интерпретаторы специализирован-
Структура современных систем управления технологическими процессами 9 ных языков, например язык релейной автоматики. Как правило, PLC снабжены возможностью подключения устройств для связи с опера- тором MMI (Man Machine Interface). Распространены PLC таких фирм, как Siemens, GE-Fanuc, ABB и ряда других. В качестве универсальной системной шины в компьютерах и кон- троллерах нижнего уровня получила широкое распространение 8-разрядная шина STD. В качестве шины расширения («мезонинной» шины) для одно- платных устройств успешно применяется предложенная фирмой Intel шина iSBX. Компьютерная революция Работая над первой моделью компьютера Apple, Стивен Джобс не пред- полагал, насколько значительное влияние окажут персональные ком- пьютеры на нашу жизнь. Сейчас даже трудно вообразить, как можно об- ходиться без персональных компьютеров, проникших во все сферы человеческой деятельности. Хотя у нас в силу различных причин оборудование фирмы Apple получило весьма ограниченное распространение, компьютеры этой фирмы занимают большую долю рынка в других странах. Apple бдительно охраняет права на аппаратное и программное обеспечение своих компьютеров, архитектура которых остается в значительной степени закрытой. Фирма до сих пор является практи- чески единственным изготовителем компьютеров линии Macintosh и не уделяет рынку индустриальных систем какого-либо внимания. По этой причине вы не обнаружите следов Apple в промышленных сис- темах автоматизации. В то же время компьютеры Apple преобладают в системе образо- вания США, в связи с чем часто применяются в лабораторных систе- мах сбора информации и для научных экспериментов. Некоторые фирмы, например National Instruments, выпускают для этого пери- ферийные платы (АЦП, IEEE-488 и т. п.) и соответствующее про- граммное обеспечение. Следующей важнейшей вехой компьютерной эры стало решение фирмы IBM создать свой персональный компьютер на базе нового тогда микропроцессора 8088 фирмы Intel. Важным можно считать ре- шение IBM сделать архитектуру нового компьютера открытой, что позволило сотням компаний во всем мире производить полностью совместимые изделия. Кроме того, по условиям соглашения между IBM и Microsoft, последняя имела право свободно продавать опера- ционную систему, разработанную для IBM PC, третьим фирмам. Сей- час мы видим, что архитектура IBM PC занимает все более значитель- ное место в области автоматизации промышленности.
10 Глава 1 С одной стороны, тесня миникомпьютеры, с другой — находя применение там, где раньше господствовали программируемые логи- ческие контроллеры. Попытаемся разобраться в причинах такого успеха. Во-первых, это наличие большого количества независимых по- ставщиков аппаратных средств и специализированных микросхем, ожесточенная конкуренция между которыми ведет к постоянному снижению цен и повышению технико-экономических показателей. Как следствие — наличие дешевой платформы для разработки. Во-вторых, огромный задел программного обеспечения, в том числе в области систем реального времени. В-третьих, большое количество высококвалифицированных спе- циалистов по архитектуре и программированию IBM PC. В целом все это является отражением того факта, что сейчас на рынке IBM PC совместимых изделий сосредоточены финансовые и интеллектуальные ресурсы, во много раз превышающие возмож- ности любой отдельно взятой компании. Разнообразие шин Шина ISA (сначала 8-, а затем 16-разрядная), используемая в персональ- ных компьютерах фирмы IBM, стала стандартом de facto в отрасли. Однако по мере увеличения быстродействия микропроцессоров шина ISA стала узким местом для приложений, требующих быстрого обмена по системной магистрали. Некоторое время спустя IBM предложила запатентованную архи- тектуру на базе шины Micro Channel. Однако, несмотря на экономи- ческую мощь IBM, шина Micro Channel не получила поддержки неза- висимых производителей. Не нашла она широкого распространения и в индустриальных приложениях, хотя и используется в промыш- ленных компьютерах, выпускаемых самой IBM. Шина EISA, разработанная по инициативе фирмы Compaq, имела более счастливую судьбу. Шина, сочетающая 32-разрядную архитектуру и совместимость с традиционными 16- и 8-разрядными платами, получила достаточно широкое распространение в критич- ных по быстродействию индустриальных приложениях. Однако в на- стоящее время число компаний, выпускающих изделия с шиной EISA, быстро падает. Шина VESA. Взрывной рост популярности систем на базе 32-раз- рядной шины VL Local Bus (VESA) не обошел рынок средств автома- тизации. Прошло совсем немного времени, и в каталогах изготовите- лей индустриальных компьютеров появились системы на базе этой шины. Однако ориентация шины VESA на устаревающий микропро-
Структура современных систем управления технологическими процессами 11 цессор 80486 фирмы Intel и недостаточная буферизация стали тормо- зом на пути ее развития. И, хотя соответствующий комитет работает над улучшением стандарта, на горизонте появилась новая звезда — шина PCI. Шина PCI. Разработанная в 1992 году фирмой Intel, шина PCI по- лучает растущее признание независимых изготовителей. Во-первых, PCI со своей пропускной способностью до 132 Мбайт в секунду отвечает возросшим возможностям современных микро- процессоров. Во-вторых, независимость шины от типа используемого процес- сора дает возможность уравнять шансы конкурентам фирмы Intel, та- ким как DEC с микропроцессором Alpha или альянсу Арр1еЛВМ/ Motorola с микропроцессором Power PC. В-третьих, унификация используемой шины позволяет изготови- телям периферийных плат не распылять свои силы на разработку раз- личных вариантов одного и того же изделия для разных шин. Все это предопределяет широкое распространение шины РСТ в бу- дущем. Уже появились промышленные компьютеры, основанные на новой шине. Несколько фирм совместно работают над индустриаль- ной версией шины PCI, которая позволит применять большее количес- тво слотов расширения, чем предусмотрено действующим стандартом. Фирмы IBM и Motorola предлагают удвоить тактовую частоту шины с 33 до 66 МГц. Тем не менее, необходимо отметить, что в связи с консервативнос- тью рынка индустриальных компьютеров шина ISA будет преобла- дать здесь еще долгое время. Компьютеры верхнего уровня На верхнем уровне иерархии IBM PC совместимых промышленных сис- тем расположены мощные компьютеры, предназначенные для управле- ния производственными и технологическими процессами в масштабах производственного участка, цеха или завода. Такие компьютеры имеют повышенную надежность, предназначены для круглосуточной работы в условиях запыленности, больших перепадов температуры, вибрации и других неблагоприятных факторов, включая уровень подготовки персо- нала. Первые энтузиасты применения персональных компьютеров в промышленности брали за основу материнские платы обычных офис- ных компьютеров и помещали их в специальные корпуса. С течением времени, однако, выработались вполне определенные характерные черты, которыми отличаются современные промышленные PC.
12 Глава 1 Как правило, вместо стандартной материнской платы применяется пассивная объединительная панель, в один из слотов которой вставля- ется процессорная плата. Для обеспечения связи с различными датчи- ками, исполнительными устройствами и каналами коммуникации мо- жет потребоваться большое количество плат расширения. Именно поэтому допустимое число таких плат в промышленных персональных компьютерах достигает 12-14, в отличие от 6-8 в офис- ных моделях. Иногда применяют секционированные панели, которые позволяют компоновать несколько независимых компьютеров в одном корпусе. Применение пассивной панели существенно сокращает время ремонта и время простоя технологического оборудования. Замена лю- бой платы, в том числе процессорной, не превышает 5-10 минут. Кто хотя бы один раз менял материнскую плату в стандартном персональ- ном компьютере, согласится, что это хорошее время. Компьютеры имеют упрочненные металлические корпуса, предназ- наченные для монтажа в стандартные стойки шириной 19 дюймов. Во многих системах применяются специальные средства для обеспечения повышенной виброустойчивости. Часто доступ к НГМД закрыт специ- альной дверцей с замком для предохранения от загрязнений и несан- кционированного доступа. Получили распространение так называемые индустриальные рабочие станции (Industrial Workstation), которые ха- рактеризуются тем, что системный блок и дисплей размещены в одном защищенном корпусе, а клавиатура, выполненная по мембранной тех- нологии, встроена непосредственно в переднюю панель. Обычно промышленные компьютеры снабжены источником пита- ния большой мощности и имеют развитую систему воздушного охлаждения со сменными пылеулавливающими фильтрами и поло- жительным внутренним давлением очищенного воздуха. Некоторые фирмы для особо ответственных приложений выпус- кают отказоустойчивые компьютеры с дублированием важнейших узлов и способностью их замены во время работы. Рис. 1.1
Структура современных систем управлении технологическими процессами 13 Рис. 1.2 Рис. 13 На нашем рынке производители промышленных компьютеров представлены такими фирмами, как Advantech, ICP, Intecolor, Texas Micro и другими. На рис. 1.1 показан типовой системный блок индус- триального компьютера, а на рис. 1.2 — монитор, помещенный в за- щитный корпус с приспособлениями для обеспечения вибростойкости. На рис. 1.3 представлена типичная индустриальная рабочая стан- ция. Компьютеры нижнего уровня Сегодня мы можем утверждать, что архитектура PC распространяется все ниже и ниже в иерархии автоматизированных систем управления. Автомобильная промышленность США, которая контролирует 35% рынка PLC, уже приняла решение о переходе на IBM PC совместимые компьютеры и контроллеры.
14 Глава 1 Более того, разработка и начало производства такими компани- ями, как Intel, AMD, С&Т, однокристальных PC привели к тому, что сейчас архитектура PC вторгается на рынок недорогих контроллеров, где раньше безраздельно господствовали микроконтроллеры типа 8051 или 68НС11. Характерной особенностью систем автоматизации нижнего уровня является то, что такие системы могут встраиваться непосре- дственно в промышленное или бортовое оборудование. Они распола- гаются на самом объекте управления и должны работать в необорудо- ванных и неотапливаемых помещениях, а то и просто на улице. Во многих случаях управляющие компьютеры и контроллеры яв- ляются неотъемлемой частью какого-либо прибора, станка или агре- гата, поэтому их часто называют встраиваемыми (embedded). Хотя мы и относим такие системы к нижнему уровню систем управления, это не означает, что их возможности или быстродей- ствие ограничены. В то же время особенности их применения накла- дывают ряд специфических требований. Наряду с ужесточением требований по вибростойкости, ударо- прочности, рабочему диапазону температур добавляются такие, как малые габариты и низкий уровень потребляемой мощности. Кроме того, могут предъявляться достаточно специфические требования по взрывобезопасности, радиационной стойкое™, стойкости к хими- чески агрессивным средам или сильным электромагнитным полям. С функциональной точки зрения мы обнаруживаем свойства, не характерные для офисных компьютеров: • «сторожевой таймер» (watchdog timer), автоматически переза- пускающий систему в случае «зависания» программы; • хранение параметров SETUP в энергонезависимой памяти, что позволяет обходиться без специальных батареек; • операционная система загружается из ПЗУ, а в качестве нако- пителей используются электронные диски, в том числе на базе флэш-памяти. Разработчики встраиваемых систем, желающие использовать ар- хитектуру PC, стоят перед выбором: либо разрабатывать систему «с нуля», используя тот или иной набор микросхем, либо применять в качестве основы готовые изделия специализированных компаний. Можно констатировать, что второй подход все чаще берет верх. Этому имеется множество причин. Во-первых, разработка вычислительной системы, например класса 386 или 486, является дорогой. Необходим штат высококвали- фицированных схемотехников и программистов. Высокие тактовые
Структура современных систем управления технологическими процессами 15 частоты используемых микропроцессоров требуют особо тщатель- ного проектирования печатных плат. Современная элементная база даже для изготовления прототипа требует высококлассного технологического оборудования, обеспечи- вающего монтаж на поверхность. Изготовители стандартных плат за- купают комплектующие большими партиями по более низким ценам. Вот почему самостоятельная разработка может быть экономически выгодна только при достаточно большой тиражности изделия. Во-вторых, в условиях жесткой конкуренции очень важно мини- мизировать время от идеи до готового изделия (Time-to-Market). Поэ- тому многие, даже крупные компании предпочитают сосредоточить свои ресурсы на том, что они умеют делать лучше других, а не изо- бретать колесо, особенно, если стоимость системы управления со- ставляет лишь малую долю от стоимости всего изделия. В-третьих, время жизни наборов микросхем, используемых в PC, часто не превышает и одного года. Не исключена ситуация, когда, за- кончив разработку, вы неожиданно обнаружите, что микросхемы, ис- пользованные в проекте, сняты с производства. Время же жизненного цикла систем автоматизации достигает 10 лет. В этой ситуации фирмы, специализирующиеся на изготовлении плат, как правило, за- ключают специальные соглашения с ведущими изготовителями ком- понентов, по условиям которых они заблаговременно получают ин- формацию как о планах снятия каких-либо компонентов с производства, так и о планах выпуска новых. Это позволяет таким фирмам закупить необходимое количество «критических» компонен- тов для обеспечения необходимого жизненного цикла своей продук- ции. Кроме того, они способны обеспечить полную совместимость снизу вверх последующих поколений своих изделий. В-четвертых, при приемлемом тираже продукции специализиро- ванные фирмы могут внести необходимые изменения в свои стандар- тные изделия, чтобы те удовлетворяли нужным требованиям. Известны такие фирмы-производители встраиваемых PC, как Octagon Systems, Ampro, PEP, Radisys и другие. Условно встраиваемые компьютеры можно разделить на две группы. К первой относятся компьютеры, собираемые из нескольких плат, объединяемых системной шиной. Ко второй — одноплатные компьютеры, где все необходимые функции интегрированы на одной плате небольшого размера. Использование стандартного подхода с системной шиной позволяет создавать функционально более мощные системы управления, обла- дающие гибкостью в плане переконфигурации и настройки на кон- кретное приложение.
16 Глава 1 Компьютеры на одной плате, не имея средств поддержки общей системной шины, могут оказаться более дешевым решением в тех случаях, когда особая гибкость не нужна. Тем не менее, одноплатные компьютеры, как правило, снабжаются шиной расширения — мезо- нинной шиной (mezzanine bus) для подключения при необходи- мости дополнительных плат, выполняющих какие-либо специфичес- кие функции, требуемые в конкретных приложениях. В области шин расширения также начинает чувствоваться влияние PCI, для которой разработан стандарт по ее использованию в качестве мезонинной шины. Изготовители используют широкий спектр шин для того, чтобы разместить IBM PC на платах меньшего размера, чем стандартные платы полной длины. К эти шинам относятся ESP, РС/104, АТ96, VME и другие. Только фирма Octagon Systems при стандартном размере платы 114 х 124 мм сохранила полную совместимость с IBM PC по разъ- ему. Кроме того, Octagon Systems является крупнейшим поставщи- ком компьютеров для расширенного температурного диапазона (-40 °С...+85 °C). Предложенная фирмой Ampro шина РС/104 полу- чила широкое распространение взамен iSBX в качестве мезонинной шины для одноплатных компьютеров. В то же время ряд фирм вы- пускает и процессорные платы, имеющие стандартный для РС/104 размер 90 х 96 мм. На рис. 1.4 показан процессорный модуль фирмы Advantech, объе- диняющий на небольшой плате все функции материнской платы IBM РС/386/4 Мб ОЗУ, электронный диск емкостью до 1 Мбайт, а также последовательный и параллельный порты. На рис. 1.5 показана процессорная плата фирмы Octagon Systems, включающая все функции материнской платы IBM РС/386/4 Мб ОЗУ, два электронных диска обшей емкостью до 1,5 Мбайт, два последова- Рис. 1.4 Рис. 1.5
Структура современных систем управления технологическими процессами 17 тельных и один двунаправленный параллельный порт, контроллер НГМД и НЖМД, а также программатор флэш-памяти. На одном из электронных дисков предварительно установлена DOS V6. Плата универсальна и может использоваться как в системах с пас- сивной системной шиной, так и в качестве одноплатного компьютера с возможностью расширения через мезонинную шину РС/104. На рис. 1.6 показан одноплатный компьютер фирмы Octagon Sys- tems размером 150 х 200 мм: • вычислительная мощность до 486DX4-100; • объем ОЗУ до 32 Мбайт; • три электронных диска общей емкостью до 2,5 Мбайт; • четыре последовательных порта RS-232/485; • параллельный порт принтера; • порт клавиатуры; • программатор флэш-памяти; • IDE-контроллер гибких и жестких дисков; • к локальной шине с быстродействием 33 МГц подключены ин- терфейсы SCSI, Ethernet и SVGA (1 Мбайт) с поддержкой как ЭЛТ-дисплеев, так и плоских панелей; • шина расширения РС/104. Рис. 1.6 Имеются специальные защищенные и упрочненные компьютеры для мобильных пользователей. На рис. 1.7 показан пример такого компьютера фирмы Getac, который может работать как в условиях пыльной бури, так и в условиях морского шторма. Несмотря на внешнее сходство с обыкновенным ноутбуком, он имеет ряд уникальных характеристик, таких как пыле- и водонепрони- цаемый металлический корпус, вибро- и ударопрочность в соотве- тствии с военными стандартами, рабочий диапазон температур от
18 Глава 1 Рис. 1.7 -20 °C до +50 °C и т. п. Такие защищенные ноутбуки находят примене- ния как в военной, так и в промышленной сфере, например для съема данных с необслуживаемых станций, в передвижных диагностических лабораториях и др. Внешние устройства В качестве устройств хранения информации наиболее популярными яв- ляются накопители на гибких и жестких дисках. Среди популярных ре- шений в области защиты накопителей от вредных воздействий можно назвать решения, используемые в системном блоке фирмы Advantech (рис. 1.1). К ним относятся: • противоударное крепление блока накопителей; • защитная дверца, предохраняющая от попадания загрязнений; • пылеулавливающий фильтр и система вентиляции, обеспечива- ющая положительное внутреннее давление очищенного воздуха. В случае, если необходима более высокая ударопрочность, приме- няются специальные накопители на жестких дисках. Так, например, накопители в виде карт стандарта PCMCIA позволяют, с одной сто- роны, отказаться от гибких дисков как сменных носителей информа- ции, а с другой стороны, формируется высоконадежное устройство большой емкости и повышенной прочности. Например, фирма Integral выпускает PCMCIA-накопители емкос- тью до 340 Мбайт, выдерживающие перегрузки до 2g при вибрации и до 200g при ударе в рабочем состоянии. Внутреннее пространство на- копителя заполнено инертным газом, а время безотказной работы достигает 300000 часов.
Структура современных систем управления технологическими процессами 19 Когда требуется еще более высокая надежность, более широкий диапазон рабочих температур или повышенная ударопрочность, на- пример в бортовых системах, как правило, используются накопители на полупроводниковой флэш-памяти. Одной из ведущих фирм в области разработки аппаратных и про- граммных средств для линейных накопителей на флэш-памяти явля- ется компания M-Systems. Она выпускает ряд изделий емкостью до 900 Мбайт для работы с ISA, РС/104, PCMCIA, SCSI и т. п. Фирма SanDisk лидирует в области флэш-дисков АТА с интер- фейсом PCMCIA или IDE. Число циклов перезаписи во флэш-память ограничено, но типовое значение для современных систем достигает миллиона. Существенным элементом интерфейса с оператором является, ко- нечно, дисплей. Кожух, показанный на рис. 1.2, обеспечивает как вибростойкость встраиваемого дисплея, так и защиту его от пыли и влаги со стороны экрана. Однако встраиваемый дисплей не рассчитан на эксплуатацию в тяжелых условиях, поэтому такой метод защиты можно рассматривать как компромиссный. Некоторые фирмы разра- батывают дисплеи для систем автоматизации «с нуля». Например, фирма Intecolor изготавливает мониторы с диагональю 20 дюймов, в том числе для морских применений, которые выдерживают удар в 20g и имеют повышенную степень защиты от внешних воздействий (рис. 1.8). В тех приложениях, где важны малые габариты изделия, предпоч- тительно применять плоские панели на базе жидкокристаллических индикаторов. Для низких температур, где, как правило, не годятся ни дисплеи на ЖКИ, ни ЭЛТ, применяют электролюминесцентные или плазменные дисплеи. При этом рабочий диапазон температур может Рис. 1.8
20 Глава 1 достигать от -55 °C до +70 °C при отличных показателях по вибро- стойкости. Еще одной особенностью индустриальных приложений является широкое применение сенсорных экранов. С одной стороны, это по- зволяет обходиться без клавиатуры. С другой стороны, это обеспечи- вает определенные удобства для обслуживающего персонала, кото- рый зачастую привык к простым функциональным клавиатурам, в то время как 101 клавиша в стандартной клавиатуре IBM PC вызывает неприязнь. Использование сенсорного экрана позволяет программно рисо- вать функциональную клавиатуру на экране, например как часть мне- мосхемы управляемого объекта. Более того, можно иметь на экране несколько разных функциональных клавиатур в зависимости от вы- полняемой операции. Для изменения их состава или местоположения достаточно внести соответствующие коррективы в программное обеспечение. Тем не менее, клавиатуры используются широко. Для обеспечения пыле- и брызгозащиты применяются накладки из прозрачного плас- тика, наклеиваемые поверх клавиш. Клавиатуры выполняют по мем- бранной технологии (рис. 1.3). Существуют клавиатуры, которые мо- гут работать в агрессивных средах, на которые можно проливать нефтепродукты, а затем мыть водой с порошком. С такой же сте- пенью защиты выпускаются манипуляторы мышь (Durapoint Mouse), не содержащие движущихся частей (рис. 1.9). Специфичными для промышленных применений являются аппа- ратные средства, предназначенные для непосредственной связи вычис- лительной системы и объекта управления. Эти средства ответственны за нормирование, линеаризацию входных сигналов с датчиков, усиле- ние выходных сигналов для исполнительных устройств. При этом часто предъявляются требования полной гальваничес- кой развязки вычислительной системы от каждого из входных или
Структура современных систем управления технологическими процессами 21 выходных каналов, а также между самими каналами. Ряд фирм, таких как Analog Devices, Grayhill, Opto-22 и другие, выпускает специаль- ные модули (Data Acquisition Modules), реализующие эти требования. В последнее время получают распространение удаленные модули, имеющие непосредственный выход на одну из шин класса Fieldbus, что позволяет легко интегрировать датчики и исполнительные устройства в распределенных системах управления. Типичным при- мером могут служить модули серии ADAM-4000, производимые фирмой Advantech (рис. 1.10). Рис. 1.10 Промышленные сети Не вызывает сомнения, что наиболее распространенным сетевым реше- нием в настоящее время является Ethernet, а последние достижения в области увеличения скорости работы Ethernet до 100 Мбит/с еще более увеличивают привлекательность этого стандарта. Ethernet широко ис- пользуется в системах промышленной автоматизации, однако его при- менение ограничено там, где циркулирует информация, требующая при- нятия решений в реальном времени. Это связано с недетерминированной природой самого протокола Ethernet. Иными словами, при большой загрузке сети существует маленькая, но отличная от нуля вероятность того, что сообщение, посланное одним из узлов, никогда не достигнет адресата. Теперь представим, что этим сообщением является информация об аварии в оборудовании ядерного реактора, требующая немедленных действий со стороны дру- гой подсистемы управления реактором, являющейся адресатом. Вот почему в приложениях, где необходима гарантированная дос- тавка информации в течение заданного интервала времени, более под- ходящими оказываются протоколы Token Ring (4/16 Мбит/с) или Arcnet (2,5 Мбит/с). В настоящее время существует стандарт Arcnet II
22 Глава 1 со скоростью до 20 Мбит/с, однако применение этого стандарта тормо- зится ограниченной поддержкой со стороны изготовителей специали- зированных сетевых микросхем. Сторонники ATM предсказывают, что вскоре Asynchronous Transfer Mode (ATM) вытеснит всех, даже Ethernet. Они, возможно, окажутся во многом правы, при условии поддержки ATM со стороны изготовителей микросхем. Важное значение для повсеместного внед- рения ATM может сыграть инициатива IBM по созданию дешевого варианта ATM со скоростью 25 Мбит/с. Существуют также сетевые протоколы, специфичные для про- мышленных систем автоматизации низкого уровня, такие, например, как среднескоростные CAN, FIP, Profibus, BIT-bus и т. п. Все они часто называются одним словом Fieldbus. Стандарт CAN пользуется растущим признанием и имеет две основные конкурирующие реализации протоколов верхнего уровня: • Device Net фирмы Allen Bradley; • SDS фирмы Honeywell. В CHIA специальный комитет работает над стандартом Fieldbus, призванным объединить все положительные стороны существующих подходов. В качестве дешевой низкоскоростной магистрали широко приме- няется интерфейс RS-485, который обеспечивает связь по витой паре сегментами длиной до 1,2 км и позволяет подключать до 32 узлов на сегмент. В качестве логических протоколов работы по RS-485 полу- чили распространение Optomux, Promux и другие совместимые с ними. Наличие сильных электромагнитных полей на объектах управле- ния приводит к тому, что в качестве физической линии связи часто применяется оптоволокно. Невозможность или дороговизна про- кладки кабелей может привести к необходимости использования в качестве линии связи радиоканала. Программное обеспечение Первым требованием является надежность программного обеспечения. Действительно, одно дело, когда у вас «зависает» редактор текста в офисе, а другое дело, когда неправильно работает программа, управляю- щая ядерным реактором или космическим кораблем. Многие новации последнего времени, типа структурного програм- мирования, объектно-ориентированных языков, CASE-технологий, появились в результате стремления писать все более сложные про- граммы с меньшим количеством ошибок.
Структура современных систем управления технологическими процессами 23 Вторым требованием является быстрое реагирование на ка- кие-либо внешние события или изменения в параметрах управляе- мых процессов. Системы, работающие в соответствии с этим требо- ванием, называют системами реального времени (СРВ). Понятие «быстрый» является относительным. Типовое время реа- гирования на внешние воздействия, необходимое современным ин- дустриальным системам, составляет десятки микросекунд. В то же время существует много задач, где инерционность протекающих про- цессов позволяет реагировать с задержкой в десятки, а то и в сотни миллисекунд. В этом случае часто применяется понятие «мягкое ре- альное время». Строго говоря, отождествление понятий «реальное время» и «быс- трый» не является верным. Например, если ваша система регистри- рует уровень грунтовых вод, то одно измерение в час соответствует требованиям реального времени для этого процесса. Третьим требованием, предъявляемым к программному обеспече- нию систем управления, является многозадачность. Это требование про- истекает из сложной и многоуровневой природа управляемых процес- сов, когда необходимо одновременно реализовать сложные алгоритмы управления различными аспектами и частями реального объекта. Каждая задача выполняет свою долю работы по управлению объ- ектом. Все они делят между собой ресурсы вычислительной системы в зависимости от своего приоритета и от внешних и внутренних со- бытий, связанных с конкретной задачей. Существует целый ряд алгоритмов распределения ресурсов между задачами. Другим тесно связанным с многозадачностью понятием яв- ляется многопоточность. Под многопоточностью понимают возможность выполнения в рамках одной задачи нескольких независимых процессов (потоков команд), которые, в отличие от задач, пользуются общими участками кода и данных. Названным требованиям должны удовлетворять все уровни про- граммного обеспечения системы. Условно можно разделить програм- мное обеспечение на три уровня: • базовая система ввода-вывода (BIOS); • операционная система и драйверы (ОС); • собственно прикладные программы. BIOS осуществляет непосредственный интерфейс (связь) между аппаратурой и программным обеспечением верхних уровней. Веду- щие фирмы-поставщики BIOS ориентируются в основном на рынок офисных компьютеров и не применяют специальных мер для обеспе- чения требований индустриальных приложений. Основная опасность
24 Глава 1 при обращении к BIOS — это возможность запрета прерываний на достаточно долгое время, в результате чего может быть пропущена важная информация от быстродействующих датчиков или телеком- муникационных устройств. Имеются фирмы, предлагающие BIOS, ориентированные на при- ложения «жесткого» реального времени. С другой стороны, многие операционные системы минимизируют взаимодействие с BIOS или не обращаются к ней вообще. Операционная система выполняет базовые функции по интер- фейсу с оператором, запуску программ, распределению памяти, под- держке файловой системы и т. д. Наиболее распространенной операционной системой, конечно, является ОС MS-DOS фирмы Microsoft и другие совместимые с ней. Последние версии обладают приемлемой надежностью, однако нет никакой поддержки многозадачности. Попытки реализовать ее в виде надстройки наталкиваются на необходимость решения проблемы не- реентерабельности DOS. Создатель системы автоматизации, как правило, встает перед вы- бором: или использовать многозадачное ядро реального времени, ра- ботающее над DOS, или перейти на другую операционную систему. В первом случае используются самодельные или коммерчески рас- пространяемые библиотеки программ, реализующие функции много- задачной ОС, например C-TASK или RT-Kernel. Во втором случае открывается богатый выбор операционных систем, разработанных специально для применения в системах «жесткого» реального вре- мени. Эти ОС часто так и называют операционными системами реаль- ного времени (ОСРВ). На рынке существует несколько десятков операционных систем реального времени. Распространены такие ОС, как QNX, OS-9000, VxWorks, iRMX, VRTX, Nucleus и другие. Существуют два подхода к переносимости программного обеспе- чения: • поддержка одной ОС одновременно нескольких аппаратных платформ; • обеспечение стандартного интерфейса между прикладными программами и ОС. В качестве такого стандарта часто используют программный ин- терфейс, разработанный для UNIX-подобных операционных систем и получивший название POSIX (Portable Operating System Interface for UNIX). Это означает, что программа, написанная в соответствии со стандартом POSIX, должна надежно работать на любой аппарат-
Структура современных систем управления технологическими процессами 25 ной платформе при условии применения POSIX-совместимой опера- ционной системы. При проектировании ОС реального времени все чаще использу- ется идеология микроядра, которая увеличивает надежность про- граммного обеспечения и позволяет использовать только те компо- ненты операционной системы, которые необходимы в каждом конкретном случае. Так, например, микроядро одной из самых распространенных опе- рационных систем QNX имеет размер менее 10 кбайт. Модуль, ответ- ственный за файловую систему, например, запускается как одна из задач и может быть легко удален. Все драйверы также функциони- руют как независимые задачи. То есть, если во встроенной системе не используются файловые операции или отсутствуют интерфейсы с ка- кими-либо внешними устройствами, можно просто не включать в со- став операционной системы, функционирующей в изделии, соответ- ствующие модули, высвобождая тем самым память для более эффективного выполнения приложений. Две операционные системы Windows NT и OS/2 оказывают серь- езное давление на рынок операционных систем реального времени. Тем не менее, обе системы ориентированы на офисные применения и не могут обеспечить скорость отклика на внешние воздействия, срав- нимую со специализированными ОС реального времени. Кроме об- щей неразвитости механизмов управления приоритетами, могут воз- никать проблемы некоторой непредсказуемости поведения этих ОС. Например, совершенно неожиданно система может инициировать массированный свопинг на диск, забирая для этого мероприятия практически все ресурсы. Вот почему чувствительные к задержкам задачи, типа обмена дан- ных в мультимедиа приложениях, оформляются в виде драйверов. Так что пока Windows NT и OS/2 можно использовать только в зада- чах «мягкого» реального времени. Фирма Microsoft проявила интерес ко встроенным системам и объявила о скором выпуске операционной системы реального вре- мени Microsoft At Work, основанной на концепции микроядра. Если будет реализована совместимость с Windows API, эта новая операци- онная система может оказать заметное влияние на рынок ОС для встраиваемых систем. С появлением Windows 95 и следующих версий OS/2 и Windows NT проникновение этих операционных систем на рынок систем ре- ального времени быстро возрастает — по-видимому, скоро мы будем свидетелями конкуренции в этой области между операционными сис- темами, совместимыми с POSIX и WIN32. Более того, совсем недавно
26 Глава 1 объявлено о создании альянса между IBM и DEC по разработке опе- рационной системы реального времени следующего поколения на базе микроядра IBM. Конкурентная борьба между крупнейшими мировыми компани- ями обещает быть очень жесткой, и, возможно, вскоре появятся но- вые операционные системы, пригодные для применения в промыш- ленных системах автоматизации. Важную роль играет программное обеспечение, предназначенное для эксплуатации на верхнем уровне систем автоматизации, напри- мер в диспетчерских электростанций, пультах управления сложными агрегатами и т. д. Главными функциями таких SCADA-программ (Supervisor Control And Data Acquisition) являются отображение технологического про- цесса в виде мнемосхем, сигнализация об аварийных ситуациях, ве- дение системного журнала, обеспечение общего управления процес- сом со стороны оператора и т. п. Многие системные интеграторы (разработчики АСУ ТП) или под- разделения АСУ крупных предприятий, как правило, имеют свои на- работки в этой области. В то же время имеются фирмы, специализирующиеся на разра- ботке универсальных SCADA-программ. К ним относятся: • Genesis (фирма Iconics); • FixDmacs (фирма Intellution); • InTouch (фирма Wonderware). Из отечественных разработок хотелось бы отметить программу Trace Mode (Adastra Research Group). На рис. 1.11 показаны примеры экрана с мнемосхемами объектов, реализованные в системе Genesis. Граница между программным обеспечением класса SCADA и MMI весьма условная, поэтому многие системы SCADA могут рабо- тать в качестве интерфейса MMI для систем нижнего уровня. «М ...]р- OiHwtW»tr JblCi Рис. 1.11
Структура современных систем управления технологическими процессами 27 В последнее время получает распространение программное обес- печение класса MES (Manufacturing Execution Systems), основной за- дачей которого является оптимизация управления производством в целом, включая планирование запасов комплектующих, расписание технологических процессов и т. д. Системы MES взаимодействуют с системами SCADA, образуя единую систему управления производством. Они часто интегриру- ются в систему планирования и управления предприятием в целом. 1.2. Сравнение промышленных компьютеров в стандартах MicroPC и РС/104 Существует множество реализаций IBM PC совместимых компьютеров с использованием системной шины, отличной от оригинальной разра- ботки компании IBM. Можно встретить решения на базе шин VME, Multibus, АТ96, STD, STD32 и ряда других. Основной причиной такого разнообразия является: • желание разработчиков использовать уже имеющийся задел пе- риферийных плат; • стремление подстроить конструктивные параметры плат под широко распространенные в промышленности стандарты; • желание уйти от неприемлемых для них особенностей стандар- тной шины ISA. Здесь мы подробно рассмотрим только два подхода к применению архитектуры IBM PC в области малогабаритных встраиваемых ком- пьютеров и контроллеров: • стандарт РС/104, предложенный фирмой Ampro; • серия изделий MicroPC, производимая фирмой Octagon Systems. Фирма Ampro применяет РС/104 (104 — число контактов в 16-разрядной шине ISA) с 1987 года как шину расширения для своих одноплатных компьютеров с помощью малогабаритных плат, получивших название MiniModule. Первая процессорная плата с размерами MiniModule была выпущена в 1990 году под названием CoreModule. Изделия РС/104 выпускают несколько десятков компа- ний, объединенных в консорциум РС/104. Консорциум представ- ляет собой бесприбыльную организацию, основной целью которой является популяризация шины РС/104, в том числе в средствах мас- совой информации. Серия MicroPC была предложена в 1990 году фирмой Octagon Systems, имевшей до этого богатый опыт в области разработки изде-
28 Глава 1 лий для шины STD. При этом с самого начала ставилась цель обеспе- чения работы вычислительной системы в жестких условиях эксплуа- тации. Платы в стандарте MicroPC выпускают также несколько десятков компаний, не объединенных в какую-либо формальную организацию. Сравним две линии изделий по ряду параметров. Так как компа- нии Ampro и Octagon Systems доминируют в соответствующих секто- рах рынка, сравнение будем проводить на примере продукции именно этих фирм. Размер и конструкция Платы в стандарте РС/104 имеют размер 90 х 96 мм (рис. 1.12, 1.13) и позволяют создавать малогабаритные встраиваемые системы, совмести- мые с IBM PC. Платы РС/104 соединяются друг с другом в виде этажерки (рис. 1.14, 1.15) или могут использоваться как высокоинтегрированные компоненты, вставляемые в более крупные платы, предназначенные спе- циально для конкретных приложений (рис. 1.16). I * Примечание. Соединители не должны Сторона компонентов 4J.S00. 1 олео * 4060 СОЕДИНИТЕЛИ (ВКЛЮЧАЯ ОТВЕТНЫЕ ЧАСТИ) ” НЕ ДОЛЖНЫ ВЫСТУПАТЬ ЗА ПРЕДЕЛЫ ЭТИХ ОБЛАСТЕЙ 0,250 Контоюмая плиэшсмуса 0.125 Отвврсги» (4 шт.) 3250 3.550 Вариант 2: несквозная 'О.дз^! Ь,42э‘ Вариант 1: сквозная 0033? 0250 0.95? тдео шина шина Рис. 1.12 Сторона компонентов Сторона монтажа выступать за указанные границы К недостаткам конструкции в виде этажерки относятся невозмож- ность технического обслуживания внутренних плат при включенном питании, а также незащищенность компонентов плат от механичес- ких воздействий.
Структура современных систем управления технологическими процессами 29 Рис. 1.13 Сквозной модуль (6 разрядов) Сквозной модуль (16 разрядов) Несквозной модуль (16 разрядов) Приблизительно 50,8 мм Рис. 1.14
30 Глава 1 Рис. 1.15 Разъем питания Соединители на задней панели Регуляторы на передней панели Рис. 1.16 Так как спецификациями РС/104 разрешено размещение разъемов с трех сторон платы, а некоторые изготовители размещают их с чет- вертой, практически не существует универсальных конструктивов для систем на базе РС/104. Это ведет к необходимости применения заказных, а значит, и более дорогих решений в этой области. Кроме того, достаточно трудно разъединить платы РС/104, не деформировав при этом контакты разъема системной шины.
Структура современных систем управления технологическими процессами 31 п - 3,18 мм, 4 отверстия А — 124,5.мм В — 5,08 мм С - 88,9 мм D — 2,54 мм х 45°, 2 штуки Н — 12,1 мм 0.3В мм х 45’. 2 фОСки F — 21,6 мм G — 81,3 мм Н — 7,62 мм J — 106,7 мм К— 5,08 мм Рис» 1.17 Платы семейства MicroPC имеют размеры 114 х 124 мм (рис. 1.17, 1.18), что немного больше, чем у плат РС/104. Они вставляются в монтажный каркас с пассивной объединитель- ной панелью и закрепляются специальными планками (рис. 1.19, 1.20). Рис. 1.18
32 Глава 1 Рис. 1.20 Такая 4-точечная схема крепления хорошо зарекомендовала себя в системах на базе шин Multibus и VME, а дополнительные исследова- ния на виброустойчивость показали, что надежность ножевых разъе- мов в этом случае не уступает штыревым. В системах, содержащих от 1 до 3 плат MicroPC, можно обойтись без монтажного каркаса (рис. 1.21). Платы при этом могут крепиться винтами в виде этажерки, анало- гично РС/104, а системная шина может объединяться специальной панелью на базе гибкого многожильного кабеля. Для таких случаев все процессорные платы MicroPC имеют специальные клеммные ко- лодки для подвода питания, минуя системную шину. Гибкая объеди- нительная панель позволяет получить свободный доступ к компонен- там системы при включенном питании. Некоторые фирмы, например Dowatron или Epson, предлагают системы еще меньшего размера, чем MicroPC или РС/104, однако ши- рокого распространения они не получили.
Структура современных систем управления технологическими процессами 33 кобеля облегчает поиск и устранение неисправностей Рис. 1.21 Совместимость Назначение и функции сигналов шин РС/104 и ISA совпадают, в то время как электрические параметры отличаются. Например, требования по на- грузочной способности снижены до 6 миллиампер. Легко заметить, что конструктивно шина РС/104 несовместима со стандартной шиной ISA, хотя и существуют специальные платы для перехода с одной шины на другую. Такая несовместимость может привести к необходимости при- обрести специальную систему разработки (Development system), что тре- бует дополнительных финансовых затрат. Шина РС/104 предложена как приложение к проекту стандарта IEEE-P996 института инженеров по электронике и электротехнике. Комитет, разрабатывающий этот стандарт, в течение нескольких лет
34 Глава 1 определяет и переопределяет шину ISA, первоначально предложен- ную корпорацией IBM и ставшую стандартом de facto в отрасли. Однако неясно, когда будет принят стандарт IEEE-P996 и будет ли он принят вообще. Неясно также, войдет ли в него в случае принятия РС/104 как составная часть. Так как проект стандарта 1ЕЕЕ-Р996 от- личается от первоначальных спецификаций ISA, непонятно, будет ли он в целом поддержан производителями компьютерного оборудова- ния, и захотят ли они перепроектировать свои изделия в соответствии с новым стандартом. Нет единства и среди членов консорциума РС/104. Платы различных изготовителей различаются по своему размеру, положению разъема и интерфейсным цепям шины. Возможна ситуация, когда плата одного из- готовителя не сможет надежно взаимодействовать с платами другого производителя. Во многом это обусловлено тем, что ни одна из фирм не занимается сертификацией изделий на соответствие спецификациям РС/104. Право же на использование логотипа РС/104 можно получить заплатив членский взнос в консорциум в размере 625 долларов. Проблемы с совместимостью характерны для всех новых типов шин и могут быть разрешены только общими усилиями всех изгото- вителей, что является непростой задачей. Серия MicroPC полностью совместима по физическим и электри- ческим параметрам с шиной ISA, а в качестве системы разработки можно использовать любой настольный персональный компьютер. Вычислительная мощность и функциональность Так как системная шина РС/104 не экранирована, а резкие изменения им- педанса на каждом из шинных разъемов искажают форму сигналов, число плат в системе на базе РС/104, как правило, не превышает трех. Кроме того, при большом количестве плат становится трудно обеспе- чить механическую жесткость конструкции. Хотя несколько фирм пред- лагают специальные корпуса для систем на базе РС/104, практически ни один из них не предусматривает использование более чем 5 плат. Стандартные монтажные каркасы серии MicroPC поддерживают до 8 плат. Ограничение количества гнезд расширения связано со зна- чительным изменением волнового сопротивления пассивной объеди- нительной панели при низких температурах. При эксплуатации сис- темы в нормальных климатических условиях количество гнезд расширения может достигать 12. Эволюция вычислительной мощности процессорных плат обоих семейств в основном повторяет развитие микросхем серии х86 фирмы Intel. Малые размеры плат РС/104 пока не позволили создать
Структура современных систем управления технологическими процессами 35 полноценную плату на процессоре Pentium, в то время как в семей- стве MicroPC такая плата есть. Сравнивая функциональный состав процессорных плат с одинако- вым быстродействием, можно обнаружить много общего. Процессорные платы РС/104, кроме процессора, содержат: • параллельный двунаправленный порт; • последовательный порт; • сторожевой таймер (watchdog-timer); • программатор флэш-памяти; • часы реального времени; • порт клавиатуры и громкоговорителя. Наряду со стандартным динамическим ОЗУ (до 4 Мбайт в стар- ших моделях) на платах имеется 32-контактная панелька типа DIP, куда можно устанавливать • до 1 Мбайт ППЗУ; • до 256 К флэш-памяти; • до 512 К статической памяти с резервным питанием. Можно использовать эту память как электронный диск. Для установки сопроцессора необходимо применять специальный адаптер. Используется единственный источник питания +5 В, однако для программирования флэш-памяти необходим дополнительный ис- точник питания+12 В. Платы MicroPC, кроме всего перечисленного, имеют последова- тельный дополнительный порт, который может переключаться в ре- жим RS422/RS485. В отличие от РС/104 панелька для сопроцессора предусмотрена, а напряжение 12 В, необходимое для программирова- ния флэш-памяти, генерируется на самой плате. Кроме того, процессорные платы MicroPC имеют не один, а три электронных диска: 128/256 К — BIOS и DOS, до 512 К — флэш-па- мять и до 1,5 Мбайт — статическая память с резервным питанием. В целом можно сказать, что функциональная насыщенность процес- сорных плат MicroPC превосходит аналогичные платы в стандарте РС/104. Так, например, в семействе MicroPC есть процессорные платы, которые, кроме всего прочего, дополнительно содержат цепи аналогового и дискретного ввода/вывода. Условия эксплуатации Изделия фирмы Ampro предназначены для работы в температурном диа- пазоне от О °C до +70 °C при относительной влажности от 5% до 95% без конденсации.
36 Глава 1 Изделия MicroPC предназначены для работы в температурном ди- апазоне от 40 °C до +85 °C при относительной влажности от 5% до 95% без конденсации. Надо отметить, что фирма Octagon Systems яв- ляется крупнейшим поставщиком IBM PC совместимых компьюте- ров для такого широкого диапазона температур. Так как многие изго- товители микросхем не заинтересованы в выпуске изделий для расширенного диапазона температур, фирме пришлось осуществить специальную программу по выбору комплектующих, разработке осо- бых методов проектирования и внедрению статистического контроля в процессе производства. Поэтому существуют приложения, где сис- темы MicroPC работают даже при 60 °C. Например, MicroPC исполь- зуется NASA на переоборудованных самолетах-шпионах У-2, контролирующих озоновый слой над Антарктидой. Виброустойчивость Каталог Ampro не содержит каких-либо данных о виброустойчивости систем на базе РС/104. Действительно, вибрация конструкции РС/104 в виде этажерки приводит к явлениям усталости в гнездах разъемов сис- темной шины. Кроме того, для связи с внешними устройствами на пла- тах РС/104 применяются соединители без фиксации, с контактами, па- раллельными плоскости плат. При этом даже небольшое натяжение соединительного кабеля может привести к нарушению контакта, а в условиях вибрации для нарушения контакта может быть достаточно только веса кабеля. Системы MicroPC, включая монтажный каркас и источник питания, выдерживают ускорение 5g при вибрации и 20g при ударе. Для связи с внешними устройствами применяются разъемы с фиксацией, с контак- тами, перпендикулярными плоскости плат. Высокая вибростойкость позволяет монтировать MicroPC непосредственно на промышленных агрегатах или применять их в бортовых системах управления. Потребляемая мощность Несмотря на меньшее количество функций и пониженные требования к системной шине по нагрузочной способности, процессорные платы РС/104 потребляют мощности примерно в полтора раза больше, чем ана- логичные платы MicroPC. При создании семейства MicroPC с самого на- чала ставилась цель минимизации потребляемой мощности. Это дает возможность применять их в системах, где источниками питания явля- ются аккумуляторные батареи, например в батискафах или геофизичес- ких зондах. Так, системе на базе процессора V20 (12 МГц, 1 Мбайт ОЗУ) необходимо менее 0,9 ватт. Низкая потребляемая мощность позволяет
Структура современных систем управления технологическими процессами 37 обходиться без воздушного охлаждения и помещать вычислительные системы в герметичные корпуса, предназначенные для работы в агрес- сивных или сильно загрязненных средах. Помехозащищенность Системная шина РС/104 не экранирована и работает как антенна, излуче- ние от которой может влиять на другое оборудование. Кроме того, она чувствительна к наводкам от внешних источников. Шина MicroPC, подобно другим широко известным аналогам, имеет, кроме сигнальных слоев, слой экрана для нейтрализации ан- тенного эффекта. Качество Изделия обеих компаний отличаются высокой надежностью. Например, на изделия MicroPC предоставляется гарантия 3 года, а среднее время на- работки на отказ для большинства из них превышает 100000 часов (11 лет). Фирма Octagon Systems первой из производителей встраиваемых PC совместимых контроллеров прошла сертификацию на соответствие стандарту ISO 9001. ISO 9001 — это международный стандарт качества, покрывающий все стадии жизненного цикла продукции, от разработки и производ- ства до доставки и технического сопровождения. О признании высо- кого качества продукции Octagon Systems говорит и тот факт, что MicroPC используется во время научных экспериментов на борту космических кораблей Space Shuttle. Программирование Как РС/104, так и MicroPC поддерживают работу бездисковых систем, в которых операционная система может загружаться из ПЗУ. Процессор- ные платы MicroPC поставляются с уже установленной в ПЗУ операци- онной системой, совместимой с MS-DOS V6. Для плат РС/104 можно приобрести такую систему, заплатив за нее отдельно. Способ загрузки— с диска или из ПЗУ — определяется перемычками. Для операционной системы электронный диск ничем не отличается от обычных дисков и также имеет свой FAT и директории. Оба семейства поддерживают дистанционное программирование флэш-памяти через последовательный порт. Используя MicroPC, можно полностью отладить систему на своем настольном компью- тере. Затем достаточно переставить периферийные платы в монтаж- ный каркас MicroPC, перенести программы во флэш-память. И сис-
38 Глава 1 тема готова к работе. Программы вы можете писать на любом языке высокого уровня, используя те инструментальные средства, к которым привыкли. Выводы Каждое из рассмотренных семейств имеет свою нишу на рынке встраи- ваемых компьютеров и контроллеров. Там, где нужны сверхминиатюр- ные контроллеры с малой и средней производительностью и нет жестких требований к условиям эксплуатации, с успехом могут применяться сис- темы РС/104. По мере повышения степени интеграции элементной базы все большее применение находят одноплатные IBM PC совместимые компьютеры, где РС/104 широко распространена в качестве факуль- тативной шины расширения (мезонинной шины). В то же время со- бственно процессорные платы в стандарте РС/104 имеют ограничен- ное применение. В приложениях, требующих полной совместимости с шиной ISA, значительного температурного диапазона, высокой виброустойчи- вости, малого энергопотребления, значительной вычислительной мощности и расширяемости системы, незаменимым может оказаться семейство MicroPC. Можно заметить взаимное влияние различных подходов. Напри- мер, в семействе РС/104 есть специальные адаптеры для подключе- ния стандартных плат IBM PC. В семействе MicroPC есть платы, позволяющие подключать мо- дули РС/104. В обоих семействах имеются платы для использования карт в стандарте PCMCIA. От всего этого в конечном счете выигры- вает пользователь, получающий дополнительную гибкость при вы- боре технических средств, удовлетворяющих его требованиям. 1.3. Комплекс программ промышленной автоматизации Wonderware Factory Suite — новый уровень интеграции систем управления производством Промышленный мир стремится к информационной интеграции. Точная, своевременная, достоверная информация на производстве все более определяет производительность труда, уровень издержек, качество и конкурентоспособность продукции. Исторически процесс информатиза- ции проникал на производство одновременно с двух сторон — «сверху» и «снизу».
Структура современных систем управления технологическими процессами 39 «Сверху» (в офисах) создавались информационные структуры, от- вечающие за работу предприятий в целом. В эту задачу входили: • автоматизация бухгалтерского учета; • управление финансами и материально-техническим снабже- нием; • организация документооборота и др. Этот уровень называется планированием ресурсов предприятия MRP (Manufacturing resource planning). Наиболее известной и мощ- ной системой такого рода является пакет R/3 фирмы SAP (Гер- мания). «Снизу» (в цехах) информация от различных датчиков прежде всего использовалась для непосредственного управления произво- дственным процессом с помощью различных У СО, программируе- мых логических контроллеров (ПЛК) и промышленных компьюте- ров. Это уровень (Control Level), на котором замыкаются самые «короткие» контуры управления производством. Поток информации от датчиков также поступал на вход систем SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). На этом уровне (SCADA level) осуществляется оперативное управление технологи- ческим процессом, принимаются тактические решения, прежде всего направленные на поддержание стабильности процесса. Далее на пути информационного потока существовала пропасть. Очевидно, что первичная информация из цехов должна «добираться» до верхнего уровня, уровня принятия стратегических решений. Оче- видно также, что поток сырых данных, без надлежащей обработки, послужит скорее «информационным шумом» для менеджеров и эко- номистов. Необходимым связующим звеном выступает новый класс средств управления производством — MES (Manufacturing Execution Systems). Это системы исполнения производства. Упорядоченная и обрабо- танная информация о ходе процесса изготовления продукции, полу- чаемая на этапе сбора и обработки данных, становится доступной верхнему эшелону управления предприятием в реальном времени и в привычной для него форме. В 1989 году корпорация Wonderware (США) совершила револю- цию в области автоматизации, предложив первую программу MMI/SCADA, базирующуюся на операционной системе Windows®. Речь идет о программе InTouch™, число установок которой по всему миру уже превысило 60 000. Новаторский набор программ, объединенный общим названием The Wonderware Factory Suite™ (Заводской набор Wonderware), от- ражает идею интегрированной системы промышленной автоматиза-
40 Глава 1 ции. Это один из первых в отрасли набор программ, создающий по- стоянный источник поступающих в реальном времени данных, которыми могут пользоваться все работники предприятия: опера- торы, инженеры и руководители среднего и высшего звена. В насто- ящее время набор программ Factory Suite состоит из пяти ключевых программ: • InTouch ; • InTrack™; • InSupport™; • InBatch™; • InControl™. Компоненты Factory Suite «покрывают» три уровня автоматиза- ции предприятия: • Control; • SCADA; • MES (рис. 1.22). Все они легко интегрируются в единую систему, которая постав- ляет данные, необходимые для повышения производительности труда и рентабельности производства. Компания Wonderware наме- рена и дальше развивать систему The Factory Suite, вводя в нее допол- нительные программы и функции. Большое значение имеет тот факт, что набор программ The Factory Suite тесно связан с системой Microsoft® BackOffice Suite™. Рис. 1.22
Структура современных систем управления технологическими процессами 41 Это означает, что программы InTouch™, InTrack™, InBatch™, InSupjoort и InControl тм интегрируются с серверами Microsoft SQL Server м, Windows® NT™ Server, Systems Management Server™, SNA Server™ и Mail Server™. В сумме The Factory Suite и BackOffice Suite предоставляют практически полный набор средств для комплексной интеграции ни- жнего и среднего уровня управления предприятием, совместимых сверху с системами MRP. Компании Wonderware и Microsoft имеют общую точку зрения на перспективы будущего обновления производства и вместе работают над созданием необходимых для этого новых средств программного обеспечения и планов их маркетинга. InTouch — пакет MMI/SCADA Wonderware InTouch — наиболее известный пока компонент Wonderware Factory Suite. Он является одной из самых популярных в мире программ MMI/SCADA (только в 1995 г. установлено около 20000 пакетов). Это набор мощных и гибких средств разработки операторских ин- терфейсов для создания АСУ ТП дискретных и непрерывных произ- водств, распределенных систем управления (DCS), SCADA и других областей промышленного применения. InTouch позволяет следить за работой предприятия, наблюдая за процессами, графически отображенными на экранах в реальном мас- штабе времени. Новые возможности в версиях 5.6 и 6.0 касаются в основном распределенной архитектуры: • распределенной обработки аварийных сигналов; • распределенных баз статистических данных; • возможности использования переменного графического разре- шения; • централизованной разработки и обслуживания SCADA-прило- жений на разных узлах исполнения (Runtime) с одного узла раз- работки (включая автоматическую синхронизацию версий). Сильной стороной InTouch является чрезвычайно удобная в исполь- зовании объектно-ориентированная среда разработки (см. рис. 1.23). InTouch допускает неограниченное количество динамических элемен- тов отображения в каждом окне. Анимационные связи обеспечивают возможность динамизации (оживления) любых объектов и их комбина- ций (групп). При этом элементы группы объектов могут либо сохранять свои индивидуальные динамические характеристики, либо подчиняться общему поведению группы.
