 |
7. Классификация контроллеров
|
|
|
|
Любой потенциальный заказчик микропроцессорных контроллеров стоит перед нелегким выбором: на нашем рынке контроллеры предлагают десятки отечественных и зарубежных производителей.
Контроллеры можно подразделить по ряду признаков на разные классы по определенным существенным для потребителей свойствам. Определение для каждого контроллера его классификационных особенностей фактически указывает его место среди прочих контроллеров, обозначает его отличия от них и выделяет группы контроллеров разных производителей, близких по большинству классифицируемых признаков.
Мощность. Термин «мощность» специалистами, работающими с контроллерами, введен как сленговый – он не отражает общепринятого понятия этого термина, принятого в целом в технике и физике. В данном случае под определением " мощность" понимается некоторая совокупность характеристик: разрядность и быстродействие центрального процессора, объем разных видов памяти, число портов и сетевых интерфейсов, т. е. это обобщающий термин, показывающий «превосходство» одного контроллера над другим. Обычно основным показателем, косвенно характеризующим мощность контроллера, является число входов и выходов (как аналоговых, так и дискретных), которые могут быть подсоединены к контроллеру. По этому показателю контроллеры подразделяются на следующие классы:
· наноконтроллеры, имеющие до 15 входов/выходов;
· микроконтроллеры, рассчитанные на 15-128 входов/выходов;
· малые контроллеры, рассчитанные примерно от 100 до 300 входов/выходов;
· средние контроллеры, рассчитанные примерно на 300-2000 входов/выходов;
· большие контроллеры, имеющие примерно от 2000 и более входов/выходов.
|
|
|
Следует иметь в виду, что если контроллер модульный, то речь идет не о количестве встроенных в корпус контроллера входов/выходов, а о потенциальной возможности обслуживания определенного их числа, которое будет набрано путем подключения к центральному модулю необходимого количества периферийных блоков.
Требования автоматизируемого объекта всегда четко фиксируют необходимое число входных и выходных каналов контроллеров, что позволяет точно указать классы контроллеров по мощности, среди которых следует производить их отбор, чтобы не допустить излишних затрат и удовлетворить заданным требованиям.
Производители контроллеров, как правило, разрабатывают и выпускают их сериями. Контроллеры, входящие в одну серию, незначительно отличаются друг от друга отдельными параметрами и характеристиками – количеством входов/выходов, набором встроенных функций, они имеют общие программное обеспечение и интерфейсы к другим средствам, единую взаимосвязывающую их сетевую структуру. Контроллеры, относящиеся к различным сериям, отличается друг от друга мощностью существенно.
Эти сведения представляют немалый интерес для разработчиков, если системы автоматизации должны состоять из ряда контроллеров, отличающихся по параметрам, характеристикам, числу подключаемых входов/выходов. Естественно, что для их построения целесообразно и технически, и экономически отбирать контроллеры из одной серии, а каждый отдельный контроллер должен выбираться из условия минимизации избыточных встроенных средств.
Функциональное назначение. Классификация по функциональному назначению позволяет потенциальному заказчику связать требуемые функции контроля и управления с определенным классом контроллеров.
Специализированный контроллер с жестко встроенными функциями. Обычно им является минимальный по мощности контроллер, программа действия которого заранее прошита в его памяти, а изменению при эксплуатации подлежат только параметры программы. Число и набор блоков ввода/вывода определяется реализуемыми в нем функциями. Часто такие контроллеры реализуют различные варианты функций регулирования и их называют регуляторами. Основные области применения: управление каким-либо малым самостоятельным механизмом либо элемент общей системы управления, выделенный из-за специфических требований к отдельной функции. Так, например, из-за высокоскоростного изменения свойств какого-то узла объекта, требуется управлять им с очень малым циклом опроса, что легче и надежнее реализовать отдельным контроллером.
|
|
|
Контроллер, рассчитанный на реализацию логических зависимостей (в основном: на блокировку, программное управление, пуск, останов машин и механизмов). Набор блоков ввода/вывода у такого контроллера рассчитан, в основном, на разнообразные дискретные каналы. Он характеризуется прошитой в его памяти развитой библиотекой логических функций и функций блокировки типовых исполнительных механизмов. Главная сфера применения такого контроллера – замена релейно-контактных шкафов во всех отраслях промышленности. Часто такие контроллеры называют программируемыми реле. Для его программирования используются специализированные языки типа релейно-контактных схем.
