Обзор средств автоматизации ЗАО "ЭМИКОН"

Авторы: А.А. Алексеев, к.т.н., З.М. Варшавский (ЗАО "ЭМИКОН")

В статье приведен обзор модулей семейства DCS-2000. Рассматриваются конструктивные и функциональные особенности, преимущества разных серий модулей этого семейства.

Российская компания ЗАО «ЭМИКОН» 25 лет занимает лидирующее место на рынке производства средств и систем автоматизации (СА) технологических процессов.

В своём арсенале компания имеет три основных семейства модулей: ЭК-2000, DCS-2000 и DCS-2001. Особого внимания заслуживают модули семейства DCS-2000, которые подразделяются на серии: DCS-10, DCS-30, DCS-40 и DCS-200.

Модули серии DCS-10 предназначены для создания распределенных и централизованных систем управления. Конструкция модулей обеспечивает установку их на DIN-рельс. В состав серии входят модули центральных процессорных устройств (ЦПУ), модули ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов.

В серии DCS-10 имеются два типа модулей ЦПУ: CPU-17В, CPU-19А.

Модуль CPU-17В состоит из двух частей: операционной, выполненной на базе микропроцессора типа Am186CU-50 KC\W, и интерфейсной, содержащей пять интерфейсных каналов RS-485 и два канала RS-232. Четыре интерфейсных канала RS-485 могут работать по протоколам Modbus RTU и HDLC. Такое количество интерфейсных каналов необходимо для информационного обмена с разными уровнями СА. При этом каждый информационный канал должен резервироваться. Системой программирования модулей CPU-17В является CONT-Designer.

Модуль CPU-19А выполнен на базе микропроцессора типа IPC@CHIP SC123 фирмы BECK. В отличие от модуля CPU-17В модуль CPU-19А имеет три канала RS-485, один канал RS-232 и один канал типа ETHERNEN, работающий по протоколу Modbus TCP. Системой программирования модулей CPU-19А является CoDeSys.

Обязательным атрибутом модулей ЦПУ является устройство резервирования, которое необходимо для обеспечения надежной работы СА.

Модули ввода-вывода серии DCS-10 (рис. 1) являются интеллектуальными. Они оснащены микропроцессорами и реализуют первичное преобразование входных сигналов, освобождая тем самым ЦПУ для выполнения сложных алгоритмов управления. Информационный обмен между модулями ввода-вывода и модулями ЦПУ осуществляется по двум интерфейсным каналам RS-485, протокол Modbus RTU. Использование последовательных каналов для комплексирования модулей позволяет обеспечивать большую масштабируемость (к одному ЦПУ можно подключить до 128 модулей ввода-вывода), что удобно для модификации СА.

Основными модулями ввода-вывода серии DCS-10 являются:

• DO-11 – модуль дискретного вывода (8 каналов);
• DI-11 – модуль дискретного ввода (8 каналов);
• DIO-11 – модуль дискретного ввода-вывода (4 канала ввода, 4 канала вывода);
• AI-12 – модуль аналогового ввода токовых сигналов 0-20 мА (4 канала);
• AI-11 – модуль аналогового ввода сигналов с термометров сопротивления (4 канала);
• AО-11 – модуль аналогового вывода токовых сигналов 0-20 мА (2 канала).

К особенностям модулей серии DCS-10 можно отнести то, что их входные цепи являются взрывозащищенными с маркировкой взрывозащиты [Exib]IICX. Модули устанавливаются вне взрывоопасных зон и искробезопасными цепями могут быть связаны с датчиками, расположенными во взрывоопасных зонах классов В-1а и В-1г.

Модули ЦПУ серии DCS-30 (CPU-31A/B и CPU-32A) кроме пяти интерфейсных каналов RS-485 содержат от одного до пяти каналов ETHERNET и обязательное устройство резервирования.

Большое количество программ, разработанных в среде CONT-Designer, требует программной совместимости всех серий модулей семейства DCS-2000. Поэтому модуль CPU-31A/B, как и модуль CPU-17В, выполнен на базе микропроцессора типа Am186CU-50 KC\W. Система программирования - CONT-Designer. Модуль CPU-32A выполнен на базе микропроцессора типа IPC@CHIP SC143 фирмы BECK. Системой программирования модуля CPU-32A является CoDeSys.

Все модули ввода-вывода серий DCS-10 и DCS-30 имеют две основные части: системную и объектную.