42 Глава 1 Рис. 1.23 InTouch включает в себя библиотеку Мастер-объектов (Wizards), позволяющих быстро конфигурировать готовые компоненты опера- торского интерфейса: • переключатели; • движковые регуляторы; • счетчики; • тренды; • гистограммы и др. При помощи дополнительного инструментария (Extensibility Toolkit) можно создавать на языке С свои собственные Мастер-объ- екты, приспособленные к нуждам конкретных приложений. В пакет InTouch версии 6.0 включены специальные Мастер-объ- екты, позволяющие разработчику создавать свои библиотеки Мас- тер-объектов, не выходя из среды разработки InTouch. Другим важным преимуществом InTouch является мощный гиб- кий и интуитивно понятный язык сценариев. Можно создавать со- бственные сценарные функции на языке С и при помощи инструмен- тария Extensibility Toolkit добавлять их в библиотеку InTouch.
Структура современных систем управления технологическими процессами 43 Набор опций InTouch включает в себя • менеджер рецептов (Recipe), • модуль статистического контроля технологического процесса в реальном времени (SPC), • библиотеку функций языка структурированных запросов (SQL Access) для обмена данными с различными внешними СУБД. Нельзя не отметить «коммуникабельность» InTouch. Благодаря созданным Wonderware расширениям стандартного протокола DDE (fastDDE и NetDDE), InTouch чрезвычайно легко устанавливает связь и обменивается данными в реальном времени с серверами ввода/вы- вода (их более 300) и с любыми Windows-приложениями как на том же компьютере, так и на удаленных узлах. NetDDE поддерживает лю- бые стандартные сети NetBIOS (Ethernet, Novell, Token Ring, Arcnet и др.), а также соединения через последовательный порт и связь с DECnet и TCP/IP. InTouch является источником информации о ходе технологичес- кого процесса для двух MES-систем, входящих в Factory Suite — InTrack и InBatch. InTrack — система управления дискретным производством Wonderware InTrack — объектно-ориентированное прикладное про- граммное обеспечение для создания системы MES в архитектуре «клиент/сервер». Оно позволяет предприятиям легко моделировать и контролировать каждую стадию производственного процесса от по- лучения сырья, материалов и комплектующих до выпуска готовой продукции. InTrack дает возможность совершенствовать производственный процесс за счет сокращения расходов времени и экономии ресурсов. Кроме того, модульная архитектура InTrack дает пользователям воз- можность начать с одного участка и в последующем расширять сис- тему, охватывая все новые и новые участки производства. Среда разработки InTrack служит для создания модели произво- дства в терминах производственных цепочек (объекты Routes), состо- ящих из отдельных стадий производства, на каждой из которых про- изводятся определенные операции (объекты Operations) над материалами и продуктами (объекты Materials). Схема производственных цепочек строится при помощи специ- ального графического редактора (рис. 1.24).
44 Глава 1 7 аиг-т^гд fiblfci fan* gnrtaw t>fc_ ZZZZZ^ZI a^telaiaH 6jWlalsM 0 Igffisi <1 < 8rt Ito ~ jj fcwtaB I jaw | Cat | 4SwTes» fiKitl: I1 & * Meo ГХ | Смпг-л^ | Ортйп’ [Счн»лдР1 HS Л f** ИЙаяЯях*- Qjft***!...|ДВЯМЙЖ- I Д|Ж8Ш£ | I |J> ЖМУДИ;’ Рис-1-24 Объекты, описывающие схему производственного процесса (кроме перечисленных, к ним также относятся классы Areas, Machines, Customer Specifications, Data Collections, Disposition Codes и Work Instructions), являются структурными (статическими). Существуют также динамические объекты (Activity Objects), кото- рые создаются и модифицируются в режиме Runtime и отражают не- завершенное производство (WIP Lots), а также движение товарно-ма- териальных запасов (Lot & Bulk Inventory). Информация об объектах хранится в серверной СУБД. Каждая производственная операция сопровождается соответствующей тран- закцией с базой данных, содержащей модель производства. Транзак- ции могут выполняться вручную или автоматически по наступлению некоторого события, зарегистрированного системой InTrack или InTouch. InTrack включает библиотеку сценарных функций для про- граммирования автоматических транзакций и более 40 Мастер-объ- ектов (Wizards), специально разработанных для управления произво- дством. Кроме того, имеется несколько готовых форм просмотра производственной информации в реальном времени, шаблоны отчетов и мощный генератор отчетов Crystal Reports.
Структура современных систем управления технологическими процессами 45 При помощи InTrack можно • планировать и моделировать производственные процессы, • контролировать незавершенное производство и заводские ма- териально-технические запасы, • автоматизировать сбор данных, • определять очередность работ для составления графиков, дис- петчеризации и т. д. InTrack включает в себя все объекты и характеристики SCADA/MMI, свойственные системе InTouch, в том числе: • базу тегов; • текущие и исторические тренды; • систему обработки аварийных сигналов; • сценарные функции; • Мастер-объекты. Кроме того, InTrack легко интегрируется с InTouch. Встроенные в InTrack функции и DDE-серверы открывают возможность полной ав- томатизации задач учета, планирования и диспетчеризации произво- дства. InTrack может обеспечить связи с • устройствами сбора данных и автоматической идентификации (например, со считывателями штриховых кодов), • различными информационными табло и системами верхнего уровня (например, системой планирования ресурсов предприя- тия — MRP). Система масштабируется как по числу пользователей, так и по ко- личеству используемых баз данных. Открытая архитектура «кли- ент/сервер», заложенная в InTrack, позволяет пользователям, работа- ющим в операционной системе Windows NT, получать доступ к серверам на базе Windows NT или UNIX, использующим СУБД типа Oracle 7, Microsoft SQL Server и других ODBC-совместимых СУБД. InBatch — гибкая система управления циклическим производством Wonderware InBatch - - гибкая и масштабируемая программа MES, спе- циально разработанная для моделирования и автоматизации процессов типа дозирования и смешения (batch processes). При помощи InBatch пользователи в металлургической, химической, пищевой и фармацевти- ческой промышленности могут • моделировать свои процессы, • создавать рецепты,
46 Глава 1 • имитировать исполнение рецептов, сопоставляя их с моделью, • управлять реальным процессом, пользуясь созданной моделью для справок. Технологическая и информационная модель, созданная в InBatch, описывает: • функциональные характеристики оборудования и технологи- ческих процессов; • состав реквизитов, наиболее полно удовлетворяющих потреб- ности специалистов предприятия в информации. Модель позволяет быстро изменить конфигурацию технологичес- кого процесса и системы управления при переходе на другой вид про- дукции. Функциональные характеристики оборудования определя- ются Фазами процесса, в которых данное оборудование задейство- вано. Каждая Фаза процесса определяет конкретное действие (смешива- ние, нагрев, охлаждение, выпечка, встряхивание, слив, перегонка и др.). Фаза является наиболее базовым объектом модели и связующим звеном между функциями непосредственного контроля технологи- ческого процесса (Control/SCADA Level) и функциями управления рецептами и циклами (MES Level). Существует удобный графический интерфейс, при помощи кото- рого технологи могут разрабатывать и вводить в систему рецепты без участия специалистов в области АСУ. Рецепты в системе InBatch создаются путем выборки параметров оборудования и технологических процессов предприятия из моделей процессов. Рецепты вводятся в систему в виде Основных Рецептов (не зависящих от оборудования и технологии) и преобразуются в Контрольные Рецепты (зависящие от оборудования) во время выпол- нения программы. При составлении рецептов специфицируется: • необходимое оборудование и его характеристики (мощность, нагревательная способность, материал конструкций и т. д.); • формула процесса (материалы на входе, материалы на выходе); • процедура (определяемый пользователем набор операций, не- обходимых для изготовления одной порции продукта). Операции формируются из Фаз, связанных с тем или иным типом оборудования. Фазы упорядочиваются в определенной последова- тельности. Процедуры конструируются при помощи Последователь- ных функциональных схем (Sequential Function Charts, SFC), описы- вающих последовательное и/или параллельное выполнение Операций и Фаз.
Структура современных систем управлении технологическими процессами 47 Количества материалов на входе и на выходе, описанные в Фор- муле, связываются с параметрами конфигурации Фаз. Поэтапное управление циклическим процессом заложено в мо- дель процесса, что исключает необходимость написания собствен- ного программного кода и резко снижает объем инженерных работ по сопровождению системы при эксплуатации. К конкретным функциям относятся: • краткосрочное планирование; • инициализация партий (порций); • управление фазами цикла и оборудованием, задействованным в каждой фазе; • автоматическое ведение архива всей информации об исполне- нии каждого цикла (порции); • составление отчетов. InBatch обеспечивает простую («plug-and-play») интеграцию с InTouch. Это предоставляет оператору возможность использования интерактивного графического интерфейса для мониторинга и управления циклическим процессом (рис. 1.25). InBatch поставля- ется в комплекте с Мастер-объектами для работы с InTouch, гото- выми к работе экранными формами, сценариями и прикладными программами. Рис. 1.25
48 Глава 1 InSupport — интерактивная система нахождения и устранения неисправностей и ведения технической документации Wonderware InSupport — мощное инструментальное средство для на- хождения и устранения неисправностей. Оно обеспечивает легкий ин- терактивный доступ к экспертной системе, а также к технической до- кументации по ремонту оборудования. Это помогает быстро диагностировать и ремонтировать сложное производственное обору- дование и технологические комплексы. InSupport сводит к минимуму простои, сокращает эксплуатационные расходы и помогает поддер- живать оборудование в исправном рабочем состоянии. Основная идея, лежащая в основе InSupport, заключается в том, чтобы организовать доступ ко всей технической информации, сопро- вождающей оборудование любой степени сложности, из одного при- ложения, каковы бы ни были цели использования этой информации. Поскольку InSupport содержит полномасштабную среду разработки мультимедийных приложений, то с его помощью можно создавать электронное техническое описание (руководство), содержащее: • текст; • гипертекст; • чертежи; • фотографии; • слайд-шоу; • видео и т. п. Затем эту информацию можно использовать для проведения тех- нического обслуживания, обучения персонала, документирования опыта эксплуатации оборудования и т. д. Новшеством в InSupport является система поиска и устранения не- исправностей. Для этого используется встроенная экспертная система, которая анализирует симптомы неисправностей, учитывает время ре- монта, стоимость ремонтных работ и вероятность неудачи каждого из возможных вариантов стратегии устранения неисправностей. Затем она выдает оператору решение, требующее наименьших за- трат ресурсов и времени. Экспертная система использует знания о сим- птомах, неисправностях, диагностических и ремонтных процедурах, которые вводятся специалистами предприятия. В системе InSupport предусмотрена методика для анализа аварийных сигналов или симпто- мов и разработки единой стратегии их устранения. Программа позво- ляет разработать процедуры нахождения и устранения неисправностей, которые выдают четкие поэтапные инструкции по обслуживанию и ре- монту оборудования для операторов и техников, обслуживающих про-
Структура современных систем управления технологическими процессами 49 изводственную линию. При этом в качестве подсказки система может выдавать те или иные страницы текста, чертежи, слайд-шоу с фотогра- фиями последовательных операций, видеоролики и т. д. (рис. 1.26). Рис. 1.26 InSupport интегрируется с InTouch, что предоставляет пользовате- лям возможность автоматически выявлять неисправности. Это дости- гается путем связывания симптомов неисправностей в InSupport с аварийными сигналами в InTouch. InControl — открытая инструментальная система программирования контроллеров Пакет InControl является последним (the last, but not the least — послед- ний, но не наименее значимый) по времени выпуска среди компонентов Factory Suite (рис. 1.27). Он логически завершает систему, поскольку призван решать задачи самого нижнего уровня автоматизации производ- ства— уровня непосредственного контроля технологического процесса (Control Level). InControl — открытая среда программирования систем непосре- дственного управления объектом в реальном времени, работающая под управлением ОС Windows NT и поддерживающая технологии OLE Automation и OCX. InControl устанавливается на любую аппа-
50 Глава 1 Рис. 1.27 ратную платформу, которую поддерживает Windows NT, включая ин- дустриальные рабочие станции и интеллектуальные ПЛК. В соотве- тствии со спецификацией МЭК 1131-3 InControl поддерживает одновременное использование нескольких языков программиро- вания, таких как: • язык релейных лестничных диаграмм (RLL); • язык последовательных функциональных схем (SFC); • язык структурированного текста (STL). Кроме того, поддерживается Язык управления перемещениями (Motion Control Language), соответствующий спецификации RS-274. В InControl заложена методология структурного программирования, которая дает возможность пользователю описать автоматизируемый процесс в наиболее легкой и понятной форме. Использование стан- дартных языков программирования позволяет существенно снизить затраты на разработку прикладного программного обеспечения. Встроенный менеджер Проектов/Задач InControl позволяет • организовать приложения по проектам, • одновременно просматривать и редактировать все программы в рамках одного проекта и присваивать приоритеты разным зада- чам. Задачи с более высоким приоритетом могут прерывать выполне- ние других задач и возвращать управление после своего выполнения. Менеджер Проектов/Задач позволяет также конфигурировать объ- екты ввода/вывода и объекты ActiveX.
Структура современных систем управления технологическими процессами 51 InControl поддерживает различные промышленные интерфейсы ввода/вывода, такие как Profibus, DeviceNet, Interbus-S, SDS и др. InControl интегрируется с InTouch и через него с другими компонен- тами Factory Suite. Factory Suite корпорации Wonderware и BackOffice фирмы Microsoft Microsoft BackOffice — интегрированный набор программных средств для создания распределенной информационной инфраструктуры уровня предприятия. Он идеально подходит для внедрения клиент/серверных приложений, таких как продукты Wonderware. Уже сегодня Wonderware Factory Suite в полной мере использует преимущества Windows NT Server и SQL Server. Microsoft Systems Manager Server может быть ис- пользован • для управления процессом сетевой инсталляции системного и клиентского программного обеспечения, • для синхронного обновления на узлах сети версий собственных приложений, разработанных на базе Factory Suite, и т. д. В апреле 1996 года Wonderware и Microsoft заявили о программе дальнейшей интеграции BackOffice и Factory Suite. В перспективе Microsoft Exchange и другие, еще не объявленные компоненты BackOffice, уже учитываются при проектировании будущих версий программных продуктов Wonderware. Интенсивное использование готовых технологий Microsoft позволяет Wonderware «не изобретать велосипед» и сосредоточиться на решении собственно задач про- мышленной автоматизации. 1.4. Архитектура и оборудование цифровых промышленных сетей Процесс автоматизации промышленных производств развивается все более ускоряющимися темпами: увеличивается количество «интеллек- туальных» оконечных устройств, растет число вовлеченных в процессы контроля и управления технологическим процессом вычислительных систем на базе микроконтроллеров. В этих условиях существенно возрастает роль данных, собирае- мых на всех уровнях АСУ ТП. Требования, предъявляемые со сто- роны потребителей этой информации, все более ужесточаются в части объема, скорости и надежности получения данных, поэтому вопросы обеспечения коммуникаций становятся высокоприоритет- ными.
52 Глава 1 В течение многих лет системы обмена данными строились по тра- диционной централизованной схеме, в которой имелось одно мощное вычислительное устройство и огромное количество кабелей, посре- дством которых осуществлялось подключение оконечных устройств (датчиков и исполнительных механизмов). Такая структура диктова- лась высокой ценой электронно-вычислительной техники и относи- тельно низким уровнем автоматизации производства. На сегодняшний день у этого подхода практически не осталось приверженцев. Такие недостатки централизованных АСУ ТП, как большие затраты на кабельную сеть и вспомогательное оборудова- ние, сложный монтаж, низкая надежность и сложная реконфигура- ция, сделали их во многих случаях абсолютно неприемлемыми как экономически, так и технологически. В условиях бурно растущего производства микропроцессорных устройств альтернативным решением стали цифровые промышлен- ные сети (ЦПС), состоящие из многих узлов, обмен между кото- рыми производится цифровым способом. На сегодняшний день на рынке представлено около сотни различных типов ЦПС, применяе- мых в системах автоматизации. Технические и стоимостные разли- чия этих систем настолько велики, что выбор решения, оптимально подходящего для нужд конкретного производства, является непрос- той задачей. Основные характеристики ЦПС Имеются две особенности современных ЦПС: • распределенный характер «интеллекта»; • цифровой способ обмена данными между узлами сети. Узлы ЦПС располагаются максимально приближенно к оконеч- ным устройствам, благодаря чему длина аналоговых линий сокраща- ется до минимума. Каждый узел ЦПС является «интеллектуальным» устройством и выполняет несколько функций: • прием команд и данных от других узлов ЦПС; • съем данных с подключенных датчиков; • оцифровка полученных данных; • отработка технологического алгоритма; • выдача управляющих воздействий на подключенные исполни- тельные механизмы по команде другого узла или согласно тех- нологическому алгоритму; • передача накопленной информации на другие узлы ЦПС. Преимущества ЦПС по сравнению с централизованными систе- мами можно подразделить на две категории. Переход на цифровую
Структура современных систем управления технологическими процессами 53 передачу данных означает возможность замены километров дорогих кабелей на несколько сот метров дешевой витой пары. Экономичес- кий эффект от сокращения расходов на тонны меди и вспомогатель- ное оборудование (кабельные каналы, клеммы, шкафы) хорошо просчитывается и очевиден. ЦПС обеспечивают дополнительные преимущества по таким по- казателям, как надежность, гибкость и эффективность, что является прямым следствием их децентрализованной структуры. Следует отметить информационные возможности цифрового ка- нала передачи данных. Если ранее по одной паре проводов можно было получить только одно единственное текущее значение измеря- емой величины или, напротив, передать исполнительному меха- низму одну команду, то теперь количество передаваемых данных за- висит только от «интеллектуальных» возможностей оконечных устройств. Что особенно важно, информационный канал становится двунап- равленным. Наиболее важным практическим следствием этого обсто- ятельства является возможность осуществления удаленной парамет- ризации и калибровки оконечных устройств. Наличие единой базы параметров, обслуживание всех подключенных к ЦПС оконечных устройств с одного рабочего места свидетельствует о наступлении новой эры в работе службы КИП предприятия. Эта служба переходит на совершенно иной уровень оператив- ности и эффективности. Быстрая установка предельных уровней и ре- жимов работы дает возможность гибко управлять производственным процессом, перенастраивать его согласно меняющимся условиям и задачам. Только применение цифровых методов передачи данных по- зволяет использовать на полную мощность возможности современ- ных датчиков и исполнительных механизмов. Кроме «количественной» составляющей новой концепции инфор- мационного обмена, следует отметить качественно новые возмож- ности, предоставляемые узлам ЦПС. Существуют три основных ре- жима обмена данными, эффективность использования которых зависит от конкретной задачи. 1. Режим «Ведущий-ведомый». В этом простейшем режиме один из узлов ЦПС является ведущим устройством, которое последова- тельно опрашивает подчиненные узлы. В зависимости от содержания запроса ведомый узел либо выполняет полученную команду, либо пе- редает ведущему текущие данные с подключенных оконечных устройств. Типичным примером ЦПС, построенной на таком при- нципе, являются сети Profibus. Как правило, роли ведущего и ведо-
54 Глава 1 мого закрепляются жестко и не меняются в процессе функционирова- ния сети. 2. Режим «Клиент-сервер». Данный режим имеет много общего с предыдущим и используется в системах с гибким распределением функций. Узел клиент запрашивает данные, а узел сервер их предо- ставляет. При этом клиент может запрашивать несколько узлов, а сер- вер — иметь несколько клиентов. Также функции клиента и сервера могут совмещаться на одном узле. Примером может послужить ЦПС Foundation Fieldbus. 3. Режим «Подписка». В этом режиме узел, нуждающийся в регу- лярном поступлении какой-либо информации, подписывается на ее получение от другого узла, после чего получает регулярные рассылки данных без дополнительных запросов. Режим имеет два варианта: • данные передаются циклически с определенным интервалом вне зависимости от динамики изменения информации; • данные передаются только в случае их изменения. Данный ре- жим также используется в сетях Foundation Fieldbus. Одним из основных критериев оценки систем АСУ ТП является надежность. Понятие это в распределенных системах весьма многог- ранно и требует внимательного рассмотрения. Для АСУ ТП, создава- емых на базе ЦПС, следует отметить несколько особенностей. 1. По надежности цифровой метод передачи данных намного пре- восходит аналоговый. Передача в цифровом виде малочувствительна к помехам и гарантирует доставку информации благодаря встроен- ным в протоколы ЦПС механизмам контрольных сумм, квитирова- ния и повтора искаженных пакетов данных. 2. Надежность функционирования систем АСУ ТП на базе ЦПС с интеллектуальными узлами значительно выше, чем в традиционных структурах, так как выход из строя одного узла не влияет, либо вли- яет незначительно, на отработку технологических алгоритмов в остальных узлах. Важно также отметить, что разумное распределение управляющих функций значительно снижает нагрузку на централь- ную управляющую ЭВМ, что также способствует повышению надеж- ности системы в целом. 3. Важной проблемой является защита ЦПС от повреждения ка- бельной сети, особенно в том случае, если ее топология имеет вид шины. Для критически важных технологических участков эта задача должна решаться дублированием линий связи или наличием несколь- ких альтернативных путей передачи информации. Системы АСУ ТП редко делаются раз и навсегда. Как правило, их состав и структура подвержены коррекции в силу изменяющихся тре- бований производства. Поэтому важными критериями оценки закла-
Структура современных систем управления технологическими процессами 55 даваемых в проект решений являются гибкость и модифицируемость комплекса. По этим показателям ЦПС, несомненно, намного превос- ходит традиционную централизованную схему. Добавление или удаление отдельных точек ввода-вывода и даже целых узлов требует минимальных монтажных работ и может произ- водиться без остановки системы автоматизации. Переконфигурация системы осуществляется на уровне програм- много обеспечения и также занимает минимальное время. Другая проблема, связанная с развитием системы АСУ ТП, заключается в необходимости применять оборудование различных производите- лей. На ранних этапах развития ЦПС вопрос совместимости прото- колов, заложенных в интеллектуальные оконечные устройства, стоял очень остро. Сейчас практически все широко распространен- ные решения в этой сфере стандартизованы, что позволяет разра- ботчикам АСУ ТП выбирать оборудование из широкого спектра по- ставщиков, оптимизируя стоимость проекта и его технологическую структуру. За последние 20 лет было разработано и внедрено множество за- конченных аппаратно-программных решений, значительно отличаю- щихся по своим параметрам и сферам применения. Рассмотрим не- сколько ЦПС, широко распространенных в различных приложениях АСУ ТП и ставших стандартами де-факто. AS-интерфейс AS-интерфейс (Actuator/Sensor Interface) был представлен в виде концеп- ции в 1993 году. Поддерживается консорциумом ведущих производите- лей средств АСУ ТП, в числе которых фирмы Siemens, Pepperl+Fuchs и другие. Относится к классу оконечных устройств ЦПС, осуществляя не- посредственную интеграцию датчиков и исполнительных механизмов в систему автоматизации. Позволяет полностью исключить из АСУ ТП аналоговые линии связи, кроссировочные шкафы и другое вспомога- тельное оборудование. Максимальное время цикла опроса составляет 5-10 мс, то есть сравнимо с циклом отработки программы в контроллере. Благодаря этому сети на базе AS-интерфейса активно применяются в распреде- ленных АСУ ТП реального времени, например в системах управле- ния конвейерными производствами. Первоначально AS-интерфейс был ориентирован на работу ис- ключительно с бинарными данными, поэтому длина информацион- ной посылки рекордно малая — всего 4 бита. Тем не менее, новая ре- дакция спецификации AS-интерфейса позволяет подключать к сети аналоговые датчики и поворотные шифраторы. Максимальное коли-
56 Глава 1 чество узлов равно 62, максимальная длина с использованием повто- рителей — 300 м. Данные и питающее напряжение передаются по одной паре проводов. Сети на базе AS-интерфейса отличаются эконо- мичностью и очень большим выбором средств комплексирования с другими ЦПС. Протокол CAN Протокол CAN (Controller Area Network) определяет только первые два уровня ISO/OSI — физический и уровень доступа к среде передачи дан- ных. С начала 90-х годов, когда компания Bosch разработала соответ- ствующую спецификацию, на основе этого протокола реализовано огромное количество полнофункциональных сетей, в том числе таких как SDS, CANopen, DeviceNet и др. Количество узлов ЦПС, работающих на основе CAN, исчисляется десятками миллионов. Практически у каждого крупного производи- теля микроконтроллеров есть изделие с CAN интерфейсом. Основ- ными достоинствами, определившими высокую популярность этого протокола у разработчиков встраиваемых и промышленных систем, являются: • высокая скорость (до 1 Мбит/с); • метод доступа CSMA/CA (не путать с CSMA/CD, реализован- ным в Ethernet); • возможность иметь в сети несколько ведущих устройств; • надежная система обнаружения и исправления ошибок. CSMA/CA сочетает минимальную задержку передачи информа- ции с эффективным арбитражем ситуаций, когда несколько узлов на- чинают передавать данные одновременно. Благодаря этому гаранти- руется доставка сообщения, то есть система является детерминированной. «Визитной карточкой» CAN являются автомобили «Мерседес», электроника которых работает именно по этому протоколу. Техни- ческие характеристики (для DeviceNet): максимальное расстояние 500 м, максимальное количество узлов 64, длина информационной посылки 8 байт, используемый кабель Belden 3082А. Interbus Спецификация Interbus была разработана фирмой Phoenix Contact в 1984 году и быстро завоевала прочные позиции в сфере распределенных АСУ ТП, благодаря целому ряду интересных структурных решений. Прежде всего, следует отметить максимальное расстояние, которое может охва- тывать эта ЦПС. Она достигает 13 километров (рис. 1.28).
Структура современных систем управления технологическими процессами 57 Рис. 1.28 Для сетей, физический уровень которых основан на стандарте RS-485, этот показатель просто феноменальный. Обеспечивается он благодаря ретрансляции сигнала в каждом узле. Максимальное коли- чество узлов 512, расстояние между узлами до 400 метров, используе- мый кабель Belden 3119А. Узлы-ретрансляторы образуют основу топологии Interbus. Око- нечные же устройства подключаются к дополнительным кольцевым сегментам, в которых питающее напряжение передается вместе с дан- ными. Длина дополнительных сегментов может составлять до 200 метров, для их прокладки используется обычная неэкранированная витая пара. Доступ к среде передачи данных в Interbus организован по при- нципу суммирующего фрейма и обеспечивает гарантированное время передачи информации. Таким образом, Interbus является хоро- шим решением для унифицированной автоматизации производства, компоненты которого территориально разнесены на большое расстояние. Profibus Profibus — семейство ЦПС, обеспечивающее комплексное решение коммуникационных проблем предприятия, было разработано фирмой Siemens в начале 90-х годов. На нижнем уровне применяется сеть Profibus-DP (рис. 1.29), обес- печивающая высокоскоростной обмен данными с оконечными устройствами.
58 Глава 1 Шлюэиежж, Верхний уровень ? Время I цикла < юоо мс . Средний^ уровень4 PRPFIBUS-FMS РШ&зчаи стащи® ] ЙЭД (%1 ЛВ «gwtfcj PROFI3US-PA Время цикла < 100 мс Время цикла < Юме Нижний уровень Теоминал А5-ингерфеис Рис. 1.29 PRQFIBUS-QP Протокол физического уровня соответствует стандарту RS-485. Скорость обмена прямо зависит от длины сетевого сегмента и варьи- руется от 100 кбит/с на расстоянии 1200 метров до 12 Мбит/с на дис- танции до 100 метров. Взаимодействие узлов в сети Profibus опреде- ляется моделью «Master-slave». Master сегмента последовательно опрашивает подключенные узлы и выдает команды в соответствии с заложенной в него технологической программой. Протокол обмена данными гарантирует определенное время цикла опроса в зависи- мости от скорости обмена и числа узлов в сегменте (рис. 1.30), что по- зволяет применять Profibus в системах реального времени. Рис. 1.30
Структура современных систем управления технологическими процессами 59 На более высоком уровне применяется сеть Profibus-FMS, ориен- тированная на обеспечение информационного обмена одноранговых устройств. Во взрывоопасных зонах используется Profibus-PA, осно- ванная на стандарте физического уровня IEC 61158.2. Сегмент Profibus-PA может иметь длину до 1900 метров со скоростью обмена между узлами 31,25 кбит/с. Применяемый кабель — Belden 3077. Сегменты Profibus-PA подключаются к Profibus-DP через раздели- тельные мосты, обеспечивающие функционирование ЦПС во взрывоопасной зоне. Foundation Fieldbus Foundation Fieldbus - - наиболее «продвинутый» стандарт ЦПС, появив- шийся на свет только в 1995 году как результат усилий консорциума крупных, в основном североамериканских производителей. По многим параметрам эта система схожа с Profibus-PA: • возможность установки во взрывоопасных зонах; • передача информационного сигнала вместе с питающим напря- жением по одной паре проводов; • двухуровневая иерархия и т. д. В Foundation Fieldbus на верхнем уровне используется высокоско- ростная магистраль Ethernet, а на нижнем — технология передачи по стандарту IEC 61158.2, как и в Profibus РА. Две особенности выделяют Foundation Fieldbus среди других ЦПС. Во-первых, был разработан специальный язык описания око- нечных устройств (Device Description Language), использование кото- рого позволяет подключать новые узлы к сети по широко применяе- мой в обычных IBM PC совместимых компьютерах технологии plug and play. Достаточно физически подключить новое устройство, и оно тут же самоопределится на основании заложенного описания DD (Device Description). После этого все функциональные возможности нового узла стано- вятся доступными в сети. При конфигурировании инженеру доста- точно соединить входы и выходы имеющихся в его распоряжении функциональных блоков, чтобы реализовать требуемый алгоритм (рис. 1.31). Пользователям доступны как типовые DD для стандартных устройств (клапанов, датчиков температуры и т. д.), так и возмож- ность описания нестандартных изделий. Во-вторых, в отличие от других промышленных сетей, Foundation Fieldbus ориентирована на обеспечение одноранговой связи между узлами без центрального ведущего устройства. Этот подход дает воз-
60 Глава 1 можность реализовать системы управления, распределенные не только физически, но и логически. Это во многих случаях позволяет повысить надежность и живучесть АСУ ТП. В Foundation Fieldbus ре- ализованы самые сложные технологии обмена информацией: под- писка на данные, режим «клиент/сервер», синхронизация распреде- ленного процесса и т. д. Перспективы развития ЦПС Приведенные примеры описывают сетевые решения, получившие на се- годняшний день широкое признание — миллионы совместимых око- нечных устройств и десятки производителей, выпускающих аппаратные средства построения ЦПС. Наличие на рынке разнообразных наборов программно-аппаратных решений позволяет решить технологические проблемы практически любого производства. Отсюда следуют два вы- вода. Во-первых, для предприятий практически полностью потеряли смысл собственные разработки в этой области. Попытка сэкономить средства за счет внутренних ресурсов в большинстве случаев обора- чивается созданием громоздких, ненадежных, ни с чем не совмести- мых и дорогих в обслуживании систем. Во-вторых, можно считать законченной дискуссию о «войне фил- дбасов» и о некоем «наилучшем» решении в этой области. Сейчас уже очевидно, что ни одна из существующих ныне ЦПС не станет единственной, обогнав все остальные. Многообразие требований ав- томатизируемых технологических процессов не может быть удовлет- ворено универсальным и экономически оптимальным решением. Только грамотное структурирование комплекса АСУ ТП и выбор оптимальных решений для конкретных технологических участков
Структура современных систем управления технологическими процессами 61 может обеспечить прорыв предприятия на новый уровень качества и эффективности производства. Когда обсуждается вопрос о выборе типа промышленной сети, не- обходимо уточнять, для какого именно уровня автоматизации этот выбор осуществляется. В зависимости от места ЦПС в иерархии про- мышленного предприятия требования к ее функциональным характе- ристикам будут различны. Еще не так давно иерархия АСУ ТП выглядела в виде «трехэтаж- ной» пирамиды (сверху вниз): • уровень управления предприятием; • уровень управления технологическим процессом; • уровень управления устройствами. На уровне управления предприятием располагаются обычные IBM PC совместимые компьютеры и файловые серверы, объединен- ные локальной сетью. Задача вычислительных систем на этом уровне — обеспечение визуального контроля основных параметров производства, построение отчетов, архивирование данных. Объемы передаваемых между узлами данных измеряются мегабайтами, а вре- менные показатели обмена информацией не являются критичными. На уровне управления технологическим процессом осуществля- ется текущий контроль и управление в ручном режиме с оператор- ских пультов, либо в автоматическом режиме по заложенному алго- ритму. На этом уровне выполняется • согласование параметров отдельных участков производства, • отработка аварийных и предаварийных ситуаций, • параметризация контроллеров нижнего уровня, • загрузка технологических программ, • «ручная» выдача команд на исполнительные механизмы. Информационный кадр на этом уровне содержит, как правило, не- сколько десятков байтов, а допустимые временные задержки могут составлять от 100 до 1000 миллисекунд в зависимости от режима ра- боты. С нижнего уровня собираются текущие показатели контроли- руемых устройств и механизмов. На уровне управления устройствами располагаются контроллеры, осуществляющие непосредственный сбор данных и управление око- печными устройствами — датчиками и исполнительными механиз- мами. Данные, которыми контроллер обменивается с оконечным устройством, обычно имеют размер 1-2 байта, а требования к ско- рости опроса устройств наиболее жесткие — не более 10 мс. Тенденции последних лет сделали эту стройную структуру значи- тельно более сложной, а местами и размытой (рис. 1.32).
62 Глава 1 Internet/lntranet Уровень управления производством Уровень датчиков и исполнительных механизмов Уровень низовой автоматизации Уровень управления участком технологического процесса Fieldbus AS-интерфейс Промышленный Ethernet Рис. 1.32 Во-первых, АСУ ТП все более интегрируется с АСУП, а через нее неизбежно выходит в сферу Интернет/Интранет-технологии. Сегодня уже никого не удивляет желание руководителей предприятия иметь текущую производственную информацию не только в своем каби- нете, но и в филиалах или в любой точке мира. Web-технологии де- лают выполнение этой задачи реальностью. Во-вторых, значительные успехи демонстрирует так называемый промышленный Ethernet, который доказал свою состоятельность и перспективность для задач интеграции отдельных участков АСУ ТП в единую структуру. Он поддерживается все возрастающей номен- клатурой аппаратно-программных средств, соответствующих не только стандарту Ethernet, но и жестким требованиям производствен- ной сферы. В-третьих, появление сетей AS-интерфейса фактически означало появление четвертого, самого нижнего уровня распределенных АСУ ТП — уровня сети оконечных устройств. В-четвертых, все более расширяется сектор ЦПС, применяемых во взрывоопасных зонах на предприятиях химической, нефтегазовой и других отраслей с опасными условиями производства. Ethernet в промышленности Основным фактором, обеспечившим Ethernet победное шествие в сфере АСУ, явилось наличие огромного выбора совместимых между собой ап- паратных и программных средств построения сетей этого стандарта. Большое количество производителей и конкуренция между ними дали
Структура современных систем управления технологическими процессами 63 естественный экономический результат: решения на базе Ethernet прак- тически вытеснили все остальные из офисных распределенных прило- жений. Поэтому следует считаться с желанием пользователей распрост- ранить сферу применения Ethernet в промышленные цеха на уровень низовой автоматики. Однако использование стандартного набора аппа- ратных и программных решений в АСУ ТП невозможно, так как офис- ное оборудование не выдержит эксплуатации в запыленных помеще- ниях, а протокол 802.3 не гарантирует сеть от «зависания» при повышении интенсивности трафика. Тем не менее, промышленный Ethernet существует и активно рас- ширяет сферу своего применения. Прежде всего, отметим, что еще на уровне офисных приложений была решена проблема недетерминиро- ванности Ethernet. Переход от концентраторов (hub) к коммутаторам (switch) и от полудуплексных каналов связи к дуплексным позволил снять вопрос о возможности блокировки обмена по сетевому каналу из-за много- численных коллизий информационных кадров. Благодаря своим «ин- теллектуальным» возможностям коммутатор направляет полученный информационный кадр только на то подключение, где реально нахо- дится абонент, а не широковещательно во всю сеть. В результате об- щий объем трафика в сети многократно сокращается. Фактически то- пология «общая шина» на логическом уровне трансформируется в топологию «каждый с каждым», обеспечивая гарантированную дос- тавку данных. Кроме того, одним из основных препятствий к применению Ethernet в АСУ ТП всегда было несоответствие между исполнением аппаратных средств и условиями их применения в промышленности. Сейчас ситуация изменилась: появился целый ряд концентраторов и коммутаторов, выполненных в соответствии с требованиями про- мышленных условий эксплуатации. Такие устройства, в частности, выпускаются фирмами Advantech (ADAM-6510), Hirschmann (се- рия Rail) и WAGO (758&500) (рис. 1.33). Исполнение коммутатора 758&500 фирмы WAGO традиционно для компонента АСУ ТП: • монтаж на DIN-рейку; • питание от источника нестабилизированного напряжения 10-30 В постоянного тока; • диапазон рабочих температур от -40 до +85 °C; • влажность в пределах 5-95% (без конденсации влаги); • соответствие международным стандартам по вибро- и пожаро- устойчивости, электробезопасности и электромагнитному из- лучению;
64 Глава 1 Рис. 133. а — коммутатор RS2&FX/FX фирмы Hirschmann для промышлен- ного Ethernet; б — промышленный коммутатор 758&500 фирмы WAGO для сетей Ethernet; в — концентраторы и коммутаторы серии Rail фирмы Hirschmann; г — 4-портовый концентратор Ethernet ADAM-6510 • защита от выбросов напряжения; • малые габаритные размеры и низкое энергопотребление; • возможность установки во взрывоопасных зонах (зона II). Помимо этого устройство обладает всеми необходимыми характе- ристиками современного коммутатора: • пять портов RJ-45 для подключения витой пары; • поддержка всех стандартных протоколов Ethernet; • высокая пропускная способность (1,4 Гбит/с); • защита от «широковещательной атаки»; • автоопределение параметров линии обмена (дуплекс/полудуп- лекс, 10/100 Мбит/с). Наличие гнезд под разъемы RJ-45 не позволяет, конечно, говорить о какой-либо пылевлагозащите, но этот недостаток легко преодолева- ется путем установки коммутатора в электротехнический шкаф со сте- пенью защиты IP55, например PROLINE или INLINE фирмы Schroff.
Структура современных систем управления технологическими процессами 65 Отдельно следует остановиться на продукции серии Rail фирмы Hirschmann. Концентраторы и коммутаторы серий RH1, RS1 и RS2 позволяют реализовать фирменное системное решение производи- теля — гиперкольцо (HIPER Ring), позволяющее с помощью мини- мальных затрат многократно повысить надежность системы комму- никаций. Замкнув кольцо, то есть, проложив всего-навсего один дополнительный кабель, разработчик распределенной АСУ ТП полу- чает гарантию самовосстановления системы при возникновении са- мой тяжелой для любой сети аварийной ситуации, такой как обрыв кабеля или выход из строя какого-либо узла. Восстановление нормального информационного обмена осуще- ствляется без участия человека за минимальное время (не более 500 мс). В зависимости от условий эксплуатации и степени удален- ности оборудования разработчик комплекса АСУ ТП может приме- нять экранированную витую пару, многомодовое или одномодовое оптоволокно. Таким образом, на сегодняшний день имеется достаточный набор аппаратных средств, с помощью которых можно соединить линию Ethernet верхнего (офисного) «этажа» АСУ ТП с нижним — цехом. Возникает следующий вопрос: как оптимально использовать полу- ченный информационный канал? Следует сразу отметить, что возможности непосредственного под- ключения отдельных оконечных устройств к Ethernet пока нет. Это объясняется несколькими обстоятельствами. Во-первых, накладные расходы на передачу малого объема ин- формации (1-2 байта) в Ethernet неоправданно высоки (минимальный размер блока данных 512 бит). Во вторых, при всей своей экономич- ности Ethemet-решения пока еще слишком дороги, если применять их к каждому оконечному устройству. Тем не менее, существует несколько системных решений, гаран- тирующих промышленному Ethernet широкую перспективу. Прежде всего, это объединение в единую сеть промышленных компьютеров, рабочих станций и терминалов, используемых в качестве рабочих мест технологов и операторов. Это направление применения Ethernet в АСУ ТП практически ничем (за исключением аппаратных средств) не отличается от комплексирования IBM PC совместимых компьюте- ров в офисной среде. Следует упомянуть о применении промышлен- ных контроллеров, имеющих встроенный сетевой интерфейс. Приме- ров множество: Octagon Systems 6225, Fastwel CPU686E, Diamond Prometheus и т. д. Каждый из них может служить вычислительным ядром системы ввода-вывода, контролирующей тот или иной технологический учас-
66 Глава 1 ток производства. С верхнего уровня посредством файлового обмена и стандартных протоколов IPX и TCP/IP могут осуществляться такие важные функции, как загрузка программ, настройка, параметризация, получение текущих значений, выдача команд оператором. Выбор тех или иных протоколов обмена находится целиком в ве- дении разработчика программного обеспечения верхнего уровня. На- иболее популярным решением в настоящее время является примене- ние ModBus/TCP. Следующее направление развития АСУ ТП на базе Ethernet — распределенные У СО с Ethemet-интерфейсом. В качестве примера рассмотрим новую серию модулей — ADAM-6000 фирмы Advantech. Эта серия УСО является развитием широко используемой серии ADAM-4000, поддерживающей интерфейс RS-485. Номенклатура модулей (аналоговый и дискретный ввод-вывод, ввод сигналов тер- мопар/RTD, счетчики и т. д.) повторяет и расширяет серию 4000, а также поддерживает старую систему команд в формате ASCII. Это позволяет конечным пользователям осуществлять модерниза- цию системы удаленного сбора данных в минимальные сроки и с ми- нимальными затратами. Кроме того, серия ADAM-6000 поддерживает протоколы TCP/IP, UDP/IP, а также стандартный промышленный про- токол ModBus/TCP для прямого сопряжения с системами SCADA по- средством ОРС-сервера. Новые УСО идеально подходят для построе- ния АСУ ТП на базе Интернет-технологий, поскольку имеют встроенную поддержку Web-страниц и удаленной загрузки программ- ного обеспечения. Наиболее эффективным средством развития АСУ ТП с помощью промышленного Ethernet является интеграция существующих систем сбора и обработки данных, основанных на последовательных интер- фейсах RS-232/422/485, посредством шлюзов. Это направление осо- бенно интересно в условиях, когда у предприятия недостаточно фи- нансовых средств для комплексной модернизации, а задача объединения ресурсов АСУ ТП в единый комплекс насущна и жиз- ненно необходима. Применение устройств ADAM-4570/4571 делает подобную интеграцию реальностью, причем с минимумом затрат. Поставляемое программное обеспечение делает соединение через ло- кальную сеть абсолютно прозрачным, благодаря чему информация с удаленной подсистемы моментально становится доступной на верх- нем уровне в реальном масштабе времени. Для экономичного под- ключения большого количества подсетей последовательного интер- фейса можно применять концентраторы EDG-4504/4508/4516 фирмы Advantech с 4/8/16 последовательными каналами соответственно.
Структура современных систем управления технологическими процессами 67 Практика применения ЦПС на производстве неизбежно приводит к тому, что на разных участках предприятия функционируют сети разных стандартов, использующих неодинаковые среды передачи данных и протоколы. Что делать в такой ситуации? Какими сред- ствами объединить эти подситсемы в мощную единую информацион- ную систему? Одним из возможных вариантов является применение конверторов протоколов PKV фирмы Hilscher. Одним из наиболее интересных устройств данного типа являются конверторы протоколов ЦПС в среду Ethernet серии PKV 40. Устройства PKV 40, с одной стороны, поддерживают такие основ- ные протоколы ЦПС, как CANopen, DeviceNet, Profibus-DP, ModBus Plus, AS-интерфейс, а также стандартные последовательные шины RS-232/422/485. С другой стороны, доступ к данным осуществляется по протоколу TCP/IP, обеспечивая прозрачную интеграцию в любую систему верхнего уровня автоматизации. Кроме доступа посредством TCP/IP, PKV 40 обеспечивает пользователя целым рядом важных функций. Приверженцы Интернет-технологий в автоматизации могут вос- пользоваться встроенным Web-сервером. Создание страниц в стан- дартном формате html осуществляется любым редактором, после чего они передаются по сети в память устройства. Дальнейший про- смотр накопленных устройством PKV 40 данных осуществляется обычным Интернет-браузером, то есть практически с любого ком- пьютера из любой точки земного шара. Поддержка языка Java позво- ляет реализовать произвольную предварительную обработку данных, а также требуемый для технологов и специалистов интерфейс. PKV 40 может использоваться как самостоятельный ПЛК благо- даря наличию процессора и предустановленной операционной сис- темы Windows СЕ. Большинство разработчиков уже в той или иной степени знакомы с этой ОС, которая за последние годы стала одним из стандартов де-факто в области встраиваемых систем. Возмож- ность написания технологических программ обработки данных, по- ступающих от узлов ЦПС, делает PKV 40 очень гибким инструмен- том, готовым в любой момент перестроиться с учетом изменившихся требований производственного процесса. Для конфигурирования PKV 40 необходимо только стандартное для изделий Hilscher программное обеспечение SyCon, что облегчает инженерам АСУ ТП ввод оборудования в эксплуатацию. Настройка, в том числе загрузка пользовательских программ может осуществляться как удаленно через TCP/IP, так и на месте установки оборудования че- рез последовательный интерфейс, которым снабжен каждый PKV 40.
68 Глава 1 Кроме PKV 40, фирма Hilscher предлагает конвертор протоколов PKV 30, который предназначен для интеграции в единую сеть сущес- твующих систем автоматизации, построенных на базе последователь- ного интерфейса. Каждое устройство PKV 30 выступает в роли узла той или иной ЦПС и одновременно — в роли ведущего устройства для подключенных по физической линии RS-232/422/485 узлов. Со стороны ЦПС устройства PKV 30 поддерживают протоколы Profibus-DP, ProfibusF-MS, Interbus, DeviceNet, CANopen. Co стороны последовательного канала поддер- живаются стандарты 3964R, ModBus и Modnet. Пользователь может настроить устройство на поддержку нестандартного протокола с по- мощью прилагаемого инструментария. Все конфигурационные дан- ные хранятся во флэш-памяти, что обеспечивает максимально надеж- ную работу устройства при сбоях питания или иных аварийных ситуациях. Применение ЦПС во взрывоопасных зонах В различных отраслях промышленности (нефтегазовой, химической) ав- томатизируемые оконечные устройства располагаются во взрывоопас- ных зонах. Для решения вопросов их безопасного подключения к АСУ ТП используются различные средства взрывозащиты, среди которых на- иболее эффективным и экономичным (от 15% до 50% экономии по срав- нению с другими методами) является метод «искробезопасная элек- трическая цепь». Искробезопасное подключение отдельно взятого датчика или ис- полнительного механизма обеспечивают устройства, называемые барьерами искробезопасности (рис. 1.34). Применение барьеров является широко распространенным реше- нием и обладает рядом достоинств. Однако для АСУ ТП с большим количеством подключений оно становится слишком дорогим и гро- моздким. Для экономии кабельной продукции можно применить схему удаленного ввода-вывода, когда барьеры устанавливаются на объединительные платы по возможности ближе к оборудованию, а комплексирование объединительных плат с ПЛК осуществляется по последовательному интерфейсу RS-485 или с использованием какой-либо ЦПС. Следующим шагом в этом направлении являются схемы искробе- зопасного удаленного ввода-вывода, например система IS RPI фирмы Pepperl+Fuchs. При выборе этого решения разработчик может ис- пользовать ЦПС, например ModBus, ControlNet, Profibus и т. д. Но на- иболее экономичными и гибкими являются схемы непосредствен-
Структура современных систем управления технологическими процессами 69 Рис. 1.34 Рис. 1.35 иого внедрения ЦПС во взрывоопасные зоны 0 и 1. Правда, в этом случае выбор сетевых решений ограничивается теми ЦПС, которые реализуют стандарт физического уровня ТЕС 61158.2, то есть Profibus-PA и Foundation Fieldbus (рис. 1.35). До недавнего времени расчет искробезопасное™ сетевых реше- ний строился на основе модели, представляющей кабель ЦПС в виде распределенных индуктивности, емкости и активных сопротивлений, которые подлежали учету наряду с аналогичными предельными ха- рактеристиками подключенных оконечных устройств. Далее, исходя из заявленных характеристик блока питания, определялся макси- мальный ток, а также максимальное число устройств, которое могло быть подключено к искробезопасному сегменту. Результаты приме- нения этой модели приводили к очень жестким ограничениям и высо- ким затратам. Результатом новейших исследований в областа искро- безопасных цепей явилась расчетаая модель FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept), базирующаяся на следующих предполо- жениях (рис. 1.36): • один блок питания на сегмент с напряжением от 14 до 24 В; • блок питания соответствует требованиям взрывозащиты ia или ib группы ПС и имеет трапециевидную или прямоугольную ха- рактеристику; • все остальные узлы сегмента являются пассивными с током по- требления не менее 10 мА; • все узлы имеют малые значения внутренней индуктивности (<10 мкГн) и емкости (<5 нФ), которыми можно пренебречь;
70 Глава 1 Терминаторы Блок Датчики и исполнительные механизмы Рис. 1.36 • характеристики кабеля не выходят за установленные границы (R= 15...150 Ом/км, L = 0,4...1 мГн/км, С = 80...200 нФ/км, включая экран); • кабель терминирован на обоих концах (R = 90... 100 Ом, С = = 2,2 нФ); • длина магистрали не более 1000 м; • длина каждого кабельного отвода не более 30 м. Проведенное национальным физико-техническим институтом ФРГ тестирование показало, что при соблюдении указанных условий роль распределенных индуктивности и емкости кабеля может не учиты- ваться. Таким образом, любой сегмент ЦПС, собранный из сертифици- рованных в соответствии с концепцией FISCO изделий, может рас- сматриваться как чисто резистивная схема и рассчитываться по соответствующим оценочным кривым. Результат — 10 устройств на сегмент вместо 4 по используемой ранее модели — означает прорыв в экономической эффективности применения ЦПС на взрывоопасных производствах. Модель FISCO одобрена как ассоциацией пользовате- лей Profibus, так и консорциумом Foundation Fieldbus, и рассматрива- ется МЭК в качестве проекта международного стандарта. Искробезопасные сегменты ЦПС подключаются к основной сети через сегментные соединители (Segment Coupler), обеспечивающие конверсию протоколов физического уровня, гальваническую раз- вязку между обоими сегментами и ограничение мощности, получае- мой сегментом ЦПС взрывоопасной зоны. Сегментные соединители устанавливаются в безопасной зоне в электротехнических шкафах и требуют внешнего питания 24 В. Для master-узла, также находяще- гося в безопасной зоне, информационный обмен с устройствами, под- ключенными через сегментный соединитель, абсолютно прозрачен, что обеспечивает единство всей системы автоматизации.