Контроллер, рассчитанный на реализацию любых вычислительных и логических функций. Наиболее распространенный универсальный контроллер, не имеющий ограничений по области применения. Центральный процессор контроллера имеет достаточную вычислительную мощность, разрядность, память, чтобы выполнять как логические, так и математические функции. Иногда для усиления его вычислительной мощности он снабжается еще и математическим сопроцессором. В программные инструментальные средства входят специализированные технологические графические языки и конфигураторы с библиотеками математических и регулирующих функций. В состав блоков ввода/вывода входят блоки на всевозможные виды и характеристики каналов (аналоговых, дискретных, импульсных и т. д. ).
Контроллер, реализующий функции противоаварийной защиты. Он должен отличаться от контроллеров других классов:
|
|
|
· особенно высокой надежностью, достигаемой различными вариантами диагностики и резервирования (например, диагностикой работы отдельных компонентов контроллера в режиме on-line, наличием основного и резервного контроллеров с одинаковым аппаратурным и программным обеспечениями и с модулем синхронизации работы контроллеров, резервированием блоков питания и коммуникационных шин);
· высокой готовностью, т. е. высокой вероятностью того, что объект находится в рабочем режиме (например, не только идентификацией, но и компенсацией неисправных элементов; не просто резервированием, но и восстановлением ошибок программы без прерывания работы контроллеров);
· отказоустойчивостью, когда при любом отказе автоматизируемый процесс переводится в безопасный режим функционирования.
В этих контроллерах предусмотрены различные варианты полной диагностики и резервирования как отдельных компонентов, так и всего контроллера в целом. Можно отметить следующие распространенные варианты резервирования:
· горячий резерв всех компонентов и/или контроллера в целом (при непрохождении теста в рабочем контроллере управление безударно переходит ко второму контроллеру);
· троирование основных компонентов и/или контроллера в целом с " голосованием" результатов обработки сигналов всех контроллеров (выходной сигнал принимается тот, который дало большинство, а контроллер, давший другой 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; первая пара тестируется и либо выявляется наличие случайного сбоя, тогда управление возвращается к ней, либо выявляется неисправность и управление остается у второй.
Контроллер, предназначенный для телемеханических систем автоматизации. Данный класс универсальных контроллеров удобен для создания систем диспетчерского контроля и управления распределенными на местности объектами. Он отличается от прочих классов контроллеров особой проработкой программных и технических компонентов передачи информации на большие расстояния беспроводными линиями связи. В качестве таких линий часто используются УКВ радиоканалы. При этом возможна передача информации от каждого контроллера в диспетчерский центр, а также эстафетная передача информации по цепи от одного контроллера к другому до достижения диспетчерского центра.
|
|
|
Монолитная или модульная архитектура. Этот классификационный признак делит контроллеры по возможностям пространственного расположения его отдельных компонентов. Существуют:
· контроллеры монолитной структуры, у которых состав всех компонентов, включая элементы ввода/вывода, конструктивно зафиксирован в одном корпусе;
· контроллеры модульной структуры, у которых часть или все блоки ввода/вывода могут быть конструктивно отделены от центральной части контроллера
Номенклатуру периферийных модулей составляют:
· модули аналогового ввода/вывода на разные типовые сигналы датчиков и исполнительных механизмов;
· модули дискретного ввода/вывода на разные токи и напряжения;
· аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
· модули сетевых интерфейсов, обслуживающие разные сети;
· специализированные модули (счетчики, таймеры, модули для управления двигателями и т. д. ).
Подключая к центральному процессорному модулю необходимые периферийные модули, каждый проектировщик системы управления получит контроллер с заданными и минимально избыточными аппаратными средствами.
Форма конструктивного объединения центрального процессорного модуля и периферийных модулей может быть различной. В ряде случаев процессорный модуль конструктивно объединяется в одном корпусе с блоком питания и объединительной панелью, к которой и подключаются периферийные модули. Такой объединительный модуль всегда рассчитан на подключение определенного числа периферийных модулей (обычно от 3 - 4 до 8). В других случаях взаимное подключение модулей друг к другу осуществляется с помощью внешних шлейфов или специальных разъемов.
