книги / Элементы и структуры систем автоматизации технологических процессов нефтяной и газовой промышленности

тельной передачи данных, в которой обе микропроцессорные системы согласуются по частоте взаимного обмена цифровой информацией.

Рис. 73. Структура связи ПосПИ с управляющим микропроцессором и с другим микропроцессором

Для промежуточного хранения цифровых сигналов перед их передачей в системную шину данных или из нее в ПосПИ предусмотрен буфер шины данных. По команде «Запись» (Зап) из системной шины данных микропроцессора в буфер шины данных ПосПИ пересылаются сигналы, а по команде «Чтение» (Чт) такие сигналы из этого буфера направляются обратно в системную шину данных.

По шине управления в регистр управления ПосПИ передаются следующие команды:

ТИ – сигналы тактовых импульсов системы; Чт – команда «Чтение»; Зап – команда «Запись»;

Сб – команда «Сброс» (обнуление данных); Д/У – сигнал, указывающий на тип передаваемых данных

(данные или команда управления);

121

В/К (выбор кристалла) – команда включения чипа (микросхемы) в работу.

По шине управления модемом в регистр управления ПосПИ передаются следующие сигналы:

DSR – сигнал готовности передатчика к передаче данных; DTR – сигнал запроса на прием информации;

RTS – сигнал запроса готовности к приему информации; CTS – сигнал разрешения приемника передачи информации. Обмен информацией между двумя микропроцессорными системами по двухпроводной линии связи осуществляется с помощью сигналов (TхD) и (RхD), при этом по одному из этих проводов в одном направлении посылается сигнал TхD (translate data), а по другому в обратном направлении посылается сигнал RхD (read data). Такая схема передачи данных по линии связи называется дуплексной. При этом уровень сигнала в обеих лини-

ях измеряется относительно цифровой земли (провод GND). Передача информации в линию связи сигналом TхD произ-

водится из регистра сдвига передатчика. При этом приемник противоположного последовательного порта воспринимает этот сигнал из линии связи как RхD. Работа обоих портов (последовательных интерфейсов) согласуется с помощью следующих сигналов:

TxRDY – сигнала о готовности передатчика принять байт данных от микропроцессора в свой буфер через шину данных;

TxE – сигнала «буфер шины данных пустой»;

TxC – сигнала синхронизации передатчика с приемником. Прием информации (сигнала RхD) из линии связи в регистр сдвига приемника производится также согласовано с передатчиком противоположного последовательного порта с помощью

следующих сигналов:

RxC – сигнала синхронизации приемника с передатчиком; SYNDET– сигнала начала приема данных;

RxRDY – сигнала о готовности приемника передать байт данных из буфера микропроцессору через шину данных.

122

Работа последовательного интерфейса (порта) в синхронном режиме связана с определенными недостатками, главным из которых является необходимость тактовой согласованности передающего (ведущего) и принимающего (ведомого) микропроцессоров, что не всегда возможно. Устранение этого недостатка возможно при использовании асинхронного принципа последовательной передачи данных, суть которого состоит в том, что в процессе передачи данных оба микропроцессорных устройства (ведущий и ведомый) осуществляют взаимопроверку состояния приемопередатчиков. В случае опережения в работе одного из этих микропроцессоров подается команда на прерывание (остановку) его работы или переключение его на другие программные операции до тех пор, пока смежный (медленный) микропроцессор не сравняется с ним по тактовым операциям передачи данных. В этом режиме оба микропроцессора могут работать на разной тактовой частоте, но обязательно с взаимопроверкой согласованности результата. Работа программируемого последовательного интерфейса (порта) в асинхронном режиме обеспечивается устройством типа UART (устройство асинхронного приема-передачи).

Микропроцессорные системы различных производителей могут связываться между собой через асинхронные последовательные порты различными способами. Многообразие схем соединения микропроцессорных систем через последовательные порты значительно усложняет задачу их объединения в общую автоматизированную систему. Для успешного решения этой проблемы были разработаны специальные стандарты такого объединения, которые были названы протоколами связи.

Протоколом связи микропроцессорных систем через последовательные порты называются правила и соглашение между этими системами по способу передачи информации через их последовательные порты.

Сетевой протокол определяет типы и параметры сигналов, формат данных, алгоритм управления интерфейсом, типы разъемов и кабелей. К числу современных протоколов последователь-

123

ной связи относятся: CAN, Profibus, Modbus, Ethernet. Каждый из протоколов характеризуется определенной структурой интерфейса (типом порта), который может быть отнесен к определенной физической структуре (или типу). Физические протоколы могут быть следующих типов: RS-232, RS-485 и RS-422 (рис. 74).