Структура современных систем управления технологическими процессами 71 Нетрудно видеть, что даже применение модели FISCO еще не обеспечивает минимизацию накладных расходов на развертывание ЦПС во взрывоопасных зонах. Разница между 10 узлами на сегмент, разрешенными по F1SCO, и 32 узлами, допускаемыми стандартами Profibus и Foundation Fieldbus, достаточно ощутима, чтобы не оста- навливаться на достигнутом. Фирма Pepperl+Fuchs в рамках новой се- рии FieldLink выпустила изделие F2D0 FB Ех4.1ЕС, представляющее собой нечто вроде «интеллектуальной» распределительной коробки для искробезопасных сегментов сетей Profibus и Foundation Fieldbus и позволяющее полностью преодолеть указанные ограничения. Устройство имеет степень защиты IP66 и сертификат ЕЕх те, может устанавливаться в опасных зонах класса 2 и 1. Структура сегмента в этом случае будет иметь следующие особенности: • сегментный соединитель (искробезопасное исполнение не обя- зательно), располагающийся в безопасной зоне; • магистральный кабель, объединяющий сегментный соедини- тель и (каскадно) несколько устройств F2D0 (соединение дол- жно отвечать требованиям ЕЕх е); • кабельные отводы (до 4 на каждое устройство F2D0) имеют длину до 120 метров, характеристики выходов соответствуют FISCO, потребляемый ток по каждому отводу до 40 мА; • до 3 оконечных устройств на каждый отвод. Видно, что применение F2D0 дает огромную экономию. Прежде всего, можно применять более дешевые сегментные соединители и ис- точники питания (без контуров искрозащиты). Более чем в три раза увеличивается количество оконечных устройств, подключаемых к од- ному сегменту. F2D0 заменяют монтажно-распределительные ко- робки, что также уменьшает накладные расходы. Гальваническая изо- ляция кабельных отводов снимает необходимость уравнивания потенциалов земли взрывоопасной и безопасной зон, обеспечивая зна- чительную экономию средств. 1.5. Промышленные сети как инструмент построения современных АСУ ТП Рассмотрим три основные причины, создающие такую ситуацию, кото- рая вызывает сегодня повсеместный переход разработчиков систем АСУ к применению распределенных сетевых технологий. 1. Изделия из кремния дешевеют, изделия из меди дорожают. За последние годы эта тенденция стала особенно заметна. Прошли те времена, когда нормой жизни считался огромный шкаф, напичкан-
72 Глава 1 ный автоматикой, с выходящими из него толстыми пучками кабелей, ведущими к датчикам и исполнительным механизмам. Сегодня в большинстве случаев становится экономически более целесообразной установка на площади цеха или участка нескольких локальных контроллеров или интеллектуальных УСО, объединенных в единую сеть, чем прокладка разветвленных кабельных систем. 2. Стоимость работ по установке, тестированию, вводу в эксплуа- тацию и сопровождению централизованной системы гораздо выше, чем у распределенной. Количество проводных соединений в централизованной системе, как минимум, в два раза больше, чем в распределенной системе (рис. 1.37). Нужно учитывать многократно возрастающую вероятность ошибки при монтаже проводников в многочисленных кроссовых клеммных колодках и сложность поиска и устранения неисправностей. Рис. 1.37 Стоит упомянуть о ситуации, когда в составе объекта управления появляется еще несколько входных или выходных каналов. Добавле- ние новых линий связи к уже проложенной кабельной системе — за- нятие не из простых. 3. Растущая потребность в «распределенном интеллекте». Сегодня, когда микропроцессоры и другие специализированные микросхемы стали достаточно дешевыми, стало целесообразным вы- делять в общей системе АСУ отдельные локальные задачи, решение
Структура современных систем управления технологическими процессами 73 которых поручать локальным контроллерам. Контур управления, та- ким образом, замыкается на нижнем уровне. Сеть же позволяет кон- троллерам в качестве аргументов для вычисления управляющего век- тора использовать переменные других контроллеров, обеспечивая связанность системы управления в целом. Такая архитектура сущес- твенно увеличивает производительность, надежность и масштабиру- емость систем. Кроме того, современные исполнительные меха- низмы, как правило, уже сами являются интеллектуальными и законченными элементами промышленных сетей. Понятие Fieldbus Так пишется оригинальный термин, который в русском переводе звучит как «промышленная сеть». Fieldbus — это не какой-то определенный протокол передачи данных и не тип сетевой архитектуры, этот термин не принадлежит ни одной отдельно взятой компании и обозначает скорее сферу применения, чем какую-либо конкретную сетевую технологию. Промышленные сети — это сегмент рынка, где сталкиваются ин- тересы крупнейших корпораций, создаются и внедряются самые пе- редовые технологии, ведется война стандартов, появляются новые участники и стараются удержаться старые. Промышленная сеть — это среда передачи данных, которая дол- жна отвечать множеству разнообразных, а зачастую противоречивых требований. Промышленная сеть — это набор стандартных протоколов обмена данными, позволяющих связать воедино оборудование различных производителей, а также обеспечить взаимодействие нижнего и вер- хнего уровней АСУ. Наконец, промышленная сеть — это образ мысли инженера, опре- деляющий конфигурацию и принципы построения системы. От того, какая сетевая архитектура выбирается сегодня, будут за- висеть не только затраты на создание системы, но и срок ее жизни, ее способность к развитию, то есть, как принято сейчас говорить, интег- ральная стоимость владения. Сформулируем основные требования, которые можно предъявить к «идеальной» промышленной сети. 1. Производительность. 2. Предсказуемость времени доставки информации. 3. Помехоустойчивость. 4. Доступность и простота организации физического канала пере- дачи данных. 5. Максимальный сервис для приложений верхнего уровня.
14 Глава 1 6. Минимальная стоимость устройств аппаратной реализации, особенно на уровне контроллеров. 7. Возможность получения «распределенного интеллекта», путем предоставления максимального доступа к каналу нескольким ведущим узлам. 8. Управляемость и самовосстановление в случае возникновения нештатных ситуаций. В получившемся списке первое требование противоречит вто- рому, третье — четвертому и так далее. Более того, подобные проти- воречия приходится обходить постоянно и на всех уровнях проекти- рования, начиная с того, какой формат пакета передачи данных выбрать. Тот пакет, который позволит осуществлять расширенное управление сетью и удаленную загрузку? Или тот, который обеспе- чит максимально быструю работу с большим числом дискретных сиг- налов? Или, например, решение проблемы, что лучше: применить не самое современное, но проверенное годами решение, или применить кажущееся блестящим и современным решение, которое почему-то оказывается дороже и еще до сих пор не применяется на пред- приятии-конкуренте. Таким образом, можно считать, что промышленная сеть — один большой компромисс. И от того, как выбраны приоритеты в этом компромиссе, зависит успешность решения задач, стоящих перед се- тевой архитектурой. К промышленным сетям вполне применимы результаты теорети- ческих изысканий в области коммуникационных сетей общего назна- чения, поэтому становятся вполне понятными постоянные ссылки на Модель взаимодействия открытых систем (Open System Intercon- nection model), принятую Международной организацией по стандар- тизации (ISO). Важно напомнить назначение всех семи уровней этой модели. Кратко проанализируем приведенные далее сетевые решения именно с этой точки зрения. Постараемся понять, для решения каких основ- ных задач создавались эти сети, чем разработчики жертвовали, что выдвигали на первый план и какие возможности это дает конечным пользователям. Выделим три наиболее важных параметра, по которым можно сравнивать сети, и которые послужат основой для дальнейшей клас- сификации: • топология сети; • объем информационного сервиса, предоставляемого сетью; • способ доступа к физическому каналу передачи данных.
Структура современных систем управления технологическими процессами 75 Топология сети Топология типа «общая шина». Наиболее распространенный тип сете- вой топологии. Основные преимущества: • простота и дешевизна; • легкость переконфигурирования; • не боится отключения или подключения устройств во время ра- боты; • хорошо подходит для сильно распределенных объектов. Имеет ряд недостатков: • присутствие в каждой точке сети общего трафика; • опасность потери связи при одиночном обрыве канала связи или фатальном выходе из строя одного узла. Топология типа «кольцо». Она популярна со времени выхода на рынок сети Token Ring фирмы IBM. Использование протокола с циклической передачей маркера (IEEE-802.5) позволяет сетям с та- кой топологией обеспечить абсолютную предсказуемость и хоро- шую пропускную способность. Основными недостатками тополо- гии являются высокая стоимость организации канала связи, нерациональное (в большинстве случаев) использование сетевого трафика и потеря всей синхронизации сети в случае сбоя и отключе- ния хотя бы одного из узлов. Топология типа «звезда». Являясь логическим продолжением моноканала, обеспечивает дополнительную защиту всей сети от вы- хода из строя или отключения узлов, позволяет существенно оптими- зировать трафик, передавая пакеты только в те «лучи», где находятся их получатели. Последнее особенно существенно для сетей, где до- пускаются коллизии. Полнота информационного сервиса Существует хорошо известная модель Международной организации по стандартизации (ISO/OSI), призванная разграничить и формализовать функции, выполняемые различными уровнями аппаратного и програм- много обеспечения сетевой структуры. Данная модель определяет семь уровней сервиса, предоставляемого сетью (табл. 1.1). На физическом уровне определяются физические характерис- тики канала связи и параметры сигналов. Канальный уровень формирует основную единицу передавае- мых данных — пакет и отвечает за дисциплину доступа устройства к каналу связи (Medium Access Control) и установление логического со- единения (Logical Link Control).
76 Глава 1 Таблица 1.1 7 Application Прикладной уровень 6 Presentation Уровень представления 5 Session Уровень сессий 4 Transport Транспортный уровень 3 Network Сетевой уровень 2 Data Link Канальный уровень 1 1 Physical Физический уровень Сетевой уровень отвечает за адресацию и доставку пакета по оптимальному маршруту. Транспортный уровень разбирается с содержимым пакетов, формирует ответы на запросы или организует запросы, необходимые для уровня сессий. Уровень сессий оперирует сообщениями и координирует взаимо- действие между участниками сети. Уровень представления занимается преобразованием форматов данных, если это необходимо. Прикладной уровень — это набор интерфейсов, доступных про- грамме пользователя. На практике большинство промышленных сетей ограничивается только тремя из них: • физическим, • канальным, • прикладным. Наиболее «продвинутые» сети решают основную часть задач ап- паратно, оставляя программную прослойку только на седьмом уровне. Дешевые сети (например, ModBus) используют на физичес- ком уровне RS-232 или RS-485, а все остальные задачи, начиная с ка- нального уровня, решают программным путем. Тип доступа к физическому каналу Говоря языком ISO/OSI, это второй, канальный, уровень модели. На са- мом деле существуют два типа доступа: • с коллизиями, • без коллизий. Доступ к каналу с коллизиями используют Ethernet, CAN и LON. Такой тип доступа позволяет эффективно использовать пропускную способность канала и предоставлять доступ в сеть нескольким актив-
Структура современных систем управления технологическими процессами 77 ным узлам. Единственным минусом такого подхода являются со- бственно коллизии, которые не позволяют указанным сетям на рав- ных конкурировать с детерминированными протоколами в ряде задач. Для разрешения коллизий применяются различные приемы. Например, в сетях Ethernet применяется технология CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Технология основана на постоянном прослушивании линии всеми узлами и гене- рации повторной попытки занятия канала через случайный промежу- ток времени в случае, если обнаружена попытка одновременного дос- тупа к каналу нескольких станций. Принципиально другую форму разрешения коллизий демонстри- рует CAN. Его протокол относится к классу CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access with Collision Resolution). Разрешение коллизий про- изводится аппаратурой по принципу побитового сравнения сетевых адресов конфликтующих устройств (рис. 1.38). Станция, пытающаяся передать очередную «единичку» ВВ из своего адреса, видя, что ре- ально в канале передается «ноль», понимает, что конфликтует, и от- кладывает попытку занять канал до лучших времен. Станция, переда- ющая «нолик», спокойно продолжает свое дело. Таким образом, хотя коллизии и возникают, но разрешаются предсказуемо и в предсказуе- мое время. Именно это позволило сетям на основе CAN-протокола за- нять достойное место в различных отраслях, особенно в автомоби- лестроении, где важны мультимастерные сети с распределенным интеллектом. 10011011011 — Передача 1 станции 100110Ш... Передача 2 станции момент прекращения передачи 10011011011 — Результат Рис. 1.38 Дальнейшее развитие данная технология получила в сетях LON. Только в отличие от CAN аргументами в споре за канал являются не сетевые адреса, а динамически изменяемые приоритетные уровни па- кетов, что позволяет, например, пакету, несущему важную информа- цию и требующему немедленного ответа, легко «пробиться» через поток низкоприоритетных информационных обменов. Но основная масса промышленных сетевых протоколов исполь- зует все-таки детерминированный способ доступа к каналу по прин- ципу «запрос-ответ» или с помощью передачи маркера. Это эффек- тивный путь для организации четкого и ритмичного сетевого взаимодействия. В основе протоколов с передачей маркера лежит
78 Глава 1 принцип постоянного наличия в сети синхронизирующего пакета, на- зываемого маркером (рис. 1.39). Рис» 1.39 Foundation Fieldbus Foundation Fieldbus (далее FF) — самый молодой и быстро растущий стандарт на промышленную сеть. Он вобрал в себя самые современные технологии построения управляющей сети масштаба предприятия. Представляет собой двухуровневый сетевой протокол, объединя- ющий в себе черты мощной информационной магистрали для объе- динения компьютеров верхнего уровня и управляющей сети, объеди- няющей контроллеры, управляющие компьютеры, датчики и исполнительные механизмы. Предоставляет полный сервис, от передачи файлов и больших объемов информации до замыкания контуров управления контролле- ров, включая обеспечение загрузки в контроллеры управляющих про- грамм и доступ к пассивному оборудованию. По оценкам Ассоциации интеграторов управляющих систем (Control System Integrators Assotiation — CSIA), в 2006 году не менее 80% вновь создаваемых систем в части сетевых технологий совмес- тимо со стандартом FF. Практически стандарт определяет два уровня сети. На нижнем уровне (Н1) в качестве физической среды передачи данных за основу взят стандарт IEC 61158-2, который позволяет использовать сеть FF на взрывоопасных производствах с возможностью запитки датчиков непосредственно от канала связи. Скорость передачи информации на уровне Н1 составляет 31,5 кбит/с. На верхнем уровне (бывший Н2) в настоящее время, как правило, используется FF HSE (High Speed Ethernet), основанный, как видно из названия, на сети Ethernet со скоростью 100 Мбит/с. Особенностью стандарта FF является то, что в нем определен до- полнительный пользовательский уровень (User Layer), позволяющий, применяя предопределенные функциональные блоки, строить про- мышленные сети с распределенным интеллектом.
Структура современных систем управления технологическими процессамв 79 PROFIBUS Весьма популярен в Европе и особенно в Германии. Активно продвига- ется в качестве стандартного решения компанией Siemens. Представляет собой классическую сеть на базе общей шины с передачей маркера. Profibus существует в трех основных вариантах: PROFIBUS-DP— быстрый (до 12 Мбит/с) одномастерный про- токол. Физическая среда передачи — экранированная витая пара стан- дарта RS-485. Хорошо подходит для построения быстрых детерминированных распределенных систем сбора данных и управления с одним ведущим узлом. PROFIBUS-FMS включает в себя дополнительные типы пакетов (Fieldbus Message Specification). Позволяет организовывать в одной сети работу нескольких активных станций. PROFIBUS-PA - сетевой интерфейс, физическая среда пере- дачи данных которого соответствует требованиям стандарта IEC 61158-2. Может применяться для построения сети, соединяющей ис- полнительные устройства, датчики и контроллеры, расположенные непосредственно во взрывоопасной зоне. На прикладном и канальном уровнях PROFIBUS-PA использует весь сервис, доступный в PROFIBUS-FMS. На физическом уровне интерфейсы Hl Foundation Fieldbus и PROFIBUS-PA используют одинаковую витую пару, одинаковые уровни сигналов и скорости пе- редачи и позволяют оконечным устройствам запитываться непосре- дственно от канала связи. Более того, два этих протокола могут одновременно уживаться на одном и том же физическом участке сети. Просто канальный уровень каждого из протоколов «не понимает» пакеты конкурента. Задачи, решаемые с помощью PROFIBUS Во-первых, это модернизация и расширение возможностей существую- щих систем. Именно по этому пути сегодня производится модернизация «классических», построенных на традиционных PLC европейских про- изводств. Следующая задача, которую часто приходится решать разработ- чику, — это создание «с чистого листа» новой распределенной сис- темы сбора данных и управления. Выбор PROFIBUS в качестве сетевой среды сегодня выглядит вполне оправданным. Столь же оправданным оказывается выбор
80 Глава! IBM PC совместимых контроллеров в качестве основных управляю- щих узлов сети. Возможны несколько приемлемых конфигураций, выбор которых определяется поставленной задачей. Если требуется объединить в детерминированную сеть несколько контроллеров, оптимальным вариантом будет PROFIBUS-FMS. Для создания сети с централизованным интеллектом и распределенным вводом-выводом лучше всего подойдет PROFIBUS-DP. Наиболее простой способ построения системы показан на рис. 1.40. В этом случае цикл управления замыкается внутри рабочей станции, которая выступает одновременно в роли операторской станции и программного аналога PLC. Для этого в ней устанавливается мас- тер-карта PROFIBUS-DP, а ведомые (slave) узлы, такие как WAGO I/O или ЕТ200, подключаются к ней по топологии «общая шина». Рис. 1.40 Логически потоки данных в такой сети делятся на три основных цикла. 1. Цикл ввода-вывода выполняется под управлением контроллера ведомого узла. В этом цикле происходит автоматический опрос моду- лей ввода, установленных в УСО, и строится таблица последних зна- чений, готовых к передаче в сеть. Одновременно с этим происходит передача выходным модулям УСО новых значений, полученных из сети. Длительность этого цикла зависит от количества установленных модулей и, как правило, измеряется единицами миллисекунд. 2. Цикл сетевого обмена реализуется по инициативе ведущего узла, в данном случае по маркеру мастер-карты рабочей станции. В этом цикле ведущий формирует пакеты, содержащие данные для мо- дулей вывода каждого из абонентов, и принимает от них пакеты, в ко- торых передается информация от входных модулей.
Структура современных систем управления технологическими процессами 81 Пакеты оптимизированы настолько, что на передачу данных от- водится ровно столько места, сколько эти данные занимают. Напри- мер, передача аналогового сигнала занимает в сетевом пакете два байта, а передача дискретного — один бит. Служебная информация в пакетах предельно мала, поэтому теоре- тическая пропускная способность сети уменьшается в основном только в связи с издержками на передачу и обработку маркера, а также из-за того, что параметры передаются по сети независимо от того, изменилось их значение со времени предыдущего цикла опроса или нет. Цикл сетевого обмена осуществляется без участия центрального процессора рабочей станции и начинается сразу после подачи напря- жения питания на сетевую карту и сетевые УСО. Данные, которые пе- редаются ведомым абонентам, ведущий постоянно берет из опреде- ленного поля адресов специальной двухпортовой памяти. В эту же память после каждого цикла обмена по сети помещаются новые зна- чения, полученные от каналов ввода. Для ускорения сетевого обмена данные в пакетах передаются под- ряд, без указания их источника или, наоборот, адресата. Для того чтобы ведущий «знал», какие из участков своей двухпортовой памяти передать каждому из абонентов, сеть изначально должна быть одно- кратно сконфигурирована с помощью специальной программы. Программа-конфигуратор настраивает ведущего и ведомых участни- ков друг на друга и сохраняет информацию о параметрах сети в энер- гонезависимой памяти всех узлов. Такая дисциплина работы PROFIBUS-DP, конечно, не допускает «горячего» (на ходу) изменения числа участников сети и даже со- става их модулей ввода-вывода, но зато обеспечивает высокую ско- рость обмена. Так, например, цикл обмена по сети, которая обслужи- вает 5000 дискретных сигналов и 1000 аналоговых, может составлять менее 2 миллисекунд. 3. Цикл управления внутри рабочей станции. Эта работа возлага- ется на центральный процессор. Он работает с так называемым обра- зом процесса, который находится в двухпортовой памяти сетевой карты. Процессору требуется считать из памяти информацию о вход- ных каналах, осуществить над ней необходимые преобразования и выдать управляющие воздействия, занеся в определенные ячейки па- мяти новые данные. Такая конфигурация управляющей системы по принципу работы и программирования почти ничем не отличается от «вырожденной» централизованной системы. Один и тот же процессор здесь отвечает и за управление, и за интерфейс с оператором.
82 Глава 1 Преимущества, которые получаются на данном этапе: • освобождение процессора от задач ввода-вывода (обслужива- ние прерываний от АЦП, поддержка каналов DMA, необходи- мость работы с резидентными драйверами устройств и т. п.); • возможность максимально приблизить УСО к объекту контроля. Однако для многих задач такой подход не обеспечивает управле- ние в реальном времени. Связано это с тем, что современное про- граммное обеспечение операторского интерфейса в своей массе предназначено для работы под управлением операционной системы Windows, которая пока не оптимизирована для работы в режиме жес- ткого реального времени. Кроме того, операторская станция обычно отличается нестабиль- ным программным окружением (оператор может, например, запустить зараженную вирусом программу), что в сочетании со сложностью са- мой операционной системы может нарушить функционирование при- ложения, отвечающего за управление технологическим процессом вплоть до полного «зависания» компьютера с хорошо знакомым для многих визуальным эффектом «голубого экрана». Рассмотрим два возможных пути для перехода к системе, постро- енной по классической схеме «верхний уровень» + «слепые узлы». В первой модели (рис. 1.41) в сети присутствуют четыре типа устройств: • один ведущий контроллер (PLC или IBM PC совместимый кон- троллер); • одна или несколько рабочих станций верхнего уровня, выпол- няющих роль операторских станций, серверов архивации или шлюзов для связи с локальной сетью предприятия; Рабочая станция Процесс в контроллере 7 Цикл \ -управления Образ Slave-карты рабочей станции Рис. 1.41
Струпу ра современных систем управления технологическими процессами 83 • нужное число распределенных по территории цеха или пред- приятия устройств ввода-вывода (контроллеры WAGO I/O фир- мы WAGO, ЕТ200 фирмы Siemens); • широкий спектр датчиков и исполнительных устройств других фирм, совместимых с протоколом PROFIBUS-DP. Единственным ведущим в этой сети является сетевая карта, уста- новленная в контроллере. Контроллер «видит» через окно двухпортовой памяти мастер- карты каналы ввода-вывода удаленных УСО и область памяти slave- карты рабочей станции. Программа, выполняющаяся в контроллере, пишется на любом процедурном языке программирования общего назначения или на одном из языков стандарта IEC 61131. С помощью специальных инструментальных средств (например, UltraLogik) она работает в режиме реального времени и осуществляет основной цикл управления. В качестве аргументов при расчете управляющего вектора берутся значения с входных каналов УСО и дополнительные переменные (уставки или битовые комбинации с панели управления, «нарисован- ной» в SCADA-системе верхнего уровня), передаваемые с рабочей станции. В качестве результата расчетов в цикле управления получается управляющий вектор, направляемый на каналы вывода УСО, и до- полнительный кадр выходных данных, посылаемый контроллером «наверх». Этими данными, записываемыми в область двухпортовой памяти соответствующей рабочей станции, в предельном случае мо- жет быть полный набор участвующих в процессе переменных, вклю- чая входные, выходные и расчетные. В этом случае SCADA получает полную информацию о процессе, но нельзя забывать, что за каждую точку ввода-вывода нужно платить. Платить и в прямом смысле, так как стоимость всех современных SCADA-пакетов, таких как GENESIS-32, напрямую зависит от числа контролируемых точек, и в переносном, поскольку число передавае- мых переменных увеличивает трафик сети и занимает ресурсы рабо- чей станции. В связи с этим передавать в SCADA-систему желательно не все, а только то, что непосредственно должно быть видно оператору и со- храняться в архивах. Кроме SCADA-пакета, на рабочей станции должен быть установ- лен драйвер сети PROFIBUS-DP. Для современных пакетов могут ис- пользоваться соответствующие ОРС-серверы, поставляемые, напри- мер, фирмой Hilscher.
84 Глава 1 Таким образом, описанная система обеспечивает очень быстрый и фиксированный по времени цикл управления, гарантированную дос- тавку сетевых пакетов и независимое функционирование SCADA-системы верхнего уровня. Вторая модель (рис. 1.42). В этой модели рабочая станция явля- ется ведущей в сети, а контроллеры — ведомыми. В качестве кон- троллеров могут выступать, например, процессорные платы MicroPC с сетевыми адаптерами Hilscher. Все устройства ввода-вывода в дан- ном случае являются локальными. Контроллеры, с одной стороны, выполняют ввод-вывод из локальных устройств, производят необхо- димые расчеты, осуществляют управление исполнительными устрой- ствами, а с другой — публикуют все необходимые данные в сетевой плате PROFIBUS-DP (Slave). Рис» 1.42 Ведущему (рабочей станции) остается собрать данные с контрол- леров, передать им необходимые управляющие воздействия и орга- низовать взаимодействие с оператором и архивом. Данная архитектура также является полностью детерминирован- ной и поддерживающей «распределенный интеллект», но в силу огра- ничения протокола PROFIBUS-DP не позволяет использовать в цик- лах управления удаленные переменные от других контроллеров без участия SCADA-системы. Эго связано с тем, что в сети PROFIBUS-DP может быть только один ведущий.
Структура современных систем управления технологическими процессами 85 Большой выбор аппаратных средств, оконечных устройств и про- граммного обеспечения делает решения на базе PROFIBUS на сего- дня одними из самых распространенных. Необходимо упомянуть, что контроллеры и компьютеры, объеди- ненные промышленной сетью, могут одновременно выполнять роль шлюзов в сети других уровней. Например, один из slave-контролле- ров PROFIBUS может одновременно быть мастером для сети более низкого уровня, связывающей элементарные датчики, УСО или ис- полнительные механизмы (сети AS-i, Seriplex, простые протоколы на базе RS-485 и т. п.). В то же время информация с уровня АСУ ТП дол- жна поступать на уровень управления предприятием в целом (АСУП), где в подавляющем числе случаев применяется Ethernet. 1.6. Промышленные сети на основе полевых шин Промышленная сеть — это среда передачи данных, которая должна от- вечать множеству разнообразных, зачастую противоречивых требова- ний, набор стандартных протоколов обмена данными, позволяющих свя- зать воедино оборудование различных производителей, а также обеспечить взаимодействие нижнего и верхнего уровней системы управ- ления предприятием. Различают следующие типы сетей: • локальные сети LAN (Local Area Networks) — сети, располо- женные на ограниченной территории; • городские сети MAN (Metropolitan Area Networks) — сети, предназначенные для обслуживания территории крупных горо- дов (мегаполисов). Эти сети связывают локальные сети в мас- штабах города и обеспечивают их выход в глобальные сети; • глобальные сети WAN (Wide Area Networks) — сети, объеди- няющие территориально удаленных пользователей на большой территории (за пределами городов). Архитектура промышленных сетей Модель ISO/OSI В 70-х годах XX века технология аналоговой приборной связи 0(4)...20 мА стала стандартной, в результате чего производители контрольно- измерительной аппаратуры получили средство коммуникации, на основе которого их продукты можно было интегрировать в единые сис- темы управления. С развитием цифровой технологии ситуация в этой об- ласти изменилась. Благодаря таким преимуществам, как экономичность
86 Глава 1 решений, информативность, надежность и безопасность, наблюдается бурный переход от аналоговой технологии к цифровой. В 80-х годах цифровая технология проникла на все уровни про- мышленного производства — начиная с офисов и кончая датчиками. При разработке стандартного цифрового протокола были поставлены следующие требования: • возможность подключения нескольких приборов к одной поле- вой шине; • возможность совместного функционирования приборов раз- ных производителей; • равноправная связь между интеллектуальными приборами, подключенными к полевой шине; • расширение возможностей передачи данных по сравнению с аналоговой связью (увеличение производительности и скорос- ти передачи). В 1994 г. организацией Fieldbus Foundation, объединяющей более 125 компаний, по согласованию с Европейскими компаниями был введен стандарт Fieldbus (IEC-61158-2), включающий восемь под- стандартов на сети Foundation Fieldbus, Control Net, PROFIBUS, Р-Net, Interbus и др. Возникла проблема обмена данными между всеми уровнями технологического процесса. Таким образом, появились следующие понятия: • CIM (Computer Integrated Manufacturing); • CIP (Computer Integrated Processing). Эти понятия, сформулированные в конце 80-х годов, формируют все технологические и организационные требования, необходимые для получения нового качества изделий. Самым существенным ком- понентом модели CIM/CIP является организация связи. Это, прежде всего, гарантия надежной регистрации событий, получения и обра- ботки данных, своевременной выдачи управляющих воздействий. На каждом уровне технологического процесса происходит обра- ботка специфических наборов данных. Такие требования, как ско- рость передачи данных, протоколы передачи, физические интер- фейсы и т. д., управляют выбором того или иного сетевого решения при построении сложных распределенных систем. Гарантия совмес- тной работы отдельных частей системы возможна лишь при исполь- зовании соответствующих стандартов связи между этими частями. Административный уровень системы управления производством сегодня представлен целым рядом протоколов, среди которых наибо- лее известны следующие:
Струкгура современных систем управления технологическими процессами 87 1) Протокол автоматизации производства МАР 3.0 (Manu- facturing Automation Protocol) фирмы General Motors. Протокол ис- пользует все семь уровней модели OSI. На физическом уровне для пе- редачи выделены три частотных диапазона в полосе 12 МГц со скоростью передачи 10 Мбит/с в каждом из диапазонов. В случае концепции полностью автоматизированного произво- дства для каждого из уровней модели OSI разработаны стандарты ISO (для 1 -го уровня — ISO 8802/4, для 2-го — ISO 8802/2, для 3-го — ISO 8473). На 7-м используются производственные сообщения MMS по стандарту ISO 9506. 2) Протокол деятельности учреждения ТОР 3.0 (Technical Office Protocol) фирмы Boeing. Отличие от МАР 3.0 только на 1, 2 и 7-м уровнях. На физическом уровне скорость передачи составляет 4 Мбит/с по витой паре с топологией «кольцо» или 10 Мбит/с по ко- аксиальному кабелю с топологией «шина» (стандарты ISO 8802/3 и 8802/5 соответственно). На 7-м уровне обеспечивается обмен электронной почтой, обра- ботка учрежденческих документов, служба виртуального терминала (обмен программами ЭВМ) и др. При рассмотрении корпоративных сетей следует учитывать спо- соб организации передачи данных. Сети могут быть основаны на • выделенных (т. е. арендуемых) каналах, • коммутации каналов, • коммутации пакетов. В сетях, основанных на коммутации каналов, определенное время тратится на передачу пакетов. Наибольшее применение находят сети с коммутацией пакетов (сети Х.25, SMDS, ATM, Frame Relay и др.). Городские сети. К городским сетям (MAN) относятся сети Frame Relay, FDDI, DQDB, ATM, SMDS и некоторые другие. Скорость пе- редачи в этих сетях различна, но наибольшая около 45 Мбит/с (Frame Relay и SMDS). Глобальные сети (WAN), к которым относятся сети ATM, В-ISDN и др., используют высокоскоростные технологии передачи данных. Так, скорость передачи в сетях ATM составляет порядка 155 Мбит/с. Любая производственная технология представляет собой ряд эта- пов, начиная с обработки сырья до организации системы хранения продукции. Все эти операции должны быть связаны информацион- ными сетями. Сети, обеспечивающие информационные потоки между контроллерами, датчиками сигналов и разнообразными ис- полнительными механизмами, объединяются общим названием «промышленные сети» (FieldBus, или «полевая шина»).
88 Глава 1 Промышленная сеть должна решать две основные задачи: • обеспечивать совместимость на уровне сети приборов от раз- ных производителей; • обеспечивать выход в коммерческие системы обработки дан- ных, например МАР или ТОР. Стандартной промышленной сети сейчас не существует, так как эта область развивалась благодаря усилиям отдельных компаний или их групп. В 1978 году Международной организацией по стандартиза- ции (ISO) с целью разрешения проблемы взаимодействия сетевых систем с различными видами вычислительного оборудования и раз- личающимися стандартами протоколов была предложена «Описа- тельная модель взаимосвязи открытых систем» (OSI-модель, ISO/OSI Model или семиуровневая модель). В табл. 1.2 представлены все уровни и функции этой модели. Большинство промышленных сетей поддерживают 1, 2 и 7-ой уровни OSI-модели — физический, уровень передачи данных и при- кладной уровень. • Физический уровень обеспечивает необходимые механичес- кие, функциональные и электрические характеристики для установления, поддержания и размыкания физического соеди- нения (стандарт Х.21 ICCTT — Международный консульта- тивный комитет по телефонии и телеграфии). Таблица 1.2 Уровень ISO-модели Функции 7. Прикладной (Application) Обеспечивает связь программ пользовате- ля с объектами сети 6. Представление данных (Presentation) Определяет синтаксис данных, управляет их отображением на виртуальном терминале 5. Сеансовый (Session) Управляет ведением диалога между объек- тами сети 4. Транспортный (Transport) Обеспечивает прозрачность передачи дан- ных между абонентами сети 3. Сетевой (Network) Определяет маршрутизацию «пакетов» сети и связь между сетями 2. Канальный (Data Link) Передача данных («кадров») по каналу, контроль ошибок, синхронизация данных 1. Физический (Physical) Установление и поддержка физического соединения
Структура современных систем управления технологическими процессами 89 • Канальный уровень гарантирует передачу данных между устройствами. Этот уровень управляет не только сетевым дос- тупом, но также механизмами защиты и восстановления дан- ных в случае ошибок при передаче (стандарт HDLC ISO). • Сетевой уровень определяет функции маршрутизации «пакета» через несколько логических каналов по одной или нескольким сетям. Принадлежностью пакета является сетевой адрес (стан- дарт Х.25 ICCTT). • Транспортный уровень решает задачи прокладки маршрута в сети и продвижения пакета данных по маршруту. Используется механизм «окна» с подтверждением получения данных от от- правителя (стандарт Европейской организации производителей ЭВМ ЕСМА-72). • Сеансовый уровень определяет синхронизацию информацион- ного взаимодействия прикладных процессов обмена данными, т. е. поддержание диалога между процессами определенного типа (стандарт ЕСМА-75). • Уровень представления данных обеспечивает представление данных в требуемом формате. Хранение и обработка данных осуществляется СУБД (стандарт ЕСМА-84, -86, -88). • Прикладной уровень обеспечивает непосредственную поддер- жку прикладных процессов и программ пользователя и управле- ние взаимодействием этих программ с различными объектами сети передачи данных (реализуются функции «объект-объект», «объект-оператор», «оператор-объект», «объект-архив»). Протокол модели OSI представляет набор правил, определяющих начало, сам процесс связи и его окончание между одноранговыми объектами. На рис. 1.43 представлен механизм передачи сообщения от отправителя (узел А) к получателю (узел В). Сообщение содержит пользовательские данные или является протокольным сообщением. Перед передачей на нижеследующий уровень к сообщению добав- ляется управляющая информация — заголовок уровня (#N) в соотве- тствии с протоколом, принятым на данном уровне. Уровням 1 и 2 мо- дели OSI соответствуют стандарты IEEE 802.x. В рамках IEEE в 1980 г. образован комитет 802 по стандартизации сетей. В комитете 802 были утверждены подкомитеты 802.1-802.9. Подкомитет 802.1 разрабатывает архитектуру управления сетями и стандарты управления сетевыми устройствами на аппаратном уровне. 802.2 — протоколы для подуровня 2.2 (LLC). 802.3 -802.5 — разрабатывает стандарты для подуровня 2.1 (МАС) и физического уровня.
Уровень (формат данных) 7 (сообщение) 6 (пакет) 5 (пакет) 4 (сегмент дейтаграмма пакет) 3 (дейтаграмма) 2 (кадры пакет) 1 (биты) Рис. 1.43 Глава 1
Структура современных систем управления технологическими процессами 91 802.6 — разрабатывает стандарты на городские сети. 802.7 и 802.8 — технические консультативные подкомитеты, раз- рабатывающие методики передачи данных в широком диапазоне час- тот, в том числе по оптоволокну. 802.9 — разрабатывает стандарты для интегрированных сетей (пе- редача речи и данных). В стандарте IEEE 802.2 уровень 2 разделен на два подуровня: • подуровень управления доступом к среде — MAC (Medium Access Control), • подуровень управления логическим каналом — LLC (Logical Link Control). Структура уровней 1 и 2 модели OSI приведена на рис. 1.44. Рис. 1.44 Стандарты, описывающие физический уровень и МАС-подуро- вень: • стандарт IEEE 802.3 на физическом уровне представляет собой стандарт сети Ethernet, основанный на множественном доступе с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий — CSMA/CD. Сюда также относятся Fast Ethernet (стандарт 802.3u) и Gigabit Ethernet (стандарты 802.3z и 802.3ab — Gigabit Ethernet на витой паре категории 5);
92 Глава! • стандарт IEEE 802.4 — на физическом уровне это маркерная шина (Token Ring); • стандарт IEEE 802.5 — на физическом уровне это маркерное кольцо (Token Ring). Кроме модели OSI существуют и другие, более простые стан- дарты сетей передачи данных. Структура кадра канального уровня по протоколу ЕСМА приведена на рис. 1.45. Заголовок канального уровня Заголовок сетевого уровня Заголовок транспортного уровня Данные ) ) транспортного / / уровня \ \ БД транспортного протокола БД сетевого протокола БД канального протокола (до 528 байт) Рис. 1.45 На рис. 1.46 приведен формат кадра по стандарту FDDI, разрабо- танный ANSI. Стандарт предусматривает использование воло- конно-оптической линии связи, скорость передачи 100 Мбит/с.Топо- логия — двойное кольцо. Число символов 16 2 2 2(6) 2(6) 8 1 3 -----1--1-----1---1----1-------------1----1----1--- Р SD FC SA DA Информация FSC ED FS _____।__।_____।___।____।_____________।____।____। Рис. 1.46. Р — преамбула; SD — разделитель начала кадра; FC — поле управ- ления кадра; SA — адрес отправителя; DA — адрес получателя; FSC — конт- рольная последовательность кадра; ED — разделитель конца кадра; FS — поле статуса кадра Топология промышленных сетей Сетевая топология описывает способ (тип) сетевого соединения различ- ных устройств. Существует несколько видов топологий, отличающихся друг от друга по трем основным критериям: • режим доступа к сети; • средства контроля передачи и восстановления данных; • возможность изменения числа узлов сети.
Структура современных систем управления технологическими процессами 93 Основными сетевыми топологиями являются: • звезда, • кольцо, • шина. Известны также древовидная/иерархическая (tree/hierarchical) топология, ячеистая (mesh) и смешанная (mixed) топология. Структура «звезда» (star). В данной топологии (рис. 1.47), назы- ваемой также радиальной структурой, вся информация передается че- рез центральный узел. Каждое устройство имеет свою собственную среду соединения. Все периферийные станции могут обмениваться друг с другом только через центральный узел. Преимущество этой структуры в том, что никто другой не может влиять на среду пере- дачи. С другой стороны, центральный узел должен быть исключи- тельно надежным устройством как в смысле логического построения сети (отслеживание конфликтных ситуаций и сбоев), так и физичес- кого, поскольку каждое периферийное устройство имеет свой физи- ческий канал связи и, следовательно, все они должны обеспечивать одинаковые возможности доступа. Дополнительное устройство мо- жет быть включено в сеть только в том случае, если организован порт для его подсоединения к центральному узлу. Структура «кольцо» (ring). В кольцевой структуре (рис. 1.48) информация передается от узла к узлу по физическому кольцу. При- емник копирует данные и регенерирует их вместе со своей квитан- цией подтверждения следующему устройству в сети. Когда началь- ный передатчик получает свою собственную квитанцию, это означает, что его информация была корректно получена адресатом. В кольце не существует определенного централизованного кон- троля. Каждое устройство получает функции управляющего контрол- лера на строго определенный промежуток времени. Отказ в работе хотя бы одного узла приводит к нарушению работы кольца, а следо- Рис. 1.47 Рис. 1.48
94 Глава 1 вательно, и к остановке всех передач. Чтобы этого избежать, необхо- димо включать в сеть автоматические переключатели, которые берут на себя инициативу, если данное устройство вышло из режима нор- мальной работы. Существует также структура «двойное кольцо», в котором одна ветвь является рабочей, другая — резервной. Структура «шина» (bus). В любой шинной структуре (рис. 1.49) все устройства подсоединены к общей среде передачи данных, или шине. В отличие от «кольца» адресат получает свой информацион- ный пакет без посредников. Процесс подключения дополнительных узлов к шине не требует аппаратных доработок со стороны уже рабо- тающих узлов сети, как это имеет место в случае топологии «звезда». Однако шинная топология требует жесткой регламентации доступа к среде передачи. Данная структура также носит название «общая шина» и «магистраль». Существуют магистральные структуры разомкнутая и типа «петля». Сравнение характеристик рассмотренных топологий представ- лено в таблице 1.3. Таблица 1.3 Сравнитель- ные характе- ристики ЗВЕЗДА кольцо ШИНА Режим доступа Доступ и управле- ние через цен- тральный узел Децентрализо- ванное управле- ние. Доступ от узла к узлу Возможен центра- лизованный и де- централизован- ный доступ Надежность Сбой центрально- го узла — сбой всей системы Разрыв линии связи приводит к сбою всей сети Ошибка одного узла не приводит к сбою всей сети Расширяе- мость Ограничена чис- лом физических портов на цен- тральном узле Возможно рас- ширение числа узлов, но время ответа снижается Возможно расши- рение числа узлов, но время ответа снижается
С труктура современных систем управления технологическими процессами 95 Методы организации доступа к линиям связи Метод доступа — это набор правил, позволяющий пользователям рабо- тать с локальной сетью, не мешая друг другу. Метод доступа реализуется на физическом уровне. Если несколько устройств коммутируются между собой через об- щую линию связи (шину), то должен быть определен ясный и понят- ный протокол доступа к ней. Существуют два метода упорядочен- ного доступа: централизованный и децентрализованный. Централизованный метод доступа к шине предполагает, что вы- деляется узел с правами Мастера. Он назначает и отслеживает поря- док и время доступа к шине для всех других участников. Если на Мастере произошла авария, то и циклы обмена по шине останавлива- ются. Децентрализованный метод предполагает, что Мастера назнача- ются группе устройств сети. Именно по этой причине децентрализо- ванный контроль с переходящими функциями Мастера от одного участника (узла сети) к другому получил наибольшее развитие. Во всем мире приняты и широко используются две модели децентрали- зованного доступа. 1) Модель CSMA/CD (Ethernet, стандарт IEEE 802-3). Наиболее известным механизмом управления локальной сетью шинной конфи- гурации является метод множественного доступа с контролем несу- щей и обнаружением конфликтов (CSMA/CD — Carrier Sense Mul- tiple Access with Collision Detection). Наиболее широко известная реализация этого метода — специфи- кация Ethernet. Все станции на шине имеют право передавать данные. Каждая из них постоянно прослушивает шину. Если шина свободна, любая из станций сети может занять шину под свой цикл передач. В том случае, когда несколько станций претендуют на шину одновре- менно, это приводит к конфликту (коллизии), и тогда станции сни- мают свою «заявку» на случайный промежуток времени, задаваемый генератором, и затем через удвоенный промежуток времени вновь выходят в сеть. Аналогией подобного метода взаимодействия может служить «разговор группы воспитанных людей в небольшой темной ком- нате». Каждый человек в комнате слышит речь других людей — об- наружение несущей. Все в комнате имеют одинаковые возможности вести разговор — это множественный доступ, но никто не говорит слишком долго, т. к. все вежливы. Все, находящиеся в комнате, мол- чат, пока кто-то не начинает говорить. Если два человека начинают
96 Глава 1 говорить одновременно, то они сразу обнаруживают эту коллизию. В этом случае они замолкают на некоторое время, после чего один из них может вновь начать говорить. Другие люди слышат, что ведется разговор и ждут, когда он закончится, после чего сами могут гово- рить. При этом в начале разговора называется имя того, к кому обра- щаются (своего рода адрес), а затем и свое имя. Возможен аналог ши- роковещательной передачи, когда кто-то обращается ко всем одновременно. Одним из реальных способов определения наличия коллизий при передаче, например по коаксиальному кабелю, является способ опре- деления коллизий по повышенному уровню постоянной составляю- щей сигнала. Детектор коллизий определяет превышение уровнем сигналов определенного порога (около 1,5 В), что означает, что на ка- бель работает более одного передатчика. Метод CSMA/CD получил широкое распространение и наиболее эффективен в условиях относительно низкой общей загрузки канала (менее 30%). В условиях большей загрузки канала выгоднее исполь- зовать сети, реализующие модель с передачей маркера. 2) Модель с передачей маркера (Token Passing Model, стандарт IEEE 802.4). Право на доступ к шине передается в цикле от устрой- ства к устройству. Порядок передачи зависит от прикладной задачи и определяется на стадии планирования системы. Этот метод предла- гает участникам сети «справедливое» разделение шинных ресурсов в соответствии с их запросами. Принцип передачи маркера использу- ется в системах, где реакция на события, возникающие в распреде- ленной системе, должна проявляться за определенное время. Для совместной работы сетей типа CSMA/CD и Token Model необ- ходим так называемый межсетевой шлюз. Метод MASTER-SLAVE (централизованный метод) находит свое применение в промышленных сетях как на контроллерном уровне (field level), так и на уровне датчиков и исполнительных меха- низмов (sensor/actuator level). Право инициировать циклы чтения/за- писи на шине имеет только MASTER-узел. Он адресует каждого пас- сивного участника (SLAVE-узел), обеспечивает их данными и запрашивает у них данные. Для того, чтобы увеличить пропускную способность шины, команды протокола должны быть как можно проще. В рамках протокола решаются такие задачи, как защита дан- ных, обнаружение ошибок при передаче, восстановление данных. На скорость и объем передаваемой информации естественным образом влияет среда передачи.
С грунтура современных систем управления технологическими процессами 97 Темы для самостоятельной проработки 1. Шина ISA. 2. Шина EISA. 3. Шина VESA. 4. Шина PCI. 5. Компьютеры верхнего уровня систем управления. 6. Компьютеры нижнего уровня систем управления. 7. Внешние устройства систем управления. 8. Промышленные сети: структура, назначение, параметры. 9. Системы реального времени (СРВ). 10. Типы операционных систем реального времени. 11. SCADA-системы: типы, назначение, особенности. 12. MES (Manufacturing Execution Systems): типы, назначение, осо- бенности. 13. Сравнительные характеристики стандартов РС/104 и MicroPC. 14. Комплекс программ промышленной автоматизации Wonderware Factory. 15. Три уровня автоматизации предприятия. 16. Основные характеристики ЦПС. 17. Режим «Ведущий-ведомый». 18. Режим «Клиент-сервер». 19. Режим «Подписка». 20. Особенности сетевого протокола CAN. 21. Перспективы развития ЦПС. 22. Ethernet в промышленности. 23. Применение ЦПС во взрывоопасных зонах. 24. Понятие Fieldbus. 25. Топология сети. 26. Семь уровней сетевого сервиса. 27. Тип доступа к физическому каналу. 28. Мультимастерные сети. 29. Стандарт Foundation Fieldbus. 30. Стандарт PROFIBUS. 31. Двухпортовая память. 32. Локальные сети LAN. 33. Городские сети MAN. 34. Глобальные сети WAN. 35. Модель ISO/OSI. 36. Методы организации доступа к линиям связи.
Глава 2 Основные типы человеко-машинного интерфейса, промышленные компьютеры 2.1. Промышленные компьютеры фирмы ADVANTECH Промышленные шасси Шасси промышленного компьютера представляет собой ту конструк- тивную основу, которая определяет как внешний вид компьютера, так и его стойкость к неблагоприятным воздействиям. После заполнения шасси соответствующей электроникой получается полноценный сис- темный блок промышленного компьютера. Среди огромного количества изделий фирмы Advantech есть наи- более распространенные, в число которых входит шасси промышлен- ного компьютера IPC-610 (рис. 2.1). Основные характеристики IPC-610: • 14-слотовая 4-слойная кросс-плата с отдельными слоями земли и питания, поддерживающая все типы PC/AT совместимых плат расширения. Регулируемая крепежная планка с резиновы- ми амортизаторами надежно предохраняет платы от ударов и вибраций; • 250-ваттный источник питания, соответствующий стандартам UL/CSA/TUV (одна из модификаций шасси комплектуется 350-ваттным источником); • охлаждающая система со сменным пылеулавливающим фи- льтром создает положительное давление воздуха внутри шасси; • противоударный отсек для двух накопителей 5,25” и одного 3,5”; • рабочий диапазон температур от О °C до 50 °C; • панель управления с кнопками сброса, выключения питания и блокировки клавиатуры расположена за запираемой на ключ дверкой; • предусмотрена установка шасси в 19" стойки.
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 99 Монтажная панель Регулируемая для специальных крепежная планка разъемов с амортизаторами предохраняет платы от ударов и вибрации Пыленепрони- цаемая запираю- щая дверца для обеспечения безопасности работы Сдвоенные охлаждающие вентиляторы, создающие положительное , давление воздуха внутри шасси Сменный пыле- улавливающий фильтр или кабельных удлинителей В прочном протиударном сменном отсеке может разме- щаться до двух накопителей половинной высоты и 3,5" НЖМД Рис. 2.1 Шасси IPC-610 выпускается в нескольких модификациях: • IPC-610 — на базе кросс-платы с 14 шестнадцатиразрядными ISA-слотами; • IPC-610P — на базе кросс-платы с 10 шестнадцатиразрядными ISA-слотами, 2 слотами PCI и одним совмещенным слотом ISA/PCI для процессорной платы; • IPC-610MB — шасси без кросс-плата, рассчитанное на уста- новку недорогих «материнских» плат типа «baby АТ». Специально для дублированных систем выпускается мультисис- темное шасси IPC-620 (рис. 2.2), позволяющее объединять в одном корпусе до 4 вычислительных систем и имеющее 2 модификации с шинами ISA и РС1. Характеристики IPC-620: • предусмотрена возможность установки в 19” стойки; • поддерживает до 4 систем; • источник питания 350 ватт; • предусмотрена установка до восьми 3,5” дисковых накопите- лей;
100 Глава 2 Рис. 2.2 Рис. 2.3 • 4 вентилятора охлаждения; • противоударная подвеска блока накопителей. Для встраиваемых приложений фирма Advantech предлагает бо- лее компактные шасси: • IPC-6806; • МВРС-641; • IPC-6006 (рис. 2.3,2.4 и 2.5 соответственно). 1РС-6806 имеет характеристики: • компактное шасси для монтажа на стену или на стол; • 6 полноразмерных слотов ISA, есть версии с PCI и для плат по- ловинной длины; • источник питания 150 ватт; • предусмотрена установка до двух 3,5” накопителей; • прижимная планка-амортизатор для устанавливаемых плат; • вентилятор охлаждения со сменным пылеулавливающим фильтром. МВРС-641 имеет характеристики: • компактное шасси для встраиваемых приложений; • 4 слота ISA половинной длины; • источник питания 65 ватт; • вентилятор охлаждения со сменным пылеулавливающим фильтром. Рис. 2.4 Рис. 2.5
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 101 1РС-6006 имеет характеристики: • шасси для настенного монтажа; • 6 слотов ISA полной длины, возможна конфигурация с шиной PCI; • прижимная планка для плат; • предусмотрены монтажные отверстия для источника питания PS/2, одного 2,5" НЖМД и вентилятора охлаждения. После выбора подходящего шасси для окончательного конфигу- рирования компьютера необходимо определить количество и типы дисковых накопителей, тип процессорной платы и объем оператив- ной памяти. Затем подбираются необходимые платы ввода/вывода и сетевых интерфейсов. 2.2. Рабочие станции Другой чрезвычайно распространенной группой изделий являются рабо- чие станции. Понятие «рабочая станция» применительно к индустриаль- ным компьютерам сильно отличается от того, что обычно под этим по- нимается. Проиллюстрировать это можно на примере станций AWS-822 и AWS-860 (слева) (рис. 2.6), завоевавшей свою популярность за счет исключительно удачной конструкции. Рис. 2.6 Отличительной особенностью индустриальных рабочих станций является размещение дисплея, системного блока и клавиатуры в еди- ном конструктиве. В случае AWS-822 дисплей (14"), две пленочные клавиатуры и собственно компьютер объединены в общий стальной корпус с исключительно прочной влагозащищенной передней па- нелью. Дисплей защищается толстым стеклом, а органы управления и
102 Глава 2 Рис. 2.7 дисковод скрыты за запираемой дверцей. Панель управления AWS-850/861 приведена на рис. 2.7. Как и в случае с большинством индустриальных шасси, в рабочих станциях используются пассивные объединительные панели (кросс- платы) с большим числом слотов расширения. На рис. 2.8 приведены «внутренности» рабочих станций AWS-860 (слева) и AWS-850 (справа). Рис. 2.8 AWS-822 имеет характеристики: • предусмотрена установка станции в 19” стойку или пульт; • передняя панель обеспечивает защиту по IP-56 (NEMA 4/12); • 8-слотовая 4-слойная кросс-плата с отдельными слоями земли и питания, поддерживающая все типы PC/AT совместимых плат расширения. Регулируемая крепежная планка с резиновыми амортизаторами надежно предохраняет платы от ударов и виб- раций. Блок с кросс-платой имеет выдвижную конструкцию, обеспечивая легкость доступа к установленным в нем платам; • 14” цветной ЭЛТ-монитор в противоударном экранирующем каркасе; • две мембранные клавиатуры: 27-клавишная для ввода данных и 20-клавишная функциональная; • два дополнительных разъема для клавиатуры на передней и за- дней панелях; • 250-ваттный источник питания, соответствующий стандартам UL/CSA/TUV; • рабочий диапазон температур от 0 °C до 50 °C; • дополнительно предусмотрена возможность установки 3,5” НЖМД и резистивного сенсорного экрана.