Архитектура некоторых контроллеров позволяет относить периферийные модули от процессорного модуля на значительные расстояния. Соединяются они между собой последовательной шиной или полевой сетью. Такой класс контроллеров может иметь ряд преимуществ перед другими при построении распределенных по производству систем управления. Он позволяет устанавливать блоки ввода/вывода непосредственно возле соответствующих датчиков и исполнительных механизмов, что технически целесообразно, а экономически эффективно.
|
|
|
Есть еще одно важное классификационное разделение блоков ввода/вывода и периферийных компонентов. Они подразделяются на:
· разработанные конкретно для данного контроллера (или данной серии контроллеров);
· стандартизированные, которые могут быть использованы в разных контроллерах.
Стандартизируются габариты периферийного модуля, его присоединительные разъемы, дисциплины обмена с процессорным блоком.
Закрытая или открытая архитектура. По архитектуре контроллеры подразделяются на два класса: контроллеры, имеющие фирменную закрытую архитектуру, и контроллеры открытой архитектуры, основанной на одном из магистрально-модульных стандартов.
При фирменной архитектуре изменения (модификации) контроллера возможны только компонентами конкретного производителя. Сами изменения достаточно ограничены и заранее оговорены производителем.
При открытой магистрально-модульной структуре, имеющей стандартный интерфейс для связи центрального процессора с другими модулями контроллера, ситуация кардинально меняется:
· открытость и широкая доступность стандарта на шину, соединяющую модули разного назначения, дает возможность выпускать в данном стандарте любые модули разным производителям, а разработчикам контроллеров дает возможность компоновать свои средства из модулей разных фирм;
· возможность любой модификации и перекомпоновки средств путем замены в них отдельных модулей, а не замены самих средств, удешевляет эксплуатацию средств;
· сборка контроллеров из готовых модулей позволяет точнее учитывать конкретные технические требования и не иметь в них лишних блоков и элементов, не нужных для данного конкретного применения;
· широкая кооперация разных фирм, поддерживающих данный стандарт на шину и работающих в этом стандарте, позволяет пользователям модулей не быть привязанным к конкретному поставщику и иметь широкий выбор необходимой ему продукции.
РС-подобие. Контроллеры подразделяются на РС-совместимые (РС-based)контроллеры и РС-несовместимые контроллеры. Основные отличия данных классов контроллеров состоят в следующем.
РС-совместимые контроллеры максимально открытые средства. Они имеют архитектуру IBM PC; базируются на той же, что и РС, компонентной базе; работают под одной из операционных систем персонального компьютера; взаимодействуют со всем наработанным для персональных компьютеров программным обеспечением; программируются на любых языках, используемых для программирования РС; в основном ориентированы на информационный обмен с другими средствами, как и PC, через сеть Ethernet.
РС-несовместимые контроллеры существенно более закрыты. Их архитектура большей частью является оригинальной разработкой производителя; их компонентная база отличается от РС и она разная у разных производителей; их специфические операционные системы реального времени точно отслеживают требования динамичных промышленных объектов; они почти не пользуются стандартами Windows в части программного обеспечения и не могут применять наработанные для РС программы; их программирование ведется на специальных технологических языках; в сетевых взаимосвязях они, в основном, ориентированы на стандартные или специальные промышленные и полевые сети.
Характер приведенных свойств рассматриваемых классов контроллеров определяет сравнительные достоинства и недостатки каждого класса.
РС-совместимые контроллеры по сравнению с РС-несовместимыми контроллерами в целом обладают большей вычислительной мощностью, легче стыкуются с различными SCADA-программами и СУБД, открыты для большинства стандартов в областях коммуникаций и программирования, они в среднем дешевле, проще обслуживаются и ремонтируются.
В то же время РС-совместимые контроллеры по сравнению с РС-несовместимыми контроллерами гораздо хуже учитывают требования промышленной автоматики, их операционные системы не полностью соответствуют ряду требований режима реального масштаба времени; они не имеют всех наработанных в промышленности способов диагностики и горячего резервирования, обеспечивающих повышенную надежность работы контроллеров; в них недостаточно используются возможности связи с промышленными и полевыми сетями.
Приведенное выше краткое перечисление особенностей этих двух классов контроллеров обобщенно определяет рациональные ниши применения каждого из них.
