ЭМИКОН: программируемые контроллеры и системы автоматизации /
Пресс-центр /
Публикации и статьи /
2007 г. - Построение устройств связи с объектом на базе контроллеров серий DCS-2000 и DCS-2001
Построение устройств связи с объектом на базе контроллеров серий DCS-2000 и DCS-2001
Авторы: А.А. Алексеев, А.В. Алексеев, З.М. Варшавский (ЗАО «ЭМИКОН»)
Одними из основных компонентов современных систем автоматизации производства, по какому бы принципу они ни были построены - централизованному или распределенному, являются УСО. Контроллеры УСО, как правило, устанавливаются в непосредственной близости от автоматизируемых объектов, объединяются в единую сеть и выполняют следующие основные задачи:
- прием и первичную обработку информационных сигналов от приборов полевого уровня;
- выдачу управляющих выходных сигналов исполнительным устройствам объекта управления;
- связь с центральным контроллером (КЦ) и/или с другими контроллерами УСО.
В системах автоматизации, распределенных по задачам управления, такие контроллеры выполняют также управление объектами по заданным алгоритмам, а в централизованных или территориально-распределенных – принимают управляющие команды и массивы выходной информации от КЦ, который «берет на себя» все функции управления.
Поскольку вышеперечисленные задачи, решаемые контроллерами УСО, являются типовыми, представляется целесообразным, чтобы эти функции уже «по умолчанию» выполнялись поставляемыми контроллерами без какого-либо их дополнительного программирования. В этом случае трудозатраты системных интеграторов и пользователей, выбирающих такие контроллеры для разработки новых или модификации уже существующих систем автоматизации, сводятся к минимуму.
Для потребителей также важны следующие характеристики используемых ими контроллеров УСО [см. Ицкович Э.Л. "Проблемы развития контроллеров российских производителей" // "Промышленные АСУ и контроллеры", № 2, 2007]:
-
наличие стандартных интерфейсов к распространенным промышленным сетям (порты передачи данных RS-232/485; протоколы обмена данными Modbus RTU, CAN и др.);
-
разнообразие выпускаемых модулей, которое позволяет пользователю наиболее точно подобрать определенные модели одной серии для разных узлов автоматизируемого агрегата;
-
надежность и возможность диагностики (в том числе удаленной) контроллеров;
-
удобство сервисного обслуживания.
Приведем сравнительный анализ контроллеров серий DCS-2000 и DCS-2001 разработки фирмы «ЭМИКОН» и сформулируем рекомендации по их использованию в качестве УСО.
Контроллеры УСО на базе модулей серии DCS-2001
Контроллеры серии DCS-2001 имеют модульную конструкцию и относятся к классу малоканальных контроллеров (могут содержать до 48 каналов ввода/вывода). Их основными особенностями являются следующие:
-
Свободно-компонуемая архитектура позволяет подключать к центральному процессорному устройству (ЦПУ) до четырех модулей аналогового и/или дискретного ввода/вывода, то есть задавать конфигурацию ввода/вывода в зависимости от пожеланий заказчика.
-
Наличие развитого встроенного ПО позволяет использовать контроллеры DCS-2001 в системах автоматизации в качестве УСО. При этом во многих случаях не требуется разработка пользователями дополнительных программ. ПО, встроенное в ЦПУ, выполняет все основные функции контроллера УСО и позволяет:
- автоматически проверять число и тип подключенных модулей DCS-2001;
- считывать, фильтровать и упаковывать значения входных сигналов;
- записывать значения выходов, принятые с верхнего уровня или сформированные в прикладной программе, в модули вывода;
- формировать импульсные сигналы заданной длительности и меандры на дискретных выходах;
- выполнять удаленную диагностику модулей DCS-2001 и основных микросхем ЦПУ.
-
Наличие развитого программного интерфейса позволяет расширить пользователями функциональные возможности контроллера, упростить реализацию алгоритмов автоматического управления и регулирования (например, адаптивного ПИД-регулятора).
-
Высокое быстродействие, благодаря построению ЦПУ (табл. 1) на базе высокопроизводительного 16-разрядного микроконтроллера МВ90F543G фирмы Fujitsu Semiconductor, имеющего развитую архитектуру вычислительного ядра и мощную систему команд, а также связи ЦПУ с модулями по параллельному интерфейсу.
-
Низкая стоимость и высокая надежность. Благодаря встроенной в микроконтроллер периферии и памяти различного типа достигается снижение числа микросхем ЦПУ. Перенос первичной обработки входной/выходной информации из модулей в быстродействующий ЦПУ также позволил удешевить модули DCS-2001.