Системная часть состоит из микропроцессора фирмы ATMEL, супервизора питания, формирователя двух интерфейсных каналов типа RS-485 и средств визуализации работоспособности модуля.

Объектная часть содержит цепи, подключаемые к датчикам или исполнительным устройствам, цифроаналоговые преобразователи (если модули аналогового ввода-вывода), электронные ключи (если модули дискретного вывода) и устройства фильтрации (если модули дискретного ввода).

Объектная часть модулей гальванически изолирована от системной, что обеспечивает защиту модулей от влияния внешней среды. Системным интерфейсом модулей, объединяющим их в контроллер, является RS-485, протокол MODBUS RTU. Каждый модуль имеет два гальванически изолированных от системной части интерфейсных канала, выведенных на внешние соединители. На рис. 3 показана структурная схема модуля аналогового ввода AI-32A. Модули серии DCS-30 системными соединителями подключаются к кроссовой плате каркаса. Номенклатура модулей серии DCS-30 имеет большее количество типов модулей по сравнению с серией DCS-10.

Рис. 3.

Основными модулями ввода-вывода серии DCS-30 являются:

• DO-31А – модуль вывода дискретных сигналов постоянного тока (16 каналов);
• DI-32А – модуль ввода дискретных сигналов постоянного тока (16 каналов);
• DIO-32 – модуль ввода-вывода дискретных сигналов постоянного тока (8 каналов ввода, 8 каналов вывода);
• AI-32А – модуль аналогового ввода токовых сигналов 0-20 мА (12 каналов);
• AI-31А – модуль аналогового ввода сигналов с термометров сопротивления (6 каналов);
• AО-31 – модуль аналогового вывода токовых сигналов 0-20 мА (4 канала);
• IOA-31A - модуль ввода-вывода дискретных сигналов переменного тока (8 каналов ввода, 3 канала вывода);
• IOD-31A - модуль ввода дискретных сигналов постоянного тока и вывода дискретных сигналов переменного тока (8 каналов ввода, 3 канала вывода).

Особый интерес вызывают модули IOA-31A и IOD-31A. Ранее, при использовании модулей серии DCS-10, для ввода в контроллер сигналов переменного тока необходимо было применять соединенные между собой модули ввода переменного тока IR-04A и модули ввода дискретных сигналов постоянного тока DI-11. Модуль IR-04A содержит четыре входных канала переменного тока, транслируемых в четыре выходные канала типа «сухой контакт». Модуль DI-11 содержит восемь входных каналов.

Использование модулей IOA-31A позволяет заменить два модуля IR-04A и один модуль DI-11. Кроме того, модуль IOA-31A обладает аппаратно-программными средствами фильтрации входных сигналов и диагностики выходных сигналов.

СА разработки ЗАО «ЭМИКОН», как правило, состоят из четырех уровней (рис. 4). Первый (верхний) уровень содержит АРМы операторов. Второй уровень содержит центральный контроллер (КЦ). Третий уровень – контроллеры связи с датчиками и исполнительными устройствами (УСО). Четвертый уровень – датчики и исполнительные механизмы. Контроллеры УСО могут быть реализованы на модулях серий DCS-10 и DCS-30. Серия модулей DCS-40 предназначена исключительно для создания контроллеров КЦ.

Рис. 4.

В состав серии DCS-40 входят модули центрального процессорного устройства CPU-41 и CPU-42, а также сетевые модули С-41 (имеющие по два интерфейсных канала типа ETHERNET), С-42А (имеющие восемь интерфейсных каналов RS-485) и С-43 (имеющие восемь независимых оптических каналов). Система программирования модуля CPU-41А - CONT Designer, модуля CPU-42А – CoDeSys. Модули серии DCS-40 устанавливаются в каркас, содержащий кроссовую плату, на которой печатным монтажом выполнена параллельная шина, состоящая из трех подшин: шины адреса (включающей 16 адресных разрядов и четыре разряда выборки платомест), шины данных (включающей восемь разрядов) и шины синхронизации (включающей три разряда). Кроссовая плата разделена на две части для установки в один каркас двух контроллеров - основного и резервного.

Немаловажным аспектом при построении СА является цена модулей. Для создания небольших систем компания ЗАО «ЭМИКОН» с 2014 года будет производить серию модулей DCS-200.

Конструктивно модули DCS-200 устанавливаются в каркас, содержащий кроссовую плату, на которой печатным монтажом выполнена параллельная шина, состоящая из трех подшин: шины адреса (включающей 16 адресных разрядов и четыре разряда выборки платомест), шины данных (включающей восемь разрядов) и шины синхронизации (включающей три разряда). Кроссовая плата рассчитана на один контроллер.

