double arrow
Аппаратные средства SCADA-систем. Основные технические характеристики контроллеров и программно-технических комплексов

Современный рынок контроллеров и программно-технических комплексов весьма разнообразен. Выбор наиболее приемлемого варианта автоматизации представляет собой многокритериальную задачу, решением которой является компромисс между стоимостью, техническим уровнем, надежностью, комфортностью, затратами на сервисное обслуживание, полнотой программного обеспечения и многим другим.

Предприятия выбирают средства и системы автоматизации исходя из двух вариантов поставленной цели:

· - решение чисто тактических задач автоматизации (замена морально и технически устаревших средств, обеспечение нормального функционирования процесса, реализация простейших функций – контроля, блокировки, регулирования);

· - преследование стратегических целей автоматизации (повышение экономической эффективности, обеспечение интеграции данной системы автоматизации с другими системами на предприятии, обмен информацией с бизнес-процессами, т.е. с АСУП, упрощение обслуживания и возможных будущих модернизаций).

К особенностям приобретения средств и систем автоматизации большинством заказчиков можно отнести:

1) отсутствие требований к современности приобретаемых средств и систем и свойствам, определяющим перспективность их эксплуатации.

2) недостаточное знание рынка предлагаемых средств автоматизации и отсутствие их независимого объективного анализа.

3) неоправданно узкое число производителей, рассматриваемых в качестве потенциальных поставщиков средств и систем автоматизации; а фактически имеется огромный выбор средств и систем широкого круга производителей;




4) незаинтересованность заказчика в сложных, но гораздо более эффективных алгоритмах управления; обычно это объясняется достаточно низким уровнем обслуживающего персонала; достаточно ПИД-регулятора и блокировок – это то, что нужно сейчас.

Настоящая лекция не преследует цель дать глубокий и объективный анализ средств автоматизации (контроллеров). Это дело специалистов- эксплуатационников. Тем не менее, попытаемся сделать первую попытку систематизации знаний о контроллерах.

Формирование современного мирового, в том числе и российского, рынка средств и систем управления в последнее десятилетие было обусловлено следующими факторами:

· появлением недорогих и высокопроизводительных промышленных компьютеров на базе микропроцессоров фирмы Intel;



· появлением недорогих модулей ввода/вывода, конструктивно совмещенных с клеммными колодками;

· появлением в номенклатуре PLC модулей ПИД-регулирования;

· появлением коммуникационных модулей, позволяющих создавать сети PLC и легко подключать их к компьютеру;

· использованием витой пары для подключения измерительных преобразователей и модулей ввода/вывода.

· появлением недорогих и совершенных сетей, подобных Ethernet, Arcnet;

· появлением недорогих промышленных сетей FIP, CAN, Profibus и других;

· появлением универсального программного обеспечения SCADA для персональных компьютеров, выполняющего функции человеко-машинного интерфейса;

· появлением комбинированного ПО для визуализации и программирования PLC;

· появлением надежной, широко распространенной операционной системы Windows 7;

· - появлением типовых решений при производстве аппаратных средств, в частности, магистрально - модульной архитектуры плат контроллеров по стандартам ISA, PCI, VME.

Классифицировать контроллеры можно по различным признакам. Вот одна из классификаций (по назначению):

· общепромышленные контроллеры;

· встраиваемые контроллеры;

· противоаварийные контроллеры (резервированные, высоконадежные);

· - телемеханические контроллеры, передающие сигналы на большие расстояния (десятки и сотни км).

Обзор различных семейств контроллеров многих производителей показал, что в первом приближении в качестве характеристик контроллеров можно выделить пять обобщенных показателей:

1) характеристика процессора;

2) характеристика каналов ввода/вывода, поддерживаемых контроллерами;

3) коммуникационные возможности;

4) эксплуатационные характеристики;

5) программное обеспечение.

Рассмотрим эти показатели.

Характеристика процессора.Здесь имеется ввиду:

· наличие и объем различных видов памяти: ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, EPROM, EEPROM, Flash;

· тип и разрядность основной процессорной платы;

· рабочая частота;

· поддержка математики с плавающей запятой, позволяющая выполнять

· эффективную обработку данных;

· наличие функции ПИД-регулирования.

Память. ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) или RAM (random access memory - память с произвольным доступом) представляет собой тип памяти, которая позволяет чтение и запись в любую ячейку без предварительного поиска. В контроллерах этот тип памяти используется для хранения программ и значений технологических параметров (данных).

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) или ROM (Read Only Memory - память только для чтения) устроена в виде адресуемого массива ячеек (матрицы), каждая ячейка которого может кодировать единицу информации. Данные на ROM записывались при ее изготовлении путём нанесения на матрице алюминиевых соединительных дорожек литографическим способом. Наличие или отсутствие в соответствующем месте такой дорожки кодировало "0" или "1". В контроллерах память типа ПЗУ используется для хранения программ пользователя. Данный тип памяти не получил широкого распространения в связи с тем, что современное программное обеспечение зачастую имеет много недоработок и часто требует обновления, в то время как производственный цикл изготовления памяти достаточно длителен (4-8 недель).