Таблица 1.
| Характеристики |
Значение |
| Тип процессора |
МВ90F543G Fujitsu Semiconductor |
| Тактовая частота процессора, МГц |
16 |
| Объем FLASH/оперативной памяти, Кбайт |
128/6 (встроенная) |
| Число адресуемых модулей ввода/вывода, ед. |
4 |
| Скорость одного канала RS-485, бод |
до 500000 – асинхр. режим (Modbus RTU), до 2000000 – синхр. режим.
Гальваническая развязка |
| Скорость одного канала RS-232/485, бод |
до 38460 – асинхр. режим (Modbus RTU), до 1000000 – синхр. режим.
Используется также для программирования FLASH ROM.
Гальваническая развязка только в RS-485 |
| Число каналов CAN |
2, гальваническая развязка |
| Число выходных сигналов исправности, ед. |
1 (24 В, 100 мА), гальваническая изоляция |
| Число входных сигналов блокировки, ед. |
1 (24 В, 5 мА), гальваническая изоляция |
| Ток потребления от системного источника 24 В, мА, не более |
100 |
| Габаритные размеры модуля, мм |
114x102x25 |
| Масса модуля, кг, не более |
0,2 |
Таким образом, контроллеры DCS-2001 – это аппаратно-программные устройства, готовые для интеграции в системы автоматизации сразу после их приобретения. Выбор данных контроллеров может быть идеальным решением для построения в короткий срок высокопроизводительных малоканальных контроллеров УСО, выполняющих сбор и первичную обработку данных, либо малоканальных устройств автоматического управления и регулирования.
Контроллеры УСО на базе модулей серии DCS-2000
Другим вариантом построения контроллеров УСО является использование модулей серии DCS-2000. Как и контроллеры серии DCS-2001, контроллеры DCS-2000 имеют модульную конструкцию и являются свободно-компонуемыми. Их отличительные особенности по сравнению с контроллерами DCS-2001:
-
Модули ввода/вывода являются интеллектуальными. Они оснащены микропроцессорами и реализуют первичное преобразование входных сигналов, освобождая тем самым ЦПУ для выполнения сложных алгоритмов управления.
-
Широкая номенклатура модулей, которая включает несколько типов и модификаций ЦПУ, модулей аналогового и дискретного ввода/вывода.
-
Большая масштабируемость (позволяют подключить к ЦПУ до 128 модулей ввода/вывода).
-
Вычислительные ресурсы ЦПУ мощнее, чем в ЦПУ серии DCS-2001.
-
Использование единой системы CONT-Designer для программирования контроллеров как серии DCS-2000, так и ЭК-2000.
-
Возможность горячей (на работающем контроллере) замены, удаления или добавления модулей ввода/вывода за счет подключения модулей по последовательному каналу.
-
Резервирование каналов связи, что повышает надежность всей системы в целом.
Центральный процессорный модуль обменивается данными с модулями ввода/вывода по последовательным каналам (интерфейс RS-485, протокол Modbus RTU) на скорости до 230400 бод. При этом возможно как одноканальное, так и двухканальное подключение модулей. В последнем случае реализовано резервирование канала обмена данными.
В последнее время модульный ряд серии DCS-2000 пополнился новым ЦПУ – модулем CPU-17B. Для обеспечения совместимости со старым ПО в новом модуле используется микропроцессор Am186CU-50 KC\W фирмы AMD с той же системой команд, что и в процессорах модулей CPU-11/15, но с большим быстродействием (50 МГц вместо 20 МГц) и более развитыми интерфейсными средствами. Модуль содержит два последовательных неизолированных канала RS-232 и четыре канала RS-485 с гальванической изоляцией и цепями грозозащиты. Скорость обмена данными с верхним уровнем по каналам RS-485 теперь составляет 2,3 Мбод (при передаче на расстоянии до 300 м) вместо прежних 570000 бод. Для увеличения дальности передачи информации на высоких скоростях разработан и выпускается специальный модуль-повторитель CI-05A.
Электропитание модуля CPU-17B осуществляется от нестабилизированного источника питания 18-36 В, мощность потребления не более 5 Вт. Гальваническая изоляция между внешним нестабилизированным источником питания и системным питанием составляет 1500 В. Основные технические характеристики модуля приведены в табл. 2.
Таблица 2.
| Характеристики |
Значение |
Примечание |
| Тип процессора |
AMD |
Am186CU-50KC |
| Тактовая частота процессора, МГц |
50 |
|
| Объем памяти программ пользователя и ОС / данных, Кбайт |
512 |
FLASH AMD / Энергонезависимая |
| Число внешних уровней прерывания, ед. |
4 |
|
| Число программируемых 16-разрядных таймеров, ед. |
3 |
|
Скорость каналов последовательных интерфейсов RS-232 (до 15 м), бод:
- одного низкоскоростного
- одного высокоскоростного |
до 115200
до 460800 |
Modbus RTU |
| Число каналов высокоскоростных последовательных интерфейсов RS-485 (до 300 м на скорости 2,3 Мбод), ед. |
4 |
Скорость до 2304000 бод, Modbus RTU, SDLC
Число нагрузок: до 128 ед.
