Типовые функции уровней управления интегрированной системой

 

Обобщенную схему интегрированных автоматизированных систем управления для разнообразного спектра применения можно представить в виде типовой структурной схемы, показанной на рис. 11.

В системах промышленной автоматизации выделяют пять уровней:

I. На первом (объектном,нижнем) уровне «работают» уст­ройства связи с объектом, модули ввода/вывода, датчики(Д), исполнительные уст­ройства(И), приборы учета и устройства удалённого сбора данных, устройства электроавтоматики (ЭЛА),приводы.

II. На втором уровне осуществляется управление вводом/выводом. Управление вводом/выводом чаше всего осуществляется программируемыми логическими контроллерами (ПЛК) и специализированными устройствами. Кроме того, имеется целый класс устройств – интеллектуальные датчики и интеллекту­альные исполнительные механизмы, которые реализуют в себе функции первого и второго уровней.

III. На третьем уровне производится оперативно-диспетчерское управление и сбор данных с помощью SCADA-систем. На этом уровне используются так же операторские станции и автоматизированные рабочие места различных специалистов, от которых передаются команды управления системам автоматизации нижнего уровня.

IV. На четвертом и пятом уровнях производится управление процессом производства. На этом уровне работают системы автоматизации управленческой и финансово-хозяйственной деятельности, определяются показатели для оперативного управления, которые передаются в соответствующие системы автоматизации третьего уровня. На этих уровнях применяют системы сбора информации о работе основных и вспомогательных производств, системы планирования ресурсов предприятия(уровень стратегического управле­ния).

Рис. 11а. Типовая структурная схема интегрированной системы управления

 

При разработке систем промышленной автоматизации решаются и аппаратные и программные задачи: первый и частично второй уровень составляют аппаратную базу для программного обеспечения верхних слоев.

Нижний уровень - объектный уровень, как уже отмечалось ранее, включает датчики, исполнительные механизмы, электроавтоматику, которые устанавливаются на технологических объектах и оборудовании производства (на станках, подъемно-транспортных устройствах, конвейерах и т.п.). К устройствам электроавтоматики относятся:

- кнопки и выключатели;

- бесконтактные датчики, фотоэлементы;

- конечные переключатели типа концевых и путевых выключателей;

- контакты реле (тока, давления, температуры);

- другие контактные и бесконтактные элементы, сигнализирующие о состоянии исполнительных органов (открыто/закрыто, вкючено./выключено) и об аварийных ситуациях.

Сигналы с датчиков, исполнительных механизмов, электроавтоматики, приборов передаются в контроллеры и УЧПУ посредством модулей ввода/вывода(рис.11б).

 

Рис.11б. Структура уровней управления

 

На рис. 2.2 показан модуль ввода/вывода (МВВ) нижнего уровня. Они предназначены для ввода/ввода преобразования и гальванической изоляции сигналов управления.

По количеству подключаемых сигналов различают МВВ на 4, 8, 16, 32, 64 и 128 каналов входных и выходных.

Входные каналы МВВ сигналов опрашивают цепи ЭЛА, датчики и другие устройства и к ним приходят сигналы типа AI и DI, которые переводят как аналоговый и дискретный ввод (I – Input – Ввод) соответственно (ввод информации). Тип сигналов аналогового ввода AI – это постоянное напряжение в диапазоне 0-5В, 0-10 В, ±5 В ± 10В или ток в диапазонах 0-20 или 4-20 мА. Например, серия модулей аналогового ввода имеет обозначение SM1-AI-5VMA, в них тип сигнала выбирается установкой перемычки, диапазон задается программно.

Типы сигналов дискретного ввода DI- это сигналы с уровнем напряжения 12, 24, 48 В постоянного тока, 120 и 240 В переменного тока с разными нагрузками по току.

Например, по входным каналам модуля ввода/вывода УЧПУ производится прием:

- сигнала «Готовность» станка;

- сигналов от кнопок режимов станка;

 

Рис. 12. Структурная схема устройств ввода/вывода

 

 

- сигналов от ограничителей перемещения координат (салазок, бабок);

- сигналов включения, выключения тех или иных механизмов (шпинделя, охлаждения, зажима – отжима заготовки, инструмента.

Все эти сигналы приходят на 64 входа узла согласования (рис.12). Эти сигналы дискретные (2х позиционные): либо 0-3 В – если выключено; либо 20-27 В – если включено.

В первом случае (0-3 В) узел согласования вырабатывает логический «0», во втором случае (20-27 В) вырабатывает логическую «1».

Логические «0» и «1» являются признаками сигналов «включить» и выключить» кнопки механизма оборудования. Каждому сигналу соответствует ячейка памяти МВВ со своим адресом. 64 входа МВВ имеет 16 адресов, по каждому адресу 4 бита. Информация в цифровом виде поступает в контроллер УЧПУ и далее через сервер в базу данных ИАС.

Выходные каналы модулей ввода/вывода управляют посредством контроллера работой сигнализирующих светодиодов, реле, разъемов, магнитных клапанов, исполнительных механизмов, электроавтоматикой. На рис. 12 эти сигналы обозначены АO и DO, которые переводятся как аналоговый и дискретный вывод соответственно. Например, обозначение CM1-AO-05V означает, что это модуль аналогового вывода постоянного напряжения в диапазоне 0-5 В; SM1-8A0-020MA – это модуль аналогового вывода постоянного тока в диапазоне 0-20 мА на 8 каналов; SM1-AO-420MA – это модуль аналогового вывода постоянного тока в диапазоне 4-20 мА.На лицевой панели модулей ввода/вывода имеются светодиоды для индикации состояния внешней цепи.

