П2.6. Методика выбора регулирующих устройств

Регулирующие устройства (регуляторы) в настоящее время реали- зуются при помощи аналоговых комплексов или на базе современных микропроцессорных контроллеров. Существует три типа микропроцес- сорных контроллеров: моноблочные, модульные, PC-совместимые.

Моноблочный контроллер представляет собой микропроцессорное устройство, в едином конструктиве которого располагаются источник пи- тания (не обязательно), центральный процессор (сопроцессоры), память,

включающая память программ и память переменных (как правило, энер- гонезависимая), встроенный порт(ы) для выхода в сеть, фиксированное число каналов аналогового и (или) дискретного ввода/вывода, встроенный ПИД-регулятор с автонастройкой (необязательно), слот расширения для подключения дополнительных модулей, ЖК-дисплей (необязательно), индикаторы состояния контроллера.

Как правило, контроллеры устанавливаются на DIN-рейку, а соеди- нения с другими модулями, например с модулем питания, модулем анало- гового ввода и др., осуществляются с помощью разъемов или проводни- ков с наконечниками «под винт».

Помимо этих общих характеристик контроллеры различаются набо- ром встроенных функций, числом базовых команд, способом программи- рования и т. п. Яркими представителями являются такие контроллеры: Simatic S7-200 и Simatic S7-300C – Siemens (Германия), Modicon TSX- Schneider Electric (Франция), FX1S и FX1N – Mitsubishi Electric (Япония), Decont-182 – ДЕП (Россия).

Модульные контроллеры состоят из функциональных модулей, ус- тановленных в каркасе (корзине, шасси) или монтируемых на DIN-рейку, т. е. модульные контроллеры деструктурированы на отдельные взаимо- связанные блоки. Данная архитектура позволяет увеличить гибкость, скорость пуска – наладки, ремонтопригодность контроллера.

К этим функциональным модулям относятся микропроцессорный модуль, модуль питания, коммуникационные модули и модули вво- да/вывода, а также специальные модули. Яркими представителями явля- ются такие контроллеры: Ремиконт Р-130 – ПО «Промприбор» (Россия), ADAM-8000 – «Advantech» (Тайвань) и др.

Помимо специализированных микропроцессорных контроллеров, традиционно используемых в задачах АСУТП, все чаще для этих целей стали применятся PC-совместимые контроллеры. Полная программная и аппаратная совместимость этих устройств с широко распространенными офисными компьютерами обеспечивает существенное сокращение сро- ков и стоимости работ при создании различных систем автоматизации производства. Неограниченная номенклатура плат ввода/вывода как аналоговых, так и дискретных, возможность гибкой модернизации сис- тем с использованием современнейшего системного и специализиро- ванного программного обеспечения, а также постоянное снижение цен на компьютерную технику – вот основные определяющие факторы при выборе платформы АСУТП верхнего и нижнего уровней.

Контроллеры PC-совместимые составляют отдельный класс про- граммируемых контроллеров, значение и роль которых с развитием In-

ternet-технологий существенно возрастает. Контроллеры характеризу- ются наличием встроенной операционной системы (Windows 9x/NT/CE, QNX, MS DOS, Linux, MiniOS7, OS-9 и др. ), использованием стандарт- ных системных шин (PC-104, VME, AT96 и др. ), возможностью исполь- зования стандартного программного обеспечения (ISaGRAF, Си, Тур- боСи, Си++, Паскаль, Assembler, SCADA-систем Trace Mode, InTouch, Citect и др, баз данных), коммуникационных стандартов, наличием ОРС-сервера и других PC-совместимых функций.

Контроллеры PC-совместимые, таким образом, могут использо- вать богатое программное обеспечение независимых производителей, имеют больший объем памяти, чем моноблочные и модульные контрол- леры, возможности расширения и модернизации, а также лучшего диаг- ностирования. Однако эти контроллеры зачастую обладают избыточно- стью вычислительных ресурсов и функций ввиду их универсальности, пониженной надежностью за счет множества компонентов (приложе- ний) на платформе персонального компьютера. Для большинства прак- тических применений влияние этих недостатков может быть устранено или снижено.

Выбор контроллеров для системы управления обусловлен большим числом разнородных факторов, зависящих, прежде всего от того, является ли система вновь проектируемой или решаются задачи модернизации су- ществующей системы. В последнем случае имеют значение факторы пре- емственности программно-аппаратных средств, подготовка обслуживаю- щего персонала и службы ремонта, наличие сопроводительной документа- ции и ее освоение, запас комплектующих, выявленные показатели надеж- ности (наработка на отказ, срок службы, ремонтопригодность и др. ).

При выборе контроллера для систем управления основной задачей является, естественно, наиболее полное удовлетворение технических тре- бований на разработку автоматической системы (требования к информа- ционным, управляющим и вспомогательным функциям, а также к техни- ческому, программному, метрологическому и организационному обеспе- чению, к диагностике и техническому обслуживанию системы и др. ). Среди требований можно выделить следующие:

1. Технические характеристики контроллера, соответст- вующие требованиям проекта. К наиболее важным характеристикам относятся параметры процессорного модуля (тип и быстродействие про- цессора, объем памяти и др. ), наличие сопроцессора, время выполнения логической команды, наличие сторожевого таймера (устройство, опреде- ляющее момент зависания процессора и выполняющее автоматическую перезагрузку контроллера), часов реального времени, число встроенных и

наращиваемых входов/выходов, наличие в контроллере необходимого числа модулей (ввода/вывода, специальных, коммуникационных), среда программирования контроллера (удобство и простота программирова- ния). Ряд фирм поставляют программные пакеты для конфигурирования, программирования и отладки программного обеспечения контроллеров (например, Concept фирмы Schneider Electric, STEP7 фирмы Siemens, NAIS Control 1131 фирмы Matsushita, «Полигон» фирмы Промавтоматика и т. д. ).

