Файл: Втюрин_Основы_АСУТП.pdf

118

Однако  в  ряде  случаев  экономически  целесообразно  объе-

динить  функции  управления  и  MMI  интерфейса  на  основе  единых 
аппаратных  средств,  и  тогда  неминуемо  придется  выбирать  между 
промышленным  компьютером  и  программируемым  логическим 
контроллером. 

Рис11.2 Обобщенная структура системы типа SCADA 

Таким  образом,  современные  ПЛК  могут  использоваться  в  ка-

честве технического средства сразу на двух уровнях «пирамиды», и 
на  каждом  из  них  они  испытывают  все  более  серьезную 
конкуренцию  со  стороны  средств,  программно  совместимых  с 
персональными компьютерами общего назначения. 

Прежде,  чем  обратиться  к  классификации  программируемых 

контроллеров,  взглянем  еще  раз  на  пирамиду  комплексной  ав-
томатизации (см. рис.11.1) и отметим два важных аспекта: 
l.  Движение  от  основания  пирамиды  к  ее  вершине  сопровождается 
значительным  усложнением  аппаратных  средств  и  программного 
обеспечения, требующихся для реализации задач каждого уровня; 

2.

Число  единиц  технических  средств,  используемых  на  верхнем  и 

нижнем  уровнях,  несоизмеримы.  Самыми  массовыми  изделиями 
средств  автоматизации  являются  датчики,  исполнительные 
устройства и программируемые контроллеры. 
 

Программируемые 
     контроллеры 

Операторские 

станции 

Подсистема 

ведения архива 

                      Сервер SCADA 

Локальное управление, сбор 
и первичная обработка 
информации. 

     (Уровень Control) 

Человеко-машинный 
          Интерфейс 
 

     (Уровень MMI) 

Система MES 

119

11.2 Терминология технических средств

Функциональное определение  программируемого контроллера 

объединяет  (как  минимум)  четыре  класса  технических  средств 
автоматизации:  

•

промышленный компьютер; 

•

программируемый (иногда промышленный) контроллер; 

•

программируемый логический контроллер; 

•

контроллер  сбора  данных  УСО  в  распределенных  системах.     

Зачастую  дополнительную  путаницу  в  терминологию  вносит 
сокращение 

ПК, 

которое 

одновременно 

обозначает 

и 

промышленный  компьютер,  и  программируемый  контроллер,  а 
иногда  (по  неаккуратности  использования  терминологии)  и 
программируемый  логический  контроллер.  Однако,  использование 
одной  аббревиатуры  ПК  для  всех  этих  средств  не  случайно, 
поскольку они имеют одинаковые особенности: 

•

средства 

выполнены 

на 

основе 

микропроцессорной 

элементной базе и являются микропроцессорными системами; 

•

средства  уже  имеют  в  своем  составе  (или  могут  быть  легко 
дооснащены)  устройства(ми)  сопряжения  с  объектом  (УСО), 
которые  выполняют  функции  гальванической  развязки 
источников  дискретного,  аналогового  сигналов,    конечного 
силового 

оборудования 

и 

устройств 

ввода/вывода 

контроллера, приведения границ шкалы непрерывного сигнала 
к 

стандартному 

диапазону 

измерительного 

канала, 

предварительной низкочастотной фильтрации;

•

средства  имеют  конструктивное  специальное  исполнение  - 
размещение  плат  на  специальных  шасси,  покрытие  плат 
специальными 

составами, 

применение 

пыле- 

и 

влагонепроницаемых  корпусов,  рассчитанных  на  избыточное 
внутреннее  давление  и  т.  д.  Все  эти  меры  обеспечивают 
работоспособность  с  высокой  надежностью  в  условиях 
повышенного  уровня  электромагнитных  помех,  воздействия 
агрессивной  химической  среды,  вибрациях,  удаленного 
расположения объекта от средства управления. 

 Границы  между  средствами  в  значительной  степени  размыты. 

Однако  описать  функциональные  отличительные  особенности 
каждого типа средств представляется возможным.

11.2.1 Промышленный компьютер. 

В настоящее время — это 

WINDOWS совместимый компьютер в промышленном исполнении. 
В  нем  присутствует  полный  набор  средств  MMI,  но  дисплеи, 
клавиатуры,  винчестеры,  тоже  имеют  специальное  исполнение. 
Часто встречается щитовой вариант исполнения. 

120

11.2.2  Универсальный  программируемый  контроллер 

-  это 

микропроцессорная  система,  мощность  которой  практически  не 
отличается от мощности промышленного компьютера. Однако если 
для  последнего  одной  из  основных  была  функция  MMI,  то 
контроллер  ориентирован  в  основном  на  работу  в  качестве 
локального  узла  сбора  и  передачи  данных  в  распределенной  сети  в 
реальном масштабе времени или на локальное управление объектом. 
Промышленные  контроллеры  часто  оснащены  аналоговыми  и 
дискретными  адаптерами  ввода/вывода  подобно  ПЛК.  В

последнее 

время  под  промышленным  контроллером  все  чаще  понимают 
WINDOWS  совместимые  платформы  типа  microPC  и  PC  104,  хотя 
это и не обязательно. 

С  функциональной  точки  зрения  изделия  этих  двух  классов 

объединяет  важная  особенность  -  открытое  программное 
обеспечение.  В  эти  изделия  может  быть  загружено  любое 
программное 

обеспечение, 

работающее 

под 

управлением 

операционной  среды  WINDOWS  или  специальных  операционных 
систем (ОС) реального времени, программа управления может быть 
написана  на  языках  высокого  уровня  общего  применения.  Эта 
особенность является чрезвычайно привлекательной. 