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 103 В настоящее время на смену AWS-822 идет ее новая модифика- ция — рабочая станция AWS-825, где используется уже 15” цветной монитор и где существует модель с шиной PCI. Все, что говорилось об окончательном конфигурировании для шасси промышленных компьютеров, справедливо и для рабочих станций, за исключением того, что в стандартный комплект поставки станции уже входит 3,5” НГМД и соответствующая плата контрол- лера дисплея. В таблице 2.1 перечислены краткие характеристики всех рабочих станций, выпускаемых фирмой Advantech. 2.3. Панельные компьютеры Особенностью панельных компьютеров являются их малые габариты, особенно в глубину. Достигается это как за счет применения в качестве дисплеев плоских панелей, так и за счет уменьшения количества и разме- ров плат расширения. Панельные компьютеры предназначены для уста- новки в пульт или панель и служат для создания компактного и хорошо защищенного по передней панели интерфейса «человек-машина». Па- нельные компьютеры выдерживают промышленные условия эксплуата- ции и могут быть установлены на контролируемых и управляемых объектах. MiPC-50 Панельные компьютеры MiPC-50 (рис. 2.9) содержат пассивную кросс-плату с 4 слотами ISA, 65-ваттный источник питания, НГМД и место для НЖМД (рис. 2.10). Можно выбрать модель с дисплеем на основе активно-матричной цветной ЖК-панели, монохромной ЖК-панели или электролюминес- центной панели. К MiPC-50 можно добавить один из двух типов пле- ночных клавиатур (20- или 56-кнопочную), а также сенсорный экран Рис. 2.9 Рис. 2.10
£ Таблица 2.1 МОДЕЛЬ AWS-861 AWS-861P AWS-850CT 1 AWS-842T 1 AWS-842TP 1 AWS-825 1 AWS-825P 1 AWS-822 Дисплей Тип ЭЛТ Цветной TFTLC p ЭЛТ Размер по диагонали 10" 9.4" 10.4" 15" 14" Разрешение 1024 x 768 640 х 480 640 x 480 1280x 1024 1024 x 768 Количество цветов 16.7 мли цветов 512 цветов 256 тыс. цветов 16.7 млн цветов Размер точки (мм) 0.26 х 0.26 0.3 х 0.3 0.33 x о.зз 0.28 x 0.28 Угол обзора около 180° 80° 80° Около 180° Модель Sony 10” Toshiba LTMO9CQ16 Toshiba LTM1OC042 — Температура от0°Сдо50°С Количество слотов 10 ISA 5 ISA. 3 PCI и 1 CPU 8 ISA 8 ISA 4 ISA, 3 PCI и 1 CPU 8 ISA 4 ISA, 2 PCI и 1 CPU 8 ISA Кол-во вентиляторов 3 2 1 3 Электромагнитная совместимость FCC/VDE Class А Размеры (Ш х В х Г. мм) 482 х 266 х 410 1 1482x266x210 1 1482 x 266 x 307 1 1 482 x 356 x 450 1482 x356 x410 Среднее время наработки на отказ (часов) 50000 Вес (кг) 24 12 15 1 129 1 126 Питание J 1 Выходные напряжения 200 Вт. +5В(Й25А.+12В@5А.-5В@2А.12В(&0.2 А 250 ВТ. +5 В (a- 25 A +12 B®10 A: -5 В (a). 0.5 A: -12 В (a,. 0 5 A Входное напряжение 90-130 В или 180-260 В переменного тока: автопереключение Безопасность Соответствует UL/CSA/TUV и СЕ Количество клавиш клавиатуры Основная 60 . _ . 39 27 Функцион альная 1O(F1-F1O) 10(Fl-F10) 1O(F1-F1O) Макрокоманд 10(S F1 -SF10) lO(SFl-SFlO) 1O(SF1-SF1O) Типы дисководов (3.5") 1 НГМД и 1 НЖМД Влажность 10-95% при 40 °C, без конденсации 5-85% при 40° C, без конденсации 10-95% при 40 °C, без конденсации Методы монтажа Установка в стойку или панель Глава 2
Основные типы человеком ашннного интерфейса, промышленные компьютеры 105 Рис. 2.11 (рис. 2.11). В таблице 2.2 кратко перечислены параметры применяе- мых в MiPC-50 типов дисплеев. Таблица 2.2 Тип панельного PC М1РС-50СТ М1РС-50М MiPC-50E Параметры дисплея Технология TFT LCD Моно LCD Электролюми- несцентная Размер 10,4” 9,4" 10,4" Разрешение 640 х 480 640 х 480 640 х 480 Число цветов или оттенков серого 256 тыс. цветов 64 оттенка серого — Размер точки (мм) 0,33 х 0,33 0,27 х 0,27 0,33 X 0,33 Угол обзора 120° 50° 180° Тип панели Toshiba LTM10C042 Sharp LM64183P Planar Температура 0-50 °C 0—45 °C 0-50 °C 1 Размеры (Ш х В х Г) 344 х 260 х 152 мм MiPC-70 Панельные компьютеры с открытой рамой (open-frame panel PC) серии MiPC-70 представляют собой изделия на основе конструктивно объединен- ных одноплатных компьютеров и плоских дисплеев (рис. 2.12). Компактное исполнение в виде от- крытой рамы, не содержащей лишних механических деталей, позволяет Рис. 2.12
106 Глава 2 легко встраивать этот панельный PC в систему. MiPC-70 полностью готов к работе, нужно только подключить питание. Выпускаются две модели компьютеров MiPC-70 с цветным и монохромным ЖК-дис- плеем, основные характеристики которых показаны в табл. 2.3. Таблица 23 Тип компьютера MIPC-70CT MiPC-70M Параметры дисплея Технология TFT LCD Mono LCD Размер 10,4" 9,4” Разрешение 640 х 480 640 х 480 Число цветов или оттенков серого 256 тыс. цветов 64 оттенка серого Размер точки (мм) 0,33 х 0,33 0,27 х 0,27 Угол обзора 120° 50° Тип панели Toshiba LTM10C042 Sharp LM64183P Температура 0-50 °C 0—45 °C Размеры (III х В х Г) 344 х 260 х 81,7 мм В обеих моделях предусмотрен вариант поставки с резистивным сенсорным экраном. В состав MiPC-70 может входить как плата РСМ-4860 с микропроцессором 486, так и РСМ-5860 с Pentium. Обе платы имеют шину расширения PC-104, что позволяет подключить к ним дополнительные платы расширения в стандарте PC-104 или, ис- пользуя приобретаемый отдельно комплект расширения MiPC-ООЗ, до 3 плат в стандарте ISA. Если объем флэш-диска (1,44 Мбайт), устанав- ливаемого на плате процессора, окажется недостаточным, в MiPC-70 предусмотрено место для установки одного НЖМД размером 3,5". РРС-100 Одна из последних новинок фирмы — панельный промышленный PC серии РРС-100 (рис. 2.13). В этой модели значительно улучшен дизайн корпуса и расширены сетевые функции. РРС-100 имеет встроенный кон- троллер Ethernet (NE-2000 совместимый, 10 BASE-Т), 3 порта RS-232 и 1 перенас- траиваемый порт RS-232/422/485. Перед- няя панель РРС-100 имеет защиту IP-65. Рис. 2.13
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 107 Краткие характеристики этого компьютера следующие: • процессорная плата на базе 486 DX2/4 или 5x86; • память до 64 Мбайт; • дисплей 10,4” на основе цветной TFT или монохромной ЖК-па- нели с разрешением 640 х 480; • встроенный источник питания 50 Вт; • аналоговый резистивный сенсорный экран с прозрачностью не хуже 75%, прочность покрытия соответствует стандарту ASTM-D-1044, до 30 млн касаний; • сторожевой таймер с интервалом 1,6 с; • параллельный порт (ЕСР/ЕРР); • твердотельный диск до 512 кбайт (опция); • 4 последовательных порта (3 — RS-232,1 — RS-232/422/485); • 4 изолированных дискретных входа; • поддержка НГМД 1,2/1,44/2,88 Мбайт; • Ethernet интерфейс (NE-2000, 10 BASE-T); • место для НЖМД 2,5’’; • размеры: 342 мм (Ш) х 256 мм (В) х 61,5 мм (Г); • масса 2,7 кг. 2.4. Модульные промышленные компьютеры MIC-2000 Новая серия промышленных компьютеров фирмы — MIC-2000 (рис. 2.14) предостав- ляет пользователям возможность полнос- тью ощутить все плюсы модульной кон- струкции управляющего компьютера и своим внешним видом напоминает скорее традиционный программируемый логичес- кий контроллер, чем IBM РС-систему. MIC-2000 выполнен на основе 8- или 11-слотовой кросс-платы с 16-разрядной шиной ISA. Рис. 2.14 Модульное построение сводит среднее время восстановления к минимуму. В ПЛК подобный способ подклю- чения сигналов ввода/вывода (разъемные клеммы на передних панелях модулей) облегчает монтаж и обслуживание системы. Традиционно решен вопрос охлаждения: вентиляторы, снабженные сменными пыле- улавливающими фильтрами, создают избыточное давление внутри корпуса. Приводимые в таблице 2.4 характеристики модулей позволят
108 Глава 2 Таблица 2.4 Модули процессоров и памяти Коммуникацион- ные модули Модули ввода/вывода MIC-2340 Интегрированный модуль ЦПУ 486 с контроллером VGA • 80486SX/DX/DX2/DX4-25/ 33/66/100/Pentium OverDrive • Кэш-память 128 кбайт • VGA (ЭЛТ, ЖК, ЭЛ) интерфейс на локальной шине • 2 последовательных, 1 парал- лельный, 2 НЖМД и 2 НГМД порта • Шина расширения PC-104 и сторожевой таймер М1С-2110 Модуль адаптера PCMCIA • Соответствуют PCMCIA 2.0/JEIDA4.1 • Поддержка загружаемых устройств • Поддержка карт типа 1.11 и III • Работа с загружаемыми жестки- ми дисками АТА MIC-2120/2130 Модуль НГМД/НЖМД • Для непосредственной уста- новки в каркас М1С • Встроенный контроллер для 2 НГМД и одного IDE НЖМД • Встроенный НГМД 720 кбайт/ 1,44 Мбайт (MIC-2120) • Предусмотрена установка 2,5й НЖМД (MIC-2130) MIC-2810 Модуль флэш/ОЗУ/ПЗУ дис- ка • Эмуляция НГМД • Максимальный объем до 6 Мбайт • Начальная загрузка по включе- нию питания • Сторожевой таймер MIC-2610 Модуль изолированного двухпоргового RS-422/RS-485 • Контроллеры 16С550 с 16-байтовым FIFO • Автоматический контроль шины RS-485 • Гальваническая развязка 1000В • Поддержка расширенного набора АТ-прерываний • Драйвер для DOS (PC-ComLIb) в комплекте М1С-2630 Модуль изолированного двухпортового интерфейса CAN • Скорость передачи до 1 Мбит/с • Гальваническая развязка 1000 В • Поддержка расширенного набора АТ-прерываний • Работа через окно в па- мяти • Назначение контактов разъемов соответствует CiA MIC-2660 Модуль Ethernet • Совместим с Novell NE-2000 • Разъемы BNC (10BASE-2), RJ-45 (10BASE-T), AUI • Дополнительно поставля- ется ПЗУ начальной за- грузки по сети • Кмоплектуется драйвера- ми для Netware 286/386, NDIS, ODI и Packel MIC-2718 Модуль аналогового ввода на 16 каналов • 12 разрядов, 100 кГц • 16 однополюсных или 8 диффе- ренциальных каналов • Программируемый коэффициент усиления (до 1000) • Разъемные клеммные соединители MIC-2728 Модуль аналоговою вывода на 4 канала с гальванической развяз- кой • 12 разрядов ЦАП, с двойной буфе- ризацией • Гальваническая развязка 500 В • Выходной диапазон ±5 В, +10 В, 0-5 В, 0^-10 В • Токовые выходы 0...20мА и 4...20 мА • Разъемные клеммные соединители MIC-2730 Модуль изолированного цифрово- го ввода на 16 каналов • 16 оптонзолированных цифровых входов • Гальваническая развязка 2500 В • Входы могут конфигурироваться для ввода «сухого контакта» • Светодиодная индикация состоя- ния входа • Разъемные клеммные соединители М1С-2750 Модуль изолированного цифрово- го вывода на 16 каналов • 16 оптоизолированных цифровых выходов • Гальваническая развязка 2500 В • Высокая нагрузочная способность • Светодиодная индикация состоя- ния выхода • Разъемные клеммные соединители
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 109 составить мнение о богатых возможностях MIC-2000. Если в перечне модулей не найдется какой-либо необходимой платы, в MIC-2000 предусмотрена установка любых стандартных ISA-плат половинной длины. 2.5. Процессорные платы Самый большой раздел деятельности фирмы Advantech посвящен про- цессорным платам. Именно эти платы «оживляют» шасси, рабочие стан- ции и панельные ПК MiPC-50. Фирма быстро отслеживает появление новых процессоров. В на- стоящее время поставляются разнообразные модели от плат на основе 386SX до Pentium200. Характеристики одной из типичных процессорных плат для промышленных компьютеров — РСА- 6145DX4-100 (рис. 2.15) приведены в таблице 2.5. Разъем для плоскопанельных дисплеев Интерфейс Интерфейс EIDE (VL-Bus) НГМД Порт принтера (ЕРР/ЕСР) и PS/2 мыши Рис. 2.15 Все эти устройства помещаются на плате размером 185 мм х 122 мм (половина стандартной ISA-карты). Что касается плат подобной ин- теграции, их применение кажется оправданным только в случаях, когда остро стоит вопрос свободных слотов или габаритов системы.
110 Глава 2 Таблица 2.5 Тип процессора Intel 486DX4-100 BIOS AWARD Flash BIOS, поддержка «plug & play» Функции энергосбережения В соответствии с АРМ 1.1 ОЗУ До 32 Мбайт Интерфейс EIDE 32 бита, до двух НЖМД с максимальной емкостью до 8,4 Гбайт, поддержка РЮ Mode 3 (>10 Мбайт/с) Интерфейс НГМД До двух НГМД емкостью до 2,88 Мбайт Параллельный порт Поддерживает режимы ЕРР/ЕСР Последовательные порты На базе ИМС 16С550, COM2 может быть переконфигурирован в RS-422/485 Сторожевой таймер 8 программируемых интервалов, генери- руется сигнал RESET или IRQ 15 Твердотельный диск на плате До 512 кбайт, совместимый с MS-DOS Порты клавиатуры и мыши Мини-DIN разъем для PS/2 мыши и клавиатуры Расширения Разъем РС/104 для плат расширения Сетевые функции Контроллер Ethernet, разъем RJ-45, совместим с NE2000 VGA-контроллер Контроллер VGA с Windows акселерато- ром на локальной шине, 1 Мбайт видеопа- мяти ВидеоВЮЗ На базе флэш-памяти, поддержка плоских панелей и ЭЛТ-дисплеев Напряжение питания +5 В, 3,5 А II Рабочий диапазон температур от 0 до 60 °C VGA и Ethernet предпочтительнее иметь на отдельных платах. С этой точки зрения более привлекательной является плата РСА-6147, давно выпускаемая и имеющая диагностическое табло на светодиодах — незаменимый помощник при тестировании системы. Таблица 2.6 со- держит основные параметры всех процессорных плат. Для систем с шиной PCI в качестве процессорных плат применяются платы, ко- торые поддерживают одновременную работу по шине ISA и РС1. Внешний вид процессорной платы РСА-6157 с шиной PCI приведен на рис. 2.16.
Таблица 2.6 Модель РСА-6157 PCA-6157L РСА-6155 РСА-6151 РСА-6148 РСА-6147 РСА-6145 PCA-6144V РСА-6143Р РСА-6134Р Шина ISA/PCI ISA/PC1 1SA/PC1 ISA/PC1 ISA ISA ISA ISA ISA ISA Размер Полнораз- мерная Полнораз- мерная Полнораз- мерная Половинной длины Полнораз- мерная Полнораз- мерная Половинной длины Половинной длины Половинной длины Половинной длины Тип ЦПУ Pentium-75/ 90/100/150 Pentium-75/ 90/100/150 Pentium- 75-166 Pentium- 75-200 80486 DX DX2/DX4, 5x86 80386DX, 80486SX/DX/ DX2/DX4 80486 DX/ DX2/DX4 80486 DX/ DX2/DX4 80486SX/DX/ DX2/DX4 80486SX/ SLC/SLC2 Chip set Intel 82437FX (Triton) Intel 82437FX (Triton) VIA 82С570М - VIA 82C496G SIS 85С461 VIA82C496G V1A82C496G ALIM 1219 ALIM 1217 BIOS AWARD AWARD AWARD AWARD AMI AWARD AWARD AMI AMI ОЗУ (Мбайт) 8-128 8-128 1-128 1-64 1-64 1-64 1-32 1-64 1-32 1-16 Флэш/ПЗУ диск Нет Нет Нет Нет Да Ла Ла Нет Ла Ла Кэш-память (кбайт) 256/512 256/512 256/512 (pipeline) 256/512 (pipeline) 256 256 128 128 иет нет Сопроцессор Встроенный Встроенный Встроенный Встроенный Встроенный Встроенный Встроенный Встроенный Встроенный 80387 Часы Да Да Да Да Да Ла Л? Ла Ла Ла Сторожевой таймер Да Да Да Да Да Да Ла Ла Ла Ла Контроллер НЖМД 4 х EIDE 4 х E1DE 4 х EIDE 2 х E1DE 2 х EIDE 2 х E1DE 2 х EIDE 2 х E1DE 2 х EIDE 2 х IDE Контроллер НГМД 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 SCSI-контроллер Да Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет VGA-контроллер Нет Нет Нет Да Да Нет Ла Ла Нет Нет Параллельный порт Двунаправ- ленный (SPP/ ЕСР/ЕРР) Двунаправ- ленный (SPP/ ЕСР/ЕРР) Двунаправ- ленный (SPP/ ЕСР/ЕРР) Двунаправ- ленный (SPP/ ЕСР/ЕРР) Двунаправ- ленный (SPP/ ЕСР/ЕРР) Двунаправ- ленный (ЕСР/ЕРР) Двунаправ- ленный (ЕСР/ЕРР) Двунаправ- ленный (ЕСР/ЕРР) Двунаправ- ленный (ЕСР/ЕРР) Двунаправ- ленный (ЕСР/ЕРР) Последовательный порт 2 х RS-232 2 х RS-232 2 х RS-232 1 х RS-232, 1 х RS-232/ 422/485 2 х RS-232 1 х RS-232, 1 х RS-232/ 422/485 1 х RS-232. 1 х RS-232/ 422/485 1 х RS-232, 1 х RS-232/ 422/485 1 х RS-232, 1 х RS-232/ 422/485 1 х RS-232, 1 х RS-232/ 422/485 Светодиоды самодиагностики Да Да Нет Нет Да Да Нет Нет Нет Нет Питание + 5В,+ 12 В, -12В + 5В,+ 12 В, -12 В + 5В,+ 12 В. -12В + 5 В,+ 12 В, -12 В + 5В + 5В,+ 12В, -12В + 5В + 5В + 5В + 5В Шина расширения Нет Нет Нет РС/104 РС/104 РС/104 РС/104 РС/104 РС/104 РС/104 Рабочий диапазон температур 0 т 60 °C 0 + 60 °C 0 + 60 °C 0 + 60 °C 0 + 60 °C 0 + 60 °C 0 + 60 °C 0 + 60 °C 0 + 60 °C 0 + 60 °C Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 111
112 Глава 2 Интерфейс НГМД Порт принтера (SPP/EPP/ECP) Рис. 2.16 Необходимо отметить, что процессорные платы содержат специ- альный разъем для подвода питающих напряжений, минуя систем- ную шину. Поэтому такие платы могут использоваться автономно в качестве вычислительного ядра различных специализированных сис- тем. В то же время фирмой Advantech выпускаются так называемые одноплатные компьютеры, которые как раз и предназначены для таких применений. 2.6. Одноплатные компьютеры для встраиваемых применений Для этой линии компьютеров характерной чертой является максималь- ное число выполняемых функций при чрезвычайно малых физических размерах самой платы. Одноплатные компьютеры предназначены для встраивания в аппаратуру в качестве высокоинтегрированных компо- нентов. Предполагается, что все необходимые функции реализованы на одной плате, а возможности расширения, если они предусмотрены, огра- ничиваются, как правило, мезонинной шиной расширения РС/104. У фирмы Advantech этот класс компьютеров представлен платами РСМ-4862, РСМ-5860 и новой серией Biscuit PC, платы которой оптими- зированы по критерию «цена-производительность».
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 113 Одноплатный компьютер РСМ-5860 Плата одноплатного компьютера РСМ-5860 (рис. 2.17), разработанная на основе процессора Pentium специально для встраиваемых применений, содержит полный набор функций обычного персонального компьютера. Она при этом имеет размеры дисковода 5,25” (203 х 146 мм). Вся пери- ферия, размещенная на плате, работает через внутреннюю РС1-шину. Этим объясняется высокая производительность этого компьютера. Вот краткий перечень возможностей этой платы: • процессор Pentium 75-166; • ОЗУ типа EDO; • Ethemet-контроллер на шине PCI, 32 разряда; • SVGA-контроллер на шине PCI, 32 разряда; • PCI bus-master IDE; • Pipeline-кэш до 512 кбайт; • сторожевой таймер; • функции энергосбережения. РСМ-4862 построен на основе процессора 486 и имеет аналогич- ные функции плюс твердотельный диск емкостью 1,44 Мбайт. VGA- контроллер ДОЗУ до 64 Мбайт Разъем 10 BASE-2/5 (AUI) Разъем Ethernet 10BASE-T Слот PCI Видеопамять 1 Мбайт Intel Pentium 75-И 66 МГц Кэш-память до 512 кбайт Флэш-BIOS AWARD Разъем ЭЛТ-дисплея Раэьем Разъем питания Интерфейс НГМД EIDE- интерфейс Параллельный порт (EPP/ECP/SPP) Разъем СОМ1, RS-232 плоскопанельных дисплеев РС/104 COM2, RS-232/422/485 Разъем клавиатуры/мыши Рис. 2.17
114 Глава 2 2.7. Одноплатные компьютеры Biscuit PC Рис. 2.18 Серия Biscuit PC (рис. 2.18) на текущий момент состоит из двух моделей на основе процессора 486: • РСМ-4822. • РСМ-4824. Имеются также две недорогих мо- дели на основе процессора 386SX: • РСМ-3860, • РСМ-3864. Основные параметры этих компьютеров сведены в таблицу 2.7. Таблица 2.7 Модель РСМ-4824 РСМ-4822 РСМ-3864/3860 Размер (мм) 145х 102 Тип ЦПУ 80486DX/DX2/DX4-120, 5x86 80386SX40 Chipset VIA 82C496G ALIM6117 BIOS AWARD AMI ОЗУ (Мбайт) 1-32 1-16 Флэш/ПЗУ диск Нет Часы Да Сторожевой таймер Да Контроллер НЖМД 2 х EIDE Контроллер НГМД 2 Ethemet-контроллер Есть, 10BASE-TRJ45 Нет V GA-контроллер ЖК, ЭЛТ и ЭЛ дисплеи Нет ЖК,ЭЛТиЭЛ дисплеи (РСМ-3864) Параллельный порт Двунаправленный (SPP/ECP/EPP) Последовательный порт 1 х RS-232, 1 х RS-232/422/485 Цифровой ввод/вывод 4 входа и 4 выхода, TTL-уровни Питание +5 В @2 А I 1+5В @ЗА 1+5 В @ 1,5 А Функции энергосбере- жения Есть Разъем клавиатуры/ мыши Мини-DIN, PS/2 Мини-DIN, PS/2 Мини-DIN, PS/2 Разъемы расширения Да Да РС/104 Вес (кг) 0,2 Рабочий диапазон тем- ператур 0-60 °C (Н60°С 0-60 °C
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 115 Самым небольшим одноплатным компьютером в номенклатуре Advantech является плата РСМ-ЗЗЗО (рис. 2.19), вы- полненная в стандарте РС/104 (размеры 90 х 96 мм). Рис. 2.19 2.8. Назначение промышленных компьютеров Промышленные компьютеры — это изделия с повышенной устойчи- востью к воздействиям внешней среды. И все производители добива- ются этой устойчивости всеми мыслимыми (хотя и примерно одинако- выми) способами. Для борьбы с пылью создают избыточное давление внутри сис- темного блока, а всасывающие вентиляторы снабжены сменными пы- леулавливающими фильтрами. Очень часто, особенно в моделях для пультового монтажа, приме- няется брызгозащита по лицевой панели. С вибрациями и ударами борются, применяя прочные шасси и корпуса, закрепляя платы расширения дополнительными амортизи- рующими скобами и размещая дисковые накопители на специальной виброударостойкой подвеске. Внешне смотрится несколько «то- порно», но самое главное — достигается исключительная механичес- кая прочность конструкции. Многие модели предусматривают воз- можность установки в стандартные 19-дюймовые стойки. Еще одна отличительная черта промышленного компьютера — его модульность и исключительные возможности расширения. При- вычной глазу «материнской» платы здесь, как правило, нет. Процес- сорная плата, наравне с периферийными платами, вставляется в пас- сивную объединительную кроссплату с большим числом слотов расширения. Такая модульная конструкция облегчает техническое обслуживание и позволяет быстро заменять модули в случае их выхода из строя. Скорость ремонта (среднее время восстановления) является весьма важной характеристикой для промышленных компьютеров. Во время ремонта обычно простаивает весь участок производства, что может нанести предприятию ощутимые убытки. Так как промыш- ленному компьютеру часто приходится взаимодействовать с боль- шим количеством датчиков и исполнительных устройств, то неуди-
lib Глава 2 вительно, что количество слотов расширения в нем может достигать 20. В офисном PC их от силы 5-6. Борьба за свободные слоты расширения нашла свое отражение в степени интеграции процессорных плат промышленных PC. Как пра- вило, эти платы содержат в себе все необходимые компоненты обыч- ного компьютера: • процессор; • память; • интерфейсы НГМД и НЖМД; • порты принтера и RS-232/485; • VGA-, Ethernet- и SCSI-контроллеры. Одним из необходимых элементов процессорной платы является сторожевой таймер. Компьютер всегда будет перезагружен автомати- чески в случае «зависания» программы. Устройства интерфейса «человек-машина» у промышленных PC также выполняются с учетом жестких условий эксплуатации. В клавиатурах в обязательном порядке тем или иным способом пред- усматривается пылевлагозащита. В рабочих станциях часто приме- няют ограниченный набор функциональных и цифровых клавиш, вы- полненных по пленочной технологии. Наиболее «опасные» органы управления, типа кнопок «Сброс» и «Выключение питания», прячут за запираемыми на ключ дверцами. В последние годы все большую популярность приобретают сенсор- ные экраны, дающие неограниченные возможности в создании дру- жественных интерфейсов. Панельные персональные компьютеры фирмы Advantech Описывается новый класс компьютеров для использования в качестве интерфейса «человек-машина» (HMI) в системах автоматизации. Фирма Advantech широко известна на рынке как один из ведущих производите- лей IBM PC совместимых промышленных компьютеров. Сегодня фирма предлагает линию продуктов в новом классе ЭВМ, называемых обычно плоскопанельными, или попросту панельными компьютерами (Panel PC), область применения которых не замыкается исключительно на про- мышленной автоматизации. Более того, использование панельных ком- пьютеров открывает новые возможности в самых неожиданных облас- тях, начиная от автоматизированных рабочих мест в распределенных АСУ ТП и заканчивая информационными терминалами и торговыми ав- томатами. Идея совмещения в одном корпусе системного блока и дисплея не нова и известна еще со времен первенцев фирмы Apple.
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 117 Однако среди производителей персональных компьютеров такой подход широкой поддержки не получил и находил применение в основном на «нишевых» рынках. В частности, в сфере промышлен- ной автоматизации широко используются так называемые промыш- ленные рабочие станции, которые представляют собой ЭЛТ или ЖК-дисплей, совмещенный с промышленным компьютером в одном защищенном от неблагоприятных внешних воздействий корпусе. Неудивительно поэтому, что у колыбели панельных компьютеров стояли фирмы, занятые производством средств промышленной авто- матизации. Основываясь на архитектуре персонального компьютера, новый класс компьютеров стоит, тем не менее, особняком от привыч- ной схемы деления персональных компьютеров (PC) на • Desktop, • Portable, • Notebook, • Palmtop. Его появление стало возможным благодаря развитию трех раз- личных технологий (рис. 2.20): • промышленные рабочие станции; • плоские дисплеи; • одноплатные компьютеры. Промышленная рабочая станция Недорогая плоская ЖК-панель высокого разрешения Надежность Защита от внешних воздействий Сенсорный экран Плоский ЖК-дисплей Одноплатный компьютер Флэш-диск Сторожевой таймер Размещение всех функций PC на одной плате Рис. 2.20
118 Глава 2 Промышленные рабочие станции Из этой области позаимствованы такие особенности, как высокая надеж- ность, применение сенсорных экранов, защита от неблагоприятных фак- торов внешней среды (пыль, влага, удары и т. п.). Одноплатные компьютеры Достижения в области микроэлектроники позволили разместить все функции персонального компьютера на одной плате небольшого раз- мера. Технология производства таких плат уже более десяти лет развива- ется в сфере промышленных и встраиваемых компьютеров, а в послед- нее время и в области офисного компьютеростроения. Именно одноплатный ПК является ядром панельного компьютера. Плоские дисплеи Еще одним фактором, обусловившим появление панельных компьюте- ров, явился прогресс в области плоских, в первую очередь, ЖК-дис- плеев. Появились крупноформатные цветные дисплеи, имеющие высо- кую яркость, широкий угол обзора и приемлемую стоимость. Панельный компьютер по своей природе является весьма малога- баритным изделием, поэтому неудивительно, что в качестве перифе- рийных устройств используются 2,5й НЖМД, сверхтонкие НГМД и CD-ROM, применяемые в основном в ноутбуках. Однако фундамен- тальным отличием панельного компьютера от ноутбука является то, что он не предназначен для мобильных пользователей, в связи с чем ему совсем не обязательно иметь возможность питания от батарей. Отсюда также следует, что панельный компьютер не требует жесткой оптимизации своего веса и применения специальных дорогостоящих электронных компонентов с низким энергопотреблением. Панельные компьютеры могут применяться там, где требуется по- вышенная надежность. В этой связи очень важными представляются еще несколько свойств, отличающих панельные компьютеры от обычных персоналок. 1) Панельные компьютеры способны в качестве накопителей ин- формации использовать не только традиционные механические диски, но и полупроводниковые диски на основе флэш-памяти, что значительно увеличивает надежность системы в целом. 2) Наличие сторожевого таймера. Таймер представляет собой спе- циальное устройство, которое автоматически перезапускает компью- тер в случае, если пользовательская программа по каким-либо причи- нам «зависла». В дальнейшем мы увидим, что подобные возможности могут оказаться весьма полезными в условиях, когда панельный ком-
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 119 пьютер работает круглосуточно, и поблизости нет квалифицирован- ного персонала, способного произвести перезапуск вручную. В принципе, прообразы панельных компьютеров, представлявших собой набор из плоского дисплея и одноплатного компьютера, пред- лагались в бескорпусном исполнении в качестве компонента для из- готовителей комплексного оборудования (OEM) еще несколько лет назад. Однако только в прошлом году накопилась достаточная крити- ческая масса технических и стоимостных показателей всех трех со- ставляющих технологий для появления полностью интегрированных решений. В соответствии с общими принципами производства промышлен- ных компьютеров фирма Advantech предлагает полную линию па- нельных компьютеров с процессорами 386, 486, Pentium MMX и плоскими ЖКИ-мониторами с диагональю от 5,7” (монохромный или цветной двойного сканирования) до 13,8” (цветной TFT) для решения самого широкого круга задач. Гибкая ценовая политика фирмы по- зволяет подобрать панельный компьютер в рамках бюджета разрабатываемой системы. На первый взгляд, панельный компьютер похож на плоский VGA-дисплей. На рис. 2.21 приведены панельные компьютеры РРС-140 и РРС-120. Рис. 2.21 Тем не менее этот плоский «кирпичик» толщиной менее 10 см и весом около 5 кг является полнофункциональным компьютером, оснащению которого могут позавидовать многие «полноразмерные» офисные собратья. В стандартной комплектации РРС-140 оснащается плоским TFT ЖК-дисплеем с диагональю 13,8 дюйма (это соответствует видимому размеру изображения на 15-дюймовом SVGA мониторе) и разреше- нием 1024 х 768 точек. Дисплей может отображать до 256 тысяч цве-
120 Глава 2 тов, имеет широкий угол обзора в 120 градусов. Компьютер имеет ха- рактеристики: • процессор вплоть до Pentium MMX/233 МГц; • память до 128 Мбайт SDRAM; • 2,5" EIDE НЖМД; • Sound Blaster совместимую звуковую подсистему; • 4 последовательных, параллельный и игровой порты; • 2 порта USB; • порт Ethernet 100/10 Base-T. При тестировании, проведенном в лаборатории журнала PC Magazine, РРС-140 с процессором Pentium MMX/200 на тесте ZD Business Winstone 98 показал результат 13,5 балла, что не уступает производительности настольных ПК на аналогичных процессорах. Внешние интерфейсы панельного компьютера приведены на рис. 2.22. • Выключатель питания ----9 Гнездо расширения 1 * е usb ?---• Bhemet 100/10 Base-T @ Клавиатура/мышь Параллельный порт ....< 4СОМ-порта Рис. 2.22 Игровой порт ’ • VR входов/выходов Вход Питания На передней панели компьютера размещены последовательный инфракрасный порт IrDA и 2 динамика, обеспечивающие воспроиз- ведение стереозвука. В наличии также полный набор периферии: два гнезда PCMCIA; 3,5" НГМД; 24-скоростной CD-ROM (рис. 2.23). Возможности панельного компьютера могут расширяться с по- мощью плат половинной длины с шиной ISA или PCI (рис. 2.24). Рис. 2.23 Рис. 2.24
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 121 Панельный ПК имеет порт для подключения внешней клавиатуры и манипулятора мышь. Вместе с тем он может снабжаться сенсорным экраном, обеспечивающим дружественный, интуитивно понятный интерфейс между человеком и компьютером через простое прикосно- вение к изображению искомого объекта или пункту меню. Аналоговый резистивный сенсорный экран имеет ресурс до 30 млн нажатий. Ко всему этому нужно добавить, что несущая конструкция РРС-140 выполнена из высокопрочной стали. Корпус выполнен из ударопрочного и огнестойкого пластика. Степень защиты передней панели от пыли и влаги соответствует требованиям IP-65. В переводе с языка специальных терминов это означает, что передняя панель компьютера полностью пыленепроницаема и выдерживает прямое попадание струи воды. Нетрудно догадаться, что компактный дизайн компьютера обеспе- чивает исключительную гибкость при выборе способа его установки (рис. 2.25). Резонно спросить, а могут ли панельные компьютеры использо- ваться в качестве вашей персоналки дома или на работе? Ответ одно- значен: «Да». Более того, по всей видимости, именно панельные ком- пьютеры являются прообразом того, как будут выглядеть персональные компьютеры будущего, которые по своим функциям, скорее всего, будут представлять некую смесь компьютера, терми- нала Internet и телевизора. Однако пока панельный компьютер стоит дороже своего аналога с ЭЛТ-дисплеем, в связи с чем пока он находит применение там, где ограничено рабочее пространство для размещения обычного ком- пьютера (рис. 2.26), а также там, где беспокоятся о своем престиже или здоровье (в отличие от ЭЛТ-дисплеев, панельный компьютер не испускает вредных излучений). Рис. 2.25 Рис. 2.26
122 Глава 2 Банки, торговля, развлечения, общественное питание, транспорт — это наиболее быстро растущие области применения панельных ком- пьютеров, что связано, в первую очередь, с внедрением новых инфор- мационных технологий во все сферы жизни и деятельности человека. Речь идет о всевозможных справочных информационных автоматах (информаты или информационные киоски), построенных на принципе самообслуживания клиента, а также торговых и игровых автоматах и автоматах для заказа каких-либо товаров и услуг. Существенной особенностью использования в подобных системах панельного персонального компьютера является то, что он практически перестает быть персональным. То есть компьютер устанавливается в публичных местах, где доступ к нему может получить любой желаю- щий. Отсюда видно, что особую важность приобретают защитные свой- ства панельного компьютера (от пыли, трязи, воды). В некоторых слу- чаях требуется применение дополнительных средств по обеспечению «вандалоустойчивости» системы. Оснащение системы сенсорным экра- ном позволяет обеспечивать интуитивно понятный для пользователя ин- терфейс, что особенно важно в случае, если пользователю необходимо получить услуги системы сразу же при первом знакомстве. В некоторых случаях пользователь может не только получить определенную информацию у информата, но и сам ввести какие-либо данные. Например, в помещении банка клиент, не отвлекая операцио- ниста, может не только узнать состояние своего личного счета, но и организовать нужную в данный момент транзакцию. Аналогично вы можете заказать обед в ресторане, сделать ставку в казино или управ- лять системой караоке. Подобные системы на базе панельных ПК, встроенных непосредственно в стол или в другие предметы мебели, успешно эксплуатируются в Австралии и Германии. В тамбурах ваго- нов современных высокоскоростных поездов находятся терминалы, с помощью которых можно получить различного рода информацию, а также заказать железнодорожные билеты. Панельный компьютер является также отличным решением для Intemet-кафе. В торговле, кроме тривиального использования в качестве рас- четно-кассового аппарата, панельные компьютеры находят свое при- менение и в качестве информационно-рекламных терминалов. Так, тайваньская фирма Web Point Information Technology оснас- тила более 1000 небольших розничных супермаркетов информацион- ными рекламными терминалами на базе мультимедийного панель- ного компьютера РРС-120. Использование панельного компьютера позволило в рамках компактной системы демонстрировать видео- и аудио-рекламные ролики, программы кабельного телевидения, а на следующем этапе легко интегрировать эти терминалы в Internet.
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 123 Специализированные системы автоматизации Трудно провести четкую границу, отделяющую этот класс применений о г, скажем, справочно-информационных систем. Основные различия со- стоят в том, что доступ к такого рода системам ограничен, а выполняе- мые ими функции гораздо более ответственны, чем просто выдача спра- вочной информации. Приведем только несколько примеров. Медицина Довольно широко панельные компьютеры могут использоваться в ка- честве компонента медицинских приборов для диагностики и монито- ринга состояния пациента. В этом случае основными преимуществами панельного ПК являются высокое качество изображения, низкий уро- вень вредного электромагнитного излучения плоского ЖК-дисплея и возможность дезинфекции герметичной передней панели. Т елекомму никации Панельные компьютеры могут встраиваться непосредственно в дверцы 19” шкафов, выполняя функции контроля и диагностики установленного в них телекоммуникационного оборудования. Автоматизация зданий Панельный компьютер с успехом применяется в качестве ядра систем управления жизнеобеспечением административных зданий или частных домовладений. При этом из единого центра можно контролировать по- требление газа, воды, электричества, управлять системами отопления, кондиционирования, охранной и пожарной сигнализации. Промышленная автоматизация Можно сказать, что это традиционная сфера применения панельных компьютеров. В последнее время все большее распространение полу- чают распределенные системы управления технологическими процес- сами, создаваемые на базе сетей общего назначения или с использова- нием специализированных промышленных сетей (Fieldbus). Здесь панельные компьютеры могут одновременно являться и управляющими компьютерами, и рабочим местом оператора системы. Дополнительным достоинством в этом случае является герметичность передней панели, что позволяет использовать панельные компьютеры как в условиях грязи и запыленности, так и, наоборот, в «чистых» помещениях в электронной и фармацевтической промышленности.
124 Глава 2 Таблица 2.8 Основные технические характеристики панельных ПК фирмы Advantecti _________ ___________ _______________________ ___________________ Пкйфигнные размеры.мп Ком мерные размеры Панельный компьютер РРС-140 в стандартной комплектации оснащается плоским ТП ЖКИ-дис- ллеем с диагональю 13,8 дюйма (что соответству- ет видимому размеру изображения на 15-дюй- мовом SVGA-мониторе) и разрешением 1024X768точек. Дисплей имеет широкий угол обзора в 120 градусов, яр- г кость подсветки 250 кд/м и на- работку на отказ (MT8F) 50000 ча- сов (для подсветки — 25000 часов). Внеяшай - . F омд РУС-140/120 Дисплей мажет оснащаться аналоговым рези- стивным сенсорным экраном, имеющим ресурс до 30 млн. нажатий, подключаемым к порту COM4. Панельный компьютер РЮ 120 размещается в том же корпусе, что и РРС-140, и оснащен ЖКИ- дисллеем с диагональю 12,1 д юйма и разрешени- ем 800x600 точек. Процессор Память Кэш-память Руровня 512 кбайт НЖМД НГМД Привод CD-ROM Интерфейс PCMCIA Контроллер Ethernet Видеоконтроллер Звуковая подсистема Intel ftntium MMX, 200 МГц(поддерживает до 233МГц) 32 Мбайт SDRAM (поддерживает до 128 Мбайт) Слот распарения Сторожевой таймер Внешние интерфейсы 21 Гбайт 2,5е EIDE НЖМД 3,5” х,44 Мбайт 24-скоростной 2 гнезда Туре 2 или 1 гнездо Туре 3 100/10 Мбит, NE2000 сошестжый С&Т 65555, видеопамять 2 Мбайт I ESS1869, Sound Blaster совместимая 2 динамика на передней панели возможна установка 1 платы с шиной ISA или Ра программируемый с интервалом до 63 секунд 4 4 последовательных порто RS-232 1 универсальный параллельный порт 1 игровой порт 2 порта USB 1 инфракрасный послед вательный порт IrDA 1 SVGA-порт для подключения внешнего монитора УПОРт Ethernet Ю/ЮРМбит____________________ 34X00----------- (1Л.Й-) енншй выдРРС-100/102 Процессор Память Флэш-диск НЖМД Контроллер Ethernet Видеоконтроллер Звуковая подсистема Слот расширения Сторожевой таймер Внешние интерфейсы Модели Р PC-102 является малогабаритным недорогим вариантом панельного компьютера с процессором Pentium MMX. Он выполнен в корпусе размерами 342x265x93 мм и оснащаем ТП* МНИ-дисплеем с диагональю 10,4 дюйма и максимальным разрешением 800x600 или 640x480 точек. Вычислительные возможности PPC-1D2 в основном анало- гичны Р PC-140/120, за исключением отсутствия встроен- ных дисковода НГМД (возможно подключение внешнего), привода CD-ROM, контроллера интерфейса PCMCIA инфра- красного последовательного порта IrDA и динамиков на передней панели. -----315.0$---I (12.4") ZZZZZZZZZ^ размеры Р ;> I О О Панельный компьютер РРС-100 на базе процессора AMD 5x86 133 МГц является оптимальным решением по соотношению «це- на-производительность» для различных приложений. РРС-100 выполнен в том № корпусе, что и РРС-102, м может комплектоваться ЖКИ-дисяяе- ем с активной матрицей с диаго- налью 10,4 дюйма и разрешени- ем 640x480точек или аналогич- ной по размерам матрицей двойного сканирования. Нз РРС-100 также может быть установлен анало- говый резистивный сенсорный экран. AM 0 5x86 133 МГц до 32 Мбайт 512 кбайт 2,1 Гбайт JIS" EIDE НЖМД 10 Мбит, NE2000 совместимый С&Т 65545, видеопакить 1 Мбайт нет программируемый с интервалом 1,6 с 4 4 последовательных порта: 3XRS-232, ixRS-485 1 универсальный параллельный порт 1 SVGA-порт дяя подключения внешнего монитора 1 порт для подключения внешнего НГМД 1 порт Ethernet ЮМбнт 8 каналов дискретного ввода/вывода
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 125 Таблица 2.8 (продолжение) О«жовмы& технические характеристики панельным ПК фирмы Adwaxteeti Сверхкомпактный панельный компьютер для пультов управления РРС-55 оснащен необходи- мым набором функций « интерфейсов, имеет гнездо для подключения модулей расширения в стандарте ₽</104, г также встроенный источник питания с входным напряженней 24 8 постоянно- го тока. ррс-55 комплектуется цветным жки-дис- плеем на матрице двойного сканирования с диа- 80386SX-40 (микроаема ALi МбШВ) до 1« Мбайт может размещаться в корпусе интерфейс для подключения 2 EIBE НЖМД 10 Мбит, NE2000 совместимый С&Т 65545, видеопамять 512 кбайт I нет РС/104 программируемый с интервалом до 60 с Процессор Память Флэш-диск НЖМД Контроллер Ethernet видеоконтроллер Звуковая подсистема Слог расширения Сторожевой таймер внешние интерфейсы г последовательных порта- lxRS-232,1X8S-232/485 1 универсалы»; й параллельный порт 1 порт для подключения внешнего НЖМД W2U&£ffi£US21Sai__________________ гональю 5,7 дюйма и раэреиеиаем 320x240 точек или моншромнын ЖКИ-дисялееи аналоппвюго реэ- мера к может оснащаться резис- ти&ным сенсорным экранам с раз- решением 1024X1024 точки. Ко журчые ря&шфы В частности, на заводе по производству интегральных микросхем фирмы Samsung более 100 панельных компьютеров РРС-100 исполь- зуются в качестве пультов управления технологическим оборудова- нием, находящимся в «чистом» помещении. Панельный ПК может также непосредственно встраиваться в переднюю панель какого-либо прибора или технологического оборудования в качестве устройства управления и отображения данных. Необходимо отметить, что мощные мультимедийные возмож- ности панельных ПК в сочетании с удобством использования сенсор- ного экрана предоставляют разработчику системы управления воз- можность создания человекомашинных интерфейсов нового поколения, максимально облегчающих и упрощающих труд опера- тора и сокращающих затраты на его профессиональную подготовку. Основные характеристики панельных ПК приведены в таб- лице 2.8. 2.9. Интегрированные системы управления Эффективное управление современным предприятием основано на ин- теграции информационных ресурсов предприятия в целом — от уровня низовой автоматики до уровня планирования и управления произво- дством и доступности этой информации на всех уровнях принятия ре- шений.
126 Глава 2 Интегрированные системы управления — это системы, основан- ные на общедоступной информации со всех уровней управления и реа- лизующие функции достижения общей цели с учетом многокритери- альной оценки деятельности предприятия и возможных ограничений. Сбор, обработка и хранение всей информации осуществляется, как правило, на нескольких резервированных серверах реального времени. В них разнородная информация от различных систем (ПЛК, SCAD A, DCS, модулей ввода-вывода и пр.) переводится в вид, удобный для представления пользователям, к числу которых могут быть отнесены службы: • главного технолога, • главного метролога, • сбыта и снабжения, • учета и планирования, • руководителей подразделений и предприятия в целом. Первоначально для создания подобных систем, получивших на- звание корпоративных информационных систем, использовались технологии реляционных баз данных (Oracle, Microsoft SQL Server, DB2 и др.). Однако с увеличением объема и скорости изменения ин- формации реляционные БД оказались не в состоянии получать ин- формацию в том же темпе, в котором она поступает от современных источников информации (десятки тысяч данных за доли секунды). Отсюда возникла необходимость создания специализированных кор- поративных информационных систем реального времени. Поскольку за рубежом и в России за последние 20 лет создано дос- таточно много различных систем управления производством и дея- тельностью предприятия, остановимся на терминологии, назначении и месте этих систем в общей структуре управления предприятием. Иерархия систем управления в упрощенной форме с позиции об- щепринятых понятий приведена в таблице 2.9. К настоящему времени все крупные компании-разработчики аппа- ратного и программного обеспечения АСУ ТП выпустили пакеты ПО комплексной (полной) автоматизации производства. Это или отдель- ные интегрированные пакеты, работающие независимо от типа уста- новленной SCADA-системы, или клиентские приложения к ранее вы- пущенным SCADA-системам. К полномасштабным системам управления производством отно- сятся: • Plant Information System (PI System) фирмы OSI Software (США); • «Орбита» фирмы «ПЛК-системы» (Россия); • PCS7 фирмы Siemens (Германия) и ряд др.
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 127 Таблица 2.9 Тип системы Название сис- темы Примеры СИС1СМ Уровень иерархии ERP-системы (MRP-системы) СРМ-системы <q Enterprise Resource Planning Manufacturing Resource Planning Corporate Perfomance Management Systems «PROTEAN», «ОптиМет» Галактика, Парус, SAP R/3 «Comshare МРС» Бизнес- уровень MES-системы ЕАМ-системы Cepj реаль врем вер .но ген > го и Manufacturing Execution System Enterprise Asset Management PI System, Орбита, Plant2Business, Simatic PCS7, T-Factoiy 6 Avantis.Pro Админи- стративный уровень SCADA- системы ф Supervisory Control And Date Acquisition InTouch, Genesis32, iFIX, Real Flex, Trace Mode и др. Диспетчер- ский уровень DCS Distributed Control Systems (Распределен- ные системы управления) TDC-3000, Centronics, МСКУ, Техноконт, УНИКОНТ и др. Уровень АСУТП Фирма Wonderware (США) разработала интегрированный пакет полной автоматизации производства Factory Suite, компонентом ко- торого является InTrack-система оперативно-диспетчерского управ- ления материальными потоками и производственными запасами. Фирма Intellution (США) разработала программный пакет про- мышленной автоматизации iHistorian, поддерживающий концепцию построения информационно-управляющих систем производства Plant Intelligence.
128 Глава! ERP-системы (системы планирования ресурсов) предприятия яв- ляются системами прогнозирования развития предприятия, его эво- люции в плане долгосрочного прогноза на основе анализа деятель- ности предприятия за определенный промежуток времени. Под ресурсами предприятия понимаются его финансовые, сырьевые, ма- териальные ресурсы и готовая продукция. Примерами ERP-систем служат системы: • Protean, • ОптиМет, • «Галактика» компании Галактика (Россия), • Парус, • SAP R/3 компании SAP AG (Германия) и др. К одной из модификаций этих систем относят СРМ-сисгемы (системы управления эффективностью бизнеса). Примером СРМ-систем может служить система COMSHARE МРС фирмы «COMSHARE Inc.» (США). Уровень иерархии ERP- и СРМ-систем принято называть бизнес-уровнем. К настоящему времени ERP-системы активно внедряются на пред- приятиях России и за рубежом. Эти системы управляют матери- ально-производственными ресурсами предприятия, планированием производства, снабжением, прогнозируют технологические, энерге- тические и другие показатели работы предприятия. Предшественником ERP-систем были MRP-системы. Стандарт «MRPI1 Standard System» (MRP — Manufacturing Resource Planning) определяет функции: • планирования продаж и производства; • управления спросом; • планирования материальных ресурсов; • управления запасами и продажами; • управления производственными операциями; • управления финансами и др. На основе MRP-систем сформировались помимо ERP-систем также • CRP-системы (планирование потребности в производствен- ных мощностях), • DRP-системы (планирование спроса и предложений). СРМ-системы осуществляют функции планирования, в том числе составления бюджета, контроля и учета, расчета себестоимости продукции и др. По сути, это системы управления эффективностью бизнес-процесса. Наибольшее развитие в последние годы получили MES-системы (системы управления производственным процессом), призванные
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 129 обеспечить необходимой для управления технологической информа- цией производственный и руководящий персонал (диспетчерские и технические службы, руководители подразделений). Традиционно этому уровню иерархии соответствуют АСОДУ — ав- томатизированные системы оперативно-диспетчерского управления. Толчком к развитию MES-систем стали успехи PI System — информа- ционной системы предприятия фирмы OSI Software, предназначенной для сбора и унификации информации на центральном сервере системы. К системам этого класса относятся, кроме PI System, информационно-управляющая система «Орбита» (ЗАО «ПЛК-сис- темы»), Plant2Business фирмы CiTechnologies и др. MES-системы относят к классу общепромышленных систем управления дискретными и непрерывными производствами в мас- штабе самостоятельного подразделения (крупного цеха, завода в со- ставе фирмы или корпорации). Ввиду наличия функций сбора инфор- мации и управления у MES-систем, эти системы по сведениям разных источников, именуют: • информационно-управляющими системами (ИУС); • интегрированными системами управления (ИСУ); • информационными системами управления предприятием (ИСУП); • информационными системами производства (ИСП) и пр. Одной из составляющих MES-систем являются ЕАМ-системы (системы управления основными фондами). ЕАМ-система предназна- чена для комплексной автоматизации процессов эксплуатации, техни- ческого обслуживания и ремонта оборудования в режиме РВ, включая связанные с этим функции снабжения и ведения складского хозяйства предприятия. Примером ЕАМ-системы служит система Avantis.Pro. Постоянное расширение функций MES-систем, разработчиками кото- рых выступают крупные фирмы, размывает границы между MES-сис- темами и ERP-системами, находящимися на более высоком уровне. Отметим влияние программируемых контроллеров на эффектив- ность работы ERP- и MES-систем. Прежде всего это возможность представления данных о процессе в реальном масштабе времени на сервер административного уровня (уровень информационной системы производства). Эти данные могут передаваться непосредственно от контроллеров или SCADA-систем при распределенной клиент-серверной архитектуре связи. Другим требованием обеспечения доступа данных на уровень управления производством является наличие надежных интерфейсов связи, основанных на современных технологиях (ОРС, Modbus, Ethernet и др.), и соответствующих коммуникационных портов.