Дискретный вывод через выходные каналы устройства ввода/вывода осуществляется по программе контроллера. Сигналы низкого или высокого уровня поступают через узел подачи на коммутатор выходной информации, усиливаются и передаются на станочное оборудования либо 0, либо 24 В, (рис.12).

Разнообразие уровней сигналов, количество поддерживаемых контроллером каналов ввода/вывода зависит от их вычислительной мощности и будет рассмотрено в разделе 5.1,где изучаются применения контроллеров в ИАС.

По способу размещения модулей, ввода/вывода различают:

- локальный ввод/вывод и локальный ввод/вывод с расширением;

- удаленный ввод/вывод;

- распределенный ввод/вывод.

При локальном вводе/выводе МВВ размещаются непосредственно на том же шасси, что и процессорный блок. Количество слотов шасси ограничено 16-18 у некоторых контроллеров, следовательно количество локальных вводов/выводов может быть также ограничено. Преимуществом локального ввода/вывода является высокая скорость обновления данных.

Для поддержки большего числа переменных производители аппаратных средств дополняют свои системы устройствами расширения локального ввода/вывода. К ним относятся шасси расширения, с размещенными в них размещаются модули ввода/вывода и соединяются между собой специализированным кабелем и могут быть отнесены на несколько десятков метров от центральною процессора. Некоторые комплексы контроллеров способны поддерживать десятки шасси с очень большим количеством модулей ввода/вывода. Преимуществом расширенного ввода/вывода является ускоренное обновление данных. Например, контроллеры PLC-5/40L, PLC-5/60L (Allen-Bradley) имеют локальные вводы/выводы с расширением. Это позволяет расширенному процессору сканировать до 16 расширенных шасси ввода/вывода. Расширенные шасси могут быть разнесены на расстояние до 30м от процессора.

Удаленный ввод/вывод применяется для систем, в которых имеется большое количество датчиков и других устройств, находящихся на достаточно большом расстоянии 1000 и более метров от центрального процессора. Это относится и к объектам, находящимся на больших расстояниях от пунктов управления. Такой подход позволяет уменьшить стоимость линий связи за счет того, что модули ввода/вывода размешаются вблизи удаленных устройств. Например, удаленный ввод/вывод применяют системы RTU(Remote Terminal Unit) – это удаленный терминал, осуществляющий обработку задач и управление в режиме реального времени. Спектр его воплощений широк – от примитивных датчиков, осуществляющих съем информации с объекта, до специализированных многопроцессорных отказоустойчивых вычислительных комплексов, осуществляющих обработку ин­формации и управление в режиме реального времени.

Производители аппаратных средств автоматизации решают проблему удаленного ввода/вывода по-разному. Поддержка удаленных вводов/выводов может осуществляться посредством модулей, называемых "удаленный ведущий" и "удаленный ведомый". Ведущий модуль располагается в локальном каркасе контроллера и соединяется кабелем с "удаленным ведомым", который находится в удаленном каркасе (контроллеры DL205, DL405 фирмы Коуо, контроллер Quantum компании Schneider Electric). Один ведущий модуль может поддерживать 32, 64, 125 ведомых. В свою очередь, некоторые процессоры могут поддерживать несколько ведущих модулей. Таким образом, системы управления, построенные по технологии удаленного ввода/вывода, способны обрабатывать многие тысячи параметров.

Другое решение организации удаленного ввода/вывода обеспечивается встроенным в процессор портом, играющим роль "мастера" (контроллеры фирмы Allen-Bradley, контроллеры Premium фирмы Schneider).

Распределенный ввод/вывод является разновидностью удаленного, с той лишь разницей, что количество обрабатываемых сигналов отнескольких до десятков. Поэтому решение с применением каркасов удаленного ввода/вывода, рассчитанных на достаточнобольшое количество сигналов, может оказаться дорогим. В связи с этим разработчики предлагают специализированные решения для распределенного ввода/вывода -систему FieldControl GE Fanuc, систему ввода/вывода FLEX I/O, применение интеллектуальных устройств, объединенных полевой шиной.

Для использования модулей ввода/вывода FLEXI/O необходим монтажный рельс, модуль адаптера, источник питания, модули контактной базы и кабель. Один модуль адаптера может поддерживать до 8 модулей контактной базы. Это позволяет реализовать 128 дискретных вводов/выводов (64 аналоговых ввода, 32 аналоговых вывода).

Номенклатура модулей ввода/вывода разнообразна. Существуют платы МВВ для шин ISA, PCI, PC104. Подключение сигналов к этим платам производится через внешние клеммные и терминальные платы, дополнительно выполняю­щие функции гальванической изоляции, усиления и нормализации сигналов.

Вопросы для самопроверки по теме 2.2:

1. Какие устройства осуществляют управление вводом/выводом?
2. Сколько уровней выделяют в системах промышленной автоматизации?
3. Приведите схему организации удаленного и распределенного ввода параметров производственного процесса.
4. При помощи каких устройств организуется расширенный ввод/вывод сигналов с объектного уровня интегрированной системы.