РС-несовместимые контроллеры целесообразнее применять на нижних иерархических уровнях автоматизации отдельных агрегатов и механизмов. На этих уровнях наблюдаются особенно строгие специфически промышленные требования к средствам автоматизации, а необходимость открытости к стандартам программирования и к СУБД, требования больших вычислительных ресурсов почти или совсем отсутствуют;
РС-совместимые контроллеры целесообразнее применять на верхних иерархических уровнях автоматизации участков, цехов и производства в целом. Здесь слабеет строгость промышленной специфики вычислительных средств автоматизации и усиливаются требования к информационной совместимости контроллеров с корпоративными сетями и к использованию наработанного для РС программного обеспечения.
Сегодня мы можем смело утверждать, что архитектура PC распространяется все ниже и ниже в иерархии автоматизированных систем управления. Автомобильная промышленность США, которая контролирует 35% рынка контроллеров, уже приняла решение о переходе на IBM PC совместимые компьютеры и контроллеры. Более того, разработка и начало производства такими компаниями как Intel, AMD, C& T однокристальных PC привели к тому, что сейчас архитектура PC вторгается на рынок недорогих контроллеров, где раньше безраздельно господствовали микроконтроллеры типа 8051.
Встраиваемые и автономные контроллеры. По конструктивному исполнению контроллеры подразделяются на два класса: встраиваемые и автономные.
Встраиваемые контроллеры выпускаются на раме без специального кожуха, поскольку они монтируются в общий корпус оборудования (агрегат, машину, прибор) и являются его неотъемлемой частью.
Если встраиваемые контроллеры выпускаются без специального кожуха, то автономные контроллеры помещаются в защитные корпуса, рассчитанные на разные условия окружающей среды.
Каркасы и корпуса контроллеров могут быть как собственной разработки производителя (что наблюдается все реже), так и стандартные (обычно стандарта " Евромеханика" ). Конструктивное исполнение каркасов – любое (стойка, рама, башня, настольное исполнение, шкаф). Стандартные конструктивы имеют широкий диапазон вариантов исполнения на разные условия окружающей среды: температуру, пыль, влагу, вибрацию, электромагнитные помехи и пр.
Если автономные контроллеры выпускаются как локальные приборы, то в них встраивается или предусматривается возможность подключения к ним панели интерфейса с оператором, состоящей из дисплея и функциональной клавиатуры управления. Если они рассчитаны на работу в сетевом комплексе, состоящем из ряда контроллеров, то они не имеют встроенного пульта или панели, но есть физические порты, соединяющие их с другой аппаратурой, и сетевые интерфейсы, которые через сеть связывают их с другими средствами автоматизации, в частности, с рабочими станциями операторов.
Контроллеры, учитывающие и не учитывающие российскую специфику эксплуатации. Лишь несколько лет назад стало исчезать разделение контроллеров на отечественные и зарубежные. Считалось, что отечественные контроллеры существенно уступают по техническим характеристикам и по надежности, но зато они значительно дешевле зарубежных контроллеров того же класса. На данный момент у конкурентных контроллеров отечественных производителей эти отличия становятся все менее заметными. Этому способствует то, что все они собираются из зарубежных электронных компонентов, используют близкое по свойствам системное и прикладное программное обеспечение, соответствуют одинаковым международным стандартам. Продукция отечественного производства оказывается вполне конкурентоспособной по сравнению с импортными аналогами. К сожалению, при этом ее стоимость также становится сопоставимой с зарубежными изделиями.
В настоящее время когда говорят о контроллерах, учитывающих российскую специфику эксплуатации, обычно понимают:
· значительно более высокий, чем на зарубежных предприятиях, уровень промышленных помех;
· более широкий диапазон изменения параметров атмосферной и промышленной сред;
· возможность информационной связи с рядом морально устаревших, но еще находящихся в эксплуатации средств автоматизации, выпуска российских предприятий 80-х годов;
· недостаточную квалификацию обслуживающего персонала;
· низкую культуру оперативного персонала в части общения с вычислительными системами и дисплейными рабочими станциями.
Представляется, что эта специфика тоже имеет тенденцию к исчезновению. В частности, следует отметить, что зарубежные производители предлагают модификации контроллеров под разные виды и диапазоны помех и климатических характеристик (в том числе охватывающие все возможные условия работы контроллеров на российских предприятиях), а с точки зрения вандалоустойчивости российские и зарубежные контроллеры практически не отличаются.
При недостаточной квалификации персонала любой специальности и при нарушениях технологической дисциплины на производстве следует уделять внимание исключению этих недостатков, а не приспособлению к ним средств управления.
|
|
|