130 Глава 2 Также для повышения надежности и достоверности передавае- мой информации необходимо предусмотреть меры по защите ин- формации и резервированию программно-аппаратных средств сис- темы (серверов, линий связи, контроллеров, модулей ввода-вывода и пр.). ERP-системы Система Protean Protean—это система для крупных предприятий химической, фармацев- тической и др. отраслей промышленности с непрерывным циклом производства. Система включает модули, отвечающие за производство, управление финансами, составление рецептур, управление мате- риально-производственными запасами, снабжение, планирование, со- ставление графиков, расчет себестоимости продукции и управление за- казами. Protean работает на платформе таких СУБД, как Oracle, Microsoft SQL Server, DB2 на платформе AS/400. Protean, разработанный для Microsoft Windows, поддерживает технологию OLE, обеспечивает интеграцию с приложениями, электронными таблицами, электрон- ной почтой, системами автоматизации документооборота. Производственный модуль служит для управления технологичес- кими процессами с учетом возможных колебаний качества сырья и параметров процессов. Функция Schedule Management позволяет со- ставлять графики работ и контролировать выполнение планов произ- водства, а функция Schedule Activity Reporting позволяет составлять отчеты по различным видам деятельности предприятия, в том числе по затратам, производственным потерям и др. Модуль планирования предназначен для улучшения качества об- служивания клиентов, наиболее полного удовлетворения их требова- ний путем оптимизации производственных графиков, которые можно просмотреть благодаря функции Resource Scheduling и внести необ- ходимые изменения в поставки сырья и материалов. Модуль калькуляции издержек производства позволяет контроли- ровать себестоимость продукции на всех этапах ее производства. Функция Cost Modeling оптимизирует работу предприятия по крите- рию максимальной рентабельности. Модуль управления снабжением призван автоматизировать опе- рации снабжения в соответствии с полученными заказами. Особен- ностью подсистемы является наличие каталогов необходимой про- дукции (сырья, материалов, запасных частей, упаковки и пр.) в реальном масштабе времени.
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 131 Система «ОптиМет» ЗАО НТЦ «ЛАГ Инжиниринг» (Россия) Система «ОптиМет» предназначена для расчетов и прогнозирования технологических, экономических и экологических показателей приме- нительно к структуре металлургического производства. В качестве кри- териев оптимизации приняты: • минимум себестоимости товарной продукции; • минимум потребления энергетических ресурсов; • максимум прибыли и минимум дефицита бюджета; • минимум вредного воздействия на окружающую среду. Система основана на глобальной математической модели метал- лургического производства, включающей нелинейные модели про- цессов — коксохимического, доменного, агломерационного, конвер- торного и др. «ОптиМет» позволяет выполнить сквозной расчет всех производств от получения сырья до выпуска готовой продукции. Оптимизация сырьевой структуры предполагает разработку стра- тегии закупки сырья, определяемую данными корреляции стоимости и качества сырья у различных поставщиков. Оптимизация структуры производства определяется расчетом оптимальной загрузки коксохимического, доменного и агломераци- онного производств, перераспределением производства чугуна, стали и проката в зависимости от конъюнктуры рынка и оптимального со- отношения цены и себестоимости проката. Снижение энергоемкости производства осуществляется за счет повышения эффективности работы оборудования, применения энер- госберегающих технологий, снижения энергопотребления и устране- ния необоснованных потерь. Снижение вредного воздействия на окружающую среду осуще- ствляется за счет расчета экономической оценки ущерба от вредных выбросов и принятия мер к их снижению. Расчет и планирование эко- номических и финансовых показателей металлургического произво- дства включает расчет себестоимости продукции, сметы затрат, фор- мирование портфеля заказов, программы закупок сырья, финансовый анализ производства за прошедший период и на перспективу. Система «ГАЛАКТИКА» корпорации ГАЛАКТИКА (Россия) Комплексная информационная система (КИС) «ГАЛАКТИКА» является многопользовательской сетевой системой управления деятельностью предприятия, направленной на решение задач планирования, оператив- ного управления, учета, контроля и анализа деятельности предприятия. Система поддерживает наиболее распространенные серверные платформы — Pervasive SQL, MS SQL, Oracle. К основным принци-
132 Глава 2 пам построения системы относятся открытость, модульность, уни- версальность и адаптируемость, корпоративность и др. В состав системы «ГАЛАКТИКА» входят: • контур управления финансами (управление бюджетом, платеж- ный календарь, финансовый анализ); • контур управления персоналом (управление кадрами, заработ- ная плата); • контур бухгалтерского учета (финансово-расчетные и кассовые операции, учет основных средств и материальных ценностей, налоговые регистры, финансовая и бухгалтерская отчетность, векселя и кредиты, фактические затраты); • контур логистики (управление снабжением и сбытом, склад- ской учет, расчеты с поставщиками и получателями, управле- ние договорами); • контур управления производством (управление заказами, тех- нико-экономическое планирование, техническая подготовка производства, учет материальных ценностей, техническое об- служивание и ремонт оборудования); • контур отраслевых и специализированных решений (управле- ние автотранспортом, капитальным строительством, реклам- ной деятельностью; претензионно-исковая работа; розничная торговля, сервисное обслуживание и др.). КИС «ГАЛАКТИКА» ориентирована на управление предприяти- ями в различных отраслях промышленности. К другим ERP-системам относятся «Oracle Application» компании Oracle, «BAANIV» компании Ваап и др. СРМ-системы Система COMSHARE МРС компании COMSHARE Inc. (США) COMSHARE МРС представляет собой систему бюджетирования, управ- ленческого планирования и контроля. Система COMSHARE МРС позво- ляет заменить обработку финансовой информации, выполняемую с по- мощью таблиц Excel, системой централизованного ввода и обработки данных. Данную систему относят к классу систем управления эффектив- ностью бизнеса. Такие системы позволяют автоматизировать процессы составления бюджета (бюджетирования), планирования, финансового анализа и управленческой отчетности, подчинив их стратегическим за- дачам развития предприятия. Хотя СРМ-системы являются дополнением ERP-систем, внедре- ние их на предприятии должно быть первоочередным. Это вытекает из необходимости оптимизации не только процессов бюджетирова- ния, но и стратегического прогнозирования.
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 133 MES-системы Рассмотрим краткие характеристики наиболее распространенных MES-систем. PI System (Plant Information System) фирмы OSI Software (США) Это универсальная информационная система сбора, хранения и пред- ставления в едином формате данных от различных ПЛК, DCS, SCADA-систем, устройств ручного ввода и пр. PI System поддерживает клиент-серверную архитектуру. Клиентское программное обеспечение (ПО) базируется на ОС Windows 9x/NT/2000/XP. Основным компонен- том системы является PI Server — база данных реального времени (БД РВ) с подсистемой обработки данных. PI System (рис. 2.27) имеет свыше 250 интерфейсов для связи с DCS, ПЛК и SCADA-системами. В ПО клиентских приложений PI System входят следующие компоненты: • PI DateLink — выводит данные из архива PI System в элект- ронную таблицу Microsoft Excel; Рис. 2.27
134 Глава 2 • Pl Process Book — построение мнемосхем с параметрами про- цесса, графиков, диаграмм; • PI Batch View—просмотр и анализ периодических процессов; • PI АСЕ — анализ производительности и эффективности про- цесса в реальном времени; • PI ICE — создание интерактивных мнемосхем для просмотра любым Web-браузером; • Sigma Fine — анализ работы измерительных устройств. Информационно-управляющая система «Орбита» «Орбита» (рис. 2.28) разработана компанией «ПЛК Системы». Она отно- сится к классу MES-систем и предназначена для непрерывных и непре- рывно-дискретных производств преимущественно в горнодобывающей, металлургической, химической, нефтегазовой отраслях промыш- ленности, а также в теплоэнергетике. В системе использованы про- граммные продукты корпорации Wonderware (InTouch, Active Factory, SuiteVoyager, InSQL), а также MS SQL и MS Excel, пакет Avantis. Система включает разнообразные базы знаний — регламентов вы- полнения и учета производственных операций, имеет модульную структуру, базируется на концепции рациональной автоматизации для конкретного предприятия с достигнутым уровнем автоматизации. Рис. 2.28
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 135 Система «Орбита» состоит из следующих функциональных моду- лей: • «ЖДЦ» — информационно-диспетчерская система железнодо- рожного цеха. Характер информации: сведения о незавершен- ном производстве на путях и о потоках сырья и продукции; • «Хим. анализы» — информационная подсистема химической лаборатории. Характер информации: сведения о химических и физических параметрах материалов; • «ТЭП» — контроль технико-экономических показателей. Ха- рактер информации: текущие и плановые значения технологи- ческих и технико-экономических показателей; • «Балансы» — ведение балансов для анализа производства. Ха- рактер информации: динамика дебалансов и факторов, их обра- зующих; • «НЗП» — мониторинг незавершенного производства. Характер информации: динамика изменения незавершенного произво- дства и факторов, ее образующих; • «Резервуары» — мониторинг резервуарного парка. Характер информации: сведения о незавершенном производстве на скла- дах, их входах и выходах; • «Метрология» — планирование, учет, ремонт, поверка средств измерений и контроля. Характер информации: сведения о со- стоянии действующих приборов и ходе ремонтных и повероч- ных работ. Основой обработки и хранения данных в режиме РВ являются сер- веры — MS SQL Server и Industrial SQL Server. Система PlantZBusiness Solution компании Ci Technologies Система Plant2Business Solution обеспечивает представление технологи- ческой информации любому пользователю системы в реальном времени. В семейство Plant2Business Solution входят следующие программные средства: • Plant2Business Server; • Plant2NET; • Plant2Pocket. Компонент PlantZBusiness Server, являющийся основой Plant2Business Solution, взаимодействует co SCADA-системами Citect и FIX, базами данных реального времени Oracle и Microsoft SQL Server, используемыми для хранения конфигурационных и техноло- гических данных. Для интеграции с MS Word, Excel, Access, Internet Explorer и др. используются открытые технологии типа MS ActiveX.
136 Глава 2 В состав Plant2Business Server входит ряд клиентских приложений, настраиваемых в соответствии с требованиями пользователя, в том числе тренды (графики), алармы (тревоги), данные для встраивания в электронные таблицы. Plant2Business Server имеет встроенные средства резервирования с возможностью переключения с основного сервера на резервный и средства защиты информации. Конфигурирование и администрирование Plant2Business Server осуществляется с помощью Plant2Business Server Manager. PlantlNET на основе Plant2Business Server, используя современ- ные Web-технологии, способен доставить информацию пользова- телю в любой точке системы. Plant2NET имеет встроенный анализа- тор тревог для наблюдения за событиями на производстве и их диагностики. Данные выводятся в виде трендов, номограмм, диаг- рамм или таблиц. PlantZPocket предназначен для доступа к технологической и опе- ративной информации с помощью средств беспроводной связи, осно- ванной на современных стандартных технологиях. Simatic PCS7 Simatic PCS7 это интегрированная система управления процессом про- изводства фирмы Siemens, Германия. Отличительные особенности системы: • открытая модульная система (используются интерфейсы DDE, ОРС, ODBC, SQL); • гибкость и масштабируемость системы; • возможность резервирования модулей системы, в том числе ПЛК, сетей, устройств ввода-вывода и системы HMI; • соответствие международным стандартам, таким как Ethernet, TCP/IP, ОРС для обмена данными с корпоративным уровнем управления; • наличие модульного программного пакета BATCH flexible для автоматизации дискретных рецептурных процессов, сопрягае- мого с SAP R/3. Система обеспечивает горизонтальную и вертикальную интегра- цию предприятия — от уровня датчиков до уровня управления пред- приятием. Коммуникация в системе Simatic PCS7 основана на стандартах Simatic Net, Industrial Ethernet, Fast Ethernet и Profibus. В качестве ОС используется Windows NT. Для настройки системы PCS7 применя- ется Simatic-менеджер от STEP 7, а в качестве языка программирова- ния по стандарту IEC 61131-3 используется язык SFC. Для разработки
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 137 интерфейса операторской станции используется графический ре- дактор WinCC. Система PCS7 оперирует преимущественно с контроллерами Simatic S7-400 с интерфейсом шины Profibus-DP. ПЛК подсоединя- ется к системной шине через Industrial Ethernet. Для высокоскорос- тной передачи данных в системах с требованиями безопасности при- меняется Fast Ethernet (100 Мбит/с) с резервированной кольцевой структурой и физической средой — оптоволокно. Программное обеспечение Simatic PCS7 включает интерфейс @aGlance и сервер @PCS7 @aGlance, обеспечивающий доступ к дан- ным технологического процесса для различных приложений в любое время, в том числе через сети Internet /Intranet. InfoPlus.21 — информационная система управления в режиме РВ интегрирована с системой Simatic PCS7. Система «T-Factory 6» компании AdAstra Research Group (Россия) Программный продукт T-Factory 6 предназначен для автоматизации бизнес-процессов. T-Factory 6 относится к классу MES-систем. Он при- зван решать задачи учета производственных затрат, сырья и энергии, учета простоев оборудования, расчета себестоимости оборудования и другие задачи. Достоинством системы является ее интеграция со SCADA-системой Trace Mode 6, при разработке которых используется технология автопостроения. Как ранее отмечалось, SCADA-система Trace Mode 5 ориентиро- вана на работу с PC-совместимыми контроллерами, а при работе в сети Ethernet использует набор протоколов стека TCP/IP. Разработка про5кта АСУ ТП со SCADA-системой Trace Mode 6 служит основой ее интеграции с MES-системой T-Factory 6. Модули T-Factory 6 обес- печивают управление производственными заданиями (функции MES-систем), учет и техническое обслуживание оборудования (функции ЕАМ-систем) и управление человеческими ресурсами (HRM — Human Resources Management). Модуль ЕАМ обеспечивает учет и техническое обслуживание, по- лучение и анализ информации об отказах оборудования, учет затрат энергоресурсов. Модуль HRM T-Factory 6 контролирует кадровый состав предпри- ятия, организационные структуры предприятия, цеха, участка, позво- ляет грамотно планировать трудовые ресурсы для выполнения кон- кретных задач. Наиболее ответственным в системе является MES-модуль, в кото- ром интегрируется вся информация от АСУ ТП и модулей ЕАМ и
138 Глава 2 HRM. Модуль MES позволяет рассчитать сроки выполнения заказов и корректировать их в режиме РВ, рассчитать и корректировать се- бестоимость продукции, рассчитать необходимые для выполнения задания ресурсы (материальные, финансовые, кадровые), а также обеспечивает передачу информации в ERP-систему предприятия. Для хранения данных о ходе технологического и производствен- ного процессов используется единая СУБД реального времени SIAD6. Предусмотрено «горячее» резервирование серверов БД, за- щита от несанкционированного доступа. Данные о технологическом процессе поступают в T-Factory 6 из МРВ Trace Mode, а с верхнего бизнес-уровня — от операторских станций, Web-серверов, по GSM-каналам. T-Factory 6 содержит бесплатную инструментальную среду для разработки и проверки полнофункционального проекта (до покупки лицензии с ограничением времени непрерывной работы). ЕАМ-системы Система Avantis.Pro компании Wonderware. ЕАМ-система Avantis.Pro представляет собой корпоративную систему управления основными производственными фондами. Система предназначена для комплексной автоматизации процессов эксплуатации, технического об- служивания и ремонта оборудования, включая функции снабжения и складского учета. Основные функции системы Avantis.Pro: • управление технологическими объектами (оборудование, ли- нии, завод и др.); • паспортизация (инвентаризация) основных фондов; • управление ремонтными работами и планово-предупредитель- ным техническим обслуживанием; • управление снабжением; • управление складским хозяйством и материально-технически- ми ресурсами. Для реализации вышеперечисленных функций система Avantis.Pro состоит из ряда модулей: «Управление работами», «Склад», «Снабжение» и др. Наличие базы данных по всем техноло- гическим объектам позволяет решить задачи по инвентаризации и паспортизации основных фондов. Модуль управления ремонтными работами предоставляет операторам всю необходимую информацию по ремонтно-профилактическим работам с оборудованием. Интегра- ция с модулями «Снабжение» и «Склад» гарантирует наличие запасных частей и материалов для ремонта.
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 139 Функция планово-предупредительных ремонтов (ППР) способна автоматически генерировать наряд-заказы на ремонтные работы ис- ходя из заданных пользователем критериев, основанных на статисти- ческих данных, суммарном времени работы оборудования, времен- ных интервалах и пр. Avantis.Pro может быть интегрирована с пакетом Factory Suite компании Wonderware для оперативного сбора данных с цехового уровня в реальном времени. Результатом этого яв- ляется выработка упреждающего технического обслуживания на основе математического анализа временных рядов параметров про- цесса, характеризующего скрытые тенденции в состоянии оборудо- вания. Благодаря автоматическому контролю операций пуска, останова, срабатывания блокировок и превышения параметров процесса сис- тема обеспечивает персонал сведениями по технике безопасности, обеспечивая повышенную безопасность персонала. Модуль «Склад» служит для управления складским хозяйством и материальными ресурсами для обслуживания оборудования, мини- мизации необходимых запасов, ведет учет комплектующих, их при- емку и складирование, инвентаризацию и отпуск. Модуль «Снабжение» предназначен для минимизации стоимости закупок больших объемов материально-технических средств, обра- ботки заказов на поставку, поступлений на склад и пр. В целом система Avantis.Pro способствует повышению эффектив- ности работы предприятия и лучшему использованию производ- ственных фондов. LIMS-системы Система LIMS (Laboratory Information Management System — система управления лабораторной информацией) эго система сбора, обработки и хранения лабораторных данных производства. Сюда относят данные анализов проб, физико-химического состава сырья, замеры различных параметров (плотности, pH, температуры и пр.). Помимо этого в задачи LIMS входит: • фиксировать запросы на выполнение лабораторных анализов; • фиксировать невыполненные заказы; • печатать аналитические данные и результаты анализов; • обеспечивать защиту данных от несанкционированного досту- па и др. Система формализует процесс взятия проб, обработки и хранения аналитической информации. Для этого в системе «LabWare LIMS» введены понятия «образец», «тест», «анализ», «результат», «отчет» и
140 Глава 2 др. Одной из функций системы LIMS является автоматическое плани- рование работ и генерация отчетов в виде временных графиков, кото- рые контролируют процесс лабораторных анализов. Для конфигурирования и настройки системы используются ме- неджеры проектов, таблиц, партий и др. По принципу построения рассматриваемая LIMS является клиент-серверной системой, работа- ющей в среде Windows 95/98/2000. В качестве БД используется лю- бая БД, расположенная на сервере или любом компьютере сети. LIMS интегрируется как со SCADA-системами, так и с системами верхнего уровня (MES- и ERP-системами), а также использует Web-техноло- гии для связи с удаленными пользователями. Для генерации отчетов может использоваться пакет Crystal Reports. В дальнейшем отчеты могут экспортироваться в форматы Word, Excel, Text и др., а также рассылаться по электронной почте. Общую структуру интегрированной системы управления пред- приятием можно представить в виде рис. 2.29. Рассмотрим подробнее аппаратные серверы различной вычисли- тельной мощности для хранения и обработки данных, находящиеся на верхних уровнях иерархии распределенной системы управления (РСУ). MS Office Applications Клиентские приложения ERP системы Административный уровень Коммуникационный сервер SQL Server реального времени Диспетчерский уровень Операторские Ethernet станции Контроллерный уровень Рис. 2.29
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 141 Серверы баз данных Возросший объем информации, охватывающий все уровни иерархичес- кой структуры предприятия, включая производственную, хозяйствен- ную, финансовую и др. виды деятельности предприятия, предъявляет по- вышенные требования к устройствам хранения, обработки и обмена данными. Эти задачи возлагаются на компьютеры с большими вычисли- тельными ресурсами — серверы. Концепция сервера основана на использовании одного или не- скольких компьютеров для решения специфических задач — хране- ния, обработки, преобразования информации, печати и др. для неко- торого числа других компьютеров (рабочих станций). Сервер локальной вычислительной сети это файл-сервер, предоставляющий доступ к общему дисковому пространству. К при- кладным серверам относят сервер баз данных, сервер печати, сервер резервирования, факс-сервер и др. Сервер может быть выделенным или совместно используемым, централизованным или распределенным. Выделенный сервер имеет более высокую производительность и более надежную защиту данных, но является более дорогостоящим. Сервер совместного использования. Его производительность ниже из-за более частых прерываний операционной системы при об- служивании ряда пользователей. Централизованный сервер подразумевает использование одного компьютера для выполнения сервисных функций, что делает его на- дежность выше, чем у распределенного сервера. В зависимости от вычислительной мощности серверы подразделя- ются на следующие типы: • сервер рабочих групп; • сервер подразделения (отдела); • сервер предприятия; • корпоративный сервер; • Internet-сервер (Web-сервер). Встречается деление серверов на • серверы начального уровня (класса); • серверы среднего уровня; • серверы высшего уровня. Различные типы серверов приведены на рис. 2.30, а, б, г, б. Сервер рабочих групп (сервер начального уровня) используется для сетевой печати, управления файлами и удаленного доступа по сети. Сервер подразделения (сервер среднего уровня) служит для организации работы приложений для нескольких рабочих групп, электронной почты, поддержки работы удаленных подразделений.
142 Глава 2 Рис. 2.30. а — система хранения данных SUN Storage ТЗ компании Sun Microsystems; б—серверная платформа Intel SRSH; в — сервер предприятия; г — серверный корпус Intel SC5200; д — Blade-сервер Сервер предприятия — мощный сервер для управления пред- приятием в целом. Он эффективен при формировании кластеров и от- казоустойчивых вычислительных систем. Поддерживает работу ERP, CRM, ЕАМ и других систем верхнего уровня. Корпоративный сервер — мощный сервер для работы с боль- шими базами данных, приложениями сложных информационных систем и Web-приложений. Он эффективен при формировании клас- теров и отказоустойчивых вычислительных систем. Internet-сервер (сервер Internet-приложений) эффективен при ра- боте со сложными Web-приложениями, требующими непрерывной работы с высокой производительностью.
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 143 Основные требования, предъявляемые к серверам: • возможность наращивания дискового пространства и вычисли- тельной мощности (до сотен терабайт); • высокая надежность хранения данных; • защита данных от несанкционированного доступа и др. Отличительными особенностями серверов являются: • многопроцессорность (до 16 процессоров, в том числе RISC-процессоров с поддержкой режима многопроцессорной обработки); • большой объем HDD-памяти (многомодульность памяти) — 250 ГБ и больше, а также кэш-памяти (до 8 МБ и больше); • многоуровневая шинная архитектура; • поддержка RAID-технологии дисковых массивов. Транзакционная производительность сервера по тесту ТРС-С изме- ряется в единицах tpmC (примерно 60000 для сервера среднего класса). Для накопления и обработки больших массивов информации су- ществуют сетевые хранилища данных, удовлетворяющие следую- щим требованиям: • возможность быстрого доступа к данным по сети; • возможность резервирования хранимой информации в усло- виях сбоев и сетевых помех; • управление массивами независимо от платформ и конфигура- ций вычислительных систем; • использование высокоскоростной шины PCI-Х и др. Среди фирм, выпускающих серверы различной производитель- ности и назначения, отметим компании Intel, Hewlett-Paccard, Compaq, TCP Electronics Inc., 1-0 Data, Sun Microsystems и др. Серверы компании Hewlett-Paccard обладают рядом функциональ- ных достоинств, среди которых функции предотвращения отказов, мас- штабирования ресурсов и функции удаленного управления ресурсами. Компания Hewlett-Paccard выпускает серверы: • начального уровня — HP L1000 и L2000; • среднего уровня — HP N4000 (на замену НР9000), NetServer LH6000 и LT6000; • серверы разработки Web-приложений — WebSphere Applica- tion Server. Сервер HP N4000 — на базе 8-ми RISC-процессоров РА8600 (Precision Architecture RISC). Серверы LH6000 и LT6000 — 6-процессорные серверы на базе Xeon РШ фирмы Intel. Новые серверы фирмы Hewlett-Paccard А400 и А500.
144 Глава 2 Сервер А400 — на базе одного процессора РА8500 440 МГц, А500 — на базе двух процессоров РА8500 440 МГц и РА8600 552 МГц. Фирмой выпущены сверхплотные (blade) серверы в виде отдель- ной платы с возможностью «горячей» замены. Blade-серверы реали- зуют переход от концепции множества территориально распределен- ных серверов к единому центру обработки, где каждый сервер выполняет свои функции. Линейка blade-серверов компании Hewlett-Paccard HP ProLiant BL используется в корпоративных вычислительных центрах. Новое поколение серверов HP ProLiant BLIOe, BL20p и BL40p по- строено на базе процессоров Intel Xeon MP 400 МГц. Так, blade-сер- вер HP ProLiant BL40p имеет 4 процессора 400 МГц, ОЗУ — 12 ГБ. При подключении к системе SAN HP Storage Works при обслужи- вании ERP- и CRM-систем емкость систем хранения данных может быть увеличена до сотен терабайт. Компания ICP Electronics Inc. выпускает серверы серии NAS, представляющие собой сетевые хранилища данных. Они должны удовлетворять следующим требованиям: • возможность быстрого доступа к данным; • резервирование хранимой информации; • управление массивами данных независимо от платформ и кон- фигураций компьютера. Серверы NAS используют ОС Linux, но поддерживают файлы раз- личных ОС и сетевых протоколов, имеют возможность резервного копирования, надежную защиту данных. Фирма Compaq выпускает 4-х процессорные серверы ProLiant 6500 на базе процессоров Pentium III, ОС — Windows NT и др. Серверы начального уровня PRIMERGY серии ТХ и RX выпус- кает компания Fujitsu Siemens Computers. Серверы серии ТХ150 с процессором Intel Pentium 4, ТХ — 2 про- цессора Intel Xeon, ТХ300 — 2 процессора Intel Xeon выполнены в на- польном исполнении. Серверы RX100, RX200 и RX300 используются в качестве Web-серверов и выполнены в шкафном исполнении. Так, сервер RX300 имеет шесть жестких дисков с возможностью их «горячей» за- мены, а также ОЗУ 12 ГБ с функцией «горячей» замены. Компания 1-0 Data выпускает сетевой накопитель типа HDL-xxxU различной емкости: • HDL 120U имеет емкость 120 Гбайт, HDL 160U — 160 Гбайт; • HDL 250U имеет емкость 250 Гбайт. Все накопители работают под управлением ОС Windows 98/ME/NT/2000/XP.
Основные типы человекомашинного интерфейса, промышленные компьютеры 145 Компания Sun Microsystems производит сервер начального уровня NETRA XI, монтируемый в 19” стойку (высота сервера— Ш). В сервере использованы компоненты: • 64-разрядный процессор UltraSPARC с тактовой частотой 500 МГц, • кэш-память 32 байта, • ОЗУ — 2 Гбайта, • НЖМД —2 х 20 Гбайт, • коммуникационные порты: 2 — Ethemet/Fast Ethernet, 2 — RS-232C/RS423,2 - USB v. 1.0, • ОС Solaris 8. Компания Sun Ultra Enterprise выпускает модели серверов 150, 450, 3000, 4000, 5000, 6000 и 10000. Серверы имеют от одного до 64 процессоров (серия 10000), па- мять до 64 Гбайт. Эта же компания выпускает систему хранения дан- ных масштаба предприятия SUN Storage ТЗ для рабочей группы. Используя последние достижения RAID-технологии, система позво- ляет наращивать базу хранения данных. Хранилище данных состоит из модулей, вмещающих по 9 дисководов емкостью 18, 36 и 73 Гбайта. Общая емкость одной мон- тажной стойки из 72 дисководов — от 1,3 до 5,2 терабайт, а системы из 32 монтажных стоек — от 41,5 до 168,2 терабайт. Система SUN Storage ТЗ имеет RAID-контроллер, кэш-память 256 Мбайт, порт RS232C, ОС Solaris 7 (8). Российской фирмой «ВИСТ» выпускается большая линейка сер- веров по технологии Intel. К их числу относятся: • серверы типа Netline о СС2 (архив), □ СС2АТА (архив), □ CS2 (архив), о WC2e, п WC2eATA, □ WS2 (архив), о WS2e; • серверы типа V-Pro □ АН2 (архив), о DH2 (архив), □ WCle (архив), □ WPle;
146 Глава 2 • серверы типа Х-Рго о VH2e, о ВН2е, о СН2 (архив), □ СН2е, □ НН2 (архив), □ НН2е, □ SC4, □ SD4. К примеру, сервер Netline-WC2e имеет: • 2 процессора Intel Хеоп с тактовой частотой 400/533 МГц; • кэш — 512 кбайт; • флэш — 8 Мбайт; • общая емкость системы—286 Гбайт (2 HDD емкостью 143 Гб); • корпус Rack Mountable для монтажа в 19” стойку (высота серве- ра 1U). Сервер имеет функции диагностики и автоматического устране- ния неисправностей (автоматические коррекция ошибок памяти и от- ключение неисправного процессора, автоматическая перезагрузка при выключении системы или зависании ОС). При нарушениях осуществляется автоматическая рассылка сооб- щений по SNMP, E-mail, регистрация событий и индикация состоя- ний системы. Темы для самостоятельной проработки 1. Промышленные компьютеры фирмы ADVANTECH. 2. Рабочие станции. 3. Панельные компьютеры. 4. Модульные промышленные компьютеры. 5. Процессорные платы. 6. Одноплатные компьютеры для встраиваемых применений. 7. Одноплатные компьютеры Biscuit PC. 8. Назначение промышленных компьютеров. 9. Интегрированные системы управления. 10, ERP-системы. 11. СРМ-системы. 12. MES-системы. 13. LIMS-системы. 14. Серверы баз данных.
Глава 3 Промышленные контроллеры для систем управления 3.1. Промышленные контроллеры и промышленные компьютеры фирмы Octagon Systems Специалистам в области автоматизации технологических процессов и оборудования хорошо знакомо семейство IBM PC совместимых про- мышленных компьютеров и контроллеров серии MicroPC американской фирмы Octagon Systems. Их отличительные особенности, такие как ма- лые размеры плат, значительная вычислительная мощность, высокая вибро- и ударопрочность, малое энергопотребление, высокая надеж- ность и работоспособность в диапазоне температур от -40 °C до +85 °C обеспечили возможность широкого применения данных устройств в системах автоматизации в промышленности, на транспорте и в других отраслях. Центром любого промышленного компьютера, выполненного на базе изделий серии MicroPC, является процессорная плата. Для обес- печения оптимального решения широкого круга задач автоматизации фирма стремится выпускать широкую номенклатуру процессорных плат различной вычислительной мощности. В частности, в настоя- щий момент производятся платы с процессорами от 8088/12 МГц до 5x86/133 МГц. Практика показывает, что большая часть задач автоматизации не носит глобального характера и может быть оптимально решена с по- мощью встраиваемых, желательно одноплатных компьютеров, осна- щенных стандартными внешними интерфейсами и средствами ввода/вывода электрических сигналов. Поэтому наряду с «чистыми» процессорными платами, предназначенными для работы совместно с дополнительными модулями ввода/вывода сигналов, в номенклатуре изделий фирмы Octagon Systems имеются одноплатные контрол- леры в формате MicroPC на базе процессоров 386SX и 8088, которые дополнительно содержат встроенные средства аналогового и дис-
148 Глава 3 кретного ввода/вывода. Такие контроллеры могут работать как в со- ставе системы, так и самостоятельно. Нельзя также не упомянуть мощные одноплатные вычислители фирмы Octagon Systems, кото- рые могут применяться в качестве промышленных серверов или бортовых компьютеров. Все упомянутые изделия традиционно предназначены для тяжелых условий эксплуатации. Недавно фирма анонсировала новые изделия, которые частично предлагаются взамен аналогичных моделей предыдущего поколения и обладают рядом новых качеств и достоинств, описанию которых и посвящен данный раздел. Процессорная плата 5066 Она имеет производительность на уровне Pentium в формате MicroPC (рис. 3.1). Эта высокопроизводительная плата выводит компьютеры для тяжелых условий эксплуатации на новый уровень. Она оснащена про- цессором AMD 5x86/133 МГц (индекс производительности системы — 288 по тесту программы Norton SI) и ОЗУ до 33 Мбайт EDO. Плата мо- жет функционировать под управлением современных операционных систем, таких как Windows, Windows NT, QNX, iRMX и т. п. Работая при температуре окружающей среды от -40 °C до +70 °C и традиционном для изделий MicroPC допустимом уровне ударов (20g) и вибраций (5g), плата обеспечивает возможность решения задач практически любой сложности. Например, один промышленный компьютер MicroPC, построен- ный на базе данной платы, может совмещать в себе контроллер сбора и обработки сигналов нижнего уровня и операторскую станцию, ра- ботающую под управлением Windows. Рис. 3.1
Промышленные контроллеры для систем управления 149 Следует отметить возможность гибкого наращивания оператив- ной памяти платы 5066, что позволяет подобрать оптимальную для пользователя конфигурацию системы. На плате 5066 в ПЗУ, кроме BIOS (Phoenix с промышленными рас- ширениями Octagon Systems) и DOS 6.22, находится программа само- диагностики, которая при каждом включении питания тестирует все устройства на процессорной плате, в том числе и устройства ввода/вывода. В случае обнаружения неисправностей программа со- общает о них последовательным изменением цвета свечения светоди- одного индикатора. Для работы этой программы не требуется под- ключения никаких внешних устройств. Кроме того, плата может работать в режиме пониженной потребляемой мощности (до 80%). При этом реализуются следующие функции: • включение и выключение системы через оптоизолированный внешний вход или программным путем; • «пробуждение» от различных прерываний, включая клавиатуру и COM2; • снижение тактовой частоты платы. С помощью входа внешнего аппаратного прерывания, располо- женного прямо на плате, удачно решаются задачи синхронизации системы и быстрого реагирования на внешние, например, аварийные события. При этом гальваническая развязка данного входа, как и электрическая защита всех внешних интерфейсов, обеспечивает безо- пасную эксплуатацию платы при наличии сильных помех и наводок. В таблице 3.1 приведены сравнительные характеристики платы 5066 и «ветерана» серии MicroPC — платы 5025А. Одноплатные микроконтроллеры серии 6000 Микроконтроллеры серии 6000 сочетают в себе мощь архитектуры PC и преимущества одноплатных промышленных контроллеров, оснащен- ных разнообразными средствами ввода/вывода сигналов. Серия состоит из пяти плат, поэтому в дальнейшем при описании их общих свойств мы будем пользоваться обозначением 60X0, а в остальных случаях указы- вать конкретную модель микроконтроллера. На рис. 3.2 показан внешний вид плат. В ПЗУ микроконтроллеров, кроме BIOS (Phoenix с промышлен- ными расширениями Octagon Systems) и DOS 6.22, стандартно уста- новлено дополнительное программное обеспечение, значительно расширяющее возможности использования плат: программа самоди- агностики, ядро сетевого программного обеспечения, файловая сис- тема флэш-памяти Card Trick, интерпретатор языка CAMBASIC.
150 Глава 3 Таблица 3.1 Процессорная плата 5066 5025А Процессор AMD 5x86 133 МГц 80386SX, 25 МГц Сопроцессор Встроенный 387SX, опция Память ОЗУ* 1 Мбайт + DIMM-мо- дуль до 4/8/16/32 Мбайт EDO 1 Мбайт Память статического ОЗУ 512 кбайт, опция 512 кбайт, опция Память флэш-ПЗУ 2 Мбайт 512 кбайт/1 Мбайт Файловая система флэш есть нет Кэш-память есть нет Последовательные порты 2, RS-232 и RS-485 2, RS-232 и RS-422/485 Параллельный порт двунаправленный, под- держивает режимы IEEE 1284 EPP, ЕСР и интерфейс НГМД, на- грузочная способность 24 мА двунаправленный, нагрузочная способ- ность 12 мА Электрическая защита последовательных и параллельного портов от статического разряда до 8 кВ и от выхода из строя при выключен- ном питании нет Входы внешнего аппа- ратного прерывания 2, с гальванической раз- вязкой нет * По специальному заказу может устанавливаться до 8 Мбайт запаянной па- мяти. Программа самодиагностики при каждом включении питания тес- тирует все устройства на процессорной плате, в том числе и устрой- ства ввода/вывода. В случае обнаружения неисправностей программа сообщает о них последовательным изменением цвета свечения свето- диодного индикатора. Для работы этой программы не требуется под- ключения никаких внешних устройств. В ПЗУ также содержится ядро сетевого программного обеспече- ния, позволяющее легко организовать локальную сеть по интерфейсу RS-485 с возможностью присоединения до 32 абонентов. При этом для подключения платы 60X0 к сети используется специальный пре- образователь интерфейса RS-485 с гальванической развязкой сигна- лов, который непосредственно подключается к порту COM2 на плате.
Промышленные контроллеры для систем управления 151 Рис. 3.2 ПЗУ содержит интерпретатор мультизадачного языка CAMBASIC, драйверы для всех находящихся на плате устройств и утилиты. Язык CAMBASIC, по сравнению с базовым QBASIC, содержит 93 допол- нительные команды. Они, в основном, предназначены для работы с «железом» и позволяют непосредственно работать с находящимися на плате устройствами цифрового и аналогового ввода/вывода и тай- мером, обрабатывать прерывания, работать с последовательными по- ртами. CAMBASIC представляет собой единую среду для разра- ботки, отладки и выполнения программ и позволяет изменять программное обеспечение дистанционно через последовательный порт, в том числе с использованием модемов или радиомодемов. Все платы серии допускают их автономное использование без монтажного каркаса, что может быть весьма полезно, так как одна плата серии 60X0 может заменить 2-3 другие платы. Рассмотрим технические параметры плат. Наряду с традицион- ными чертами изделий MicroPC, такими как стандартный небольшой размер плат, рабочий диапазон температур от-40 °C до +85 °C, малое энергопотребление, наличие сторожевого таймера, платы серии 60X0 обладают новыми или улучшенными функциями в различных соче- таниях: • все платы имеют заранее установленную расширенную опера- тивную память 2 Мбайт (6010 — 4 Мбайт) и статическую па- мять емкостью 128 кбайт; • имеется защита от переполюсовки и перегрузки по питанию;
152 Глава 3 • существует защита последовательных и параллельных портов от статического разряда до 8 кВ и от выхода из строя при непра- вильных действиях пользователя; • имеется оптоизолированный вход внешнего аппаратного пре- рывания и аппаратного сброса; • система управления энергопотреблением позволяет экономить до 70% потребляемой мощности; • универсальный параллельный порт на плате поддерживает ЕСР- и ЕРР-режимы. Платы серии 60X0 стыкуются с большим количеством стандар- тных аксессуаров, облегчающих подключение внешних устройств и сигналов. Далее приводятся основные варианты подключения внеш- них устройств к различным портам. Последовательные порты плат 60X0 Порты поддерживают все линии интерфейса RS-232 и имеют внутрен- ний буфер 16 байт. Скорость программируется до 115,2 кбод. На всех платах, кроме 6010, в COM2 может устанавливаться специальный сете- вой интерфейсный модуль NIM RS-485. К порту возможно подключение на выбор: • внешнего модема; • внешнего терминала; • адаптера SDA61 для подключения удаленного алфавитно-циф- рового дисплея типа DP; • персонального компьютера, используемого для программиро- вания и отладки программного обеспечения (ПО) с помощью программ Smart Link, Turbo Debugger и т. п.; • любого устройства с последовательным интерфейсом, такого как весы, считыватели штрихкода, приемники GPS и др. Параллельный порт плат 60X0 Порт поддерживает режимы ЕРР и ЕСР стандарта IEEE 61284. Нагрузоч- ная способность линий 24 мА. К порту возможно подключение на выбор: • принтера; • универсальной клеммной платы; • платы типа ВОВ для подключения динамика, клавиатуры, вхо- да оптоизолированного аппаратного прерывания и сброса, дис- ковода гибкого диска или платы для размещения модулей гальванической развязки типа МРВ616.
Промышленные контроллеры дли систем управления 153 Порт дискретного ввода/вывода плат 6020,6040,6050 Порт имеет 24 линии с нагрузочной способностью 15 мА. Каждый канал индивидуально программируется на ввод или на вывод. На плате 6020 имеется 2 таких порта. К порту возможно подключение на выбор: • платы для размещения модулей гальванической развязки типов МРВ68, МРВ616 или МРВ624; • клеммной платы типа STB626; • клеммной платы с индикаторными светодиодами типа TBD6100; • платы преобразования уровней типа ITB; • платы типа KAD для подключения матричной клавиатуры и ал- фавитно-цифрового дисплея; • произвольного пользовательского устройства. Порт аналогового ввода/вывода платы 6040 Порт имеет 8 аналоговых входов с разрешением 12 бит и программируе- мым диапазоном входного напряжения, а также 2 аналоговых выхода. К порту возможно подключение специальной клеммной платы АТВ620. Промышленный файл-сервер для мобильных применений РС-510 Универсальный промышленный компьютер РС6510 (рис. 3.3) продол- жает серию мощных одноплатных компьютеров для встраиваемых при- менений фирмы Octagon Systems. Широкие функциональные возможности и мощный процессор типа 5x86/133 МГц в сочетании с расширенным диапазоном рабочих температур и хорошими механическими характеристиками позво- ляют использовать РС-510 как встраиваемый компьютер для решения широкого круга задач в различных областях применения. Основные технические характеристики РС-510 приведены в таблице 3.2. Устройства, размещенные на плате, и ее внешние интерфейсы за- служивают более подробного рассмотрения. Твердотельные диски В системе предусмотрено 2 твердотельных диска — SSD0 и SSD1. В SSD0 может устанавливаться микросхема в DIP-корпусе с 32 выводами одного из следующих типов: • 512 кбайт флэш-ПЗУ; • 512 кбайт или 1 Мбайт EPROM ПЗУ;
154 Глава 3 До 16 Мбайт ОЗУ на плате Соединитель для DIMM модуля ОЗУ до 32 Мбайт Процессор AMD 5x86/133 МГц Порт SVGA для подключения плоских панелей Порт мыши Порт клавиатуры интерфейс Порт динамика Последовательные порты СОМ 3/4 Порт НГМД параллельный порт Кнопка RESET Порт IDE HDD Порт SVGA для подключения монитора Соединитель для подключения батареи Выход РС-видео Порт для подключения GPS приемника Электронный диск SSD1 2 Мбайт флэш-памяти Электронный диск SSD0 - 512 кбайт EPROM/SRAM или флэш-памяти Вход внешнего аппаратного прерывания с гальванической развязкой 24 линии порты ввода-вывода дискретных сигналов Соединитель литания Последовательные порты СОМ 5/6 TTL для GPS/RS-485 для RS-232 Последовательные порты СОМ 1/2 для RS-232 Рис. 3.3 • 128 или 512 кбайт статической памяти (по спецзаказу); • устройство фирмы M-Systems, представляющее собой флэш-ПЗУ объемом до 12 Мбайт. SSD1 представляет собой флэш-ПЗУ объемом 2 Мбайт, установ- ленное на плате. В нем находятся BIOS, DOS, файловая система флэш-памяти для создания диска DOS и утилиты. 1852 кбайт доступ- но для пользователя.
Промышленные контроллеры для систем управления 155 Таблица 3.2 Основные технические характеристики РС-510 Процессор AMD 5x86/133 МГц Память ОЗУ 1 1 Мбайт + DMM-модуль до 32 Мбайт, EDO Память статического ОЗУ Устанавливается по спецзаказу Память флэш-ПЗУ 2 Мбайт 4- поддержка Disk On Chip до 12 Мбайт Последовательные порты 6 портов RS-2322 Слот расширения 8/16 бит РС-104 Параллельный порт LPT1 Поддерживает режимы IEEE-1284 EPP и ЕСР, 24 мА Видеоадаптер CHIPS 65550 с ускорителем Видеопамять 2 Мбайт Каналы дискретного ввода/вывода 48, нагрузочная способность 15 мА Входы аппаратного прерывания 2, с гальванической развязкой Напряжение питания 5В Потребляемый ток, полная нагрузка 1560 мА 1 Потребляемый ток, режим suspend 625 мА 1 По специальному заказу может устанавливаться до 16 Мбайт запаянной па- мяти дополнительно. 2 СОМ5 может поддерживатьТТЬ-уровни напряжения, СОМ6 поддерживает интерфейс RS-485. Система контроля потребляемой мощности (Power Manager) Система позволяет экономить до 60% потребляемой мощности и имеет следующие функции: • включение и выключение системы через оптоизолированный внешний вход или программным путем; • «пробуждение» от различных прерываний, включая клавиатуру и COM2; • снижение тактовой частоты платы. Видеоконтроллер Видеоконтроллер выполнен на базе микросхемы 65550 фирмы Chips & Technologies с графическим ускорителем и 2 Мбайт видеопамяти. Кроме стандартного CRT-монитора, он поддерживает большое количество
156 Глава 3 жидкокристаллических, электролюминесцентных и плазменных плос- ких панелей с разрешением до 1280 х 1024. Такие панели производства фирм Planar, Sharp, NEC, Fujitsu, Epson, Philips, Densitron могут быть легко подключены к РС-510. Система ввода/вывода дискретных сигналов На плате находятся 48 каналов дискретного ввода/вывода. Каждый канал может быть индивидуально запрограммирован на ввод или на вывод. Та- ким образом, больше нет необходимости группировать каналы по 8 или по 4. К этим каналам можно также подключать стандартные модули гальванической развязки. Оптоизолированный вход аппаратного прерывания На плате РС-510 имеются два оптоизолированных входа аппаратного прерывания для регистрации внешних событий и управления режимом работы платы. Данный вход обеспечивает наиболее быструю реакцию на внешнее воздействие, например аварийный сигнал. Гальваническая развязка обеспечивает защиту процессорной платы. Интерфейс системы глобального позиционирования (GPS) Плата РС-510 имеет специальный интерфейс для приемников систем спутниковой навигации, позволяющий подключать GPS-приемник, со- вместимый с Rockwell Jupiter, и монтировать его непосредственно на по- верхности платы. При этом сигнал с приемника подключается к порту СОМ5. 3.2. Однокристальные микроконтроллеры семейства MCS®96 фирмы Intel В семейство MCS®96 фирмы Intel входит более 30 разновидностей мик- роконтроллеров. Это 16-разряд ные быстродействующие интегральные схемы (ИС) высокой степени интеграции, ориентированные на решение задач управления процессами в реальном масштабе времени. Типичные области применения для этих микроконтроллеров: • управление двигателями; • модемы; • безъюзовые тормозные системы; • контроллеры жестких дисков; • медицинское оборудование. История MCS* 96 насчитывает более 12 лет. За это время специа- листы фирмы Intel увеличили адресное пространство с 64 кбайт до 16 Мбайт и улучшили быстродействие в 25 раз.
Промышленные контроллеры дли систем управления 157 Микроконтроллеры MCS®96 стали индустриальным стандартом для 16-разрядных встроенных систем управления, обеспечивая соче- тание высоких технических показателей и экономической эффектив- ности. Благодаря этим микроконтроллерам, установленным в сис- теме управления зажиганием, специалистам концерна Ford удалось существенно снизить потребление топлива, уменьшить выбросы вредных веществ и одновременно повысить скоростные характерис- тики своих машин. Кристаллы MCS®96 содержат практически все, что может понадо- биться при разработке контроллера: • АЦП; • устройства ввода и вывода импульсных сигналов; • несколько таймеров; • ШИМ-генераторы; • большое количество обычных портов ввода-вывода; • гибкая система прерываний; • сторожевой таймер. Единожды разобравшись в архитектуре MCS^Qb, инженер полу- чает в свое распоряжение семейство кристаллов, которые с успехом решают сегодняшние задачи и вполне пригодны для решения более сложных задач будущего. В табл. 3.3 и 3.4 приведены краткие характеристики всех основ- ных микроконтроллеров семейства. Отметим, что кристаллы со встроенным ПЗУ бывают либо масочными (то есть программируются прямо на заводе по заказу), либо однократно программируемыми. Многократно программируемые кристаллы с ультрафиолетовым сти- ранием труднодоступны. Очевидно, фирма Intel планирует выпускать контроллеры с FLASH-памятью. Графа «Цена» приведена только для справки и отражает наилучший вариант для покупателя. Кристаллы MCS®96 имеют существенно более высокое быстро- действие, чем 8-разрядные микроконтроллеры, и потребляют больше энергии. Но кристаллы MCS®96 изготавливаются по КМОП-техноло- гии. Это означает, что при понижении тактовой частоты энергопот- ребление снижается по практически линейному закону. Если некоторая прикладная задача может быть решена при по- мощи 8-разрядного микроконтроллера, то ее можно решить и при по- мощи MCS®96, работающего на пониженной тактовой частоте. При этом энергопотребление MCS®96 будет слабо отличаться от потреб- ления 8-разрядного микроконтроллера, работающего на своей номи- нальной частоте, и может быть даже меньшим.
Таблица 3.3 g Кристалл Частота (МГц)/ быстродей- ствие (MIPS) Адресное простран- ство Объем ПЗУ Количество регистров Дополни- тельное ОЗУ (байт) Коли- чество таймеров Количество каналов АЦП Число линий ввода- вывода 8Х96ВН 12/1 64К 8К _ 232 нет 2 8 _ 48/32 8ХС196КВ 16/2 64К 8К 232 _ нет 2 8 48/32 8ХС198 16/2 64К 8К 232 нет 2 4 34/18 8ХС196КС 20/2,5 64К 16К 488 нет 2 8 48/32 87C196KD 20/2,5 64К 32 К 1000 _ нет 2 8 48/32 8XC196KR/KQ 16/2 64К 16К/12К 488/360 256/128 2 8 _ 56/33 _ 8XC196JR/JO 16/2 64К 16К/12К 488/360 256/128 2 6 41/22 87C196KT/KS 16/2 64К 32 К/24 К 1000 512/256 2 8 56/33 8XC196JT/JS 16/2 64К 32 К/24 К 1000 512/256 2 6 _ 41/22 _ 8XC196JV 20/2,5 64К 48 К 1,5 К . 512 2 6 41/22 8ХС196МС 16/2 64К 16 К _ 488 нет 2 13 53/30 8XC196MD _ 16/2 _ 64К __ 16К 488 нет 2 14 64/41 _ J 8ХС196МН _ 16/2 . 64К _ 32 К 744 нет 2 8 50/27 87С196СА 20/2,5 64 К 32 К 1000 256 2 6 44/23 8XC196NT 20/2,5 _ 1 М 32 К 1000 512 2 4 56/33 _ 87С196СВ 20/2,5 16 м 56 К _ 1,5 К _ 512 2 8 56/33 _ 8XC196NP 25/3 1 м 4К 1000 нет 2 нет 32 80C196NU 50/6 1 м нет 1000 нет 2 нет 32 80C296SA 50/25 6М 2К 512 2К 2 нет 32 Примечания. В параметре «число линий ввода-вывода»первое значение описывает использование только внутренних ре- сурсов, второе — использование дополнительной внешней памяти. В параметре «объем ПЗУ» первое значение описывает объем ПЗУ, второе — объем дополнительного ОЗУ. Количество ре- гистров зависит от типа микроконтроллера. Глава 3
Таблица 3.4 Кристалл HSIO/EPA Универ- сальные последова- тельные порты Синхронные последо- вательные порты Выхо- ды ШИМ Цена (доллары США) Примечания 8Х96ВН HSIO 1 нет 1 6 Самый дешевый, п-МОП 8ХС196КВ HSIO 1 нет 1 10 Первый КМОП-кристалл 8ХС198 HSIO 1 нет 1 8 Дешевый вариант КВ. 8-битовая шина, 4 канала АЦП 8ХС196КС HSIO 1 нет 3 13 Добавлена память и PTS, улучшено быс- тродействие 87C196KD HSIO 1 нет 3 24 Улучшенный КС, нет версий без OTPROM 8XC196KR/KQ 10 ЕРА 1 1 нет 15 Первые кристаллы с ЕРА 8XC196JR/JQ 6 ЕРА 1 1 нет 13 Дешевые версии KR/KQ 87C196KT/KS 10 ЕРА 1 1 нет ?? KR с увеличенной памятью, нет версий без OTPROM 8XC196JT/JS 6 ЕРА 1 1 нет ?? JR с увеличенной памятью 8XC196JV 6 ЕРА 1 1 нет ?? JT с увеличенной памятью и быстродей- ствием 8ХС196МС 4 ЕРА нет нет 2 15 Трехфазный генератор для управления электродвигателями 8XC196MD 6 ЕРА нет нет 2 16 Улучшенный вариант МС Промышленные контроллеры для систем управления
Таблица 3.4 (продолжение) Кристалл HSIO/EPA Универ- сальные последова- тельные порты Синхронные последо- вательные порты Выхо- ды ШИМ Цена (доллары США) Примечания 8ХС196МН 6 ЕРА 2 нет 2 18 Улучшенный вариант MD с двумя уни- версальными последовательными пор- тами 87С196СА 6 ЕРА 1 1 нет 27 Содержит адаптер сети CAN 2.0 8XC196NT 10 ЕРА 1 1 нет 17 Адресное пространство 1М, много пе- риферии, включая 4-канальный АЦП 87С196СВ 10 ЕРА 1 1 нет ?? Интегрированный CAN 2.0, адресное пространство до 16 Мбайт 8XC196NP 4 ЕРА 1 нет 3 13 Дешевый кристалл с 1М-адресным про- странством, демультиплексированной шиной и генератором сигналов CS# 80C196NU 4 ЕРА 1 нет 3 17 NP с удвоением частоты и поддержкой для DSP-обработки 80C296SA 4 ЕРА 1 нет 3 ?? Новое быстродействующее конвейер- ное ядро с улучшенной поддержкой для DSP-обработки Условные обозначения. HSIO, ЕРА —устройства ввода-вывода импульсных сигналов; PTS—устройство аппаратного об- служивания прерываний; OTPROM — однократно программируемое ПЗУ; CS# — сигнал выборки кристалла; ?? — нет ин- формации. 160_______________________________________________Глава 3
Промышленные контроллеры для систем управления 161 3.3. Open Line — новая концепция развития аппаратных средств построения распределенных систем В этом разделе изложена концепция новой системы OpenLine фирмы Grayhill, обозначены основные характеристики компонентов системы и методы конфигурирования. Основное внимание уделено описанию но- вых двухканальных модулей ввода-вывода серии 70L/73L. Общий вид модулей ввода-вывода системы OpenLine приведен на рис. 3.4. Рис. 3.4 Цель разработки этой линии оборудования — дать в руки разра- ботчику АСУ ТП мощный и гибкий инструмент для создания совре- менной распределенной системы сбора информации и управления. Система OpenLine объединила в себе традиционную надежность и способность работы в широком диапазоне температур, свойственные предыдущим разработкам фирмы Grayhill. Эти модули имеют современный модульный дизайн и большие интеллектуальные возможности самих модулей ввода-вывода. Заметно влияние на данную разработку общих тенденций постро- ения современных децентрализованных систем управления на основе промышленных сетей и распределенных вычислительных систем. Значительное внимание разработчики уделили максимальному сни- жению стоимости оборудования и простоте расширения системы в будущем. На рынке распределенных систем управления существует до- вольно сильная конкуренция. Представленное в этой области обору- дование условно можно разделить на три части.