EPROM (СППЗУ), EEPROM (ЭСППЗУ) и Flash (флэш) относятся к классу энергонезависимой перезаписываемой памяти (английский эквивалент - nonvolatile read-write memory или NVRWM). В EPROM перед записью необходимо произвести стирание (для получения возможности перезаписывать содержимое памяти). Стирание ячеек EPROM выполняется сразу для всей микросхемы посредством облучения чипа ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами в течение нескольких минут. В EPROM стирание приводит все биты стираемой области в одно состояние (обычно во все единицы, реже - во все нули). Запись на EPROM осуществляется на программаторах. Большим достоинством такой памяти является возможность перезаписывать содержимое микросхемы.

Недостатки:

· небольшое количество циклов перезаписи;

· высокая вероятность "недотереть", что в конечном итоге приведет к сбоям, или передержать микросхему под ультрафиолетовым светом, что может уменьшить срок службы микросхемы и даже привести к её полной негодности.

Главной отличительной особенностью EEPROM (в т. ч. и Flash) от ранее рассмотренных типов энергонезависимой памяти является возможность перепрограммирования при подключении к стандартной системной шине микропроцессорного устройства. В EEPROM появилась возможность производить стирание отдельной ячейки при помощи электрического тока. Для EEPROM стирание каждой ячейки выполняется автоматически при записи в нее новой информации, т.е. можно изменить данные в любой ячейке, не затрагивая остальные. Процедура стирания обычно существенно длительнее процедуры записи. Преимущества EEPROM по сравнению с EPROM: увеличенный ресурс работы, проще в обращении; недостаток - высокая стоимость. В контроллерах этот тип памяти используется как для хранения программ, так и для хранения данных.

Flash(полное название -Flash Erase EEPROM)впервые была разработана компанией Toshiba в 1984 году, и уже на следующий год было начато производство 256 Кбит микросхем flash-памяти в промышленных масштабах. В 1988 году компания Intel разработала собственный вариант флэш-памяти.

Технологически флэш-память родственна как EPROM, так и EEPROM. Основное отличие флэш-памяти от EEPROM заключается в том, что стирание содержимого ячеек выполняется либо для всей микросхемы, либо для определённого блока (кластера, кадра или страницы).

Следует заметить, что существуют микросхемы, позволяющие работать с блоками разных размеров (для оптимизации быстродействия). Стирать можно как блок, так и содержимое всей микросхемы сразу. Таким образом, в общем случае, для того, чтобы изменить один байт, сначала в буфер считывается весь блок, где содержится подлежащий изменению байт, стирается содержимое блока, изменяется значение байта в буфере, после чего производится запись измененного в буфере блока. Такая схема существенно снижает скорость записи небольших объёмов данных в произвольные области памяти, однако, значительно увеличивает быстродействие при последовательной записи данных большими порциями.

Преимущества флэш-памяти по сравнению с EEPROM:

· более высокая скорость записи при последовательном доступе за счёт того, что стирание информации во флэш производится блоками;

· себестоимость производства флэш-памяти ниже за счёт более простой организации.

Коммуникационные возможности контроллеров.К параметрам контроллеров, характеризующим их способность взаимодействовать с другими устройствами системы управления, относятся:

· количество и разнообразие портов в процессорных модулях;

· широта набора интерфейсных модулей и интерфейсных процессоров;

· поддерживаемые протоколы;

· скорость обмена данными и протяженность каналов связи.

Тенденции развития контроллеров:

· беспроводная связь (сотовая связь, радиосвязь);

· развитие новых видов нано-микроконтроллеров от одного до десятков вводов/выводов (специализированных и программируемых) благодаря возрастанию мощности микропроцессоров;

· расширение вариантов ввода/вывода для контроллеров одного типа;

· развитие общих и специализированных (для отдельных классов технологических процессов) библиотек программного обеспечения, которые “зашиваются в память контроллеров”;

· сближение контроллеров и ПК по функциям (сейчас сближение происходит по архитектуре, по применяемым процессорам и программному обеспечению).

Происходят существенные изменения в промышленных и полевых сетях. Продолжается распространение сети Ethernet на все уровни управления. Главный недостаток – случайный доступ – минимизируется применением коммутаторов, что позволяет снизить нагрузку на сеть и избегать ее “затыкания” при большом количестве сообщений. Происходит изменение протоколов сети таким образом, что становится реальным жесткий цикл гарантированных по времени сообщений, а также цикл со случайным доступом. На полевом уровне шина FF также соединяется с Ethernet.

В контроллерах начинают использовать алгоритмы самонастройки регуляторов. Самонастройка может выполняться по команде оператора или автоматически – регуляторы с прогнозируемой моделью (адаптивные).






Сейчас читают про: