Характеристика каналов ввода/вывода

1. В.В. Ершов, доцент кафедры НДиС УлГУ, к.в.н., доцент

Лекция 1.2
НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОГРАММИРУЕМЫХ
ЛОГИЧЕСКИХ КОНТРОЛЛЕРОВ (ПЛК)
1. Характеристика каналов ввода/вывода;
2. Коммуникационные возможности контроллеров;
3. Эксплуатационные характеристики;

2. 1. Характеристика каналов ввода/вывода

Важно не только количество каналов ввода/вывода, поддерживаемое конкретным
контроллером (памятью контроллера), но и разнообразие модулей ввода/вывода по
количеству и уровням коммутируемых сигналов (ток/напряжение), способы
подключения внешних цепей к модулям ввода/вывода, количество каналов локального,
расширенного и удаленного ввода/вывода:
самые малые контроллеры (микро) небольшой вычислительной мощности,
способных поддерживать максимум несколько десятков вводов/выводов, в основном,
дискретных.
Семейство малых контроллеров способных поддерживать уже сотни вводов/выводов,
выполнять более сложные функции. Эти контроллеры имеют достаточно развитый
аналоговый ввод/вывод, выполняют операции с плавающей запятой и функции
ПИД-регулирования.
Контроллеры средней мощности обладая достаточной памятью и быстродействием,
могут обрабатывать уже тысячи переменных дискретного и аналогового типа.
Применяются для автоматизации небольших объектов процессов добычи, подготовки
и транспорта нефти и газа.
Контроллеров очень высокой вычислительной мощности, обладающих памятью,
измеряемой мегабайтами. Вычислительные возможности этого класса контроллеров
позволяют реализовывать сложные алгоритмы управления, применяемые при
автоматизации непрерывных технологических процессов. Их способность
обрабатывать десятки тысяч переменных и предопределила одну из областей
применения – в качестве концентраторов информации, получаемой от локальных
контроллеров.

3. Разнообразие коммутируемых сигналов

• Как зарубежные, так и отечественные производители
контроллеров комплектуют свои изделия широкой гаммой
модулей дискретного и аналогового ввода/вывода. По
количеству подключаемых сигналов различают модули на 4, 8,
16, 32 и 64 канала.
• Коммутируемые модулями дискретного ввода/вывода сигналы
могут иметь различный уровень напряжения переменного и
постоянного тока. Это 12, 24, 48В постоянного тока, 120 и 240 В
переменного тока с различными нагрузками по току.
• Уровни коммутируемых сигналов модулями аналогового
ввода/вывода могут быть самыми разнообразными. Это 0-5 В,
0-10 В, ±5 В, ±10 В по напряжению и 0-20 мА, 4-20 мА по току.
Есть и специальные модули для ввода в контроллеры
сигналов от термопар и термометров сопротивления
различных градуировок.

4. Разнообразие коммутируемых сигналов

Одной из важнейших характеристик контроллеров является
их способность поддерживать локальный, расширенный и
удалённый ввод/вывод.
• Под локальным следует понимать такой ввод/вывод, когда
модули ввода/вывода размещаются непосредственно на том
же шасси (плате), на котором размещен и модуль
центрального процессора.
• Так как количество слотов в шасси ограничено (максимум
16-18 для некоторых контроллеров), то и количество
локальных вводов/выводов может быть также ограничено.
Преимущество локальных вводов/выводов заключается в
том, что они имеют высокую скорость обновления данных.
При всех прочих равных условиях, скорость обработки этих
вводов/выводов очень высока. Эта характеристика особенно
важна, когда речь идет о регулировании технологических
параметров.

5. Разнообразие коммутируемых сигналов

• Расширенная система локального ввода/вывода.
• Шасси расширения с размещенными в них модулями
ввода/вывода соединяются с шасси центрального процессора
и между собой специализированным коротким кабелем и
могут быть отнесены максимум на несколько метров от
центрального процессора. Некоторые комплексы
контроллеров способны поддерживать одно/два шасси
расширения, другие - десять и более шасси с очень большим
количеством модулей ввода/вывода.
• Такая конфигурация, называемая централизованной,
подразумевает, что центральный контроллер и стойки
расширения размещены в одном помещении или одном
шкафу управления.