162 Глава 3 1» Промышленные контроллеры и PLC, содержащие в себе вычис- лительные мощности, сетевую подсистему и набор блоков ввода-вы- вода. 2. Интеллектуальные распределенные УСО на базе различных промышленных сетей, объединяющие в себе коммуникационную подсистему и каналы ввода-вывода. Основная цель таких удаленных УСО — развивать существующие системы, где уже есть интеллект. 3. Модули ввода-вывода с гальванической развязкой, которые ис- пользуются для построения создаваемых пользователем систем лю- бого уровня сложности. Еще несколько лет назад фирма Grayhill имела сильные позиции в основном на третьем из обозначенных секторов рынка, производя мо- дули аналогового и цифрового ввода-вывода и твердотельные реле. В последнее время стало заметным желание компании наделять свои модули УСО все большим интеллектом и выйти на рынок управ- ляющих контроллеров. Здесь очень большую роль сыграло долгос- рочное стратегическое партнерство фирм Grayhill и Octagon Systems. Результатом сотрудничества стал контроллер OpenLine, призванный составить мощную конкуренцию во всех секторах рынка распреде- ленных систем. Основные особенности разработки Если попытаться кратко сформулировать основные идеи, воплощенные фирмой Grayhill в серии OpenLine, то это будет выглядеть так. Компактность Используется технология поверхностного монтажа, которая привела к уменьшению шбаритов всех компонентов системы. Модули стали двух- канальными в более компактном корпусе, сохранив поканальную галь- ваническую изоляцию. Простота использования Время на установку, конфигурирование и поиск неисправностей в сис- теме OpenLine существенно сокращено. Все компоненты соединяются друг с другом без кабелей. Модули ввода-вывода устанавливаются в базы в произвольной последовательности. При включении питания сис- тема автоматически определяет состав модулей УСО и строит образ про- цесса, который может быть считан контроллером. Такая функция plug & play выгодно отличает OpenLine от большинства известных сис- тем ввода-вывода, которые требуют начального конфигурирования. Раз- витая система самодиагностики, результаты которой отражаются на све- тодиодных индикаторах, позволяет быстро локализовать большую часть возможных неисправностей.
Промышленные контроллеры для систем управления 163 Низкая стоимость Использование в качестве ядра системы IBM PC совместимого кон- троллера на базе процессора класса 5x86 позволило обеспечить произ- водительность, более чем достаточную для локального сетевого управ- ляющего узла при стоимости, меньшей, чем у классических PLC. Стоимость же двухканальных модулей ввода-вывода на сегодняшний день является, пожалуй, минимальной из всех известных аналогов. Повышенная надежность Все компоненты системы OpenLine разработаны так, что они макси- мально гармонично дополняют друг друга. Кроме того, локальная магис- траль данных/адреса, которая используется базами ввода-вывода, допус- кает работу одновременно с двумя контроллерами. Таким образом, для задач, которые требуют «горячего» резервирования, достаточно доба- вить в систему еще один контроллер. Такой простой способ резервирова- ния отсутствует в арсенале решений большинства конкурентов фирмы Grayhill. Сетевые возможности и совместимость Уже сегодня контроллеры серии OpenLine могут работать в управляю- щих сетях на базе Ethernet и Modbus. В повестке дня — появление кон- троллеров с другими популярными сетевыми интерфейсами. Кроме того, открытая архитектура модулей ввода-вывода позволяет использо- вать их отдельно от контроллеров OpenLine и строить на их основе собственные подсистемы УСО с очень невысокой стоимостью. Краткое описание системы Серия OpenLine — модульная конструкция, состоящая из четырех основных компонентов, пригодных для использования в самом широком спектре систем сбора данных и управления (рис. 3.5): • контроллеры OpenLine и OpenDAC; • базы ввода-вывода и пассивные панели для модулей; • модули ввода-вывода; • блоки питания. Контроллеры OpenLine Ethernet и OpenLine Modbus представляют собой компактные микропроцессорные устройства, основанные на Intel х86 совместимом процессоре, работающие под управлением встроенной DOS фирмы General Software. Контроллеры используют в качестве сетевого протокола Modbus или Ethernet (TCP/IP). Каждый контроллер может работать одновременно с восемью базами ввода-вывода (до 128 каналов).
164 Глава 3 Места для Внутренняя Выход+5 В установки модулей магистраль Сетевой Источник питания База ввода-вывода Контроллер OpanUne Модуль ввода-вывода Рис. 3.5 OpenDAC — это компактные и недорогие контроллеры, которые могут работать максимум с двумя пассивными панелями для модулей OpenLine (32 канала ввода-вывода). С точки зрения сетевого прото- кола, они являются пассивными (slave) устройствами и выполняют роль неинтеллектуальных удаленных УСО. Базы ввода-вывода представляют собой объединительные платы, оснащенные клеммными колодками, предназначенные для установки до восьми двухканальных модулей ввода-вывода, аналоговых и дис- кретных, в любой комбинации. Локальный микроконтроллер, нахо- дящийся на каждой базе, автоматически сканирует все установлен- ные в нее модули и определяет их наличие, тип и состояние. В соответствии с составом обнаруженных модулей он формирует в со- бственной двухпортовой памяти образ процесса, который через ло- кальную магистраль доступен для контроллера OpenLine. Пассивные панели для установки модулей серии OpenLine очень похожи на базы ввода-вывода, но не содержат в своем составе микро- контроллер и двухпортовую память. Они не имеют интерфейса с ло- кальной шиной контроллеров серии OpenLine и предназначены для работы только с контроллерами OpenDAC. Двухканальные модули ввода-вывода доступны в виде широкого спектра устройств аналогового и дискретного ввода-вывода. Эти мо- дули являются основой серии OpenLine. Они обеспечивают пока- нальную гальваническую изоляцию и высокую гибкость в конфигу- рировании систем. Модули совместимы с контроллерами OpenLine, OpenDAC и с оборудованием третьих фирм.
Промышленные контроллеры для систем управления 165 Блоки питания существуют как с универсальным входом перемен- ного тока, так и с входом 24 В постоянного тока. Блоки питания мо- гут работать параллельно, что необходимо для задач, в которых тре- буется дублирование системы питания. Установка и конфигурирование системы OpenLine Стандартным способом конфигурирования системы OpenLine является установка ее на типовой DIN-рельс шириной 35 мм и подъемом 7,5 мм. Допускается как горизонтальное, так и вертикальное расположение DIN-рельса. Горизонтальное расположение считается более предпочти- тельным, с точки зрения оптимизации охлаждения системы путем ес- тественной конвекции воздуха. Для обеспечения дополнительной защиты от воздействия вибра- ционных нагрузок и в случае вертикального расположения системы рекомендуется использовать по краям системы дополнительные фик- сирующие элементы, устанавливаемые на DIN-рельс, например, по- ставляемые фирмой WAGO изделия 249-117. Можно расположить непосредственно друг за другом до восьми баз ввода-вывода. Кроме того, на правой (свободной) стороне це- почки может находиться дополнительный (резервный) контроллер серии OpenLine для обеспечения дополнительной отказоустойчи- вости системы. В случае, если габариты объекта управления или ис- пользуемый корпус не позволяют располагать все устройства в длину на одной линии, можно применить специальные расширители ло- кальной магистрали для размещения системы в несколько рядов. Средства повышения надежности Контроллеры серии OpenLine 200 и 300 позволяют иметь на одной ло- кальной магистрали два источника питания и два контроллера для обес- печения «горячего» резервирования (рис. 3.6). Рис. 3.6
166 Глава 3 В этом случае один из контроллеров назначается основным, а дру- гой резервным. Основной контроллер выставляет и удерживает на локальной магистрали активный низкий уровень сигнала master до тех пор, пока он функционирует и по результатам самодиагностики считает себя исправным. Резервный контроллер контролирует этот сигнал. В случае обнаружения высокого уровня на линии master он считывает текущее состояние всех линий ввода-вывода и принимает управление локальной магистралью на себя. В это время отказавший основной контроллер можно заменить без остановки системы. Также возможна «горячая» замена источника питания. Особенности аппаратной реализации системы OpenLine Система OpenLine содержит несколько интересных инженерных реше- ний. Для пояснения особенностей построения системы OpenLine срав- ним ее конфигурацию с двумя типичными на сегодняшний день конфи- гурациями систем ввода-вывода. Типичная конфигурация промышленного контроллера показана на рис. 3.7. Рис. 3.7 По такой схеме построены практически все PLC и IBM PC совмес- тимые контроллеры. В качестве УСО в таких системах используются специальные модули ввода-вывода, имеющие с одной стороны ин- терфейс с внутренней шиной контроллера (это могут быть ISA, VME, PCI, РС/104 или другая специализированная магистраль), а с другой стороны — несколько (обычно кратно восьми) каналов для подклю- чения внешних сигналов. Несмотря на широкое распространение такого решения, у него есть недостатки. Главный из них заключается в том, что центральный процессор вынужден заниматься не только задачами управления и се-
Промышленные контроллеры для систем управления 167 тевого взаимодействия, но и ввода-вывода. Причем алгоритмы ра- боты с различными модулями ввода-вывода могут существенно отли- чаться друг от друга. Например, ряд модулей может использовать линии прерывания, другие требуют дополнительной настройки кон- троллера прямого доступа к памяти. В любом случае в такой системе должны присутствовать дополнительные программные компо- ненты — драйверы модулей ввода-вывода, специфичные для каждого типа примененных модулей. На рис. 3.8 показана структура распределенной системы с исполь- зованием удаленных УСО, соединенных с контроллером посре- дством одного из известных промышленных сетевых интерфейсов (Profibus, Can, Interbus, Modbus, Lon и т. д.). Рис. 3.8 К преимуществам такой конфигурации относятся масштабируе- мость и возможность использования УСО разных производителей. Кроме того, процесс ввода-вывода осуществляется контроллером
168 Глава 3 удаленного УСО. Далее, как правило, состояние каналов ввода-вы- вода каждого из контроллеров УСО отражается в едином окне двух- портовой памяти адаптера сети, установленного в центральном кон- троллере. Таким образом, процессор осуществляет управление каналами ввода-вывода через окно памяти, пользуясь так называе- мым образом процесса. В основу системы OpenLine положена аналогичная идея построе- ния виртуального образа процесса. Только в качестве каналообразую- щего интерфейса был выбран не Fieldbus, а несколько видоизменен- ное подмножество шины ISA, «родной» магистрали применяемого процессора. Казалось бы, такая конфигурация ближе к классической. Но отли- чия начинаются дальше. В качестве абонентов этой локальной шины выступают не модули УСО, а микроконтроллеры, установленные в базах ввода-вывода. Каждый из этих контроллеров имеет свою двух- портовую память, которую он «публикует» на локальной шине OpenLine. Содержимое этой памяти отражает состояние модулей, которые в данный момент находятся в этой базе. Все проблемы взаимодействия с модулями ввода-вывода берет на себя контроллер базы. Процессом управления занимается центральный контроллер, который работает с окнами двухпортовой памяти, так же как в случае работы с адаптером промышленной сети. Такое «гибридное» решение имеет несколько преимуществ. Сис- тема получается относительно недорогой по сравнению с распреде- ленными системами, так как не содержит специализированного адап- тера промышленной сети. В то же время OpenLine свободна от основного недостатка централизованных систем — необходимости оперировать модулями, имеющими большое количество каналов. В системе OpenLine можно установить любое количество входных и выходных каналов (общим количеством не более 128), кратное двум. Это позволяет максимально сократить избыточность системы. Разделение функций ввода-вывода и управления, свойственное реше- ниям на основе Fieldbus, реализовано в системе OpenLine не менее эффектно. Это существенно упрощает процесс доступа центрального процессора к каналам ввода-вывода и сводит его к работе с окном па- мяти, где расположен образ процесса. В то же время система OpenLine имеет дополнительное преиму- щество перед Fieldbus-решениями — это способность контроллеров баз ввода-вывода автоматически определять состав и состояние мо- дулей, установленных в базу, без необходимости ручного конфигури- рования большинства распределенных систем.
Промышленные контроллеры для систем управления 169 В таблице 3.5 сформулированы основные достоинства концепции OpenLine. Таблица 3.5 Преимущества Централизо- ванная система Распределенная система, использую- щая удаленные УСО OpenLine Низкая стоимость + + Низкая избыточность + + Масштабируемость + + Автоконфигурация + + Рассмотрим основные компоненты системы OpenLine. Локальная магистраль В качестве локальной магистрали в системе OpenLine используется под- множество шины ISA. Это определяется, прежде всего, типом использу- емого процессора и задачами, возложенными на эту магистраль. В со- став этой магистрали входят следующие сигналы: е D0-D7 — двунаправленная шина данных; е АО-А11 — шина адреса памяти; • ADDR0-ADDR2 — три линии адреса выбора базы ввода-вы- вода; • MASTER — признак захвата шины основным контроллером в двухпроцессорной системе; • WR — строб записи; • RD —строб чтения; • BUSY — признак занятости системы, например во время авто- конфигурации; • INT — линия запроса прерывания, в настоящее время не ис- пользуется. Основная задача магистрали — обеспечить доступ процессора к окнам двухпортовой памяти, расположенным на базах ввода-вывода. В настоящее время размер окна этой памяти составляет 512 байт на каждую базу. Таким образом, линии А0-А8 определяют адрес внутри окна памяти, а линии А9-А11 (они сейчас логически объединены с линиями ADDR0-ADDR2) определяют выбор базы.
170 Глава 3 База ввода-вывода База ввода-вывода представляет собой конструктив, содержащий уста- новочные места для восьми двухканальных модулей аналогового или дискретного ввода-вывода, специальный контроллер и соединители для стыковки с локальной магистралью OpenLine (рис. 3.9). Для подключения датчиков и исполнительных устройств на базе расположены 16 пар клеммных колодок. Имеются версии с винто- выми и пружинными клеммами. Микроконтроллер, расположенный на базах, является интеллекту- альной подсистемой ввода-вывода и отвечает за взаимодействие с модулями УСО и за формирование образа процесса в своей двухпор- товой памяти. Объем этой памяти (512 байт на 16 каналов) выбран с явным запасом для дальнейшего развития и в настоящее время ис- пользуется не более чем на треть. Но и сегодня вызывает уважение тот объем информации, который предоставляется базой центральному контроллеру, в том числе: • список подключенных модулей — 16 байтов, доступных для чтения, определяется при включении питания. Каждому моду- лю отводится 1 байт; • состояние дискретных входов — 2 байта (1 бит на канал), дос- тупных для чтения; • управление дискретными выходами — 2 байта (1 бит на канал), доступных для записи; • аналоговые данные — 64 байта (по 4 байта на канал), доступ- ных для чтения и записи. Значащими являются младшие 12 би- тов на канал;
Промышленные контроллеры для систем управления 171 • дополнительные регистры управления режимами дискретных входов — 16 байтов; • информация о типе базы и версии Firmware — 4 байта. Кроме того, в карте распределения памяти зарезервировано доста- точно места под такие экзотические данные, как максимальное и ми- нимальное значения аналоговых сигналов, их пиковые и пороговые значения, что свидетельствует о том, что разработчики фирмы Grayhill имеют планы дальнейшего развития базовых конструктивов ввода-вывода и наделения их еще большим интеллектом. Модули ввода-вывода Наиболее интересным узлом во всей системе OpenLine являются модули ввода-вывода серии 70L/73L. Рассмотрим эти модули. В отличие от хорошо известных и ставших стандартом де-факто модулей УСО традиционной конструкции, новые модули серии 70L и 73L не безлики, то есть имеют средства идентификации, позволяю- щие системе самостоятельно определить, какие именно модули в ней установлены. Это не просто дань моде на plug & play, а дополнитель- ный фактор, улучшающий потребительские свойства аппаратуры и экономящий время, а следовательно, и деньги на конфигурировании системы. Кроме того, оригинальная конструкция модулей (рис. 3.10) с креплением типа «защелка» позволяет устанавливать и заменять модули в системе, не прибегая к помощи отвертки. Рис. 3.10
172 Глава 3 Номер контакта (PIN#) Назначение (аналоговые модули) Назначение (дискретные модули) 1 Вход/выход канала А + Вход/выход канала А + 2 Вход/выход канала А - Вход/выход канала А - 3 Вход/выход канала В + Вход/выход канала В + 4 Вход/выход канала В - Вход/выход канала В - 5 Общий Общий 6 +5 В +5 В 7 Последовательный вход Управление/состояние канала А 8 Последовательный выход Управление/состояние канала В 9 Тип модуля Тип модуля Рис. 3.11 Все модули серии 70L/73L используют одинаковый установочный соединитель (рис. 3.11). Модули дискретного ввода-вывода используют контакты 7 и 8 как цифровой ввод или вывод, а аналоговые модули — как последова- тельный канал со скоростью обмена 115,2 кбит/с. Вывод 9 всех моду- лей содержит резистор, соединенный с общим проводом. Номинал этого резистора однозначно определяет тип модуля, что позволяет системе осуществить начальную автонастройку. На рис. 3.12-3.15 приведены структурные схемы и способы вклю- чения типичных модулей аналогового и дискретного ввода-вывода серии 70L/73L. В табл. 3.6 и 3.7 приведены основные характеристики дискрет- ных и аналоговых модулей ввода-вывода серии 70L/73L соответ- ственно.
Контакт Промышленные контроллеры для систем управления С! Рис. 3.12
Глава 3 Рис. 3.13
Промышленные контроллеры для систем управления Рис. 3.14
Внутренняя магистраль Рис. 3.15

Промышленные контроллеры для систем управления 177 Таблица 3.6 Модуль Тип входного сигнала Вход- ное сопро- тивле- ние Коммутируе- мое напряжение Номи- нальный ток в на- грузке Время срабатывания 70L-QAC 24-140 В АС 0.06-4 А S периода (максимум) 70L-OACA 24...280В АС 0.06...4А S периода (максимум) 70L-QDC 3-36 В DC 0,06—4 А 50 мкс (максикум) 70LQDCA 4-200 В DC 0,04-2 А 750 мкс (максимум) 70L-IAC 0...140 В АС 22 кОм 20 мс (максимум) 70L4ACA 0-280 В DC 60 кОм 20 мс (максимум) 70L-IDC 0-32 В DC 1,9 кОм 0,4 мс (максимум) 70L-IDCB 0-32 В DC 960 Ом 0,075 мс (максимум) Таблица 3.7 Модуль Тип входного сигнала Тип выходного сигнала Разрешающая способность 73L-II020 Ток 0—20 мА 4,88 мкА 73L-II420 Ток 4—20 мА 3,91 мкА 73ЫУ50М Напряжение 0—50 мВ 12,2 мкВ 73L-1V100M Напряжение 0—100 мВ 24,4 мкВ 73L-1V1 Напряжение 0...1 В 244 мкВ 73L-IV5 Напряжение 0—5 В 1,22 мВ 73L-IV10 Напряжение 0—10 В 2,44 мВ 73L-IV5B Напряжение -5—+5 В _2Л4_мВ 73ЫУ10В Напряжение -10—+10 В 4,88м В 73L-1TCJ J термопара -210-1200 °C 0,34 °C 73L-ITCK К термопара -100-1372 °C 0,36 °C 73L-FTR100 100 Ом платиновый тер- мометр сопротивления -50...+1768 °C 0,44 °C 73L-OI42Q Ток 4...20 мА 3,9 мкА 73L-OV1Q Напряжение 0—10 В 2,44 мВ 73LOV10B Напряжение -10—+10 В 4,88 мВ
178 Глава 3 Метрологические характеристики модулей серии 73 Рассмотрим типичные графики точностных параметров модулей на при- мере модуля аналогового ввода напряжения в диапазоне 0..50 мВ (рис. 3.16-3.19). На рис. 3.16 приведен график относительной погрешности изме- рения модуля аналогового ввода (в процентах от полной шкалы). Входное напряжение К, мВ Рис. 3.16 Под относительной погрешностью понимается величина, вычис- ляемая по следующей формуле: E = (VC -Vm)*\WIR, где Vc — подаваемое напряжение, Vm —измеренное значение, R —диа- пазон полной шкалы измерения. На рис. 3.17 приведен график плотности распределения ошибки измерения. Рис. 3.17
Промышленные контроллеры для систем управления 179 Под плотностью распределения ошибки измерения понимается экс- периментальная зависимость вероятности попадания величины отно- сительной погрешности в заданный диапазон при большой серии из- мерений. На рис. 3.18 приведены графики величины температурных дрей- Рис. 3.18 На графике показаны температурные дрейфы основных парамет- ров модуля в ррш/°С относительно температуры 25 °C (1 ppm = 10"6): D = (Ут — Кр) х КГ6 / (R х А 7), где Vm — параметр, измеренный при данной температуре, Vp — пара- метр, измеренный при исходной температуре, R — полная шкала изме- рений, ДТ —приращение температуры. На рис. 3.19 приведен график зависимости коэффициента подав- ления помехи общего вида от частоты. Рис. 3.19
180 ГлаваЗ Алгоритм работы модулей с микроконтроллером базы ввода-вывода При включении питания микроконтроллер сканирует выводы 9 всех мо- дулей и определяет наличие и тип установленных модулей по алгоритму, показанному в табл. 3.8. Таблица 3.8 Сопротивление в цепи «Тип модуля» (PIN 9) Тип модуля Бесконечность (разрыв) 5,23 кОм 2,15 кОм 0 Ом (короткое замыкание) Модуль не установлен Аналоговый модуль Модуль дискретного вывода Модуль дискретного ввода При обнаружении аналоговых модулей контроллер определяет их тип, посылая команду «Н». Информацию об обнаруженных модулях контроллер помещает в соответствующие адреса двухпортовой па- мяти. Обмен информацией с аналоговыми модулями происходит по последовательному интерфейсу со скоростью 115,2 кбит/с с исполь- зованием команд в формате ASCII, указанных в табл. 3.9. Полностью описание системы команд и форматов ответов моду- лей серии 70L/73L можно найти в Bullettin#743 на Web-узле фирмы ПРОСОФТ (www.prosoft.ru). Оценка стоимости типовых конфигураций Один из стандартных способов включения модулей серии 70L/73L в контроллер пользователя показан на рис. 3.20. Рис. 3.20
Таблица 3.9 Команда Направление Описание Для модулей аналогового ввода Для модулей аналогового вывода Н К модулю Считать содержимое регистра X X ## К модулю Номер регистра X X ## От модуля Младший байт X X ## От модуля Старший байт X X h К модулю Считать номер версии X X ## От модуля Номер версии X X V К модулю Чтение из модуля X ## От модуля Младший байт канала А X ## От модуля Старший байт канала А X ## От модуля Младший байт канала В X ## От модуля Старший байт канала В X W К модулю Запись в модуль X ## К модулю Младший байт канала А X ## К модулю Старший байт канала А X ## К модулю Младший байт канала В X ## К модулю Старший байт канала В X ## От модуля Байт статутса X Промышленные контроллеры для систем управления
182 Глава 3 На этой схеме представлен способ стыковки модулей серии OpenLine с IBM PC совместимым контроллером произвольной кон- фигурации с использованием платы UNIO и терминальных плат TBI-16L/24L. Платы TBI-16L/24L специально разработаны для обес- печения возможности подключения новых модулей к платам серии UNIO, одна из стандартных конфигураций которых рассчитана именно на такую работу. Различие между платами TBI-16L и TBI-/24L состоит только в том, что TBI-24L содержит большее коли- чество мест для установки модулей, в то время как TBI-16L является полным конструктивным аналогом стандартной базы ввода-вывода серии OpenLine. Сравнение стоимости систем одинаковой функциональности, по- строенных на базе контроллеров OpenLine и контроллеров Octagon Systems, с модулями 70L/73L видна из табл. 3.10. Таблица 3.10 8AI/8AO, 8DI/8DO OpenLine 24AI/24AO, 24DI/24DO OpenLine 8AI/8AO, 8DI/8DO UNIO+70L/73L 24AI/24AO, 24DI/24DO UNIO+70L/73L Контроллер OpenLine Ethernet 1*1820 1*1820 Базы ввода-вывода 2*245 6*245 Источник питания OpenLine 1*280 1*280 Модули AI 4*140 12*140 4*140 12*140 Модули АО 4*140 12*140 4*140 12*140 Модули DI 4*28 12*28 4*28 12*28 Модули DO 4*28 12*28 4*28 12*28 Контроллер Octagon Systems 1*542 1*542 Сетевая плата 1*278 1*278 UN1O-48 1*200 UNIO-96 1*286 TBL16L 2*120 [ TBI-24L 4*100 Кабель СМА-26 2*30 4*30 Корзина 1*82 1*82 Источник питания 1*228 1*228 Итого: $3934 $7602 $2974 $5968
Промышленные контроллеры для систем управления 183 При использовании стандартного комплекта OpenLine програм- мист может легко работать с каналами ввода-вывода йа низком уровне через окно двухпортовой памяти. Для программирующих на языке Си поставляется удобная библиотека функций. Сторонники МЭК-1131 смогут работать с серией OpenLine, используя среду про- граммирования ISaGRAF. Если остановиться на варианте работы через плату UNIO, то такая конфигурация в ближайшее время будет поддержана в популярной среде разработки программ для распределенных и встраиваемых сис- тем UltraLogik. 3.4. Технологический язык программирования IBM PC совместимых контроллеров MicPlus При выборе технических средств автоматизации одним из основных критериев является наличие программных средств, позволяющих эф- фективно реализовать прикладные задачи пользователя. Под эффек- тивностью понимается, прежде всего, скорость разработки этих задач и наличие готовых решений для стандартных функций контроля и управления. Наилучший результат получится, когда специалист в об- ласти автоматизации технологии сможет свое понимание задачи воп- лотить в жизнь без посредников-программистов. Именно этой цели и служат технологические языки программирования. Отсутствие или малое распространение таких языков существенно сдерживает при- менение свободно программируемых IBM PC совместимых контрол- леров. Конечный пользователь зачастую предпочитает выбрать специа- лизированное устройство, обладающее ограниченными возможнос- тями применения, только из-за того, что для его применения не нужно обращаться к программистам. В результате такие устройства, как, например, MicroPC, более популярны среди обладающих квали- фицированными кадрами системных интеграторов или производите- лей комплексного оборудования, чем среди представителей пред- приятий. Нельзя сказать, что до сих пор проблема не была решена совсем. Так, существует ряд западных пакетов (ISaGRAF и др.), практически реализующих международный стандарт на языки для программируе- мых контроллеров (IEC 11313). Однако неизвестно об их адаптации к каким-либо из распространенных в России IBM PC совместимых контроллеров, в том числе и к MicroPC. Применение таких пакетов здесь сдерживается их высокой стоимостью.
184 Глава 3 Длительное время, фактически с самого своего появления, про- граммируемые контроллеры в основном представляли собой устрой- ства одного из трех типов: • логический контроллер для управления дискретными процес- сами; • регулирующий контроллер для управления непрерывными процессами; • свободно программируемый контроллер для универсального применения. Как для логических, так и для регулирующих контроллеров языки программирования к середине 80-х годов окончательно сложились и были полностью адекватны тем задачам, для которых они применя- лись. Однако для сложных случаев многофункционального использо- вания удовлетворительного решения не было найдено. Попытка введе- ния международного стандарта для программирования контроллеров отразила сложившуюся картину: многофункциональный язык описан наименее четко. Чтобы понять причину этой ситуации, стоит рассмот- реть особенности основных языков программирования контроллеров. Первые технологические контроллеры были по преимуществу ло- гическими, и соответствующую специфику имел один из первых тех- нологических языков. Решение было самое простое — имитировать проектирование той техники, на смену которой пришли контрол- леры. Так появился язык релейно-контактных схем (РКС). Благо- даря сведению новой сущности к старой привычной форме был обес- печен психологически безболезненный переход на новую технику. Язык РКС обладал и еще одним преимуществом: оказалось, что про- цедуры ввода и отладки программ на языке РКС легко могут быть ре- ализованы на примитивных пультах, использовавшихся тогда для программирования контроллеров. По тем временам портативность пульта могла быть обеспечена только существенным ограничением его возможностей. Для программирования на РКС хватало одно- строчного дисплея и полутора десятков кнопок. Ограниченные воз- можности техники, имевшей небольшой объем памяти, простейший пульт, необходимость оперативной коррекции программ предъяв- ляли и еще одно требование — язык должен был быть реализован как интерпретируемый. Язык РКС легко вписывался во все имевшиеся тогда ограничения. Успех программируемых логических контроллеров вскоре разде- лили одноканальные и многоканальные программируемые цифровые регуляторы. И здесь был использован тот же хорошо себя зарекомен- довавший подход: для программирования был создан язык функцио- нальных блоков, повторявший методику создания систем регулирова-
Промышленные контроллеры для систем управления 185 ния на использовавшейся тогда технической базе. Отдельные электронные или пневматические блоки, реализующие ту или иную функцию, соединяли между собой для получения более сложных функциональных возможностей. У нас в стране язык функциональных блоков был применен во всех поколениях широко распространенных контроллеров Ремиконт. Полученный опыт выявил основные недостатки созданных реали- заций. Одни недочеты были заметны даже в той области применения, для которой эти языки предназначались. Другие проявляли себя при попытке решить задачи, где потребность в логическом управлении сочеталась с функциями регулирования и вычислений. Это харак- терно, например, для управления периодическими процессами в хи- мии или энергетике. Язык РКС оказался неудобен для описания управления такими шаговыми процессами, где линейный порядок шагов нарушался разветвлениями, параллелизмом и рециклами. Многоканальные схемы регулирования, представленные на языке функциональных блоков, были слишком громоздки и мало предста- вимы на примитивных пультах. Свойства, характерные для второго поколения языков: • вставка функциональных блоков в РКС; • использование логических функций в языке функциональных блоков. Сложные схемы регулирования и вычисления плохо вписыва- лись в логику построения РКС, логические и вычислительные задачи громоздко и ненаглядно решались на языке функциональных блоков. Здесь и начались поиски, которые дали несколько вариантов решения проблемы. Первый успех принесли попытки организации общей структуры программы. Такой подход позволил произвести декомпозицию за- дачи за счет введения модульности программ и их иерархического представления. Удачный пример этого подхода — создание фран- цузской фирмой Telemecanique языка Графсет, который явился об- разцом для разработки подобных языков другими фирмами и стал стандартом de facto еще до того, как официальное включение языка шаговых последовательностей в международный стандарт сделало его стандартом de jure. Основные свойства Графсета, явившегося практическим примене- нием наработок в теории автоматов лет за 15 до создания сетей Петри, — это представление программы в виде шагов и переходов, а также наличие нескольких одновременно работающих программ и организующей программы, которая отвечает за их включение и отклю- чение.
186 Глава 3 Логика самих шагов и переходов во многих реализациях может быть описана на языке РКС. Введение в язык шаговых последователь- ностей параллелизма шагов, наличие ветвлений, а в некоторых версиях и циклов, обеспечило в сочетании с применением РКС и структуриза- цией задачи достаточную гибкость для потребностей управления по- давляющим большинством дискретных и периодических процессов. Необходимость сочетания непрерывного и дискретного управле- ния на большинстве объектов химии, нефтехимии, металлургии, энергетики и других отраслей вела к поиску универсального техноло- гического языка. Началом пути к нему стала попытка адаптации уни- версальных языков программирования. В первых свободно програм- мируемых контроллерах применялся ассемблер, затем появились языки высокого уровня (Си, Бейсик), для того, чтобы писать на этих языках, нужны были профессиональные программисты. Сам процесс разработки программ был достаточно трудоемким, требовал кроссовых средств, реализованных на компьютере. Исполь- зование пультов для программирования исключалось из-за слож- ности самих языков, а также значительных ресурсов, необходимых для компиляции и рекомпиляции в случае внесения изменений. Пред- ложенное в ряде реализаций стандарта внешнее представление про- граммы на любом из «тестированных» языков с возможностью пере- ключения между ними проблему не сняло, поскольку в практическом применении оказалось не наглядным. С другой стороны, стремительное развитие персональных ком- пьютеров привело к тому, что лучшим пультом программирования для любого контроллера стал обычный офисный сначала laptop, а те- перь и notebook. В результате ограничения на сложность языка были сняты. Оказалось возможным перейти от программ-интерпретаторов к компиляторам, работающим на инструментальной машине и созда- ющим загрузочный код для исполнения в контроллере. Принцип адаптации универсальных языков программирования был прост: в язык вводились новые типы переменных — «входы» и «выходы» контроллера, а также создавалась некоторая библиотека подпрограмм, реализующих наиболее часто встречающиеся алго- ритмы. Программирование упростилось, но все еще оставалось слож- ным для рядового технолога. Тогда был сделан следующий шаг — создание на базе распростра- ненных языков программирования процедурного типа специализиро- ванных технологических языков, ориентированных именно на конеч- ного пользователя на объекте. В международном стандарте такой технологический язык получил название «структурированный
Промышленные контроллеры для систем управления 187 текст». Основным отличием текстовых технологических языков от универсальных стало: • резкое упрощение синтаксиса и семантики (сокращение числа типов операторов, сложности выражений и т. п.); • введение в язык специальных технологических понятий, реали- зующих типовые функции контроля и управления. Открылся простор для творчества и число языков такого типа на первом этапе, видимо, совпало с числом фирм-разработчиков. Такая разноголосица естественна для периода становления любой области техники, что нашло отражение и в достаточно скупом описании языка в созданном по горячим следам стандарте. Поиски в нашей стране шли в том же направлении. Убедившись, с одной стороны, в функциональной ограниченности графических язы- ков (РКС, функциональных блоков и шаговых последовательностей), зная недостатки примитивного текстового языка Микрол контролле- ров Ломиконт, была предпринята попытка создания такого языка, который бы удовлетворял пониманию потребностей пользователей. Название Микрол+ возникло раньше реализации самого языка с целью подчеркнуть некоторую преемственность по отношению к языку Микрол контроллеров Ломиконт. В то же время плюс после на- звания «Микрол» не отражает всей разницы в функциональной мощ- ности этих языков. Увеличение возможностей неизбежно усложняет язык, хотя и по- зволяет создавать более компактные и надежные программы, легко тиражировать найденные решения типовых задач. Однако все допол- нительные и более сложные элементы языка не обязательны для ис- пользования и их описание вынесено за рамки основного руковод- ства по языку. Еще один шаг в направлении облегчения жизни разработчиков был сделан за счет создания тесной связи между ин- тегрированной средой разработки, проектом, в рамках которого должна вестись работа, и самим языком. Первоначально система технологического программирования MicPlus создавалась для контроллеров серии «Техноконт» — ТСМ51 и МФК. Однако, учитывая то обстоятельство, что контроллер МФК является расширением системы ввода-вывода MicroPC, выяснилось, что адаптация MicPlus к любому IBM PC совместимому контроллеру не составляет особого труда. Для облегчения этой процедуры в со- став интегрированной среды включены соответствующие диалого- вые средства. Каждый новый контроллер подключается к системе пу- тем описания используемых плат ввода-вывода, их информационной емкости, типа и имен обслуживающих эти платы драйверов.
188 Глава 3 Архитектура системы MicPIus состоит из двух частей: • инструментальной, предназначенной для разработки пользова- тельских программ; • целевой, работающей непосредственно в контроллере (рис. 3.21). Целевая система содержит монитор реального времени и средства ввода-вывода информации через платы и каналы связи. Монитор обес- печивает вытесняющую приоритетную многозадачность и управляет работой подсистемы ввода-вывода, к которой, в свою очередь, под- ключаются драйверы для конкретных плат. Монитор также обеспечи- вает загрузку и запуск прикладных программ, оформленных в виде от- дельных ЕХЕ-модулей. Основное понятие, с которым работает пользователь в интегриро- ванной системе MicPIus, — проект. Проект содержит список кон- троллеров, в каждом из которых может быть несколько задач — про- грамм пользователя (ПрП). Инструментальная система для IBM PC совместимого компьютера Интегрированная среда MicPIus™ I ." I ' I . Г I „ I Система управления проектами и библиотеками Конфигуратор ввода-вывода сигналов Специализи рованный редактор текста Компилятор с языка Микро л+ Загрузчик Символьный отладчик Компилятор с языка Си для целевой платформы Драйвер связи с кон г рол ле ром Компоновщик Исполнительная система для целевой платформы (контроллера) Рис. 3.21
Промышленные контроллеры для систем управления 189 Задачам указывается приоритет и период запуска. Отсутствие пе- риода означает выполнение задачи в непрерывном цикле. Пользова- тель описывает конкретный контроллер, указывая последователь- ность расположения плат из списка имеющихся для данного типа контроллера. Впоследствии при описании переменных каждому имени пере- менной ставится в соответствие ее тип (аналоговый или дискретный, вход или выход) и адрес (номер платы и номер сигнала данного типа на плате). Наряду с таким «географическим» адресом переменной можно ис- пользовать и ее порядковый номер в контексте — последовательном массиве значений сигналов данного типа, который формируется драйверами в памяти контроллера. Структура пользовательской программы включает заголовок и программные блоки. В заголовке, состоящем из нескольких разделов, описываются: • переменные; • константы; • шаблоны текстовых сообщений; • список вызываемых внешних библиотек; • текст используемых в программе процедур и функций. Программные блоки, в свою очередь, имеют заголовок, в котором приведен перечень локальных переменных, и программные секции, содержащие текст программы, описывающей логику контроля и управления технологическим объектом. В интегрированной среде структура программы представлена в виде дерева (рис. 3.22), где каж- дая часть (заголовок или программный блок) может быть видна в сжатом или раскрытом виде. < е m* зй ГМНШИ1 Спид. Hunt рйАяоу- Гквмят» ЕСЛКС веник пак ЙйИМафВят!. ТОГОЙ < ВХЯ МпиВилРеж. «ЕЖигтСНЩ, МН' НЮ, ННЙЧЙ ОГНЯ МекЯклГвж» ЕСЛИ НЫ Лобдомть- <1вренв»»и^> Ctrl-H? Ciapriin мвркнаницв Наалигь ларепйИмьгй Посчмгять Ctrl-P9 Г«НМ 2^ • ♦Длжл! l»ib jh| □та =* Глзниил.Н/.овмгачП г Ижг Л© ндооара Рм-Ф-^СХ-БНа Розлив Спаял явгттагтЧ! ---12еЧ_л>еТч Лин н ГЬзнимял |--*-Зл!ГОЛФБам --Йы*ир-__рсжн}*а. '-ИнИ1|Ы JkflHI АЦМ жРи-<НМ —та н фб Ре > м мл Рис. 3.22
190 Глава 3 Блоки и секции имеют имена. Блокам свойственны: • состояние (включенное или отключенное) при первом запуске программы; • кратность выполнения по отношению к ее периоду запуска. Входящие в состав блока программные секции также имеют пер- воначальное состояние. Блоки и секции во время своего выполнения могут быть включены и отключены программой пользователя или средствами верхнего уровня. Количество блоков и секций, а также их размер, ограничены только общим объемом оперативной памяти контроллера. Текст сек- ции вводится в окне специализированного редактора, поддерживаю- щего ввод любых конструкций языка по нажатию соответствующих «горячих» клавиш и обеспечивающего синтаксическую раскраску текста. Раскраска упрощает его восприятие и визуальный контроль. Количество открытых одновременно для редактирования окон про- граммных секций или разделов заголовка практически не ограни- чено. В произвольном месте программы может быть расположен комментарий. Язык Микрол+ поддерживает ряд типов данных: • ВА, АВ — аналоговые входы и выходы (целое — 2 байта); • ВД, ДВ — дискретные входы и выходы; • РА и РД — рабочие (промежуточные) переменные; • Be — вещественные (3 байта мантисса и 1 байт порядок); • Дл — длинные (двойное целое — 4 байта); • КБ и КС — ключи блоков и секций (дискретные переменные, управляющие запуском и остановом соответствующих разде- лов программы). В дальнейшем предполагается также использование некоторых сложных типов данных (массивов и структур). Над всеми аналоговыми переменными можно выполнять четыре действия арифметики. Резуль- тат может быть присвоен переменной любого типа, кроме входной. Дискретные переменные, кроме входных, можно включать и от- ключать, а также проверять их состояние. Дискретным константам вкл и ОТКЛ, с помощью которых производятся эти действия, по- льзователь может присваивать различные имена — синонимы, ис- пользуемые в программе одновременно, например, «Открыть/Зак- рыть», «Вперед/Назад», «Есть/Нет». Кроме аналоговых и дискретных переменных, в языке Микрол+ существуют также специальные переменные для счета времени — таймеры. Имеется пять типов таймеров. Три из них — это таймеры счета времени с дискретностью счета 10 миллисекунд (ТМД), одна
Промышленные контроллеры для систем управления 191 секунда (ТМС) и одна минута (ТММ) соответственно. Кроме них, в языке имеются два специальных таймера: ВРЕМЯ (отсчет астроно- мического времени) и ДАТА (отсчет календарной даты). Наряду со значением таймер счета времени характеризуется со- стоянием: • СТАРТ (таймер считает время), • СТОП (значение таймера со временем не изменяется). Если исходное значение таймера счета времени положительно, то оно растет до максимального целого значения и таймер отключается (счет времени). Если исходное значение таймера отрицательно, то оно растет до нуля и таймер также отключается (выдержка времени). Обновление значения входных переменных в соответствии с теку- щим значением физических входов контроллера производится перед очередным циклом ПрП. Передача значений выходных переменных на выходы контроллера производится после его завершения. Прира- щение физического времени, накопившееся за очередной цикл вы- полнения ПрП, прибавляется к значению таймера перед началом нового цикла. Каждая переменная наряду со значением характеризуется состоя- нием блокировки. Значение разблокированной переменной формиру- ется в самом контроллере. При этом значения входных переменных ВД и ВА зависят от входных сигналов на модулях ввода дискретных и аналоговых сигналов. Значения остальных переменных могут быть изменены в процессе выполнения программы. Если же переменная блокирована, изменение сигналов на входе контроллера не приводит к изменению соответствующих входных переменных. При выполнении программы не происходит программного изме- нения заблокированных рабочих или выходных переменных, вклю- чения или отключения блокированных блоков и секций. Блокировка таймера означает, что управляющая программа не может ни запус- тить, ни остановить таймер, ни присвоить ему произвольное значение времени. Если таймер запущен, счет времени в нем продолжается не- зависимо от состояния блокировки. Блокирование блока или секции не останавливает их работы, но не позволяет программе управления включать или отключать их. Блокируя переменные, оператор может с помощью средств вер- хнего уровня или с пульта контроллера, если таковой имеется, произ- водить ручное управление исполнительными механизмами, задавать значения входов (например, при неисправности датчиков входной информации), изменять задание регулятора и т. д. Операция блокиро- вания незаменима также при отладке программы.
192 Глава 3 В языке Микрол+ существуют два основных типа операторов: • безусловный; • условный. Выполнение условного оператора зависит от результата проверки логического условия, представленного в виде простого или сложного логического выражения. Безусловный оператор выполняется всегда, когда в процессе выполнения программы до него дошла очередь. Условный оператор имеет вид ЕСЛИ... ТОГДА... ИНАЧЕ... Безус- ловные операторы: • арифметические выражения; • операторы включения или отключения дискретных перемен- ных; • оператор перехода на метку (только вперед по тексту); • вызов процедуры; • вывод технологического сообщения (эти сообщения, предназ- наченные для информирования оператора-технолога или для отладки ПрП, могут быть выведены на принтер, дисплей и т. п.). Исполнительная часть условного оператора аналогична простому или составному безусловному оператору. Арифметические и логи- ческие выражения могут содержать функции. В языке осознанно отсутствуют операторы цикла, поскольку они могут быть элементарно реализованы через цикл самой программы, а их наличие в программе не только приводит к ее потенциальной не- надежности, но и делает невозможным любой прогноз относительно гарантированного времени выполнения. Функции и процедуры могут быть созданы пользователем для конкретной ПрП. В этом случае они помещаются в ее заголовке, а также могут быть рассчитаны и на применение в различных програм- мах. Так создаются библиотеки. Пользователь может формировать библиотеки из программ, написанных как на Микрол+, так и на Си. Существующие библиотеки обеспечивают решение задач регулиро- вания, динамических преобразований и других. Созданная программа пользователя транслируется входящим в со- став системы компилятором, который создает не загрузочный код, а промежуточное представление программы на языке Си. Именно бла- годаря этому подходу и обеспечивается легкий перенос системы про- граммирования на различные целевые платформы, а также ее откры- тость и расширяемость. Найденные в ходе трансляции ошибки отображаются в специаль- ном окне, из которого возможен переход на соответствующую строку программы.
Промышленные контроллеры для систем управления 193 Созданная программа может быть загружена в контроллер и запу- щена на выполнение в рабочем или отладочном режиме (рис. 3.23). Рис. 3.23 В системе реализованы все стандартные функции символьного от- ладчика (остановы, трассировка, просмотр, изменение и вычисление переменных). Имеющийся опыт применения системы программирования MicPIus для контроллеров серии «Техноконт» показал возможность создания наглядных, компактных и самодокументируемых про- грамм, которые могут быть перенесены с одного типа контроллера на другой без каких-либо изменений в исходном тексте ПрП. Весьма важной оказалась возможность тиражирования всех однажды най- денных решений в последующих проектах. Наметившаяся тенденция ко все более широкому использованию IBM PC совместимых кон- троллеров обещает этой мощной системе разработки программ кон- троля и управления большое будущее. Пример программы на языке Микрол+ приведен на рис. 3.24. ЯСЛИ ( Давление < НОРМА Н готов Продукт (Реактор!) ) ТОГДА { Закрыть Клапан!г Кланан2; Включить Насос? ИНАЧЕ { Сообщение Авария{ Давление ) ; АварийнаяСигнализация ( Давление ); Открыть Клапан2; Пуск( ВремяАварни >; > Пример программы на язьке Микрол* Рис. 3.24
194 Глава 3 3.5. Система подготовки программ для промышленных контроллеров UltraLogik Технологический бум, вызванный нашествием на просторы СНГ сво- бодно программируемых промышленных контроллеров, потребовал услуг высококвалифицированных профессионалов, способных решать вопросы программирования и внедрения этих контроллеров. Кроме хо- рошего программиста, нужны были также электронщик и технолог, дос- конально знающий автоматизируемый процесс. Затраты времени и средств на эту работу, как правило, находились в прямой зависимости от способностей и амбиций программиста, входящего в состав группы ав- томатизации. Зачастую при таком подходе программист оставался единственным человеком, способным разобраться в своем творении, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Абсурдность данной ситуации породила стремление создать не- кие технологические языки программирования, доступные «кипов- цам» и снимающие завесу таинства с процесса программирования. В результате технологических языков было создано столько, сколько коллективов занималось этой проблемой. Наши умельцы от программирования и по сей день с энтузиазмом наступают на одни и те же грабли, разрабатывая собственные языковые средства, типа «есл пр то дл», в то время как уже несколько лет существует стандарт Международной Электротехнической Комиссии IEC-1131. Стандарт IEC-1131 явился квинтэссенцией опыта ряда стран в области языков программирования для систем автоматизации технологических процессов. Стандарт специфицирует 5 языков программирования: • Sequential Function Chart (SFC) — язык последовательных функциональных блоков; • Function Block Diagram (FBD) — язык функциональных блоко- вых диаграмм; • Ladder Diagrams (LD) — язык релейных диаграмм; • Structured Text (ST) — язык структурированного текста; • Instruction List (IL) — язык инструкций. Языки ST и IL являются неким программистским «эсперанто», поскольку они вобрали в себя наиболее общие операторы языков типа Pascal и ассемблер и обеспечивают совместимость стандарта с ранними версиями программного обеспечения производителей кон- троллеров. Язык LD отдает дань поклонникам стиля Allen Bradley, когда про- граммы похожи на электрические схемы релейной логики.
Промышленные контроллеры для систем управления 195 Язык SFC позволяет осуществлять программирование на алгорит- мическом уровне, но предполагает конечную реализацию программы на других языках. Язык функциональных блоковых диаграмм FBD вышел из рамок ограничений языка релейных схем и по существу решил все про- блемы, связанные с использованием лингвистических языков в управлении технологическими процессами. Этот язык служит для по- строения и детального описания алгоритмов управления технологи- ческим процессом. Он предоставляет пользователю возможность ес- тественным для инженера-«киповца» образом построить любую сложную процедуру, состоящую из библиотечных блоков (те, кто знаком с пакетом P8CAD, сразу поймут, в чем дело). В качестве библиотечных блоков используются как элементарные функции, так и алгоритмы: • П-регулирования, • ПИ-регулирования, • ПИД-регулирования, • фильтрации сигналов, • стабилизации заданных параметров. Набор из математических и статистических функциональных бло- ков позволяет просто организовать необходимые вычисления и обра- ботку сигналов. Рассмотрим систему UltraLogik, которая предназначена для раз- работки программ промышленных контроллеров с помощью прос- тых инструментальных средств, используя в качестве языка програм- мирования язык функциональных блоковых диаграмм. «Простота» в данном случае достигается применением методов объектного визуального программирования, когда пользователь со- бирает программу, как домик из кубиков детского конструктора. При этом исключаются ошибки, широко распространенные в лингвисти- ческих языках программирования, опасные операторы циклов, про- блемы с захватом памяти и т. п. Система максимально ориентирована на то, чтобы инженер-специалист в области автоматизации работал с понятным ему технологическим контроллером, а не компьютером с его мудреной системой команд, памятью. UltraLogik рассматривает контроллер как «черный ящик», связан- ный с объектом управления посредством формальных устройств ана- логового и дискретного ввода/вывода. Подобный подход вовсе не предполагает тривиальности системы. Для людей любознательных и склонных к самовыражению UltraLogik имеет механизм вызова внешних процедур, написанных на других языках, таких как ассем- блер, С, Pascal.
196 Глава 3 Ориентированная на IBM PC совместимые контроллеры, система UltraLogik фактически является независимой по отношению к аппа- ратной платформе целевого контроллера. Для этого в системе есть специальный инвариантный компилятор, который использует подго- товленную ранее информацию об аппаратной платформе контрол- лера и его конфигурации. Информация готовится пользователем в диалоговом режиме. Сис- тема предоставляет пользователю возможность создания и накопле- ния собственных функциональных блоков, что в сочетании с поддер- жкой иерархического проектирования служит источником неиссякаемого вдохновения аппаратчика для создания и накопления новых «кубиков», охватывающих широкий спектр возможных при- ложений. Этот механизм является мощным инструментом для упро- щения разработки и улучшения читабельности программы, когда один или несколько функциональных блоков полностью описывают управление тем или иным технологическим процессом. UltraLogik представляет собой интегрированный комплекс про- грамм в операционной среде DOS или Windows и включает в себя: • графические средства, • компиляторы, • средства интерактивного диалога, • средства настройки и отладки проектов. UltraLogik функционирует на IBM PC совместимом компьютере, с помощью которого может производиться и отладка программы на объекте. Использование Notebook вместо пульта качественно изме- нило процесс отладки. Оно позволяет осуществлять оперативный мо- ниторинг процесса, осциллографирование любых переменных в ре- альном времени, простой подбор параметров регулирования, быстрое исправление и мгновенную перекомпиляцию проекта, удаленную от- ладку, доступ к любой справочной информации об объекте. Архитектура системы Архитектура UltraLogik состоит из двух частей: системы программи- рования и системы исполнения (рис. 3.25). Система программирования содержит средства подготовки проек- тов, менеджер проектов и средства их отладки. Менеджер проектов включает: • редактор переменных; • конфигуратор контроллера; • менеджер программ; • компиляторы.