Рис. 74. Структура связи двух микропроцессорных систем по протоколам:

а − RS-232, б − RS-485

Последовательный интерфейс RS-232 − это промышленный стандарт для последовательной двунаправленной асинхронной передачи данных на максимальном расстоянии до 20 м. Связь осуществляется в асинхронном режиме приемопередатчиком UART. Вследствие побитовой формы передачи данных по линии связи ее скорость ограниченна, поэтому устройства, обслуживающие порты этого типа, постоянно контролируют процесс передачи данных. Это происходит с помощью перекрестной связи сигналов TD и RD, RTS и CTS, DTR и DSR. При этом сигналы GND (цифровая земля) и PROT (системная земля) передаются напрямую (рис. 74,а).

Скорость передачи данных измеряется в бодах (количество бит за 1 с). Стандартные скорости передачи данных: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 и 19200 бод. Для передачи нулевого символа по каналу связи этого типа напряжение меняется в диапазоне от +3 до +12 В, а для единичного символа это напряжение меняется от–3 до–12 В. Приемопередатчики связаны между собой кабелями со стандартными 25или 9-штырьковыми разъемами. IBM совместимый компьютер может иметь до четырех портов, выполненныхна последовательных интерфейсах RS-232.

124

Аналогично устроен асинхронный приемопередатчик UART по протоколу RS-485 (рис. 74,б). В этом случае передача данных по линии связи происходит в побайтовом и в дуплексном режимах по каналам DATA+ и DATA−.

5.12. Программируемые контроллеры

Микропроцессоры являются не только структурной основой персональных ЭВМ, но и входят в состав специальных управляющих устройств, которые получили название контроллеров. Контроллеры пришли на смену релейным системам автоматики и телемеханики. Эти устройства называются программируемыми логическими контроллерами (ПЛК).

Для первых ПЛК было характерно наличие в их структуре устройств, предназначенных для обработки только дискретных входных сигналов и формирования релейных выходных сигналов. Эти контроллеры обладали достаточно высоким быстродействием, небольшим объемом оперативной памяти и слаборазвитым программным обеспечением. Поэтому первоначально они использовались как цифровые системы телемеханики.

Чуть позже на основе микропроцессорных систем были созданы контроллеры, которые заменили аналоговые регуляторы. Эти контроллеры получили название «Распределенные системы управления» (РСУ). В состав этих систем входил набор технических средств, позволяющий автоматизировать управление целыми технологическими процессами.

Первоначально ПЛК и РСУ развивались независимо друг от друга, не перекрывая областей своего применения. Однако со временем в состав ПЛК были введены устройства, позволяющие вести программную обработку аналоговых сигналов. Это расширило область их применения. Возможности ПЛК еще более возросли с внедрением программных средств, позволяющих им осуществлять диспетчерское управление, сбор и обработку данных. Такие программы получили название SCADA-систем. Использование новых программных средств позволило ПЛК проникнуть в область применения распределенных систем, что по-

125

высило конкурентную способность ПЛК и заставило разработчиков РСУ внедрять в свои системы устройства обработки дискретных сигналов. Все это только способствует успешному параллельному развитию обоих типов контроллеров.

В связи с многообразием контроллеров обоих типов, поставляемых на рынок различными производителями, возникла еще одна проблема, которая заключалась в невозможности построения систем управления из компонентов этих систем, полученных от разных производителей, так как из-за несогласованности параметров они не могли работать в одной системе управления.

Выход из этой ситуации был найден при создании открытых систем, в основу которых был положен принцип использования стандартных элементов, узлов, протоколов связи и программного обеспечения. Такая стандартизация позволила многим производителям специализироваться на выпуске отдельных стандартных компонентов открытых систем, что усилило конкуренцию на рынке этих компонентов, а значит, обеспечило снижение их цены и привело к повышению их качества.

5.12.1. Структура распределенной системы управления

В течение многих лет системы управления строились по централизованному типу, т.е. они состояли из одного мощного управляющего вычислительного устройства (с устройством связи с объектами) и огромного количества кабелей, с помощью которых к нему подключались датчики и исполнительные устройства. Такая структура диктовалась большой ценой на компьютерные устройства. В результате снижения этой цены и повышения стоимости кабельной продукции возникла необходимость изменить структуру систем цифрового управления. Так появились первые цифровые промышленные сети, объединяющие контроллеры в единой системе управления.

Информационный обмен в промышленных сетях строится по одному из трех принципов. По принципу «Ведущий−ведомый» ведущее устройство последовательно опраши-

126

вает ведомые, а они в свою очередь выполняют переданные им команды. В соответствии с принципом «Клиент−сервер» узел «Клиент» запрашивает данные, а узел «Сервер» их пересылает. Принцип «Поиск» заключается в том, что некоторый узел должен получать постоянно информацию от другого узла без дополнительного запроса. При этом в первом варианте данные посылаются циклически с определенным интервалом времени, а во втором они пересылаются только при их изменении.

Современные открытые распределенные системы управления представляют собой промышленные сети, построенные по уровневому типу (рис. 75). В этой сети выделяются уровни:

–управления производством;

–управления технологическим процессом;

–автоматизации технологических машин и устройств;

–опроса датчиков и управления исполнительными устройствами.