6. Разнообразие коммутируемых сигналов

• В качестве примера централизованного расширения можно привести
контроллеры Simatic S7-400. В состав этих контроллеров входят интерфейсные
модули (IM – Interface Module), предназначенные для организации связи между
базовой стойкой и стойками расширения централизованной системы.
• Интерфейсный модуль IM 460-0 используется в качестве передатчика в системе
централизованного расширения с удалением стоек расширения до 3 метров.
Модуль устанавливается в центральном контроллере (до 6 модулей). Один IM
460-0 поддерживает до 4 стоек и работает в комплекте с приёмником IM 461-0,
устанавливаемым в стойках расширения. В модуль IM 461-0 встроено два
интерфейса: для подключения с помощью кабеля к предыдущему устройству и
последующему. В последнем модуле IM 461-0 устанавливается терминатор
(концевой резистор).

7. Разнообразие коммутируемых сигналов

• Удалённый ввод/вывод применяется в тех случаях, когда
объекты управления находятся на достаточно большом
расстоянии от центрального процессора. Такой подход
позволяет уменьшить стоимость линий связи за счет того, что
модули ввода/вывода размещаются вблизи полевых
устройств.
• Поддержка удалённых вводов/выводов может осуществляться
посредством модулей, называемых ≪удаленный ведущий≫ и
≪удаленный ведомый≫.
• Ведущий модуль располагается в локальном каркасе
контроллера и соединяется кабелем с ≪удалённым
ведомым≫, который находится в удалённом каркасе.
• Один ведущий модуль может поддерживать 32, 64, 125
ведомых. В свою очередь, некоторые процессоры могут
поддерживать несколько ведущих модулей. Таким образом,
системы управления, построенные по технологии удалённого
ввода/вывода, способны обрабатывать многие тысячи
параметров.

8. Разнообразие коммутируемых сигналов

Например, процессор контроллера Quantum обеспечивает управление
локальным и удалённым (RIO-Remote Ю) вводом/выводом.
Для конфигурирования удаленного ввода/вывода в системе Quantum
предусмотрены соответствующие модули с одинарным и сдвоенным каналом:
модули головного канала: одинарный 140 CRP 931 00, сдвоенный 140 CRP
932 00;
модули подканала RIO: одинарный 140 CRA 931 00, сдвоенный 140 CRA
932 00.

9. 2. Коммуникационные возможности контроллеров

• Распределенная обработка информации в
сложных системах управления,
информационный обмен между компонентами
системы и другие задачи обычно решаются с
использованием информационновычислительных сетей.
• Прежде чем перейти к рассмотрению типовых
сетевых архитектур современных систем
управления необходимо ввести несколько
понятий.

10. 2.1. Топология сетей

• В локальных вычислительных сетях систем управления наиболее
широко применяются четыре вида топологии: шина, →кольцо, →
звезда, → перевернутое дерево и их сочетание

11. Топология сетей

В шинной топологии узлы сети подключаются к одному каналу
передачи данных. В кольцевой топологии каждый узел связан с
двумя соседними, и информация передается от одного узла к
другому по кольцу.
В топологии ≪звезда≫ каждый узел осуществляет прямую связь с
другими через активный коммутатор (лёгкость наращивания узлов
сети, высокая надёжность центрального узла).
Топология перевернутое дерево имеет разветвленную структуру, в
которой объединяются несколько коммутаторов.
Один из коммутаторов - центральный - составляет основу
перевернутого дерева. Сверху (иерархия) к нему подключаются
рабочие станции уровня ОПС.
Остальные коммутаторы подключаются к центральному
коммутатору снизу (ветви перевернутого дерева) и являются
сегментами сети управления. Каждый сегмент может объединять в
сеть несколько узлов (контроллеров).

12. Способы доступа

• По способу доступа узла к передающей среде ЛВС
разделяются на сети:
с командным доступом;
со случайным доступом;
с доступом на основе эстафетной передачи.
• В командных ЛВС контроллер сети поочередно
опрашивает все узлы сети и управляет пересылками
информации между узлами. В качестве примера таких
сетей (ведущий/ведомый, мастер/подчиненный) можно
назвать следующие сети:
MODBUS,
PROFIBUS-DP,
nterbus,
ASI и др.