Промышленные контроллеры для систем управления 197 Система программирования ULTRONIC-PRO Менеджер проектов Удаленный Отладчик Загрузчик Конфигуратоо Контроллера Менеджер Программ Редактор Переменных Списки пере- менных Ксмпилнюр Проекта ।—1—[ J-|OBJ| Просмотр Переменных - Сеть Intel Выбор 2itob Аппаратной - f "°9 Платформы _ Motorola Редакторы Программ Платформо- зависимый _ Компилятор Осциллогра- фирование Переменных Пошаговый Отладчик Системная Конфигурация V\Card4>? Таблицы Привязки Переменных intel Zilog Motorola Сетевой Драйвер Модуль <ч>5 Рис. 3.25 Система отладки содержит: • загрузчик программ; • сетевой драйвер; • средства осциллографирования и удаленной отладки. Система исполнения функционирует на целевом контроллере, ко- торый может базироваться как на платформе Intel, так и на другой ап- паратной платформе. Любой экзотический контроллер может быть подключен к системе UltraLogik, если он имеет систему команд и средства загрузки программы (естественно, после того как соотве- тствующий компилятор будет интегрирован в систему программиро- вания). В одних случаях программа в контроллер может загружаться, например, по каналу последовательной связи, в других с помощью внешне программируемой микросхемы памяти. UltraLogik использует метод сетевого взаимодействия между кон- троллерами (системами исполнения), управляющими технологичес- ким процессом, и системой визуализации данных верхнего уровня (SCADA/MMI). Сетевые ресурсы автоматически включаются в порож- даемый код системы исполнения. Количество участников сети может достигать 256.
198 Глава 3 Временная диаграмма цикла (циклограмма) работы системы ис- полнения (контроллера) представлена на рис. 3.26. Рис. 3.26 Сеанс сетевого обмена с верхним уровнем показан в цикле кон- троллера условно. На самом деле сетевой обмен носит случайный ха- рактер и всегда инициируется системой верхнего уровня. В систему встроен драйвер, поддерживающий обмен по RS-485. В качестве опции поставляются драйверы для сетевого обмена, использующие протокол IPX/SPX. Программа управления в UltraLogik представляется как некото- рое логическое программное устройство, описывающее технологи- ческий процесс и операции над переменными величинами (парамет- рами) этого процесса. Программа может содержать следующие базовые типы объектов: • переменные; • константы; • комментарии; • функциональные блоки. Используемые типы переменных приведены в табл. 3.11. Таблица 3.11 Тип переменной Принимаемые значения Двоичные переменные (Boolean) TRUE—истина, FALSE—ложь Переменные целого типа (Integer) -32768...+32767 Переменные с плавающей точкой (Float) +1.18Е-38..Д3.4 Е+38 (IEEE 754) Таймерные переменные (Timer) Не более 8760h59m59s99 Здесь h — часы, m — минуты, s — секунды, 99 — сотые доли секунды.
Промышленные контроллеры для систем управления 199 Типы констант соответствуют типам переменных. Любой переменной могут быть присвоены следующие атрибуты: • Public — глобальная переменная, может использоваться всеми программами проекта; • Network — переменная доступна другим участникам сетевого обмена. По отношению ко входам и выходам контроллера переменные мо- гут иметь признак: • Input — входная переменная, логически соединенная со входом контроллера, или • Output — выходная переменная, логически соединенная с вы- ходом (выходами) контроллера. Язык функциональных блоковых диаграмм (FBD) описывает связи между входными и выходными переменными (рис. 3.27). Эти функции описываются в виде сочетания элементарных функциональ- ных блоков. Выход функционального блока может быть соединен со входами других блоков. Каждый функциональный блок обозначается прямоугольником, внутри которого имеется обозначение функции, выполняемой блоком. Inputs < Function Outputs Рис. 3.27 Один или несколько функциональных блоков, соединенных между собой, образуют программу на языке FBD. Имеются следующие правила языка FBD: • функциональные блоки могут располагаться произвольно в поле программы; • не может быть свободных (несоединенных) входов и выходов функционального блока; • любая связь (NET) может иметь (или не иметь) имя перемен- ной; • входы и выходы функциональных блоков, присоединенные к связям, имеющим одинаковые имена, считаются соединенными; • очередность выполнения блоков в программе: слева направо и сверху вниз.
200 Глава 3 Переменные FBD-программ присваиваются входным и выходным точкам функциональных блоков (рис. 3.28). L. 1s00- tm var - bi 100 - Return Subpi og1 Рис. 3. 28 На входе FBD-блока могут быть: • константное выражение; • любая внутренняя или входная переменная; • выходная переменная. На выходе FBD-блока может быть любая внутренняя или выход- ная переменная. В табл. 3.12 приведены примеры базовых функций языка FBD. Таблица 3.12 Функции двоичного типа NOT, AND, OR, XOR, SET, RESET Функции управления программой RETURN, GOTO, CALL, TSTART, TSTOP, GSTART, GSTOP Арифметические функции ADD, SUB, DIV, MUL Функции сравнения = о > < —> <= Математические функции ABS, EXPT, LOG, SQRT Тригонометрические функции ACOS, ASIN, AT AN, COS, SIN, TAN Программы на языке FBD напоминают принципиальные электри- ческие схемы логических устройств и формально соблюдают алго- ритмы их работы. Однако, несмотря на всю схожесть с электрическими схемами, язык FBD содержит: • метки, • операторы условного и безусловного переходов. Они свойственны традиционным процедурным языкам програм- мирования. Менеджер проектов Окно, где создаются и редактируются проекты, называется окном ме- неджера проектов. Оно представляет собой набор секций с заклад- ками в нижней и верхней части.
Промышленные контроллеры для систем управления 201 Каждая секция предназначена для определенных типов данных, составляющих проект. Названия секций приведены на нижних за- кладках, названия разделов в секции — на верхних закладках. Менед- жер проектов содержит следующие секции: • Program — программы проекта как на языке FBD, так и на дру- гих языках; • Variables — списки и атрибуты всех переменных и констант проекта; • Config — описание конфигурации системной части контролле- ра, модулей контроллера, таблицы привязки переменных про- екта к выходам и входам модулей, калибровочные таблицы измерительных каналов; • Options — текстовая неформальная информация о проекте. Секция программирования Секция программирования (Program) содержит титульный лист и листы программ (рис. 3.29). На титульном листе приведен список про- грамм, входящих в проект, с указанием языка программирования и комментария. Каждая программа имеет свой лист, над которым распо- лагается закладка с именем программы. На рис. 3.29 приведен пример, когда проект состоит из трех программ Prog3, Prog2, Progl. Именно в такой последовательности они будут выполняться, если у каждого из них свойство State установлено в состояние Start (Auto Run). Автоматизируемый технологический процесс разбивается на от- дельные формальные задачи, выполняемые последовательно. Порядок выполнения задач может быть изменен произвольным образом. Программа может состоять из множества программ, находя- щихся друг с другом в определенных отношениях, образующих ие- рархическое дерево. Программы, состояние которых объявлено как Рис. 3.29
202 Глава 3 Рис. 3.30 Start (Auto Run), активизируются при запуске системы и выполня- ются в каждом цикле работы контроллера. Программы, состояние ко- торых объявлено как Stop, активизируются при выполнении тех или иных условий. Собственно программирование осуществляется с помощью спе- циального графического редактора (рис. 3.30). При этом пользователь с помощью мыши устанавливает функцио- нальные блоки в поле программы, соединяет их связями, присваивает связям имена переменных. Имена могут непосредственно назна- чаться в поле программы или вызываться из списков в секции Variables. Все шаги по составлению программы записываются в файл-сценарий, благодаря чему можно производить откат к предыду- щему состоянию (Undo) и возврат к правкам (Redo). Число шагов Undo/Redo задается пользователем в пределах от 0 до 16000. Редактор позволяет выполнять групповые операции, операции в окне. Любой вход и выход двоичных блоков может легко быть из- менен на инверсный. Количество входов функциональных блоков может задаваться при вызове блока и варьируется от 2 до 32. Данная операция применима только к тем блокам, для которых она допустима, например, для двоичной функции AND или операции сложения ADD. Редактор может: • включать разметку поля, • масштабировать изображение, • автоматически изменять изображение указателя мыши в зави- симости от типа операции.
Промышленные контроллеры для систем управления 203 Все манипуляции с объектами осуществляются с помощью мыши. Назначение кнопок и порядок работы с объектами совпадают с об- щепринятыми в Windows соглашениями. Разработка собственных функциональных блоков также происхо- дит с помощью графического редактора. Алгоритм разработки по- льзовательского функционального блока (User Functional Block, UFB) следующий. 1. Используя базовые функциональные блоки, составляют про- грамму, реализующую функции создаваемого UFB. 2. Внешним связям UFB присваиваются имена, которые будут ис- пользоваться в графическом изображении блока как функция того или иного вывода. 3. Программа сворачивается в прямоугольную картинку с по- мощью команды Picture. 4. Специальными командами формируется изображение UFB: • Wide — задать ширину UFB; • InpPins — задать число входов UFB; • OutPins — задать число выходов UFB; • NameElem — ввод заголовка UFB; • PinName — ввод названия входов и выходов UFB; • PinType — выбор типов входов и выходов UFB; • VarType—выбор типов переменных, подключаемых ко входам и выходам UFB. Полученные элементы можно использовать для создания других библиотечных элементов и т. д., причем число вложений не ограни- чено. Секция переменных В секции Variables осуществляется ввод глобальных переменных про- екта, сформированных в списки по тем или иным признакам (рис. 3.31). Рис. 331
204 Глава 3 Разбиение переменных на списки носит формальный характер и служит для удобства просмотра, поиска и редактирования. Перемен- ные сформированы в 5 списков: • Constant, • Public, • Input, • Output, • Network. Переменные и константы в этих списках доступны всем програм- мам проекта, а также конфигуратору контроллера. Переменные, вве- денные на этапе конфигурирования, назначенные как входы и вы- ходы контроллера, заносятся в эти списки автоматически. Переменные, имена которых введены как имена связей функциональ- ных блоков в тело программы, являются локальными и в списки не заносятся. Секция конфигурирования В секции конфигурирования (Config) последовательно осуществляются следующие действия: • выбирается аппаратная платформа контроллера (рис. 3.32); Рис. 332 выбирается тип вычислительного модуля внутри платформы (рис. 3.33); Рис. 333
Промышленные контроллеры для систем управления 205 • указываются системные установки, такие как наличие сети, сторожевого таймера, настройки компилятора (рис. 3.34); Рис. 3.34 • выбираются типы используемых модулей ввода/вывода кон- троллера (рис. 3.35); Total: Рис. 335 • осуществляется привязка переменных ко входам и выходам со- ответствующих модулей. В результате этих действий в секции Config на листе Model сформируется описание вычислителя контроллера, на листе Modules — типы модулей, входящих в контроллер, а на каждом последующем листе — описание при- вязки конкретного модуля к входным и выходным переменным (рис. 3.36).
206 Глава 3 Рис. 336 По умолчанию UltraLogik предлагает переменным системные имена, которые указывают на конкретный тип переменной и ее адрес подключения в контроллере. Однако пользователь может называть переменные произвольным образом. Все действия происходят в режиме интерактивного диалога путем выбора соответствующих опций из последовательно возникающих окон. Загрузка и отладка программ Готовый проект компилируется, после чего полученный код системы ис- полнения загружается в контроллер. В этот код автоматически встраивается драйвер сетевого обмена, который обеспечивает мониторинг и отладку. Каждая переменная, участвующая в сетевом обмене, имеет двойное имя, состоящее из имени переменной и префикса, являющегося сетевым адресом кон- троллера. Например, переменная с именем O3.Varl принадлежит контрол- леру с сетевым адресом 03. Общее количество участников сети может быть 256, и для системы визуализации они представляются как пере- менные единого технологического процесса, безотносительно к тер- риториальному расположению контроллеров. Инициатором обмена всегда является отладчик или диспетчерская система верхнего уровня. Она запрашивает у контроллеров перемен- ные для визуализации и передает им список новых значений пере- менных, являющихся уставками и режимами работы. Удаленный от- ладчик имеет режимы пошагового исполнения программы, позволяет задавать и удалять точки останова, обеспечивать визуализацию переменных в точках останова.
Промышленные контроллеры для систем управления 207 Принимаемые отладчиком переменные могут быть направлены на осциллографирование. Число одновременно осциллографируемых переменных не ограничено. Графики масштабируются по амплитуде и временной шкале, мотуг быть сохранены на диске для последую- щего анализа. Минимальный квант времени между отсчетами одной переменой — 10 мс, максимальное количество точек осциллограм- мы— 16000. Практический пример Рассмотрим пример проекта автоматизированной системы подогрева воды (рис. 3.37). Рис. 3.37 Холодная вода нагревается в теплообменнике ТО. Давление хо- лодной воды обеспечивает двигатель Ml. Двигатель М2 является ре- зервным. Количество горячей воды от ТЭЦ в теплообменнике регу- лируется аналоговым регулятором РТ с приводом постоянного тока. Температура нагреваемой воды зависит от положения регулятора РТ. Проект содержит две программы: Motors_Ctrl — управление на- сосами (рис. 3.38, а) и RegCtrl — управление регулятором темпера- туры (рис. 3.38, 6). Проект имеет следующие переменные и константы. Входные переменные: • Alarm Ml — сигнал неисправности двигателя Ml; • А1апп_М2 — сигнал неисправности двигателя М2; • T wat—температура воды в контуре горячего водоснабжения. Выходные переменные: • Start M 1 — пуск двигателя М1; • Start_M2 — пуск двигателя М2; • Ctrl — управление приводом РТ.
208 Глава 3 Рис. 338 Глобальные переменные: • Tstab — температура стабилизации (задатчик); • Start — пуск одного из двигателей. Константы, определяющие параметры ПИД-регулятора: • Кп — коэффициент пропорционального управления; • Кдиф — коэффициент дифференциального управления; • Кинт — коэффициент интегрального управления. Переменные Start и T stab являются сетевыми, и их значение уста- навливает система визуализации верхнего уровня. При получении сигнала Start и отсутствии сигнала А1апп_М1 включается двигатель Ml. В том случае, если двигатель Ml неиспра- вен (Alarm Ml= True), включается двигатель М2. Функциональный блок Aver вычисляет среднее значение измеренной температуры воды. Число замеров задается параметрически (в приведенном при- мере 1000). Вычисленное значение температуры подается на вход ПИД-регу- лятора. На другой вход регулятора подается значение уставки (в дан-
Промышленные контроллеры для систем управления 209 ном примере Tstab). Величина рассогласования между заданным и истинным значением параметра является аргументом функции регу- лирования. Коэффициенты регулирования задаются параметрически. Выходной сигнал регулятора ограничивается разрешенными преде- лами цифроаналогового преобразователя и непосредственно управ- ляет приводом постоянного тока. Все приведенные функции данного проекта реализуются с помощью модуля 5710 Analog Input Card фирмы Octagon Systems. UltraLogik является одной из немногих отечественных систем программирования, удовлетворяющих требованиям стандарта IEC81131. Это обстоятельство дает основания надеяться на хорошие перспективы ее применения и развития. С помощью UltraLogik были реализованы серьезные проекты по автоматизации инженерных со- оружений больших зданий, процессов технологических испытаний ряда объектов, научного эксперимента. 3.6. Оборудование промышленной автоматизации фирмы Fastwel Начиная с середины 90-х, ситуация в области проектирования систем автоматизации кардинально изменилась. По мере утоления информа- ционного голода у каждого, кто ставит перед собой задачу автомати- зации технологического процесса, возникает желание изучать не ка- талоги элементной базы, а каталоги готовой продукции и следовать алгоритму: «выбрал»-«скомпоновал»-«за программировал». В настоящее время российский рынок средств промышленной ав- томатизации путем мучительного выбора компромисса между качес- твом, ценой, функциональными возможностями, доступностью, уровнем сервисного обслуживания и технической поддержки опреде- лил наиболее популярные продукты, среди которых одно из ведущих мест занимает продукция фирмы Octagon Systems. Подавляющее большинство специалистов, с которыми прихо- дится сталкиваться, либо хорошо информировано о возможностях MicroPC, либо что-то уже сделали на базе данного продукта. Удобно и выгодно созидать в рамках одного стандарта (в данном случае стан- дарта де-факто), и в большинстве случаев MicroPC позволяет решать поставленные задачи. Но по ряду объективных причин один произво- дитель не может решить все проблемы проектировщиков АСУ ТП. Это открывает широкое поле деятельности для независимых раз- работчиков, которые, не замахиваясь на всемирную автоматизацию,
210 Глава 3 анализируют опыт эксплуатации популярного продукта и в меру сил пытаются предложить функциональные дополнительные возмож- ности, обеспечивая при этом вполне конкурентоспособный уровень цен на свою продукцию. Именно о таких разработках и пойдет речь в этом разделе. Модули Все модули выполнены в формате MicroPC и предназначены для эксплу- атации в диапазоне температур -10...+80 °C или - 4O...+85 °C. Модули поставляются с необходимым набором драйверов, утилит и примерами программирования. Большинство описываемых моду- лей ввода/вывода поддерживаются системой программирования UltraLogik, позволяющей описывать алгоритмы функционирования системы на языке функциональных блоков (МЭК 11313). CPU 188 —модуль микроконтроллера Модуль микроконтроллера (рис. 3.39) выполнен на микропроцессоре 80С188 (тактовая частота 30 МГц) и предла- гается как Дополнение к семейству микро- контроллеров 508х фирмы Octagon Systems. Возможность подключения значитель- : ‘"z ного числа типов устройств ввода/отобра- * жения информации и хорошая производи- У тельность позволяют применять микрокон- троллер в системах автоматизации (сетевые и автономные программируемые логичес- Рис. 339 кие контроллеры нижнего уровня), меди- цинских и измерительных приборах, стан- ках с ЧПУ и т. д. Микроконтроллер предоставляет пользователю до 1024 кбайт па- мяти (ОЗУ 4- флэш). Он имеет сторожевой и 3 системных таймера, ка- лендарь/часы/аккумулятор, последовательные порты, порт принтера, порт ЖКИ, порт матричной и PC-клавиатуры, удаленный сброс, зум- мер. При сравнении с серией 508х можно отметить следующие особен- ности микроконтроллера CPU 188: • наличие 2 изолированных COM-портов RS-232/485; • порт универсального цифрового ввода/вывода; • возможность подключения карт VGA; • усовершенствованный контроллер шины и DMA, позволяю- щий производить обмен с платами ввода/вывода со скоростью до 1,6 Мбайт/с.
Промышленные контроллеры для систем управления 211 Весь процесс написания и отладки программы в среде Borland С/С+, включая создание выполняемого файла .bin и файла .ехе для от- ладчика, загрузка программы в микроконтроллер и запуск отладчика выполняются из Turbo-среды. Для удаленной отладки программ в составе целевой системы ис- пользуются стандартные возможности Turbo Debugger. Микроконтроллер не поддерживает DOS, но этот недостаток ком- пенсируется наличием IBM PC совместимого ROM BIOS и библио- теки стандартных функций С. Еще одна особенность CPU188 — выполнение программы непос- редственно из флэш-памяти. После того как программа пользователя отлажена, ее кодовая часть записывается во флэш-память и в даль- нейшем запускается оттуда, причем выполнение команд происходит с той же скоростью, что и из ОЗУ. Оперативная память используется только для хранения переменных, массивов данных и при отладке программ. Это позволяет сократить время запуска программы, повы- сить надежность ее работы (кодовая часть не стирается) и сократить объем ОЗУ (типичный размер 128-256 кбайт). Объема флэш-памяти (до 768 кбайт) в большинстве случаев вполне достаточно для написа- ния серьезных программ и хранения всех необходимых данных. UNIO96-5 — программируемый модуль ввода/вывода Модуль предназначен для обработки входных и формирования выход- ных сигналов CMOS, TTL-уровней без использования ресурсов процес- сора. Первоначально модуль UNIO96-5 (рис. 3.40) создавался как интерфейс для ыЯВь работы с оптомодулями Grayhill, Opto-22 с расширенными по сравнению jbi" с модулями 5600 и 5648 функциональ- ними возможностями. Однако применение в качестве эле- ' ментной базы программируемых логи- ческих матриц (FPGA) фирмы Xilinx по- зволило значительно расширить круг Рис. ЗЛО задач ввода/вывода, решаемых моду- лями UNIO96-5: • управление дискретными модулями УСО с гальванической раз- вязкой (Grayhill, Opto-22 и т. п.); при этом каждый канал вво- да/вывода может быть независимо запрограммирован на ввод или вывод; • поддержка модулей аналогового ввода/вывода фирмы Grayhill, включая новую серию 73L;
212 Глава 3 • измерение частоты (фазы) сигналов; • счетчики/таймеры; • формирование ШИМ сигналов; • преобразования кодов; формирование прерываний по событи- ям на входах; • программируемый антидребезг входов; • формирование временных диаграмм управления. В UNIO96-5 применена технология перепрограммирования схемы модуля в системе ISP (In System Programmable). Это дает возможность самому пользователю изменять алгоритм работы модуля. Достаточно запустить программу перепрограммиро- вания и указать ей в виде параметра соответствующий файл схемы. Набор файлов схем с описаниями и примерами программирования на языке С поставляется на дискете, может быть считан с Web-страницы фирмы Прософт или передан по E-mail, что существенно сокращает сроки внедрения новых модификаций модуля. В случае необходи- мости могут быть разработаны заказные варианты схем. Пакетом программирования UltraLogik поддерживаются наиболее популярные варианты схем UNIO96-5: • «gOO», «gOl» (рис. 3.41) — 96-канальный интерфейс для опто- модулей Opto-22, Grayhill серии 70G/73G/70L/73L, а также плат с гальванической развязкой ТВ1-хх/хх; Рис. 3.41
Промышленные контроллеры для систем управления 213 • «сОО» (рис. 3.42) — 96 16-разрядных счетчиков с программиру- емым антидребезгом счетного входа; Рис. 3.42 • «tOO» (рис. 3.43) — 16 16-разрядных таймеров с внешней или внутренней частотой счета. Рис. 3.43 Внешние сигналы подключаются к модулю кабелем СМА-26 че- рез терминальные платы ТВ-26 или клеммные платы с опторазвязкой МРВ-хх; TBI-24L; TBI-16L; ТВ1-хх/хх. Кроме UNIO96-5, выпускается усеченная версия UNIO 48-5, под- держивающая не 96, а 48 каналов ввода/вывода.
214 Глава 3 AI16-5-STB — модуль изолированного аналогового ввода Рис. 3.44 Модуль All6-5-STB (рис. 3.44) пред- назначен для измерения 16 аналоговых сигналов напряжения или тока (с комму- тацией входов). Характеристики платы приведены в табл. 3.13. Таблица 3.13 Разрядность АЦП 12/14 Точность измерения ±0,05 МЗР (с усреднением), ±0,7 МЗР (без усреднения) Входные сигналы 0...5 В, ±10 В, 0...5 мА, 0...20 мА Входное сопротивление > 10 МОм Защита входов от перенапряжения -35/+50В Быстродействие 100000 выборок/с Объем ОЗУ/FIFO 32 кбайт/ 2 кбайт ОЗУ коэффициентов усиления да Программируемый коэффициент усиления 1,2,5,10 Таймер 16 разрядов Поддержка DMA да Автосканирование входов да Аппаратное усреднение выборок да Дискретные входы/выходы 8 изолированных выходов Оптоизоляция групповая, 1000 В По сравнению с платами 5700, 5710 и 5720 введен ряд усовер- шенствований: • аналоговые сигналы и цифровые выходы гальванически изоли- рованы от системы; • добавлены токовые диапазоны для входных и выходных сигна- лов, что часто необходимо при подключении различных датчи- ков; • значительно повышена скорость считывания данных из АЦП как за счет простоты считывания данных (чтение слова со зна- ком), так и благодаря использованию канала DMA, ОЗУ или
Промышленные контроллеры для систем управления 215 FIFO-выборок, ОЗУ поканальных коэффициентов усиления и аппаратного сканирования входов; • разделяемые линии прерываний и каналов DMA позволяют ис- пользовать одну линию сразу несколькими модулями; • в модуле имеется новый режим усреднения выборок, который позволяет экономить ресурсы системы в случае, когда необхо- дима фильтрация результатов измерения. Подсоединение аналоговых сигналов к плате производится либо через съемные винтовые зажимы без использования клеммных плат, либо через клеммные платы STB-xx и ТВ-хх. Число аналоговых входов может быть увеличено с помощью ана- логовых мультиплексоров MUX-16 или AIMUX-32. AI8S-5-STB — модуль изолированного параллельного аналогового ввода Модуль AI8S-5-STB (рис. 3.45) пред- назначен для применения в системах с большим количеством аналоговых входов. Измерение проводится одновре- менно в каждом из 8 каналов со ско- ростью 100000 выборок в секунду. Максимальный темп считывания из модуля— 800000 выборок в секунду. Основные характеристики модуля Рис. 3.45 приведены в табл. 3.14. Подсоединение аналоговых сигналов к плате производится либо через съемные винтовые зажимы без использования клеммных плат, либо через клеммные платы STB-xx или ТВ-хх. Количество аналого- вых входов может быть увеличено с помощью аналоговых мульти- плексоров MUX-16 или AIMUX-32. AO16-5-STB — модуль изолированного аналогового вывода Модуль AO16-5-STB (рис. 3.46) пред- назначен для изолированного аналого- вого вывода 16 сигналов напряжения и/или тока. Рис. 3.46
216 Глава 3 Таблица 3.14 Разрядность АЦП 12/14 Точность измерения ±1 МЗР Входные сигналы 0...5 В, ±10 В, 0...5 мА, 0...20 мА Быстродействие 8 х 100000 выборок/с Объем ОЗУ/ FIFO 32 кбайт/ 2 кбайт Входное сопротивление >10 МОм Коэффициент усиления 1 или 10, 100 Защита входов от перенапряжения ±40 В Таймер 16 разрядов Поддержка DMA да Автосканирование входов модулей MUX-16 и AIMUX-32 да ОЗУ коэффициентов усиления модуля AIMUX-32 да Дискретные входы/выходы 16 изолированных выходов Оптоизоляция групповая, 1000 В В модуле установлены 16 12-разрядных ЦАП с буферизацией и до 16 преобразователей «напряжение — ток». Основные характеристики модуля приведены в табл. 3.15. Таблица 3.15 Разрядность ЦАП 12 Выходные сигналы 0...5 В, 0... 10 В, ±5 В, ±10 В, 4...20 мА, 0...20 мА Сопротивление нагрузки >2 кОм (напряжение), <150 Ом (ток) Объем ОЗУ/FIFO 32 кбайт/2 кбайт Время установки выхода 10 мкс Таймер 16 разрядов Поддержка DMA да Дискретные входы/выходы 16 изолированных выходов Оптоизоляция групповая, 1000 В Подключение сигналов производится через съемные винтовые за- жимы или через клеммную плату с помощью кабеля СМА-26. К отличительным особенностям модуля можно отнести изоляцию аналоговых сигналов, увеличенное количество выходов и диапазонов, наличие ОЗУ/FIFO, а также возможность записи данных по DMA.
Промышленные контроллеры для систем управления 217 D132 — модуль изолированного дискретно-частотного ввода Модуль DI32 (рис. 3.47) предназначен для изолированного ввода 32 дискрет- ных/частотных сигналов. В ряду модулей изолированного дискретного ввода DI32 отличается тем, что позволяет не просто считы- вать состояние входов, но и произво- дить обработку сигналов по различ- ным алгоритмам без изменения топологии платы (в модуле использу- ется программируемая логическая матрица). Основные характеристики платы приведены в табл. 3.16. Рис. 3.47 Таблица 3.16 Уровни входных сигналов 3...58 В Частота входных сигналов 25 кГц/10 МГц Программируемый антидребезг входов да Формирование прерываний по событиям на входах да Измерение частот (фаз) по любому каналу да Поддержка DMA да Оптоизоляция поканальная, 500 В Для работы с сигналами типа «сухой» контакт в модуле установ- лен изолированный источник напряжения 12 В. Подсоединение внешних сигналов производится через терминаль- ные платы ТВ-34. DO32 — модуль изолированного дискретного вывода Модуль DO32 (рис. 3.48) предназначен для коммутации 32 выходов постоян- ного напряжения. Модуль имеет 32 выхода с откры- тым коллектором с нагрузочной спо- собностью 500 мА/60 В. Подключение нагрузки может производиться по двухпроводной или однопроводной схеме. Обеспечивается поканальная опто- изоляция 500 В. Рис. 3.48
218 Глава 3 К особенностям модуля можно отнести повышенную нагрузоч- ную способность и изоляцию каналов не только от системы, но и между собой (при двухпроводном подключении). Подсоединение внешних сигналов производится кабелем СМА-34 через терминаль- ные платы ТВ-34. Интерфейсные платы Интерфейсные платы имеют габариты 147 х 76 мм и предназначены для эксплуатации в диапазоне температур от -40 до +85 °C. Предусмотрена возможность крепления на несущую шину DIN-35 (адаптеры входят в комплект поставки). AIMUX-32 — расширитель аналоговых входов Плата используется для коммутации и усиления 32 однопроводных или Рис. 3.49 16 дифференциальных аналоговых сигна- лов напряжения или тока (рис. 3.49) и поз- воляет расширять количество подключае- мых входов к модулям АЦП (например, 5710, AI16-STB-5, AI8S-STB-5). Основные характеристики AIMUX-32 приведены в табл. 3.17. Таблица 3.17 Входные сигналы ±10 В, 0...5 мА, 0...20 мА Входное сопротивление > 10 МОм Защита входов от перенапряжения -35/+50 В Время установления выхода 1,7 мкс (без усиления), 5 мкс (с усилением) Степень подавления перекрестных помех <-80 дБ Программируемый коэффициент усиления 1,2, 5,10 Подключение входных аналоговых сигналов производится через двухъярусные клеммные колодки с пружинным зажимом (Wago). Сигналы управления подключаются кабелем СМА-26. Выходные сигналы расширителя подключаются либо кабелем СМА-20, либо че- рез клеммы. Достоинством платы является наличие программируемого инстру- ментального усилителя, что вместе с дифференциальным выходом платы максимально улучшает качество сигналов, передаваемых в АЦП, и обеспечивает возможность подключения токовых сигналов.
Промышленные контроллеры для систем управления 219 TBI-24/0, TBJ0/24 — платы дискретного ввода/вывода с опторазвязкой Платы дискретного ввода TBI-24/0 (рис. 3.50) и дискретного вывода ТВЮ/24 (рис. 3.51) предназначены для работы совместно с модулями дискретного ввода/вывода, в том числе UNIO96-5 (вариант схемы «gOO»), 5600, 5648. Рис. 3. 50 Рис. 3. 51 Подключение внешних сигналов может производиться как по од- нопроводной, так и по двухпроводной схеме. Обеспечивается свето- диодная индикация состояния каждого канала. Основные характеристики плат приведены в табл. 3.18. Таблица 3.18 Уровни входных сигналов 3...58 В Частота входных сигналов 25 кГц/IO МГц Коммутируемое выходное напряжение постоянное 60 В, 800 мА переменное 20...280 В, 0,5....900 мА Оптоизоляция поканальная, 1500 В (постоянное), 4000 В (переменное) Подключение каналов дискретного ввода/вывода производится че- рез двухъярусные клеммные колодки с пружинным зажимом (Wago). Сигналы управления подключаются с помощью кабеля СМА-26. TBI-16L, TBI-24L — клеммные платы для оптомодулей Grayhill 70L/73L Платы TBI-16L (рис. 3.52) и TBI-24L (рис. 3.53) используются для уста- новки соответственно 8 и 12 оптомодулей Grayhill новой серии 70L/73L.
220 Глава 3 Рис. 3. 52 Рис. 3. 53 Управление платами может осуществляться модулями UNIO96-5 (вари- ант схемы «gOl») или 5600 (только для оптомодулей серии 70L). Основное преимущество использования клеммных плат TBl-xxL совместно с модулями УСО фирмы Grayhill заключается в низкой стоимости изолированного канала ввода/ вывода. Особенно это каса- ется аналоговых сигналов. Необходимо отметить гибкость, которую предоставляет такой подход конечному пользователю. Так как один модуль УСО фирмы Grayhill содержит всего 2 канала определенного типа, разработчик АСУ ТП может точно подобрать необходимый набор модулей УСО, не переплачивая за «излишки», которые возникли бы при использова- нии более крупных (например, 16-канальных) строительных блоков. Такая конфигурация аппаратных средств может быть также по- лезна в случае, если для уже эксплуатируемой системы возникла по- требность в модернизации или небольшой настройке под изменения в технологическом процессе и связанные с ними изменения в наборе обрабатываемых сигналов. Терминальные платы ТВ-10, ТВ-14, ТВ-20, ТВ-26, ТВ-34 Серия терминальных плат (рис. 3.54) предназначена для обеспечения соединения «шлейф-провод». Рис. 3. 54
Промышленные контроллеры для систем управления 221 Подключение проводов сечением до 4 мм2 производится через двухъярусные клеммные колодки с пружинным зажимом (Wago). В отличие от серии STB-xx, платы имеют более удобное расположение клемм, большую надежность подключения проводов и возможность крепления на несущую шину DIN 35 (адаптеры входят в комплект по- ставки). Терминальные платы предназначены для эксплуатации в диапа- зоне температур от -40 до +85 °C. Оценка стоимости некоторых конфигураций Желание получить все достоинства «в одной упаковке» законно и не- истребимо. Разговор о достоинствах и недостатках изделий рано или поздно приведет к рассмотрению экономических показателей системы, разработанной на их основе. Предугадать все варианты применения описываемой продукции, естественно, невозможно, поэтому для определения экономической эффективности оптимальным представляется определение эквива- лентной стоимости одного канала при решении задачи ввода или вы- вода некоторого количества однотипных сигналов. Количество сиг- налов выбиралось, по возможности, из соображений максимального использования ресурсов оборудования, участвующего в каждом из вариантов. На рис. 3.55-3.58 представлены различные варианты решения за- дачи изолированного ввода/вывода дискретных и аналоговых сигна- лов. Так как характеристики и номенклатура каналов ввода/вывода у различных производителей достаточно широко варьируются, то, ес- тественно, выбор конкретных технических решений диктуется не только стоимостными показателями, но и особенностями решаемой задачи. При расчете стоимости канала не учитывались цены конструктива и процессора. В случае ввода изолированных дискретных сигналов (рис. 3.55) применение модулей UNIO (вариант 1) и DI32, помимо существен- ного снижения стоимости системы, дает пользователю ряд дополни- тельных возможностей, таких как программируемый антидребезг, обработка частотных сигналов, прерывание по событию. Каналы изолированного дискретного вывода (рис. 3.56), реализо- ванные с использованием предлагаемого оборудования, также имеют низкую стоимость, а применение модулей UNIO (вариант 2) позво- ляет реализовать по каждому из каналов достаточно сложные времен- ные диаграммы.
222 Глава 3 Вариант! с применением модулей GrayhUl 70G Изоляция сигналов - локанальная Изоляция питания - локанальная Кратность числа каналов -1 Вариант 1 с применением модулей GrayhlU 7OG Изоляция сигналов - локанальная Изоляция питания- локанальная Кратность числа каналов -1 Вариант 2 с применением модулей ТВТ-24/0 Изоляция сигналов - локанальная Изоляция питания - групповая Кратность числа каналов - 24 Вариант 2 с применением модулей ТВЬО/24 Изоляция сигналов - локанальная Изоляция литания- групповая Кратность числа каналов - 24 Вариант 3 с применением модулей DI-32 Изоляция сигналов - локанальная Изоляция питания - групповая Кратность числа каналов - 32 ВариантЗ с применением модулей 00-32 Изоляция сигналов - локанальная Изоляция питания - групповая Кратность числа каналов - 32 Стоимость канала (у.е.) 25 Вариант! Вариант 2 Вариант 3 Рис. 3.55 Рис. 3.56
Промышленные контроллеры для систем управления 223 Вариант 1 с применением модулей Grayhilt 73G Изоляция сигналов - поканальная Изоляция витания - поканальная кратность числа каналов - 1 Вариант 1 с применением модулей Grayhftl 73G Изоляция сигналов - поканальная Изоляция питания - поканальная кратность числа каналов - 1 Вариант 2 с примем нмеы модулей АП 6-ST В Изоляция сигналок - групповая Изоляция питания - гйЛиювая Кратность чмла канам» - 5ST Вариант 2 с применением модулей АП6-STB Изоляция сигналов - групповая Изоляция питания - гсулпооая Кратнопь числа каналов - 15 Вариант 3 с применением модулей 73L Изоляция сигналов - поканальная Изоляция питания - поканальная Кратность числа каналов 2 Вариант 3 с применением модулей 73L Изоляция сигналов - поканальная Изоляция питания - поканальная Кратность числа каналов - 2 TB^4L| ТШ-241 Вариант 4 € применением модулей Analog Devices Б8 Изоляция сигналов - поканальная Изоляция питания - поканальная кратность числа каналов 1 Вариант 4 с применением модулей Analog Devices SB S, сигналов - поканальная s питания - поканальная ь числа каналов - 1 5802 Стоимость канала (у.е.) 180 isoL——— laoL-JIZ.------ so». 601 SOI” 10 1 J - :i * < . Ь : J kJ Вариант! Вариант? Вариант 3 Вариант 4 Стоимость канала (у.е.) 180 150г ------—------------ Вариант! Вариант? Вариант? Вариант 4 Рис. 3.57 Рис. 3.58
224 Глава 3 При решении задачи аналогового изолированного ввода и вывода (рис. 3.57 и 3.58) применение модулей AI16-STB и AO16-STB (вари- анты 2 на указанных рисунках) позволяет не только резко сократить стоимость канала, но и за счет применения съемных винтовых зажи- мов упростить монтаж оборудования в небольших системах. Применение плат TBI-24L и TBI-16L, разработанных для исполь- зования новой и очень привлекательной серии модулей оптической развязки 73L фирмы Grayhill, дает пользователю возможность реали- зовать недорогой вариант поканальной развязки аналоговых сигна- лов. Более того, из приведенных данных видно, что модули 73L фирмы Grayhill (вариант 3) являются хорошей альтернативой моду- лям 5В фирмы Analog Devices (вариант 4), если необходима пока- нальная гальваническая изоляция для систем, работающих в широ- ком диапазоне температур. Разница в приведенной стомости одного канала более чем в 2 раза. Проведенный анализ дает возможность сделать вывод о том, что представленная продукция позволяет в сочетании с оборудованием фирмы Octagon Systems улучшить функциональные и экономические показатели создаваемых АСУ ТП. 3.7. Промышленные контроллеры фирмы Siemens Простота эксплуатации и обслуживания, работа в реальном масштабе времени и почти неограниченные возможности коммуникации— все эти качества делают гибко программируемые контроллеры SIMATIC S7-200 практически универсальным средством построения систем управления. Обладая модульной архитектурой, в которую входят раз- личные по мощности ЦПУ, это семейство устройств существенно рас- ширяет привычную область применения гибко программируемых мик- роконтроллеров. Вы хотите автоматизировать лифт или бетономешалку, пресс или упаковочную машину и добиться при этом максимального техничес- кого эффекта при минимальных затратах? Тогда контроллеры SIMATIC S7-200 (рис. 3.59) — это как раз то, что нужно. Область применения этих контроллеров простирается от простей- ших задач автоматизации, при решении которых использование про- граммируемых контроллеров прежде было бы непозволительной рос- кошью, до создания больших децентрализованных систем управления на базе информационной шины PROFIBUS. Одним из самых важных преимуществ контроллеров S7-200 явля- ется возведенная в ранг принципа простота их эксплуатации. Это от-
Промышленные контроллеры для систем управления 225 Рис. 3.59 носится как к средствам программирования контроллеров с их не- сложной структурой, так и к оптимальному сочетанию программного и аппаратного обеспечения, идет ли работа с программным пакетом STEP7Micro/WIN (для операционной системы MS Windows начиная с версии 3.x) или с программным пакетом STEP7Micro/DOS — поль- зовательским интерфейсом, построенным на базе «оконной» техно- логии. Контекстная помощь существенно упрощает процесс про- граммирования в формах представления AWL («список команд») или КОР («контактный план»). Полная стандартизация используемых команд сводит к минимуму затраты на создание пользовательских программ. Несложная струк- тура программ обеспечивает их наглядность. Подпрограммы и функ- ции обработки прерываний просто присоединяются к телу основной программы. Для исполнения специальных функций, включая функции обмена данными, выполнение программных циклов, регулирование по алго- ритму PID, работу с числами с плавающей запятой, имеются простые в применении команды. Двух инструкций «Читать сеть» и «Переда- вать в сеть», например, вполне достаточно для того, чтобы организо- вать передачу нужных данных в соответствующий момент времени по определенному адресу. Едва ли возможно организовать еще более простую процедуру обмена данными между двумя ЦПУ. Дополнительный комфорт в программирование пользовательских приложений вносит наличие команды «Receive», предназначенной для коммуникации с оборудованием других производителей. Все ЦПУ контроллеров S7-200 оснащены базовым набором тай- меров, счетчиков, маркеров для создания оптимальных пользовате- льских программ. Кроме того, программное обеспечение автомати- чески распознает адреса многочисленных модулей расширения.
226 Глава 3 Для быстрого освоения работы с контроллерами S7-200 поставля- ется «Пакет для начинающих», который позволит неопытным по- льзователям сделать первые шаги в обслуживании этих устройств, а также в рекордно короткие сроки дойти до написания собственных программных приложений. Работа в реальном масштабе времени Быстрые и точные реакции на происходящие в управляемом технологи- ческом процессе события в реальном масштабе времени перестали быть преимуществом лишь больших и мощных контроллеров. SIMATIC S7-200 решает эти задачи с легкостью. Его быстрые функции обработки прерываний, счетчики и модулируемые по длительности импульсов вы- ходы ставят новые, до сих пор невиданные в области программируемых микроконтроллеров, рекорды быстродействия. Четыре входа «тревоги» не дадут ни одному событию в управляе- мом процессе остаться незамеченным. Время обработки входов «тре- воги» составляет максимально 0,2 мс. Время обработки бинарных операций составляет лишь 0,8 мкс (начиная с CPU 214). В сочетании с командами прямого доступа к выходам периферии это обеспечи- вает наикратчайшее время реакции пользовательской программы. Все контроллеры данного семейства оснащены функцией обра- ботки прерываний, генерируемых по времени, которые позволяют решать задачи периодического контроля или периодического вывода управляющих сигналов, не увеличивая существенно время обработки главного программного цикла. Так, например, можно прерывать программный цикл каждые 5 мс (разрешающая способность до 1 мс), считывать аналоговые значения давлений и вращающих моментов в управляемой системе и обрабаты- вать их. Таким образом, можно обработать до 20000 событий в секунду, осуществляя одновременное управление шаговыми двигателями. Большое разнообразие интегрированных функций счетчиков и тай- меров (инкрементальный датчик) позволят пользователям решить прак- тически любую задачу автоматизации с точностью до миллисекунды без необходимости применения вспомогательных подпрограмм. Для ускорения реакции на входные и выходные сигналы возмо- жен прямой доступ к входам/выходам периферии, поэтому централь- ный процессор контроллера постоянно работает с актуальными зна- чениями сигналов датчиков и сенсоров и может в любой момент влиять на протекание технологического процесса. Это справедливо также и для входов/выходов. подключенных к контроллерам по ин- формационной шине модулей децентрализованной периферии.
Промышленные контроллеры для систем управления 227 Такая возможность работы в реальном масштабе времени осо- бенно важна при измерении скоростей перемещения и вращения, при решении задач позиционирования или синхронизации шаговых дви- гателей и двигателей постоянного тока. Кроме того, в контроллер S7-200 встроены часы реального вре- мени (начиная с CPU 214), которые кроме секунд, минут и часов, мо- гут также оперировать с датами и днями недели. Для обеспечения ра- боты встроенных часов даже при длительных перебоях электропитания может использоваться буферная батарея. Коммуникация без границ В то время как обычные устройства класса программируемых микрокон- троллеров, как правило, работают в режиме «соло», контроллеры S7-200 могут «петь хором». Это значит, что их можно встраивать в комплексные децентрализованные автоматизированные системы (рис. 3.60). STEP7- MicroWIN Программатор PC Отображение текста Панетъ оператора Принтер Модем Считыватель штрих-кода Модуль расширения для Датчики Исполнительные SIMATIC 87-300 цифрового аналогового механизмы ввода-вывода Рис. 3.60 Для интеграции по шине PROFIBUS и шине S7-200 (интерфейс PPI) в информационную сеть, состоящую из программируемых кон- троллеров, устройств считывания штрихкодов, принтеров, персо- нальных компьютеров и терминалов, не требуется никакого допол- нительного аппаратного обеспечения, кроме соединительного кабеля.
228 Глава 3 Подключение к шине производится по последовательному интер- фейсу RS-485 с помощью 9-контактного штекера, который подходит и к любому программатору. При помощи кабеля PC/PPI можно осу- ществлять подключение к стандартному интерфейсу RS-232. Прог- раммное обеспечение протокольного уровня также уже содержится в микроконтроллере. Таким образом, гарантируется, что к микрокон- троллеру, если он работает как устройство Master, могут также парал- лельно подключаться по интерфейсу PPI текстовые дисплеи или па- нели оператора из спектра устройств семейства SIMATIC. Интерфейс RS-485 гибко программируется и к нему могут под- ключаться такие устройства, как модемы или устройства считывания штрихкодов. Особой гибкостью отличается CPU SIMATIC S7-216, который оборудован двумя последовательными интерфейсами и, та- ким образом, может параллельно работать в режимах PPI и «Freeport». В то время как по одному интерфейсу осуществляется коммуникация между устройством Slave и устройством Master, по другому может осуществляться управление модемом, принтером или другими периферийными устройствами. Подобным образом могут «элегантно» реализовываться системы удаленного контроля работы насосных станций, нефтедобывающих вышек, холодильных устано- вок, очистительных сооружений или ветряных электростанций. Быс- трая обработка коммуникационных прерываний — одно из преиму- ществ контроллеров S7-200. Ко всем контроллерам семейства (от S7-212 до S7-216) могут под- ключаться два модуля типа Master интерфейса AS (Aktuator Sensor Interface). Эта возможность обеспечивается благодаря использованию специального коммуникационного процессора, который имеет струк- туру модуля расширения и подключается к шине AS-интерфейса через два его разъема. Таким образом при необходимости можно превратить микроконтроллер в своего рода «коммуникационный сепаратор»: он одновременно работает как Master (по интерфейсу PPI с соответствую- щими компонентами системы) и как Slave (по отношению к контрол- лерам более высокого уровня иерархии, к которым он подключен по шине PROFIBUS-DP или через интерфейс PPI). Контроллер S7-215 может работать со стандартной информацион- ной шиной промышленного применения PROFIBUS-DP. Для этого CPU 215, кроме интерфейса PPI, дополнительно оборудован интер- фейсом PROFIBUS-DP. Это не только позволяет использовать интел- лектуальные функции периферии в реальном масштабе времени, но и открывает разнообразные и гибкие возможности при модульном по- строении децентрализованных систем управления.
Промышленные контроллеры для систем управления 229 Область применения этого дополнительного свойства контроллера S7-215 исключительно широка, так как на его основе возможно созда- ние систем автоматизированного управления со сложной конфигура- цией при минимальных денежных затратах. Для работы таких систем нужно только одно устройство-координатор, в то время как задачи управления технологическим процессом будут выполняться несколь- кими контроллерами S7-200, объединенными информационной шиной PROFIBUS-DP (к информационной шине PROFIBUS-DP могут быть подключены до 127 устройств). Таким образом, предоставляются практически неограниченные коммуникационные возможности, для использования которых не нужно никакое дополнительное програм- мное или аппаратное обеспечение, кроме соединительного кабеля. Семейство микроконтроллеров SIMATIC S7-200 Семейство S7-200 состоит из пяти базовых контроллеров: S7-210, S7-212, S7-214, S7-215 и S7-216. Мощность CPU этих контроллеров оптимальным образом рассчитана на емкость подключаемой периферии входов / выходов. Среди прочего предоставляется: • возможность подключения к информационной шине PROFIBUS-DP, шине интерфейса AS и большому количеству других устройств (например, к приводам с регулировкой ско- рости вращения); • простое в использовании программное обеспечение STEP7-Micro/W1N и STEP7-Micro/DOS; • готовое пользовательское программное обеспечение, написан- ное с учетом большого практического опыта; • подробная документация (в том числе краткое руководство для начинающих). Каждое из CPU может оперировать с 426 входами и 416 выходами. Контроллер S7-216 может быть расширен до 128 входов/выходов (а через интерфейс AS даже до 400 входов/выходов). В спектре се- мейства контроллеров S7-200 предлагаются разнообразные наборы программного обеспечения, CPU и блоков расширения с входами/вы- ходами разных стандартов (реле, транзисторы и т. д.). В настоящий момент семейство S7-200 представляет собой самый полный набор средств автоматизации подобного класса на рынке. Электропитание датчиков интегрировано в CPU. Это позволяет под- ключать датчики и сенсоры непосредственно к микроконтроллеру с большой экономией монтажной площади и денежных затрат. В мак- симальной конфигурации контроллер S7-200 может состоять из 7 блоков расширения.
230 Глава 3 Темы для самостоятельной проработки 1. Промышленные контроллеры и промышленные компьютеры фирмы Octagon Systems. 2. Однокристальные микроконтроллеры семейства MCS®96 фир- мы Intel. 3. OpenLine — новая концепция развития аппаратных средств по- строения распределенных систем. 4. Установка и конфигурирование системы OpenLine. 5. Технологический язык программирования IBM PC совмести- мых контроллеров MicPIus. 6. Система подготовки программ для промышленных контролле- ров UltraLogik. 7. Архитектура UltraLogik. 8. Менеджер проектов UltraLogik. 9. Секция программирования UltraLogik. 10. Загрузка и отладка программ UltraLogik. 11. Оборудование промышленной автоматизации фирмы Fastwel. 12. CPU 188 --модуль микроконтроллера. 13. UNIO965 — программируемый модуль ввода/вывода. 14. AI16-5-STB —модуль изолированного аналогового ввода. 15. AI8S-5-STB — модуль изолированного параллельного анало- гового ввода.
Глава 4 Устройства для создания распределенных систем сбора данных и управления 4.1. Активное оборудование промышленных сетей В сети активные устройства осуществляют формирование, преобразо- вание, коммутацию, прием сигналов с использованием внешнего (не передающегося в составе сигнала) источника энергии. Активные устройства можно разделить на: • рабочие станции (источники и приемники сигнала), • повторители (концентраторы), • коммутаторы, • репитеры, • трансиверы, • мосты, • маршрутизаторы, • шлюзы. Рабочими станциями в промышленной сети могут быть ПЭВМ, программируемые логические контроллеры и другие интеллектуаль- ные компоненты (датчики, модули ввода-вывода и др.). Повторители и концентраторы Одной из основных задач, которая стоит перед любой технологией транспортировки данных, является возможность их передачи на макси- мально большое расстояние. Физическая среда накладывает на этот про- цесс свое ограничение, т. к. мощность сигнала падает и прием стано- вится невозможным. При этом не имеет значения абсолютное значение амплитуды — для распознавания важно соотношение сигнал/шум. Привычное для аналоговых систем усиление не годится для высо- кочастотных цифровых сигналов. Конечно, при его использовании какой-то небольшой эффект может быть достигнут, но с увеличением расстояния искажения быстро нарушат целостность данных. В таких ситуациях применяют не усиление, а повторение (регене- рацию) сигнала. При этом устройство на входе должно принимать
232 Глава 4 сигнал, распознавать его первоначальный вид и генерировать на вы- ходе его точное подобие. Такая схема в теории может передавать дан- ные на сколь угодно большие расстояния (если не учитывать особен- ности разделения физической среды в сети). Первоначально в сетях использовался коаксиальный кабель с топологией «шина». Нужно было соединять между собой всего не- сколько протяженных сегментов. Для этого обычно использовались повторители (repeater), имевшие два порта. Несколько позже появились многопортовые устройства, называе- мые концентраторами (concentrator). Их физический смысл был точно такой же, но восстановленный сигнал транслировался на все активные порты кроме того, с которого пришел сигнал. С появлением протокола lObaseT (витой пары) для избежания терминологической путаницы многопортовые повторители для витой пары стали называться хабами (hub), а коаксиальные — репите- рами. Эти названия используются в настоящее время очень широко. Первое, что необходимо отметить — концентраторы работают на физическом уровне модели OSI. Поэтому для них совершенно безраз- лично, какие протоколы более высоких уровней используются в сети. Все порты хаба равноправны, никакой логической обработке сигнал не подвергается, не буферизируется, коллизии не обрабатываются (только фиксируется их наличие на индикации некоторых моделей устройств). Есть несколько простейших операций, которые выполняются большинством концентраторов в автоматическом режиме: • Автосегментация (network integrity) — автоматическое включе- ние или отключение порта. Порт, к которому подсоединена не- исправная линия, или не подключено какое-либо активное устройство, считается свободным и находится в неактивном ре- жиме. При обнаружении устройства работоспособность порта восстанавливается. Для этого используются служебные сигна- лы проверки целостности линии (link test pulses) в виде перио- дического импульса длительностью 100 нс, посылаемого через каждые 16 мс; • Отображение состояния портов (или устройства в целом) на светодиодных индикаторах. Единого подхода к индикации нет, но распространены следующие: состояние порта (Port Status), наличие коллизий (Collisions), активность канала передачи (Activity) и наличие питания (Power); • Обнаружение ошибки полярности (перепутаны проводники внутри пары) при использовании витопарного кабеля и автома- тическое ее переключение.
