Микроконтроллеры и принципы их объединения в распределенные сети управления объектами
В течение многих лет системы управления строились по централизованному типу, в котором имелось одно мощное управляющее вычислительное устройство со связью с объектами и огромное количество кабелей, с помощью которых подключались датчики и исполнительные устройства. Такая структура диктовалась большой ценой на компьютерные устройства. В результате снижения этой цены и повышения стоимости кабельной продукции возникла необходимость изменить структуру систем цифрового управления. Так появились первые цифровые промышленные сети. Информационный обмен в промышленных сетях строится по одному из трех принципов. Первый принцип ведущий–ведомый, в котором ведущее устройство последовательно опрашивает ведомые, а они в свою очередь выполняют переданные им команды. Второй принцип клиент–сервер заключается в том, что узел клиент запрашивает данные, а узел сервер их пересылает. Третий принцип поиск заключается в том, что некоторый узел должен постоянно получать информацию от другого узла без дополнительного запроса. При этом в первом варианте данные посылаются циклически с определенным интервалом времени, а во втором случае они пересылаются только при их изменении.
Современные открытые, распределенные системы управления строятся через промышленные сети по уровневому типу. Архитектура такой системы показана на рис.26. Рис.26. Уровневая архитектура распределенной микропроцессорной системы управления
В этой сети выделяются следующие уровни:
На уровне управления производством с помощью системы Internet развернута глобальная информационная сеть, через которую администрация предприятия получает и передает информацию отраслевого типа, кроме того, она получает и обрабатывает международные финансово–экономические и конъюнктурные данные. На уровне управления технологическим процессом в системе управления развернута информационная сеть, с помощью которой объединяются локальные серверы и рабочие станции для обмена информации по принципу клиент–сервер. Задача этой части сети состоит в обеспечении визуализации основных параметров производства, построения отчетов и архивации данных. На этом же уровне производится обмен информации между компьютерами, концентраторами и серверами. Обычно на этом уровне обмен информации происходит по высокоскоростному протоколу Ethernet. На этом же уровне могут быть установлены автоматизированные рабочие места АРМы для специалистов. Связь этого уровня с нижестоящими уровнями часто производится через концентраторы. Концентратором считается контроллер типа РСУ с высокой вычислительной мощностью, способный обрабатывать десятки тысяч переменных. В SCADA–системах концентраторы применяются для организации обмена данными между контроллерами промышленной сети. Сети, обеспечивающие обмен информации между контроллерами, датчиками и исполнительными устройствами, называются промышленными сетями. Они работают по принципу ведущий–ведомый и составляют уровень управления технологическим процессом. В состав промышленных сетей могут входить контроллеры с локальным и распределенным вводом/выводом. Под локальным способом ввода/вывода понимают такой способ ввода/вывода сигналов, при котором модули, обеспечивающие этот процесс, размещаются в одном устройстве с центральным процессором. Эти модули через систему слотов связаны с процессором по системной шине типа ISA или PCI. Слот – это стандартный разъем, предназначенный для стыковки модулей с системной шиной и расположенный на слотовом шасси. Так как количество слотов в устройстве всегда ограничено, то в конструкции этих контроллеров предусматриваются технические средства, предусматривающие возможность расширения числа пристыкованных модулей. Один из вариантов структуры локального контроллера со слотовой связью показан на рис 27,а. Под распределенным способом ввода/вывода понимают такой ввод/вывод информации, при котором модули ввода/вывода приближены к периферийным устройствам (датчикам и исполнительным механизмам), а управляющие контроллеры находятся на более высоком уровне и на значительном удалении от периферийных устройств. При этом типе промышленной сети ведущий контроллер всегда связан с несколькими ведомыми модулями. Ведущий контроллер называется мастером, а ведомые модули – слейвами. Связь типа мастер–слейв осуществляется по двухпроводной линии связи на длину 1200 -1500 метров по физическому протоколу RS-485. Если длина этой линии превышает указанный диапазон, то в нее включают повторители интерфейса (усилители сигнала). Структура сети такого типа показана на рис.27,б. Для обмена информацией между контроллерами, расположенными на большом расстоянии друг от друга (десятки километров), используют сети удаленного доступа.
Рис.27. Типы распределенных сетей управления
Системы удаленного ввода/вывода (доступа) строятся из контроллеров или модулей соединенных по принципу ведущий–ведомый. При этом ведущий модуль располагается на верхнем уровне сети или в каркасе управляющего контроллера. Ведомый контроллер (или модуль) располагается на удаленном расстоянии и связывается с ведущим контроллером по специальной линии связи. Для того чтобы энергия информационного сигнала не затухала в канале связи, его модулируют (накладывают на несущий сигнал, который обладает значительно большей энергией), а затем его вновь отделяют от несущего сигнала (демодулируют) в ведомом контроллере. Этот процесс происходит в специальных устройствах, которые называются модемами (модуляторы–демодуляторы). По такой схеме ведущий модуль может поддерживать несколько ведомых модулей. Информация в контроллерах удаленного ввода/вывода формируется по принципам асинхронного обмена через порты интерфейса RS-485. Схема сети удаленного ввода/вывода показана на рис.27,в. На самом нижнем уровне микропроцессорной системы управления к модулям нижнего уровня подключаются датчики и исполнительные устройства (внешние устройства). Такое подключение может осуществляться двояко: через параллельные или последовательные порты этих модулей. Параллельные порты модулей нижнего уровня обеспечивают непосредственное подключение аналоговых или дискретных внешних устройств. При этом каждый из таких устройств требует, как минимум, пары проводов для подключения. При большом количестве внешних устройств увеличивается не только расход монтажного провода, но и возрастает сложность компоновки и монтажа этих устройств. Устранение этого недостатка стало возможным при использовании в структуре промышленной сети полевых шин. Полевая шина – это разновидность промышленной сети нижнего уровня, которая позволяет использовать дву- жильный монтажный кабель специального профиля для подключения через последовательный порт принимающего модуля до 62 внешних устройств. При этом питание, опрос и выдача команд для этих устройств производится по одному и тому же кабелю. Внедрение полевых шин стало возможным только тогда, когда внешние устройства стали интеллектуальными, т.е. в структуру этих устройств были введены микропроцессоры, позволяющие преобразовывать аналоговые сигналы в цифровые. Это позволило по полевой шине передавать цифровую информацию в последовательном коде. Полевые шины строятся на основе специального протокола – AS интерфейса. Полевая шина на основе AS–интерфейса может иметь только одно ведущее устройство (мастер) и до 62 ведомых устройств (слейвов). При опросе датчиков или исполнительных устройств ведущий модуль циклически опрашивает каждый из них, при этом на весь опрос затрачивается около 5-10 мс. Вариант организации полевой шины показан на рис.26.
|