13. Способы доступа

В ЛВС со случайным доступом все узлы сети непрерывно
следят за сетевым трафиком (передачей данных). Когда
трафик не обнаруживается, любой узел сети может начать
передачу (равноправная сеть). Если два или более узлов
начинают передачу одновременно, то возникает конфликтная
ситуация (коллизия). Она обнаруживается всеми узлами сети,
а начавшие одновременно передачу узлы ≪штрафуются≫
случайным по длительности тайм-аутом. Ярким примером
таких сетей является Ethernet.
В ЛВС с эстафетной передачей (шина или кольцо с
маркерным доступом) подразумевается использование
специального пакета данных (маркера), который
предоставляет возможность его держателю передавать
информацию. Любой узел сети, желающий передавать
информацию, должен дождаться получения маркера.
Получив его, он передает данные и затем пересылает маркер
следующему узлу. Пример таких сетей - PROFIBUS-DP.

14. КАНАЛ

Термин канал (среда) передачи данных
служит для описания физического пути между
узлами сети. Обычно в качестве среды
передачи данных используются:
- кабель из витых пар проводов;
- коаксиальный кабель;
- волоконно-оптический кабель;
- выделенные и коммутируемые
телефонные линии;
- радиоканал;
- спутниковая связь.

15. СЕТЕВОЙ ПРОТОКОЛ

Для обеспечения безошибочности и максимального удобства
передачи информации сетевые операции регулируются
набором правил и соглашений, называемых сетевым
протоколом. Сетевой протокол определяет типы разъёмов,
кабелей, сигналы, форматы данных и способы проверки
ошибок.
Сетевая архитектура современных систем управления
строится, как правило, по смешанной топологии. Способы
доступа, среда передачи данных и протоколы определяются
требованиями, предъявляемыми к системе, и, следовательно,
программно-техническими средствами, используемыми в
конкретной системе управления.
На рисунке приведена схема одного из вариантов сетевой
архитектуры системы управления.

16. СЕТЕВОЙ ПРОТОКОЛ

Сетевая архитектура
системы управления
СЕТЕВОЙ ПРОТОКОЛ

17. СЕТЕВОЙ ПРОТОКОЛ

На схеме достаточно четко просматриваются три
уровня сети:
уровень обмена информацией между полевыми
устройствами (измерительными
преобразователями, исполнительными
устройствами) и модулями ввода/вывода;
уровень обмена данными между локальными
контроллерами, удалённым вводом/выводом и
концентратором данных;
уровень обмена данными между
концентратором, сервером и компьютерами
АРМ операторов/диспетчеров и специалистов.

18. СЕТЕВОЙ ПРОТОКОЛ

• На нижнем уровне обмен информацией между
полевыми устройствами и модулями ввода/вывода
возможен двумя путями:
• традиционным способом по физическим каналам
связи (проводная связь) и по цифровой полевой
шине. Традиционный способ подразумевает передачу
информации в виде сигналов напряжения или тока
(например, 4...20 мА пропорционально измеряемому
параметру - аналоговая информация) или в виде
сигналов напряжения двух уровней (напряжение
одного уровня - нуль, напряжение другого уровня единица, дискретная информация).

19. СЕТЕВОЙ ПРОТОКОЛ

В последние годы проявилась тенденция применения в
системах управления технологий сквозного сетевого доступа:
от компьютеров верхнего уровня до полевых устройств. При
этом подразумевается применение интеллектуальных
полевых устройств (датчиков и ИУ с встроенным
микропроцессором), способных взаимодействовать с
контроллерами по цифровым шинам (сетям).
Не вдаваясь в подробности цифровой передачи данных на
этом уровне, следует отметить, что применение полевых шин
позволяет:
- проводить удаленную настройку датчиков на требуемый диапазон
измерения через полевую шину;
- обеспечить электропитание от блоков питания контроллеров через
полевую шину;
- увеличить информационный поток между контроллером и
приборами;
- при наличии самодиагностики передавать сообщения о
неисправностях в приборах по полевой шине оператору.

20. СЕТЕВОЙ ПРОТОКОЛ

Наиболее известные цифровые протоколы - HART и Foundation
Fieldbus (FF).
Одна из основных функций локальных контроллеров - управление
(непрерывное и дискретное) технологическим процессом.
Сети передачи данных на этом уровне называются управляющими.
Они должны удовлетворять следующим требованиям:
- скорость передачи, соответствующая задачам реального
времени;
- объём передаваемых данных;
- протяжённость сети;
- допустимое количество узлов в сети.
Сегодняшняя ситуация на рынке промышленных управляющих
сетей - это Profibus, Modbus, Genius, DH+, ControlNet, Industrial
Ethernet и многие другие сети. Это сети уровня контроллеров и
удаленного ввода/вывода. Каждая из них имеет свои особенности и
области применения.