Номенклатура серии DCS-200 включает модуль ЦПУ (CPU-201А) и модули ввода-вывода.

Модуль CPU-201А выполнен на базе микропроцессора типа Am186CU-50 KC\W. Система программирования - CONT-Designer.

Модули дискретного ввода-вывода (DO-201A, DI-201A, DIO-201A) не имеют собственного микроконтроллера, этими модулями управляет процессорный модуль CPU-201А. Однако модули ввода аналоговых сигналов AI-203A, AI-202A содержат микроконтроллер, что необходимо для диагностики и управления цифроаналоговыми преобразователями, а также для фильтрации входных сигналов.

Одним из основных требований, предъявляемым к системам автоматизации, является надежность.

Надежность СА, построенных на базе модулей, производимых компанией ЗАО «ЭМИКОН», достигается введением в модули средств диагностики и способами построения систем. Наибольшего внимания в плане средств диагностики заслуживают модули серии DCS-30. В модулях дискретного вывода (DO-31A, DIO-32A, IOA-31A, IOD-31A) обеспечивается программно-аппаратная защита от ложных включений выходов.

В модулях дискретного ввода (DI-32A и DIO-32A) при наличии дополнительных резисторов во входных каналах контролируется целостность полевых цепей (обрыв, короткое замыкание). В каждом программном цикле путем формирования тестовых сигналов проверяется входной тракт модуля. По состоянию охранного таймера контролируется работоспособность микроконтроллера. Во время самотестирования проверяется состояние специальных сигналов. В случае выявленных неисправностей передается сообщение в модуль ЦПУ и засвечивается индикатор ошибки. Подобный подход к самодиагностике предотвращает ложные срабатывания в системе автоматизации.

В модулях аналогового вывода (AO-31A) контролируется ток в нагрузке, сформированный модулем. В модулях аналогового ввода (AI-32A) с помощью реперных точек проверяется работоспособность входного тракта, в т.ч. и аналого-цифрового преобразователя.

Архитектура CA предусматривает резервирование основных, наиболее важных устройств, которые могут привести к отказу. Это каналы межмодульных интерфейсов, источники питания и модули ЦПУ. Использование модулей CPU-31А и CPU-32А серии DCS-30 обеспечивает опрос модулей ввода-вывода по двум независимым интерфейсным каналам – основному и резервному (рис. 5). Резервирование модулей ЦПУ связано с двумя основными моментами: формированием сигналов, обеспечивающих переключение с ведущего модуля ЦПУ на резервный, и с выравниванием памяти в резервном модуле.

Рис. 5.

Вопрос резервирования питания в контроллерах, построенных на базе семейства DCS-2000, решается путем подведения питания к модулям из двух источников питания. В сериях DCS-30 и DCS-40 - это модули адаптера RP-31 или RP-32, которые снабжены отдельными соединителями для подключения основного и резервного источников питания. На рис. 5 показан контроллер УСО, состоящий из двух каркасов. В одном каркасе установлено два резервируемых модуля CPU-31A, один из них – основной, опрашивает модули ввода-вывода по двум каналам RS-485 (основному и резервному). Две шины питания U1 и U2 подключают к контроллеру два независимых источника питания. Максимальное количество каркасов в контроллере - 8. Типоразмеры каркасов позволяют устанавливать в них от шести до двадцати восьми модулей.

Модули ЦПУ серии DCS-30 содержат до пяти интерфейсных каналов типа ETHERNET. Эти каналы необходимы для обеспечения информационного обмена разных уровней системы. Разрыв связи - частое явление в распределенных системах, расположенных в разных помещениях. Дублирование каналов связи практически исключает возможность потери связи, тем самым повышается живучесть системы. Кольцевая структура соединения КЦ с контроллерами УСО, состоящая из двух колец (основного и резервного), показана на рис. 4.

Для построения контроллеров УСО на базе модулей семейства DCS-2000 совсем не обязательно владеть навыками программирования: вся необходимая работа сводится к нескольким несложным действиям, выполняемым в графическом пользовательском интерфейсе интегрированной среды CONT-Designer. Если требуется решение более сложных задач управления, пользователь может расширить функциональные возможности программного обеспечения контроллеров УСО путем реализации собственных прикладных процедур на текстовом языке высокого уровня CONT, а также использования библиотек стандартных функций, создания своих переменных и констант.