11.2.3  Программируемый  логический  контроллер

  -  это 

микропроцессорная система специального назначения с проблемно-
ориентированным  программным  обеспечением  для  реализации 
алгоритмов  логического  управления  и/или  замкнутых  систем 
автоматического  управления  в  сфере  промышленной  автоматики. 
ПЛК 

отличаются 

от 

специализированных 

встраиваемых 

микропроцессорных  контроллеров  универсальностью  структуры  и 
инвариантностью  по  отношению  к  объекту  управления  в  пределах 
указанного класса задач. 

11.2.4  Контроллер  сбора  данных 

представляет  собой 

микропроцессорную  систему,  предназначенную  только  для  сбора 
информации. Эти контроллеры выполняют функции преобразования 
сигналов  группы  первичных  датчиков  в  цифровой  код  и  передачи, 
полученных  данных  устройству  верхнего  уровня,  используя  какой-
либо из протоколов локальных промышленных сетей. 
Программное обеспечение двух последних типов систем не является 
открытым. 

11.3 Структура ПЛК 

Первые  ПЛК

появились  в  1967  г.  и  были  предназначены  для 

локальной  автоматизации  наиболее  часто  встречающихся  в 
промышленности технологических задач, которые описывались пре-
имущественно логическими уравнениями. ПЛК с успехом заменили 

121

блоки  релейной  автоматики  и  устройства  жесткой  логики  на 
интегральных  микросхемах  малой  и  средней  степени  интеграции. 
Отсюда  и  название  —  программируемый  логический  контроллер, 
или Programmable Logic Controller (PLC).  

Аппаратные 

средства, 

программное 

обеспечение 

и 

конструктивное 

исполнение 

ПЛК 

должны 

удовлетворять 

следующим требованиям: 

•

универсальная  структура  изделия,  которая  позволяет  свести  
каждую  новую  разработку  к  выбору  среди  существующих 
аппаратных  средств  и  разработке  новой  управляющей 
программы; 

•

высокая надежность; 

•

удобство обслуживания и эксплуатации; 

•

простое  программирование    и  перепрограммирование 
устройства 

(возможно 

не 

специалистом 

в 

области 

компьютерной техники); 

•

стандартизация входов и выходов для непосредственного под-
ключения датчиков и исполнительных устройств; 

•

меньшие  габариты  и  энергопотребление,  чем  у  аналогичных 
блоков релейной автоматики и жесткой логики; 

•

конкурентоспособность  по  стоимости  со  схемами  на  основе 
релейной  техники,  жесткой  полупроводниковой  логики

, 

возможность  обмена  информацией  с  системой  управления 
верхнего уровня.  

Тридцатилетний  опыт  технического  развития  и  эксплуатации 

привел  к  выделению  ПЛК  в  отдельный  класс  микропроцессорных 
систем. 

ПЛК 

представляют 

собой 

завершенную 

форму 

микропроцессорных 

средств, 

которые 

характеризуются 

оригинальной 

архитектурой 

и 

специальным 

программным 

обеспечением.  Реализованные  решения  в  области  аппаратных  и 
программных  средств  преследуют  цель  обеспечения  максимально 
возможного  уровня  надежности  при  работе  в  промышленных 
условиях  эксплуатации.  Весь  комплекс  этих  решений  можно 
подразделить на следующие функциональные группы: 

•

специальная архитектура центрального процессора ПЛК; 

•

использование различных способов резервирования; 

•

использование программных методов защиты информации; 

•

специальная схемотехника УСО; 

•

организация  специальных  быстродействующих  магистралей 
связи с удаленными УСО; 

•

специальное конструктивное исполнение. 

122

Структура  ПЛК,  подключенного  к  объекту  управления, 

показана  на  рис11.3.  Центральный  процессор  (CPU)  включает 
собственно  микропроцессор,  память  программ  и  память  данных, 
формирователи  магистрали  сопряжения  с  локальными  модулями 
ввода/вывода,  адаптеры  связи  с  удаленными  модулями  УСО, 
адаптеры  связи  с  периферийным  сервисным  оборудованием  (пульт 
оператора,  дисплеи,  печатающее  устройство).  Локальными 
модулями УСО называют  модули, конструктивно расположенные в 
одном крейте с платами ЦП и памяти ПЛК. 

Рис11.3 Программируемый логический контроллер в системе  

управления 

Центральный процессор (ЦП)  ПЛК имеет следующие особенности: 

•

память программ и память данных ПЛК разделены не  только 
логически,  но  и  физически.  Специализация  центральной 
памяти  ЦП  является  отличительной  особенностью  ПЛК, 
причем  область  памяти  выходных  переменных  обязательно 
выполнена  энергонезависимой  с  целью  поддержания 
состояния объекта при отключении питания; 

•

в  ЦП  ПЛК  встраиваются  аппаратные  устройства  контроля 
адресного  пространства,  которые  могут  быть  различными,  в 
зависимости от структуры блоков памяти ПЛК; 

•

при  построении  ЦП  используются  методы  структурного  ре-
зервирования  составных  элементов  (например,  ЦП  может 

Исполнительные 
устройства 

Объект 

управления 

Датчики 

                             Центральный  
                                 процессор 
Адаптеры                                                         Адаптеры 
входов 
выходов        Периферийные адаптеры 

Текстовый блок 

Устройство 

Программирования 
 

Линейный 

диалоговый блок 

ПК 

или контроллер 

верхнего уровня 

Панель оператора и визуализации