К числу наиболее перспективных пакетов программирования PC- совместимых контроллеров относится программный пакет ISaGRAF фир- мы CJ International, использующий языки программирования по стандарту МЭК 61131-3.

Также важным показателем контроллера является возможность ре- зервирования модулей и плат, диагностика состояния контроллера и дру- гие факторы (светодиодная индикация каналов и режимов работы, нали- чие панели визуализации и клавиатуры, гальваническая изоляция по вхо- дам и выходам, степень защиты контроллера и др. ).

2. Модульность структуры контроллера. После расчета каналов ввода/вывода (аналоговых и дискретных) следует сделать выбор типа кон- троллера – моноблочный, модульный, PC-совместимый контроллер. Мо- ноблочный контроллер, имеющий, как правило, небольшое число встро- енных дискретных входов/выходов и от одного до четырех аналоговых входов/выходов, может использоваться автономно или с до- полнительными модулями ввода/вывода сигналов, с организацией обмена данными с контроллером по внутреннему интерфейсу или через коммуникационный порт по сети. При выборе  модульного  контрол- лера обеспечивается большее число каналов ввода/вывода,  повыша- ется функциональная надежность контроллера за счет функций са- модиагностики, упрощается обслуживание контроллера, допус- кающее в ряде случаев «горячую» замену модулей (без выключения питания) и ряд др. При выборе PC-совместимого контроллера значи- тельно повышается за счет возможностей программного обеспечения многофункциональность контроллера, удобство программирования, снижается его стоимость. Однако при этом возможно снижение на- дежности  системы.

3. Соответствие Международным стандартам. Имеется ввиду выбор контроллера, соответствующего Международному стандарту качества ISO 9001, стандартам шинной архитектуры контроллера (VME, PCI, CompactPCI, MicroPC, PC/104 и др. ), стандартным про- токолам  связи  промышленных  сетей  (Profibus,  Modbus,  Interbus,

CAN, Bitbus и др. ), стандартам связи с полевыми приборами (HART-протокол, AS-интерфейс, Fieldbus Foundation, RS-485 и др. ), стандартам на операционную систему реального времени (QNX, OS 9000, VxWorks и др. ), стандартам на программное обеспечение кон- троллеров (IEC 61131-3), стандартам на степень защиты корпуса (IEC 529), на габаритные размеры, на ударо- и вибропрочность (IEC 68-2) и др. В ряде случаев допускается соответствие отдельных показателей (например: габаритных размеров, показателей электро- питания и др. ) отраслевым стандартам (ТУ, ГОСТ).

В случае использования разработок на территории России не- обходимы сертификаты соответствия Госстандарта России на соот- ветствие требованиям ГОСТ и разрешение Госгортехнадзора на при- менение в составе систем автоматизации на поднадзорных объектах.

4. Связь контроллера с верхним уровнем систем управле- ния по интерфейсу Ethernet. Интерфейс Ethernet получил широкое распространение как интерфейс связи средств автоматизации от ниж- него до верхнего уровней системы управления. Этот интерфейс обеспечивает высокую скорость передачи данных, низкую стоимость, поддерживается подавляющим большинством производителей про- граммного и аппаратного обеспечения. Через сеть Ethernet серверы и операторские станции верхнего уровня управления предприятием получают непосредственный доступ к данным параметров техноло- гического процесса. При наличии SCADA-системы, установленной на операторской станции, используется клиент-серверная архитекту- ра связи, при которой SCADA-клиент получает прямой доступ к дан- ным процесса с помощью ОРС-сервера. Использование, например, протокола на базе технологии Ethernet Modbus/TCP позволяет легко интегрировать контроллеры со SCADA-системами, поддерживаю- щими протокол Modbus (без необходимости дополнительного драйве- ра для контроллера). Дальнейшим развитием связи контроллеров с удаленными операторскими станциями является использование сети Internet и GSM-технологии.

5. PC-совместимые контроллеры со встроенной SCADA- системой. Наличие у PC-совместимого контроллера встроенной SCADA-системы (в настоящее время это Trace Mode и MasterSCADA) по- зволяет значительно ускорить процесс настройки проекта и повысить эф- фективность представления информации, снизить затраты на приобре- тение дорогостоящей SCADA-системы и коммуникационных интерфей- сов. К таким контроллерам относятся российские контроллеры Р-130 ТМ, Ломиконт ТМ, Лагуна, Теконик и др. При этом следует помнить, что при-

менение PC-совместимых контроллеров оправдано лишь при решении не- больших задач, при отсутствии жестких требований к надежности систе- мы, либо при ограниченных финансовых возможностях. При решении за- дач управления сложными ответственными процессами, характеризующи- мися множеством контролируемых и управляемых величин и их физиче- ской распределенностью в пространстве, с повышенными требованиями к надежности системы управления, следует отдавать предпочтение класси- ческим модульным контроллерам. В этом случае следует сформулировать условия для выбора той или иной SCADA-системы.

6. Наличие у контроллера режима автонастройки парамет- ров регулятора. Для ускорения процессов ввода в эксплуатацию систем регулирования, особенно в случае автоматизации малоизученных объек- тов управления, крайне важно в структуре программного обеспечения контроллера наличие режима автонастройки параметров ПИД-регулятора

– коэффициента усиления, постоянной времени интегрирования, постоян- ной времени дифференцирования.