На уровне управления производством с помощью системы

Internet развернута глобальная информационная сеть, через которую администрация предприятия получает и передает в сеть информацию отраслевого типа. Кроме того, предприятие получает и обрабатывает через этот уровень сети международные финансово-экономические и конъюнктурные данные.

На уровне управления технологическим процессом в системе управления развернута информационная сеть, с помощью которой объединяются локальные серверы и рабочие станции для обмена информацией по принципу «Клиент−сервер». Задача этой части сети состоит в обеспечении визуализации основных параметров производства, построения отчетов и архивации данных. На этом уровне производится обмен информацией между компьютерами, концентраторами и серверами. Обычно такой обмен информацией происходит по высокоскоростному протоколу Ethernet. На этом же уровне могут быть установлены автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов конкретного производства.

127

Связь этого уровня с нижестоящими уровнями часто производится через концентраторы. Концентраторами называются контроллеры типа РСУ с высокой вычислительной мощностью, способные обрабатывать десятки тысяч переменных. В SCADAсистемах концентраторы применяются для организации обмена данными между контроллерами в промышленной сети.

Рис. 75. Уровневая архитектура распределенной микропроцессорной системы управления

Промышленные сети обеспечивают обмен информацией между контроллерами, датчиками и исполнительными устройствами. Эти сети работают по принципу «Ведущий−ведомый» и составляют уровень управления технологическим процессом. В состав промышленных сетей могут входить контроллеры с локальным и распределенным вводом/выводом.

Уровень автоматизации технологических машин и уст-

ройств обеспечивается устройствами локального ввода/вывода.

128

Под локальным способом ввода/вывода понимают такой ввод/вывод сигналов, при котором модули, обеспечивающие этот процесс, размещаются в одном устройстве с центральным процессором. Эти модули связаны с процессором по системной шине типа ISA или PCI через систему слотов, расположенных

вслотовом шасси. Так как количество слотов в устройстве всегда ограниченно, то в конструкции этих контроллеров предусматриваются технические средства, обеспечивающие возможность расширения числа пристыкованных модулей.

Для обмена информацией между контроллерами, расположенными на большом расстоянии друг от друга (десятки кило-

метров), используют сети удаленного доступа.

Системы удаленного ввода/вывода (доступа) строятся из контроллеров или модулей, соединенных по принципу «Ведущий−ведомый». Ведущий модуль располагается на верхнем уровне сети или в каркасе управляющего контроллера. Ведомый контроллер (модуль) располагается на удаленном расстоянии и связывается с ведущим модулем по специальной линии связи. Для того чтобы энергия информационного сигнала не затухала

вканале связи, его модулируют (накладывают на несущий сигнал, который обладает значительно большей энергией), а затем вновь отделяют от него (демодулируют) в ведомом контроллере. Этот процесс происходит в специальных устройствах, которые называются модемами (модуляторами-демодуляторами). По такой схеме ведущий модуль может поддерживать несколько ведомых модулей. Информация в контроллерах удаленного ввода/вывода формируется и передается по принципам асинхронного обмена через порты интерфейса RS-485.

На самом нижнем уровне промышленной сети управления располагаются датчики и исполнительные устройства (внешние устройства), которые подключаются к модулям нижнего уровня. Такое подключение может осуществляться двояко: через параллельные или последовательные порты этих модулей. Параллельные порты модулей нижнего уровня обеспечивают непосредственное подключение аналоговых или дискретных внеш-

129

них устройств. При этом каждый из таких устройств требует как минимум пары проводов для подключения. При большом количестве внешних устройств не только увеличивается расход монтажного провода, но и возрастает сложность компоновки и монтажа этих устройств. Устранение этого недостатка стало возможным при использовании в структуре промышленной сети полевых шин.

Полевая шина – это разновидность промышленной сети нижнего уровня, которая позволяет использовать двухжильный монтажный кабель специального профиля для подключения через последовательный порт принимающего модуля до 62 внешних устройств, при этом питание, опрос и выдача команд для этих устройств производятся по одному и тому же кабелю. Внедрение полевых шин стало возможным только тогда, когда внешние устройства стали интеллектуальными, т.е. в структуру этих устройств были введены микропроцессоры, позволяющие преобразовывать аналоговые сигналы в цифровые, что позволило передавать их в последовательном коде по полевой шине. Полевые шины строятся на основе AS-интерфейса.

Полевая шина на основе AS-интерфейса может иметь только одно ведущее устройство (мастер) и до 62 ведомых устройств (слейвов). При опросе датчиков или исполнительных устройств ведущий модуль циклически опрашивает каждый из них, при этом на весь опрос затрачивается около 5 − 10 мс.

5.12.2. Программное обеспечение распределенной системы управления

Успешному внедрению промышленных логических контроллеров (ПЛК) способствовало появление программного обеспечения, получившего совместно с ПЛК название SCADAсистема. Для этих систем строятся программы двух уровней. На верхнем уровне это программные пакеты, которые управляют потоком информации в промышленной сети, оперируя при этом десятками тысяч имен переменных (тегов). На нижнем уровне это программы-драйверы для устройств нижнего уровня про-

130