21. СЕТЕВОЙ ПРОТОКОЛ

• Устройства верхнего уровня (АРМы, серверы) на своём уровне
обмениваются большими объемами информации. Время
доставки информации не является доминирующим
требованием к этой сети.
• Сети, обеспечивающие информационный обмен на этом
уровне, называют технологическими (информационными)
сетями.
• Наиболее ярким представителем сетей этого уровня является
Ethernet с протоколом TCP/IP.
• К параметрам контроллеров, характеризующим их способность
взаимодействовать с другими устройствами системы
управления, относятся:
- количество и разнообразие портов в процессорных модулях для
подключения к сетям;
- номенклатура интерфейсных модулей и интерфейсных процессоров
(каждый интерфейсный модуль или процессор обеспечивает как
минимум один порт для подключения к сети);
- поддерживаемые протоколы;
- скорость обмена данными по каналам связи и их протяженность.

22. 3. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

• К наиболее распространенным способам резервирования
сетей, контроллеров, модулей ввода/вывода и т.д. относятся:
горячий резерв отдельных компонентов и/или контроллера в целом (при
непрохождении теста в рабочем контроллере управление переходит ко
второму контроллеру);
троирование основных компонентов и/или контроллера в целом с
голосованием по результатам обработки сигналов всеми контроллерами
(мажоритарная выборка - голосование по 2 из 3), составляющими группу
(за выходной сигнал принимается тот, который выдали большинство
контроллеров группы, а контроллер, рассчитавший иной результат,
объявляется неисправным);
работа по принципу ≪пара и резерв≫. Параллельно работает пара
контроллеров с голосованием результатов, а аналогичная пара находится
в горячем резерве. При выявлении разности результатов работы первой
пары управление переходит ко второй паре. Первая пара тестируется и,
либо определяется наличие случайного сбоя и управление возвращается к
первой паре, либо диагностируется неисправность и управление остается
у второй пары.

23. Пример горячего резервирования контроллеров Quantum

24. Резервирование два одинаково сконфигурированных контроллера

Для обеспечения резервирования два одинаково
сконфигурированных контроллера Quantum связываются
между собой через контроллеры горячего резерва (140 CHS
110 00), установленные в каждом из каркасов.
Между циклами сканирования программы в центральном
процессоре происходит передача данных из активного
контроллера в резервный по оптоволоконной линии связи.
Скорость обмена информацией между контроллерами равна
10 Мбит/с, а время переключения системы с основного
контроллера на резервный - 13...48 мс.
Резервированная система проста в настройке и монтаже и
обеспечивает непрерывное резервное управление в случае
выхода из строя активного контроллера или прекращения
подачи на него питания.

25. Способы резервирования сетей, контроллеров, модулей ввода/вывода

Таким образом, система горячего резервирования
семейства Modicon TSX Quantum обеспечивает
высокую надежность при автоматизации процессов с
высокими требованиями безопасности.
Наличие встроенных аккумуляторов и батарей,
обеспечивающих сохранность записанной в
контроллерах информации при прекращении питания
от сети.
Условия эксплуатации:
диапазоны температур и влажности окружающей
среды;
наибольшие вибрации и ударные нагрузки;
допускаемые электрические и магнитные помехи и
т.п.

26. Резервирование сетей, контроллеров, модулей ввода/вывода

При выборе программно-технических средств автоматизации
объектов добычи таких месторождений на первый план могут быть
выдвинуты требования их работоспособности в жёстких условиях
эксплуатации (например, в широком диапазоне температур).
С другой стороны, следует иметь ввиду, что аппаратура, способная
работать при очень низких минусовых температурах (до -40 °С),
имеет более высокую стоимость.
Способы монтажа контроллеров и модулей ввода/вывода
достаточно типизированы.
корзины с гнёздами для различных модулей,
базовые платы с разъёмами под модули.
Количество модулей, размещаемых в каркасе (корзине) или на
базовой плате, может быть различным (от 3 до 18).
Сконфигурированные в корзинах и на базовых платах
контроллеры могут монтироваться на щитах, в шкафах,
профильных рейках.
Имеются ПТК, построенные по модульному принципу, в которых
монтаж любых модулей (процессорных, ввода/вывода,
коммуникационных и т.п.) производится непосредственно на
профильной рейке.

27.

Благодарю за
внимание