Устройства для создания распределенных систем сбора данных и управления 233 Как повторители, так и концентраторы можно использовать в ка- честве отдельного устройства или соединять друг с другом, увеличи- вая размер сети и усложняя топологию. Возможным вариантом топо- логии будут шина, звезда или иерархическая топология. Кольцевая топология недопустима Так как логической обработки сигнала не происходит, данные пе- редаются с использованием всей полосы пропускания. Если не учи- тывать задержку на хабе (по стандарту IEEE 802.3 менее 3 мкс, а в ре- альности существенно меньше), то концентратор (или повторитель) ничем не отличается по смыслу от сегмента коаксиального кабеля. В этом есть некоторые плюсы — полная прозрачность перед протоко- лами более высоких уровней и прямая доступность всех узлов. Но недостатки разделяемой среды тоже видны в полной мере. Все устройства, подключенные к сети, построенной на хабах, видят весь сетевой трафик. Данные, адресованные другому узлу, принимаются, анализируются по крайней мере на уровне заголовка пакета, и только после этого отбрасываются. По скорости можно различить хабы lObaseT и lOObaseT. Часто встречаются смешанные конструкции, которые работают на полную скорость только в том случае, если соединены только с оборудова- нием lOObaseT. Последнее легко объяснимо — при разных скоростях на разных портах неизбежно придется каким-то образом обрабаты- вать данные и накапливать их в специальном буфере, что означает резкое усложнение конструкции. В литературе часто встречается разделение повторителей на классы (I и II). Повторители I класса полностью декодируют входящий сигнал, преобразуют его в логическую форму и передают на активные порты (задержка около 0,7 мс). При этом возможно использование несколь- ких технологий одновременно — например, 100BaseT4, lOOBaseTX или lOOBaseFX. Повторители II класса восстанавливают форму сигнала без его яв- ного преобразования в логический вид. Соответственно в этом случае задержка передачи заметно меньше (менее 0,46 мс по стандарту), но можно использовать только один протокол. Основное назначение концентраторов (хабов) — это объединение территориально сосредоточенных рабочих станций в группу, но вполне возможно использование хабов в качестве ретрансляторов (повторителей) между удаленными сетями или связи нескольких ра- бочих групп (рис. 4.1). Из-за отсутствия в концентраторах каких-либо механизмов обес- печения безопасности и гарантированной скорости их применение рационально только в части сети, где существуют общие требования по этим важным параметрам.
234 Глава 4 Ретранслятор Рабочие станции Рабочие станции Рис. 4.1 В каком-то плане хабы можно отнести к устаревшему оборудова- нию. Практически по всем техническим показателям они серьезно уступают коммутаторам и очень близки по цене (дешевле всего на 30-40%). Поэтому их применение в локальной сети предприятия не имеет смысла — при незначительном увеличении затрат можно полу- чить в десятки раз большую скорость. С другой стороны, хабы более надежны в тяжелых условиях экс- плуатации и способны передавать данные на большие расстояния (или по кабелю худшего качества). Можно разделить концентраторы на следующие классы: 1. Начальный уровень (5- или 8-портовые концентраторы). Часто концентраторы имеют порт для подсоединения коаксиального кабеля (BNC), реже — порт AUI. При небольшой стоимости они являются простым и дешевым решением для сети небольшого размера. 2. Средний уровень. Это 12-, 16- и 24-портовые устройства. Имеют 19-дюймовое исполнение, BNC или AUI порты. Такое решение ис- пользуют для построения средних и малых сетей. Однако в связи со стремительным снижением цен на коммутаторы вытеснение хабов из этой технической ниши можно считать завершившимся делом. Управляемые концентраторы Их отличает наличие консольного порта RS-232 для управления или сбора статистики с использованием протоколов SNMP/IP или IPX. В на- стоящее время практически не применяются. Хабы 10/100 Обычный хаб может связывать рабочие станции только на одной ско- рости. Так, при появлении в сети, построенной на 100-мегабитных ха- бах, всего одной 10-мегабитной сетевой карты, вся сеть начнет рабо-
Устройства для создания распределенных систем сбора данных и управления 235 тать с этой пониженной скоростью, что крайне неудобно. Поэтому появились хабы, содержащие коммутатор между 10- и 100-мегабит- ными шинами. Мосты и коммутаторы Если два (или более) сегмента сети слишком велики для объединения их в один коллизионный домен, и они территориально удалены друг от друга, применяют мост (Bridge). Как и повторители, мосты принимают данные на входящий порт и передают на исходящий с восстановлен- ными уровнем и формой сигнала. Мост (рис. 4.2) принимает входящий пакет данных в свой буфер, определяет его целостность и адрес (МАС) назначения. При этом каждая половина моста, анализируя поле адреса отправителя, ведет таблицу адресов узлов, находящихся на своей стороне. На другую сторону моста передаются только пакеты широковещательной рас- сылки (Broadcast) и пакеты, не имеюшие получателя на своей сто- роне. Таким образом, в отличие от повторителей коллизии не транс- лируются. Буферизация данных перед их отправкой (store-and-forward) при- водит к возникновению большей по сравнению с концентраторами задержки, что несколько снижает скорость работы сети. С другой стороны, количество устройств, которые разделяют между собой фи- зическую среду, снижается. В результате обычно реальная скорость передачи данных возрастает. Первые мосты были, подобно повторителям, двухпортовыми. Но распространение получила технология lObaseT, построенная на мно- гопортовых хабах, и, следовательно, популярность получили много- портовые мосты. Последние приобрели специальное название — коммутатор (switch), которое вытеснило старый термин. Коммутаторы выполняют те же функции, что и мосты, но исполь- зуются как средство уменьшения числа узлов в доменах коллизий. Коммутаторы имеют число портов до 24...30, а модульные коммута- торы — до сотни портов.
236 Глава 4 Переход от концентраторов (хабов) к коммутаторам (switch) и от полудуплексных каналов связи к дуплексным решил вопрос о воз- можности блокировки обмена по сетевому каналу из-за наличия кол- лизий и информационных кадров в сети Ethernet. Тем не менее, совсем из сетевого лексикона мосты не исчезли. Так часто стали называть устройства, предназначенные для связи ЛВС по другой физической среде, например по радиоканалу, модемной связи или другими способами. При этом с одной стороны моста пакеты бу- дут преобразованы в какой-либо иной протокол канального уровня, а с другой — восстановлены обратно. Однако мосты не могут выполнять фрагментацию и повторную сборку пакетов более высокого (сетевого) уровня. Как следствие, многие модели мостов имеют ограничение по размеру передаваемого пакета данных, и слишком большой пакет может быть отброшен как поврежденный. Маршрутизаторы и шлюзы Маршрутизаторы (роутеры, routers) — это устройства, связывающие три нижних уровня и устанавливающие соединение на четвертом (транс- портном) уровне. Задача маршрутизатора — выбор маршрута передачи данных (рис. 4.3). Если мосты для передачи кадров используют адреса физического уровня (МАС), то маршрутизаторы (роутеры) обычно используют IP-адреса глобальной сети Интернет. Маршрутизатор Рабочие станции Рабочие станции Рис. 43
Устройства для создания распределенных систем сбора данных и управления 237 Для этого им, как минимум, нужно развернуть пакет данных, из- влечь из его поля данных дейтаграмму IP и по ее заголовку напра- вить пакет. Однако большинство маршрутизаторов работает по еще более сложному алгоритму, используя для передачи данных прото- колы следующих уровней модели OSI — TCP, UDP, Novell IPX, AppleTalk II и др. Подобно повторителям, маршрутизаторы используют буфериза- цию сигнала, а затем восстанавливают уровень и форму передаваемого сигнала. Так же, как и мосты, они не передают адресату коллизии или поврежденные кадры. Из-за буферизации они имеют задержку при пе- редаче. В отличие от повторителей, мостов и коммутаторов, маршру- тизаторы изменяют все передаваемые пакеты данных (они их разби- рают и формируют заново по определенным правилам). Маршрутизаторы могут соединять сети с различными протоко- лами доступа, например Ethernet и ArcNet. В случае установления связи с помощью маршрутизатора, верхние уровни модели OSI (5, 6 и 7) отправителя и получателя должны быть одинаковыми. В зависимости от типа программного обеспечения маршрутиза- торы могут поддерживать очень сложные и нетиповые функции (под- счет трафика, авторизацию пользователей, ведение статистики и т. п.). Шлюз (gateway) Это — устройство, служащее для объединения разнородных сетей, т. е. сетей с различными протоколами. Шлюз выполняет протокольное преобразование для всех семи уровней модели OSI. Шлюзы обычно при- меняются для соединения локальных сетей, преобразования протоколов обмена и передачи пакетов информации между двумя различными се- тями. Также шлюз может выполнять функции маршрутизатора (роу- тера), однако скорость обмена при этом снижается. 4.2. Открытые промышленные сети Открытые промышленные сета — это сета, на которые распространя- ются международные стандарты промышленных сетей. Открытые системы приводят в соответствие специфические требования всех по- требителей. Только при использовании принципов открытых систем интеграция изделий разных производителей в одну сеть может быть решена без особых проблем. Следует упомянуть еще одну классификацию сетей с точки зрения их совместимости с широким спектром технических средств различ- ных производителей. Системы, являющиеся уникальными (их под- держивает только один производитель), работающие по уникальным
238 Глава 4 протоколам связи, получили название «закрытых систем». Большин- ство таких систем зародилось во времена, когда проблема интеграции изделий разных производителей не считалась актуальной. Предпочтительность того или иного сетевого решения как сред- ства транспортировки данных можно оценить по следующей группе критериев: • объем передаваемых полезных данных; • время передачи фиксированного объема данных; • удовлетворение требованиям задач реального времени; • максимальная длина шины; • допустимое число узлов на шине; • помехозащищенность; • денежные затраты в расчете на узел. Часто улучшение по одному параметру может привести к сниже- нию качества по другому, т. е. при выборе того или иного протоколь- ного решения необходимо следовать принципу разумной достаточ- ности. В зависимости от области применения весь спектр промышлен- ных сетей можно разделить на два уровня: • контроллерные сети (Field level) — промышленные сети этого уровня решают задачи по управлению процессом произво- дства, по сбору и обработке данных на уровне промышленных контроллеров; • сенсорные сети (Sensor/actuator level) или сети низовой автома- тики — задачи сетей этого уровня сводятся к опросу датчиков и управлению работой разнообразных исполнительных механиз- мов. Сравнение этих двух классов в самом общем виде можно полу- чить по критериям из таблицы 4.1. Таблица 4.1 Основные критерии Fieldbus Sensorbus Расширение сети От 100 м до 10 км До 1 км Время цикла От 10 мс до 10 с От 1 мс до 1 с Объем передаваемых данных за цикл От 8 байт до нескольких сотен байт От 1 до 8 байт Доступ к шине Фиксированный/ свободный Свободный Цена среды передачи Низкая Очень низкая Цена подсоединения одного узла, EUR 150-500 10-100
Устройства для создания распределенных систем сбора данных и управлении 239 На сегодняшний день спектр протоколов для обоих этих классов довольно широк. Необходимо помнить, что область их применения лежит на одном из двух уровней. Типичные представители промыш- ленных сетей контроллерного уровня: • PROFIBUS (Process Field Bus)-DP, -РА, -FMS; • BITBUS; • ControlNet. Типичные сети низовой автоматики: • HART; • Modbus; • ASI (Actuator/Sensor Interface); • Interbus-S; • DeviceNet. Типичные открытые сети для обоих уровней применения: • CAN (Controller Area Network); • FIP (Factory Instrumentation Protocol); • LON (Local Operating Network). На рис. 4.4 представлена обобщенная сетевая структура, показы- вающая в общем виде возможное использование того или иного про- токола на определенных уровнях условного промышленного пред- приятия. Понятие «field» определяет область, связанную непосредственно с производственной зоной, где работают контроллеры, датчики (дав- ления, температуры, уровня и т. д.) и исполнительные механизмы (клапаны, реле и т. д.). Уровень цеха Уровень промышленных контроллеров Уровень периферийного оборудования МАР ТОР Ethernet и др. BITBUS PROFIBUS WorldHP ControlNet «др. INTERBUS-S DeviceNet MODBUS ASI и др. Рис. 4.4
240 Глава 4 Задача промышленной сети состоит в организации физической и логической связи датчиков с системным интеллектом, роль которого выполняют ПЛК или промышленные компьютеры таким образом, чтобы информация с этого уровня была доступна общезаводской ин- формационной системе. Задачи, решаемые с помощью промышленных сетей: • Автоматизация на общезаводском уровне. Здесь необходимы следующие качества: высокая скорость пере- дачи данных, малое время реакции на события, длина линий до 300 метров. На этом уровне для большинства приложений понятие взры- возащищенности не является обязательным. • Автоматизация на уровне управления конкретными технологи- ческими процессами. Здесь необходимы следующие качества: среднее время цикла опроса датчиков (до 100 мс), длина линий связи до 1500 м и более, ре- ализация механизмов внутренней и внешней защиты. Рассмотрим характеристики наиболее известных промышленных сетей. Сенсорные сети (сети низовой автоматики) Сеть MODBUS Этот протокол разработан фирмой Modicon (в настоящее время входит в группу Schneider Electric) для сбора данных контроллерами Modicon. Специальный физический интерфейс для него не определен. Эта воз- можность предоставлена самому пользователю: RS-232C, RS-422, RS-485 или же токовая петля 4-20 мА. Однако чаще других используется интерфейс RS-485. Протокол MODBUS работает по принципу MASTER-SLAVE или «ведущий-ведомый». Конфигурация на основе этого протокола пред- полагает наличие одного MASTER-узла и до 247 SLAVE-узлов. Только MASTER инициирует циклы обмена данными. Существуют два типа запросов: • запрос/ответ (адресуется только один из SLAVE-узлов); • широковещательная передача (MASTER через выставление ад- реса «0» обращается ко всем остальным узлам сети одновре- менно без квитирования). Протокол MODBUS описывает фиксированный формат команд, последовательность полей в команде, обработку ошибок и исключи- тельных состояний, коды функций. Для кодирования передаваемых данных используются форматы ASCII (American Standard Code for Information Interchange) и RTU (Remote Terminal Unit).
Устройства для создания распределенных систем сбора данных и управления 241 Каждый запрос со стороны ведущего узла включает код команды (чтение, запись и т. д.), адрес абонента (адрес «О» используется для широковещательной передачи), размер поля данных, собственно дан- ные или буфер под данные и контрольный CRC-код. Функция обслуживания тайм-аута реализована для фиксирования коллизий при приеме/передаче данных. Набор команд протокола описывает функции: • чтение/запись битов и битовых последовательностей; • чтение/запись регистров; • функции диагностики; • программные функции; • функции управления списком опроса; • функция сброса (RESET). Протокол MODBUS можно назвать наиболее распространенным в мире. Для работы со своими изделиями его используют десятки фирм. Хотя ограничения этого протокола очевидны, он привлекает простотой логики и независимостью от типа интерфейса. HART-протокол HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer), разработан- ный фирмой Fisher Rosemount Inc. в середине 80-х годов, реализует при- нцип частотной модуляции для организации цифровой передачи, осно- ванной на технологии 4—20 мА. На аналоговый сигнал 4—20 мА накладывается частотно-модулированный цифровой сигнал с амплиту- дой колебаний ±0,5 мА. Логической единице соответствует частота 1200 Гц, логическому нулю — 2200 Гц. Физический канал — экраниро- ванная витая пара. HART-протокол позволяет передавать до 1200 бит/с. В нем реали- зована схема отношений между узлами сети по принципу MASTER/SLAVE. В сети может присутствовать до 2 MASTER-узлов (обычно один). Второй MASTER, как правило, освобожден от под- держания циклов передачи и занят под связь с какой-либо системой контроля/отображения данных. Стандартная топология организована по принципу «точка-точка» или «звезда». Для передачи данных по сети используются два ре- жима: • по схеме «запрос-ответ», т. е. асинхронный обмен данными (один цикл выполняется за 500 мс); • все пассивные узлы непрерывно передают свои данные на MASTER-узел (время обновления данных в MASTER-узле 250-300 мс).
242 Глава 4 Возможно построение топологии типа «шина» (до 15 узлов), когда несколько узлов подключены на одну витую пару. Питание осуще- ствляется по шине. Весь набор команд, реализованных в HART-протоколе, условно можно разделить на три группы: • Универсальные команды. Это команды общего назначения и используются на уровне операторских станций: код производи- теля устройства в сети, модель, серийный номер, краткое опи- сание устройства, диапазоны ограничений, набор рабочих переменных. • Команды для групп устройств: фиксация значения тока на вы- ходном канале, сброс и т. д. • Команды, зависящие от устройства: старт/стоп, специальные функции калибровки и т. д. За одну посылку один узел другому может передать до 4 технологических переменных, а каждое HART-устройство может иметь до 256 переменных, описываю- щих его состояние. Структура информационного байта имеет стандартный формат: • 1 стартовый бит, • 8 битов данных, • 1 бит контроля нечетности, • 1 столовый бит. Метод контроля корректности передаваемых данных основан на получении подтверждения. В США HART-сообщения можно свободно передавать по теле- фонным линиям. В Европе это не разрешено. Для этих целей необхо- димо иметь выделенный телефонный канал. На сегодня установлено около 600 тысяч HART-узлов. Наличие международной организации «HART Communication Foundation» позволяет активно продвигать эту промышленную сеть в среде пользователей. AS-интерфейс Основная задача AS-интерфейса нижнего уровня — связать в единую информационную структуру устройства нижнего уровня распреде- ленной системы управления (датчики и разнообразные исполнитель- ные механизмы, имеющие соответствующий сетевой интерфейс). Название описываемой сети раскрывает ее предназначение: Actuators Sensors Interface (ASI) — интерфейс исполнительных устройств и дат- чиков. Впервые ASI-протокол вышел на рынок в конце 1989 г. и сегодня поддержан рядом известных фирм: IBM, Siemens, Pepperl+Fuchs,
Устройства для создания распределенных систем сбора данных и управления 243 Allen Bradley, Limberg. Существует и одноименная ассоциация по поддержке этой сети — ASI. Тенденция в построении распределенных систем автоматизации имеет явное стремление использовать технологии сквозного сетевого доступа. Система должна связывать в сеть не только контроллеры, но и датчики. Но эта связка должна удовлетворять всем современным требованиям по надежности и открытости, предъявляемым к любой промышленной сети. Сеть ASI эти задачи решает. С ее помощью можно строить сис- темы, в которых датчики и контроллеры связаны одной сетью. ASI имеет шлюзы в другие промышленные сети — MODBUS, PROFIBUS, INTERBUS-S, Device Net и др. Каждый узел ASI-сети должен иметь специальную интерфейсную микросхему с поддержкой ASI-протокола. ASI-интерфейс позволяет передавать как данные, так и питание к узлам сети по одной паре про- водов. Упрощенная схема ASI-сети представлена на рис. 4.5. Рис. 4.5 Топологией ASI-сети может быть шина, кольцо, дерево или звезда. Общая длина сегмента до 100 м, а с использованием ре- питеров — 300 м. Максимальное время цикла составляет 5... 10 мс. Логическим центром любой топологии является один MASTER-узел, который контролирует всю работу сети, организует обмен данными с PLC. ASI-MASTER может быть организован на ши- роком спектре контроллеров, через которые реализуются шлюзы в промышленные сети более высокого уровня. Часто ASI-MASTER оформляется в виде отдельной платы кон- троллера или компьютера. Максимальное число ведомых устройств (slave), подключаемых к одному MASTER-узлу — 62.
244 Глава 4 В качестве среды передачи данных используется 2-проводной ка- нал. Скорость передачи ограничена до 167 кбод, дальность пере- дачи — 300 м. Сегодня появился специальный ASI-кабель, в котором оба проводника упакованы в специальную мягкую резиновую обо- лочку, которая делает этот кабель гибким и устойчивым к многократ- ным изгибам. Этот кабель используется для подсоединения датчиков, устанавливаемых на подвижных частях механизмов. Для кодирования данных используется известный Манчестерский код, в котором «0» и «1» кодируются по восходящему и нисходящему фронту сигнала. Такой тип кодирования снижает влияние на ASI-ка- бель внешних возмущений. Адрес каждого сетевого устройства запи- сывается в его постоянной памяти. С тем чтобы обеспечить короткий ASl-цикл на низкой скорости передачи, был выбран наиболее компактный формат: MASTER-запрос SB А0...А4 I0...I4 РВ SLAVE-ответ ST T0...I3 РВ ЕВ Здесь ST: стартовый бит («0»); ЕВ: столовый (конечный) бит («1»); SB: управляющий бит (0 — запрос данных параметра адреса; 1 — запрос команды); А0...А4: адрес вызываемого ведомого устройства (5 разрядов); I0...I3: пять информационных разрядов (параметр, команда); РВ: бит четности. Электрические характеристики: общий ток в системе ограничен 2 А, к каждому узлу должно быть подано напряжение 24 VDC. Таким образом, сеть ASI представляет собой сеть оконечных устройств распределенной системы управления. Сеть Interbus-S Сеть Interbus — одна из первых промышленных шин, получивших широкое распространение. Разработанная фирмой Phoenix Contact в 1984 г., Interbus-S остается популярной и сегодня, благодаря даль- ности охвата, гибкости, быстродействию, диагностическим сред- ствам и автоадресации. Физический уровень Interbus основан на стан- дарте RS-485 и напоминает обычную сеть с многоотводными соединениями, однако в действительности представляет собой после- довательное кольцо на базе сдвиговых регистров.
Устройства для создания распределенных систем сбора данных и управления 245 Каждый подчиненный узел имеет два коннектора (соединителя): через один коннектор данные принимаются, через другой передаются в следующий узел. Информация об адресе в протоколе отсутствует. Данные в сети пересылаются по кругу. Главное устройство всегда способно опреде- лить, из какого узла считывается или в какой узел передается инфор- мация, по положению этого узла в кольце. Издержки протокола, та- ким образом, минимальны. В типовых системах с несколькими десятками узлов и (возможно) десятком устройств ввода/вывода на узел немногие шины способны показывать лучшие результаты, чем Interbus. Благодаря необычной сетевой топологии Interbus имеет два допол- нительных преимущества. I. Кольцевая топология дает главному устройству возможность самому себя конфигурировать, причем в некоторых случаях данный процесс не требует вмешательства со стороны пользователя. 2. Точность сведений о сетевых отказах и месте их возникновения значительно упрощает процесс их поиска и устранения. Сеть Interbus может работать с устройствами как аналогового, так и цифрового ввода/вывода. Канал РСР представляет собой коммуни- кационный механизм упаковки в Interbus-протокол конфигурацион- ных параметров и управляющих команд без какого-либо влияния на процесс передачи обычных данных ввода/вывода. Максимальное число узлов в сети — 512, длина соединения (рас- стояние между узлами) до 400 метров. Общая дальность охвата сети до 12,8 км, скорость передачи — 500 кбит/с. Размер сообщения: 512 байт данных на узел, число передаваемых блоков не ограничено. Типы обмена сообщениями: сканирование устройств ввода/вывода, РСР-канал для передачи данных. Сеть DeviceNet Протокол DeviceNet, разработанный фирмой Allen Bradley (США) в 1994 г., относится к сетям нижнего уровня и обеспечивает связь между разнообразными промышленными устройствами (фото- и тер- модатчики, исполнительные механизмы) и устройствами более высо- кого уровня (ПЛК и PC) без использования модулей ввода/вывода. Сеть DeviceNet имеет шинную топологию, физический канал — 4-проводный кабель. Кроме протокола обмена, сеть предусматривает стандартизованные открытые и герметичные разъемы устройств, диаг- ностические индикаторы и профайлы (файлы параметров) устройств. В дополнение к чтению состояния дискретных датчиков и управ- лению пусковыми устройствами сеть позволяет передавать значение
246 Глава 4 температуры и тока нагрузки пусковых устройств, изменять скорость замедления приводов и регулировать порог срабатывания датчиков. Устройства могут быть удалены или заменены без удаления дру- гих устройств и без применения средств программирования, что по- могает снизить эксплуатационные издержки. К сети могут быть подключены 64 узла (до 2048 устройств — по 32 на узел). Для связи используется комбинация ответвителей и экра- нированной витой пары. Ответвители DevicePort — пассивные, мно- гопортовые, поставляются с 4 или 8 герметичными микропортами быстрого отключения. Данные посылаются по необходимости корот- кими пакетами. Определены три значения скорости передачи данных: 125, 250 или 500 кбит/с. Длина магистрали (толстый кабель диаметром 12,2 мм) со- ответственно 500,250 и 100 м. Длина одиночных отводов — 6 м. Контроллерные сети Сеть BITBUS Протокол BITBUS разработан фирмой Intel в 1984 году для построе- ния распределенных систем, в которых должны быть обеспечены вы- сокая скорость передачи, детерминизм и надежность. За основу был взят широко известный протокол управления каналом передачи дан- ных, разработанный фирмой IBM — SDLC (Synchronous Data Link Control). Логика сети использует принцип MASTER/SLAVE. Физический интерфейс основан на стандарте RS-485 и представляет собой экранированную витую пару. Институтом инженеров по электротех- нике и электронике (IEEE) BITBUS-протоколу был присвоен статус стандарта (IEEE 1118). Максимальная длина локальной сети BITBUS составляет 13,2 км, общее число абонентов в сети — до 240. Длина одного сегмента (гальванически изолированный участок сети) составляет 1,2 км. Число абонентов и ретрансляторов в одном сегменте — 28. Протокол не дает возможности построения сложных систем — структура его информационных пакетов проста. Все это позволяет говорить о BITBUS как о протоколе относительно простом и не тре- бующем больших аппаратных затрат на его реализацию. Использование многоуровневой сетевой структуры оправдано тогда, когда нужно состыковать несколько BITBUS-сетей, использу- ющих различные скорости передачи данных. Информационный обмен организован по принципу «MASTER- SLAVE». Функции MASTER-узла могут концентрироваться в одном
Устройства для создания распределенных систем сбора данных и управления 247 узле или распределяться по нескольким MASTER-узлам. В этом случае необходима организация механизма передачи телеграммы-маркера (права доступа к шине) от одного MASTER-узла к другому, но организа- ция этого механизма довольно сложна. Протокол BITBUS определяет два режима передачи данных по шине: • Синхронный режим. Используется при необходимости работы на большой скорости, но на ограниченных расстояниях. В этом случае топология сети может включать до 28 узлов, а длина шины ограничивается 30 м. Скорость может быть от 500 до 2400 кбод. Синхронный режим передачи предполагает исполь- зование двух дифференциальных сигнальных пар: одной для данных, другой для синхронизации. • Режим с самосинхронизацией. Использование этого режима позволяет значительно удлинить шину. Стандартом определе- ны две скорости передачи: 375 кбод (до 300 м) и 62,5 кбод (до 1200 м). Используя шинные репитеры, можно объединять по- следовательно несколько шинных сегментов (до 28 узлов на сегмент). Тогда общее число узлов можно довести до 240, дли- ну общей шины — до 13,2 км. При этом режиме передачи ис- пользуются две дифференциальные пары: одна для данных и одна для управления репитером. В общем виде стандартный формат любой информационной по- сылки в этом протоколе можно представить схемой, показанной на рис. 4.6. | FLAG | ADDRESS | CONTROL | INFORMATION | FCS | FLAG || FLAG 1 байт Обрамление фрейма («01111110») | ADDRESS 1 Адрес SLAVE-узла (номер 1 — режим «broadcast») | CONTROL 1 Управляющий байт для статусной информации I INFORMATION N Информационное поле | FCS 2 Байты для контроля ошибок | Рис. 4.6 Для поддержки протокола BITBUS в фирме Intel разработан ряд специальных микроконтроллеров. Среди них: • Intel N 80C152JA (12 МГц); • Intel N80C152JB (16 МГц).
248 Глава 4 Сеть PROFIBUS Протокол PROFIBUS (PROcess Field BUS) появился на свет благодаря усилиям группы немецких компаний: Siemens, Bosch и Klockner-Moeller. В его задачи входит: • организация связи с устройствами, гарантирующими быстрый ответ; • создание простой и экономичной системы передачи данных, основанной на открытых стандартах; • реализация интерфейса между уровнями 2 и 7 OSI-модели. Стандарт протокола описывает уровни 1, 2 и 7 OSI-модели (физи- ческий уровень, уровень передачи данных и прикладной уровень). В PROFIBUS используется гибридный метод доступа в структуре MASTER/SLAVE и децентрализованная процедура передачи мар- кера. Сеть может состоять из 122 узлов, 32 из которых могут быть MASTER-узлами. Адрес «О» зарезервирован для режима широкого вещания («broadcast»). Общая схема PROFIBUS-сети представлена на рис. 4.7. Рис. 4.7 В среде MASTER-узлов по возрастающим номерам узлов переда- ется маркер, который предоставляет право ведения циклов чтения/за- писи на шине. Все циклы строго регламентированы по времени, орга- низована продуманная система тайм-аутов. Протокол хорошо разрешает разнообразные коллизии на шине. Настройка всех основ- ных временных параметров определяется пользователем. Протоколом определены следующие команды: • SDN (послать данные без подтверждения); • SDA (послать данные с подтверждением); • SRD (послать и запросить данные); • CSRD (циклическая посылка и запрос данных). При передаче данных обнаружение и исправление ошибок ведется на основе хеммингова расстояния 4. В любой посылке данных 3 оши- бочных бита будут обнаружены, а один бит может быть восстановлен.
Устройства для создания распределенных систем сбора данных и управления 249 Задачи в области промышленной связи часто требуют разных ре- шений. В одном случае необходим обмен комплексными (сложными, длинными) сообщениями со средней скоростью. В другом — требуется быстрый обмен короткими сообщениями с использованием упрощенного протокола обмена, например, с датчи- ками или исполнительными механизмами. В третьем случае необходима работа в опасных участках произво- дства, например в газопереработке. Все эти задачи могут быть решены с использованием протокола PROFIBUS. Говоря о PROFIBUS, необходимо иметь в виду, что под этим общим названием понимается совокупность трех различных, но совместимых протоколов: • PROFIBUS-DP, • PROFIBUS-FMS, • PROFIBUS-PA. Сеть PROFIBUS-DP Она применяется для высокоскоростного обмена данными с оконеч- ными устройствами. Протокол физического уровня базируется на стандарте RS-485. Длительность цикла опроса зависит от числа узлов в сети и для скорости обмена 1,5 Мбит/с и числа станций 32 состав- ляет не более 6 мс. Максимальная скорость обмена 12 Мбит/с дости- гается на длине сегмента 100 м, минимальная — 100 кбит/с на длине 1200 м. DP-протокол представляет функциональное подмножество 2-го уровня протокола PROFIBUS-FMS. Уровень 7 в PROFIBUS-DP не описан. Сеть PROFIBUS-FMS Этот протокол общего назначения разработан для связи контроллеров и интеллектуальных устройств. Он описывает уровни 1, 2 и 7 OSI-мо- дели. Основное его назначение — передача больших объемов данных. Сеть PROFIBUS-PA Этот протокол используется в устройствах, работающих в опасных производствах. В основе протокола РА (Process Automation) лежит протокол ISP (Interoperable Systems Project). Физический уровень (уровень 1 OSI-модели) реализует стандарт IEC 61158-2 (с внутренней защитой данных). Уровень 2 — это функциональное подмножество стандарта DIN 19245. Сегмент PROFIBUS-PA имеет длину до 1900 м, скорость обмена между узлами сети — 31,2 кбит/с.
250 Глава 4 Распределенная система управления может состоять из устройств, реализующих все три типа стандарта, однако РА-устройства необхо- димо подключать к PROFIBUS-PA через разделительные мосты. В разных странах мира (в том числе и в России) созданы организа- ции по продвижению PROFIBUS-технологий в различные отрасли производства. Организация тематических семинаров, выставок, стан- дартизация новых изделий, выработка новых спецификаций и многое другое составляет суть работы этих некоммерческих организаций. Известно свыше 500 PROFIBUS-изделий (как аппаратных, так и про- граммных) . Сеть ControlNet Сеть ControlNet (Allen Bradley) основана на топологии общей шины, однако ее можно сконфигурировать как в виде звезды, так и в виде древовидной структуры. Сеть ControlNet — управляющая сеть, удовлетворяющая требова- ниям приложений реального времени с высокой пропускной способ- ностью. Сеть объединяет функциональность сети ввода/вывода и сети обмена «точка-точка», обеспечивая высокую производитель- ность для обеих функций. Сеть ControlNet обеспечивает детерминированные, периодичес- кие пересылки всех критичных управляющих данных в дополнение к пересылке некритичных по времени данных. Фирменный метод дос- тупа к носителю, используемый в сети ControlNet, приводит к детер- минированной доставке критичных по времени данных (запланиро- ванных), назначая им более высокий приоритет, чем для некритичных (незапланированных). В результате обновление вхо- дов/выходов и взаимные блокировки контроллеров всегда имеют приоритет перед загрузкой/сохранением программ и обменом сооб- щениями. Все устройства ControlNet имеют прямой доступ к данным в сети Foundation Fieldbus. Сеть ControlNet обеспечивает избыточность но- сителя, что позволяет поддерживать функционирование системы при повреждении кабеля и взрывобезопасность при использовании опто- волоконного канала передачи. К сети могут быть подключены ПЛК, датчики, исполнительные механизмы, устройства человекомашинного интерфейса и др. Запла- нированные данные передаются со скоростью 5 Мбит/с, что улуч- шает как производительность ввода/вывода, так и связи процес- сор-процессор. Гибкая архитектура системы может работать с несколькими процессорами. В любом месте кабеля шины сегмента сети можно установить до 99 адресуемых узлов (через ответвители).
Устройства для создании распределенных систем сбора данных и управления 251 На сегменте ControlNet можно осуществить как дискретные, так и недискретные посылки данных входов/выходов. Дискретная пере- дача данных ввода/вывода происходит, когда единственный блок данных ввода/вывода (8, 16 или 32 бита, соответствующие образу мо- дуля ввода/вывода) передается и принимается одновременно от всех модулей в шасси. Таким образом, за одну дискретную пересылку обновляется образ ввода/вывода для всех дискретных модулей, уста- новленных в шасси. Недискретная передача данных происходит, когда блок данных (до 64 слов в пакете) пересылается в один или из одного блока ввода/вывода. Каждая таблица отображения входов/выходов процессора ControlNet может содержать ограниченное число данных. Каждое вхождение в сеть соответствует одной запланированной пересылке данных входов/выходов между процессором ControlNet и шасси ввода/вывода или же сообщению другому процессору ControlNet. Поскольку добавление вхождения к таблице отображения входов/вы- ходов создает запланированную пересылку данных входов/выходов на периодической основе, которую определяет пользователь, то для запланированных пересылок данных не требуется программная ло- гика. Для недискретных передач ввода/вывода существует возмож- ность программирования их как незапланированных пересылок, чтобы сделать их пересылками по событию. Сеть Modbus Plus Спецификация Modbus Plus является модификацией протокола Modbus. Скорость передачи данных по сети Modbus Plus достигает зна- чения 1 Мбит/с. Сетевая шина использует одиночный или для улучше- ния надежности системы двойной кабель. В качестве физической среды используется экранированная витая пара. До 32 узлов может быть подключено к кабелю сети длиной 450 метров. При использова- нии повторителя длина кабеля достигает 1800 метров, а количество узлов сети — 64. Сети соединяются между собой с помощью мостов. В этом случае сообщения из узла в одной сети могут быть переданы узлу в другой сети. Передача данных внутри сети опирается на механизм передачи маркера. В каждый конкретный момент передачу запросов осуще- ствляет только один узел. Узел, получивший запрос, сразу отправляет подтверждение его получения. После завершения сеанса опроса узлов активный узел передает маркер следующему узлу с большим адресом и т. д. Сами запросы, как и в случае с Modbus, опираются на регистровую структуру ПЛК.
252 Глава4 Универсальные сети Сеть World-FIP Этот протокол является результатом коллективных усилий ряда евро- пейских компаний (Франции, Бельгии и Италии) как некое аль- тернативное решение предлагаемым американским рынком промыш- ленным сетям. Протокол FIP (The Factory Information Protocol) нацелен на высокие скорости передачи и строго определенные интервалы обнов- ления данных. Протокол имеет гибридный централизованный/децентрализован- ный контроль за шиной, основанный на принципе широкого вещания (broadcast). Контроль осуществляется 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 любым числом узлов-приемников. Использование режима широкого вещания избавляет от процесса присваивания каждому устройству уникального сетевого адреса. Каждый узел (участник) на шине полностью автономен. Все узлы должны уметь получать предназначенные для них переменные. Шин- ный арбитр имеет три рабочих цикла. Продолжительность каждого цикла устанавливается самим пользователем. Эти три цикла выглядят следующим образом: 1. Циклический трафик. В этом случае арбитр сети имеет таблицу циклического опроса, состоящую из поименованных переменных. Порядок опроса устанавливается в соответствии с этой таблицей. Если какая-либо переменная должна опрашиваться чаще остальных, то она должна быть упомянута в этой таблице кратное числу опросов раз. Арбитр имеет доступ более чем к одной таблице опроса, но только одна из них может иметь активный статус. В конце цикла эта таблица может быть модифицирована. Такой трафик применяется в приложениях, ориентированных на пакетную обработку данных. 2. Периодический трафик. В этом случае шинный арбитр обраща- ется к отдельным переменным из каждого узла сети по запросу. Зап- росы на работу с переменными генерируются во время циклического трафика. 3. Обслуживание сообщений. Арбитр предоставляет право на пе- редачу любому устройству сети, запросившему эту функцию во время циклического трафика. Получив это право, устройство может передать свое сообщение (с подтверждением или без) одному или всем устройствам на шине.
Устройства длн создания распределенных систем сбора данных и управления 253 Функции управления некоторым процессом могут быть распреде- лены на шине между различными устройствами. Это возможно по- тому, что, с одной стороны, все «приемники» принимают одинаковые переменные одновременно, а с другой — время обновления данных и их передача подчиняются строгому контролю. Таким образом, основу FIP составляет база данных реального времени. FIP-протокол описывается стандартом UTE46 (Франция). Он полностью специфи- цирован на уровнях 1, 2 и 7 модели ISO/OSL Особенностью реализации FIP-протокола является ограниченное число кристаллов, поддерживающих этот протокол. В качестве среды передачи используется витая пара или оптоволокно. Сеть CANBus Протокол сети CANBus разработан в начале 80-х годов. Технологии того уровня подошли к такому этапу, что возникла необходимость сбора и об- работки результатов от множества датчиков за короткие промежутки времени. Эту задачу можно было решить только при использовании се- тевой структуры, объединяющей все компоненты и использующей для этой цели недорогую, последовательную сетевую структуру. По этой причине фирма Bosch (Германия) разработала протокол «Control Area Network» (CAN), который был утвержден Международ- ной организацией по стандартам в качестве стандарта ISO 11898. Этот стандарт был взят на вооружение несколькими фирмами-произ- водителями. Протокол CAN описывает 1-й и 2-й уровень OSI-модели. По своим характеристикам он удовлетворяет требованиям задач реаль- ного времени. Реализованный механизм передачи данных позволяет обнаруживать и исправлять ошибки с хемминговым расстоянием 6, т. е. 2 ошибочных бита исправляются и 5 ошибочных битов обнару- живаются. Системы на основе CANBus достаточно легко конфигури- руются и обладают средствами централизованной диагностики. CANBus — это последовательная шина, механизм работы которой описывается моделью децентрализованного контроля за доступом к шине, так называемой моделью CSMA/CM. Эта модель представляет собой модернизированный вариант модели CSMA/CD. Отличие заключается в механизме разрешения коллизий. В CANBus каждый блок данных содержит дополнительный 11-бито- вый идентификатор, который является, по сути, приоритетом данного сообщения. Назначение приоритетов может происходить следующим образом: • для параметра скорости, • для частоты вращения коленчатого вала двигателя и т. п.
254 Глава 4 Каждый узел-приемник в сети CANBus сам выбирает предназна- ченные для него сообщения. Возможные коллизии, связанные с одно- временным запросом шины, разрешаются на основе приоритетности сообщений. Право на работу с шиной получает тот узел, который пе- редает сообщение с наивысшим приоритетом. В каждом сообщении может быть передано от 0 до 8 битов данных. Большие блоки можно передавать за счет использования принципа сегментации. Общая схема работы сети представлена на рис. 4.8. Фирма Bosch предоставила ряду компаний лицензионное право на выпуск микросхем для CANBus: ТАМ, Inicore, INTEL, Intermetall, Motorola, National Semiconductor, NEC, Philips, SGS-Thompson и Siemens. Протокол CANBus закрывает 1-й и 2-й уровни OSI-модели. На основе CANBus есть решения для 7-го уровня. Это протоколы про- мышленных сетей: • SDS (Honeywell); • DeviceNET (Allen Bradley); • CAL (протокол, предложенный Ассоциацией CiA). Сеть LonWorks Система LonWorks (об этом продукте более уместно говорить именно так, а не только как о протоколе) была спроектирована американской фирмой Echelon Coiporation для построения систем управления с боль- шим числом каналов данных, получаемых на основе коротких сообще- ний между большим числом узлов в сети.
Устройства для создания распределенных систем сбора данных и управления 255 Каждый узел работает независимо и имеет возможность общаться с любым другим узлом в зависимости от различных событий, напри- мер, по изменению состояния на входных каналах или по возникно- вению каких-либо тайм-аутов. Узлы должны отвечать на запросы и выполнять команды со сто- роны других узлов. Если говорить о методе доступа к среде передачи, то здесь использован метод CSMA/CD. Структура LON-сети описывается с помощью Конфигуратора сети. Он позволяет устанавливать, например, взаимосвязь входных/ выходных аналоговых каналов между разными узлами сети. Разрабо- танная таким образом конфигурация записывается в EEPROM каж- дого узла. Сеть LON включает группу устройств (узлов сети), соединенных тем или иным видом физического интерфейса: витая пара, радиока- нал или оптический кабель. Скорость передачи, зависящяя от среды передачи, достигает 1,25 Мбод. Каждое устройство, подсоединенное к LON-сети, содержит спе- циальный интерфейсный контроллер Neuron, состоящий из 3 микро- процессоров в одном корпусе: • MAC (media access control СРи)-процессор поддерживает уров- ни 1 и 2 OSI-модели; • NET (network СРи)-процессор реализует с 3 по 6 уровни; • АРР (application СРи)-процессор обрабатывает функции при- кладного уровня. Весь этот микропроцессорный набор работает на частоте 10 МГц. Диапазон возможных скоростей передачи данных в сети от 4,88 кбод до 1,25 Мбод. Наиболее часто используются скорости 78 кбод и 1,25 Мбод. Фирмой Echelon спроектированы два интерфейсных кристалла для LON-сети: 3120 и 3150. Они производятся фирмами Motorola и Toshiba. Кристалл 3120 содержит ROM, EEPROM и RAM (все в од- ном корпусе) и не имеет интерфейса к внешней памяти. Кристалл 3150 спроектирован для больших систем и содержит интерфейс к внешней памяти, но не имеет ROM-памяти. Топология сети может иметь произвольный вид. Наиболее об- щими и часто используемыми является «шина» и «произвольная то- пология». Характеристики топологий LON-сети приведены в таб- лице 4.2. Произвольная топология не имеет ограничений на структуру сети. Она может быть построена в виде звезды, колец и множественных соединений. Такая сеть должна обязательно иметь хотя бы один блок терминатора сети.
256 Глава 4 Таблица 4.2 Характеристика Произвольная топология Шина Максимальное расстояние, м 500-1400 2000 Максимальное число узлов 64 64 Пропускная способность (пакетов/с): 12-байтовые паке- ты - 64-байтовые пакеты 400 (пиковая)/320 (устойчивая) 100 (пиковая)/80 (устойчивая) Особенность использования LON-сети состоит в том, что устрой- ства, разработанные для одной топологии, из-за отсутствия универ- сальных трансиверов нельзя использовать для другой. Все данные, передаваемые по LON-сети, имеют стандартный сете- вой тип (Standard Network Variable Type, SNVT). Используя этот тип, можно получить представление для переменных, например, «напря- жение» или «температура». Когда сеть сконфигурирована, отдельные узлы посылают подробности своих SNVT-переменных в некоторый центральный узел, который хранит у себя их местоположение в сети. Использование SNVT позволяет строить сеть, в которой узлы могут заменяться на другие без изменения основного программного обеспе- чения. Для продвижения промышленной сети LonWorks на рынке авто- матизации создана соответствующая международная организация «The LonMark Interoperability Association», объединяющая и коорди- нирующая работу свыше 100 компаний по всему миру. Сеть Foundation Fieldbus Один из самых молодых (1997 год) и динамично развивающихся стан- дартов на промышленную сеть. Foundation Fieldbus представляет со- бой открытый протокол, позволяющий использовать программно- аппаратные средства различных производителей. Fieldbus Foundation является ассоциацией, появившейся в результате слияния североаме- риканских компаний ISP-Foundation (Fisher Rosemount. Yokogawa, Foxboro, Siemens) и WorldFIP (Honeywell, Groupe Schneider, Allen Bradley и др.). Foundation Fieldbus представляет собой двухуровневый сетевой протокол, сочетающий черты мощной информационной магистрали для объединения компьютеров верхнего уровня и управляющей сети, объединяющей контроллеры, датчики и исполнительные механизмы. Стандарт определяет два уровня сети. На нижнем уровне (Н1) в качестве физической среды передачи данных за основу взят стандарт IEC 61158-2, который позволяет использовать сеть Foundation
Устройства для создания распределенных систем сбора данных и управления 257 Fieldbus на взрывоопасных производствах с возможностью запитки датчиков непосредственно от канала связи. Скорость передачи на уровнеН! составляет 31,25 кбит/с. На верхнем уровне (протокол Н2) в настоящее время используется Foundation Fieldbus HSE, основанный на сети Fast Ethernet со скорос- тью передачи 100 Мбит/с. Особенностью стандарта Foundation Fieldbus является то, что в нем определен дополнительный пользовательский уровень (User Level), позволяющий, применяя определенные функциональные блоки (например, аналоговый ввод или вывод, ПИД-регулятор и др.), строить промышленные сети с распределенным интеллектом. Максимальное число узлов составляет 240 на сегмент (поддержива- ется до 65000 сегментов). Длина соединения до 1900 метров (для Н1). Методы обмена сообщениями: • клиент/сервер (Client/Server); • издатель/подписчик (Publisher/Subscriber); • уведомление о событиях (Event Notification). Сеть Foundation Fieldbus может быть использована в качестве по- лной замены аналогового стандарта токовой петли 4...20 мА. Сеть Ethernet Число сетей Ethernet (стандарт IEEE 802.3) в настоящее время превы- шает несколько миллионов, а число пользователей — десятки и сотни миллионов и непрерывно увеличивается. Термин Ethernet произошел от слов Ether (перевод «простой эфир» означает многообразие сред пере- дачи данных) и Net (сеть). Часто технологию Ethernet называют DlX-тех- нологией по начальным буквам фирм-разработчиков: DEC, Intel и Xerox. Спецификация Ethernet была опубликована в 1980 г. (стандарт IEEE 802.3). В 1995 г. опубликован стандарт IEEE 802.3u (Fast Ethernet), в 1997 г. — IEEE 802.3z (Gigabit Ethernet), в 1999 г. — IEEE 802.3ab (Gigabit Ethernet на витой паре категории 5). Протокол Ethernet — открытый промышленный сетевой стандарт, который поддерживает неявный обмен сообщениями (обмен сообще- ниями ввода/вывода в реальном времени), явный обмен (обмен сообще- ниями) или оба и использует широко распространенные чипы связи Ethernet и физические носители. Поскольку технология Ethernet исполь- зуется с середины 70-х годов XX века и широко распространена во всем мире, продукты Ethernet поддерживает большое количество поставщи- ков оборудования для автоматизации. Использование Ethernet обеспе- чивает доступ ко всем устройствам уровня данных из Internet. Сеть Ethernet использует протокол стандарта Ethernet TCP/IP (Transmission Control Protocol/Intemet Protocol) — протокол управле-
258 Глава 4 ния и передачи/протокол Интернета. Поскольку технология Ethernet и стандартные блоки протокола TCP/IP опубликованы для общес- твенного использования, стандартизованные сервисные программы и физические носители производятся массово и легко доступны. Стан- дарты TCP/IP являются открытыми и постоянно совершенствуются. Протокол TCP/IP является двухуровневым. IP-протокол является базовым протоколом на нижнем уровне стека TCP/IP. Напомним, что протоколом принято называть форма- лизованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, находя- щиеся на одном уровне, но в разных узлах (отправителя и по- лучателя). Иерархически организованный набор протоколов взаимо- действия узлов в сети называется стеком коммуникационных протоколов, одним из которых является стек TCP/IP. IP-протокол — это протокол сетевого уровня, который отвечает за передачу информации по сети и за правильность доставки сообще- ния (message) по указанному адресу. Информация передается бло- ками, которые называются дейтаграммами. Протокол IP не исклю- чает потерь данных или доставки дейтаграмм с ошибками. При передаче дейтаграмм IP-протокол выполняет фрагментацию дейтаграмм на передающей стороне и их сборку на приемной сто- роне, если размер кадров в сети отличается от размера исходных дей- таграмм. Дейтаграмма состоит из заголовка и поля данных. Размер дейтаграммы, способной быть принятой устройствами в сети, составляет 576 байт. Именно поэтому, при большой длине дей- таграммы, производится ее фрагментация, т. е. разделение на части. После передачи фрагментов дейтаграммы маршрутизатором, эти фрагменты на приемной стороне объединяются. По своим функциям IP-протокол, являясь протоколом сетевого уровня, образует с протоколом межсетевых управляющих сообщений отдельный межсетевой уровень. Модуль IP подготавливает заголовок дейтаграммы, подсоединяет к нему данные, получаемые от протоко- лов верхнего уровня TCP и UDP, определяет подсетевой адрес и пе- редает их модулю, реализующему протокол сетевого уровня подсети отправителя. Последний создает заголовок пакета подсети, присоединяет к нему в качестве данных дейтаграмму и передает пакет через подсеть отправителя. Затем вызывается модуль протокола сетевого уровня подсети получателя, который в свою очередь создает заголовок па- кета, присоединяет к нему в качестве данных дейтаграмму и отправ- ляет пакет получателю.
Устройства для создания распределенных систем сбора данных и управления 259 Станция-получатель освобождает дейтаграмму от заголовка па- кета и передает ее модулю IP, определяющему, какой прикладной программе предназначена дейтаграмма. Затем, в ответ на системный вызов, данные передаются прикладной программе получателя вместе с адресом отправителя и др. параметрами. В настоящее время исполь- зуется 32-х битная адресация IP-адреса (IP v.4). Для определения локального или физического адреса по IP-адресу используется протокол разрешения адресов ARP (Address Resolution Protocol), описанный в документе RFC 826. Обратная задача — на- хождение IP-адреса по известному физическому адресу — решается с помощью реверсивного протокола разрешения адреса RARP (Reverse Address Resolution Protocol). Протокол ARP работает, когда модуль IP посылает пакет на уровень сетевых стандартов по извес- тному ему IP-адресу станции назначения, по которому определяется М АС-адрес получателя. Протокол TCP является основным транспортным протоколом стека ТСРЛР. Он располагается над межсетевым протоколом IP и обеспечивает передачу пакета данных. TCP дает возможность пере- дачи непрерывного потока октетов, упакованных в сегменты. Перво- начально перед отправкой данные поступают в буфер, откуда для пе- редачи на сетевой уровень берется определенная часть, называемая сегментом. Размер сегмента должен быть таким, чтобы при упаковке в IP-дейтаграмму он мог поместиться полностью. На приемной стороне модуль протокола TCP помещает по- лученные данные сегмента в буфер прикладной программы получа- теля. С модулем протокола TCP связан модуль протокола IP, обеспе- чивающий передачу пакета по сети. Протокол TCP позволяет восстанавливать данные при их искажении или потере. Это достига- ется путем проверочного суммирования и присвоения последующего номера каждому передаваемому октету данных и требования поло- жительного подтверждения приема данных от TCP получателя. Структура протокола TCP/IP приведена на рис. 4.9. Для связи двух процессов их протоколы TCP должны установить соединение, т. е. получить информацию о состоянии сторон. Инфор- мация включает адреса сторон, последовательные номера передавае- мых данных, размер окна, определяющего диапазон разрешенных для передачи номеров. В структуре протокола отсутствует сеансовый уровень, а приклад- ной и представительный уровни объединены. Таким образом, прото- колы TCP/IP охватывают верхние уровни модели OSI, начиная с 3-го. На сетевом уровне, кроме протокола IP, используются протоколы ARP, RARP, ICMP и др., о которых будет сказано ниже. На транспор-
260 Глава 4 Уровни модели OSI Сообщение (message) II Сегмент (segment) III Дейтаграмма (datagram) Кадр (frame) Рис. 4.9 Уровни стека TCP/IP I Биты IV тном уровне используются протоколы UDP и TCP. На объединенном уровне представления данных и прикладном используются прото- колы TELNET, FTP, SMTP, SNMP, OSPF и др. Еще одним протоколом сетевого уровня является протокол IPX (Internetwork Packet Exchange), который относится к стеку протоко- лов Novell и соответствует сетевому уровню модели OSL Разработан на основе протокола IDP (Internetwork Datagram Protocol) фирмы Xerox и поддерживает, как и IP, дейтаграммный способ обмена. Важным протоколом канального уровня по стандарту ISO явля- ется протокол HDLC (Highlevel Data Link Control) — протокол управ- ления каналом передачи данных. Протокол HDLC применяется для выделенных линий связи (каналы могут быть выделенными или к