С гальванической изоляцией (1500 B) и цепями грозозащиты |
| Число каналов USB-A, ед. |
1 |
До 12 Мбод, V1.0 |
| Масса модуля, кг, не более |
0,4 |
|
| Габаритные размеры модуля, мм |
114х102х50 |
|
Изменения коснулись также и системы программирования CONT-Designer, использующейся для разработки прикладных программ контроллеров DCS-2000. В последних версиях системы значительно расширились сервисные возможности, наиболее интересной из которых является автоматическая генерация программ для контроллеров УСО на базе модулей серии DCS-2000.
После создания нового проекта автоматически генерируются все необходимые программные данные, а также скрытый от пользователя программный код, реализующий:
-
обмен данными ЦПУ с модулями DCS-2000;
-
считывание, фильтрацию и упаковку значений входных сигналов;
-
запись значений выходов, принятых с верхнего уровня или сформированных в прикладной программе, в модули вывода;
-
формирование меандров и импульсных сигналов заданной длительности на дискретных выходах;
-
диагностику информационных каналов и формирование информации о качестве связи с модулями;
-
переход на резервный канал при потере связи по основному каналу для продолжения обмена данными ЦПУ с модулями, подключенными по двухканальной схеме;
-
специальный алгоритм, оптимизирующий обмен данными ЦПУ с модулями, подключенными по двухканальной схеме. Благодаря этому алгоритму ЦПУ в любой момент времени опрашивает половину модулей по одному каналу связи, а вторую половину – по другому каналу. Поскольку обмен данными по двум каналам ведется параллельно, общее время опроса всех модулей уменьшается.
Для построения контроллера УСО на базе модулей 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. Достаточно лишь выбрать в конфигураторе необходимые модули (рис. 1) и настроить с помощью конфигуратора информационные каналы контроллера (рис. 2), скомпилировать и загрузить в контроллер получившийся проект.
 |
 |
| Рис. 1 |
Рис. 2 |
В принципе, пользователь может ограничиться перечисленной функциональностью, заложенной в автоматически сгенерированный проект. В этом случае, как и при построении контроллеров УСО на базе модулей DCS-2001, разработка пользователями дополнительных программ не требуется.
Для решения более сложных задач управления имеется возможность разработки прикладных программ с помощью системы программирования CONT-Designer, использующейся также и для контроллеров серии ЭК-2000.
Необходимо отметить, что контроллеры всех трех выпускаемых серий - ЭК-2000, DCS-2000 и DCS-2001 – используют единое сетевое окружение и стандартные протоколы связи, что позволяет их объединять в единую сеть. Например, контроллер УСО может состоять из ЦПУ серии DCS-2000 (например, CPU-17B), подключенных к нему модулей ввода/вывода серии DCS-2000 и контроллеров DCS-2001, которые в данном случае будут исполнять роль многомодульных блоков ввода/вывода.
Удобство сервисного обслуживания контроллеров серий DCS-2000 и DCS-2001 достигается благодаря их модульной структуре, что позволяет производить замену (в том числе без выключения контроллера для DCS-2000) только неисправных модулей.
Таким образом, контроллеры серии DCS-2000 так же, как и контроллеры серии DCS-2001, удобны для построения в короткий срок на их базе УСО, поскольку не требуют для этого разработки дополнительных прикладных программ. И те, и другие контроллеры являются свободно-компонуемыми и допускают расширение своих функциональных возможностей путем программирования на текстовых языках. Но каждые из них имеют свои особенности, которые следует учитывать при выборе той или иной серии контроллеров.
Так, для создания устройств с небольшим (до 48) числом каналов ввода/вывода целесообразно использовать контроллеры серии DCS-2001. Благодаря более развитой архитектуре вычислительного ядра ЦПУ и подключению модулей ввода/вывода по параллельной шине здесь достигается время реакции даже меньшее, чем в контроллерах серии DCS-2000, при более низкой удельной стоимости одного канала ввода/вывода.
Для создания устройств с большим числом каналов ввода/вывода, либо в системах, где при замене, удалении или подключении новых модулей недопустимо выключение контроллера, либо требуются более мощные ресурсы ЦПУ для реализации сложных алгоритмов управления, более предпочтительным является использование контроллеров серии DCS-2000.
В заключение хотелось бы отметить, что контроллеры УСО на базе модулей, выпускаемых фирмой «ЭМИКОН», нашли широкое применение на предприятиях многих отраслей промышленности (трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов, нефтехимии, атомной энергетики, черной металлургии), в том числе во взрывоопасных производствах, системах автоматического пожаротушения, регулирования, учета энергопотребления и т.д.
|
