ТермоФаг
 
Звоните нам бесплатно My status Skype Главная Информация Статьи
Другие полезные статьи
Классификация современных контроллеров и их сетевых комплексов

Любой потенциальный заказчик микропроцессорных контроллеров стоит перед нелегким выбором: на нашем рынке контроллеры предлагают десятки отечественных и зарубежных производителей. В статье выделяются и описываются формируемые по различным, важным для потребителей, признакам классы контроллеров и их сетевых комплексов, что позволяет потенциальным заказчикам правильно сориентироваться на рынке средств автоматизации.
Все множество средств автоматизации под общим наименованием "контроллеры" можно подразделить по ряду признаков на разные классы, учитывая направленность статьи такое подразделение целесообразно производить по определенным существенным для потребителей свойствам. Определение для каждого контроллера его классификационных особенностей фактически указывает его место среди прочих контроллеров, обозначает его отличия от них и выделяет группы контроллеров разных производителей, близких по большинству классифицируемых признаков.

Контроллеры наши и не наши

Вот далеко не полный перечень фирм, работающих в этом секторе рынка:
Зарубежные производители контроллеров: АВВ, Beckhoff, Foxboro, GE Fanuc Automation, Groupe Schneider, Emerson Process Management, Koyo Electronics, metso Automation, Honeywell, Matsushita, Moore Products, Motorola, Omron, PEP Modular Computers, Rockwell Automation, Siemens, Triconex, Toshiba, Yokogawa.
Отечественные производители контроллеров: "Автоваз", "Автоматика", "ВЕГА", "Волмаг", "ДЭП", "Завод электроники и механики", "ЗЭИМ Инжиниринг", "Интеравтоматика", "НВТ Автоматика", "Ниитеплоприбор", "ПИК ПРОГРЕСС", "ПИК ЗЕБРА", "РИУС", "Реалтайм", "Системотехника", "ТЕКОН", "Торнадо", "Трей", "Черноголовка", "Эмикон".
Отметим, что лишь несколько лет назад стало исчезать разделение контроллеров на отечественные и зарубежные. Считалось, что отечественные контроллеры существенно уступают по техническим характеристикам и по надежности, но зато они значительно дешевле зарубежных контроллеров того же класса. На данный момент у конкурентных контроллеров отечественных производителей эти отличия становятся все менее заметными. Этому способствует то, что все они собираются из зарубежных электронных компонентов, используют близкое по свойствам системное и прикладное программное обеспечение, соответствуют одинаковым международным стандартам.
В настоящее время иногда контроллеры разделяются на следующие два класса: контроллеры, учитывающие российскую специфику эксплуатации, и контроллеры, не учитывающие эту специфику. Под российской спецификой эксплуатации обычно понимают:
значительно более высокий, чем на зарубежных предприятиях, уровень промышленных помех;
более широкий диапазон изменения параметров атмосферной и промышленной сред;
возможность информационной связи с рядом морально устаревших, но еще находящихся в эксплуатации средств автоматизации, выпуска российских предприятий 80-х годов;
недостаточную квалификацию обслуживающего персонала;
низкую культуру оперативного персонала в части общения с вычислительными системами и дисплейными рабочими станциями.
Представляется, что эта специфика тоже имеет тенденцию к исчезновению. В частности, следует отметить, что зарубежные производители предлагают модификации контроллеров под разные виды и диапазоны помех и климатических характеристик (в том числе охватывающие все возможные условия работы контроллеров на российских предприятиях), а с точки зрения вандалоустойчивости российские и зарубежные контроллеры практически не отличаются.
При недостаточной квалификации персонала любой специальности и при нарушениях технологической дисциплины на производстве следует уделять внимание исключению этих недостатков, а не приспособлению к ним средств управления, тем более что и приспособление это у отечественных и зарубежных контроллеров одно и то же, так как они состоят из однотипных электронных компонентов.
Ввиду всех указанных причин подразделение контроллеров на российские и зарубежные в статье не используется.

Мощность в количестве каналов

Под обобщенным термином "мощность" (число подключаемых входов/выходов) понимается разрядность и быстродействие центрального процессора, объем разных видов памяти, число портов и сетевых интерфейсов. Обычно основным показателем, косвенно характеризующим мощность контроллера и, одновременно, являющимся важнейшей его характеристикой, является число входов и выходов (как аналоговых, так и дискретных), которые могут быть подсоединены к контроллеру. По этому показателю контроллеры подразделяются на следующие классы:
наноконтроллеры (часто с встроенными функциями), имеющие до 15 входов/выходов;
микроконтроллеры, рассчитанные на 15-128 входов/выходов;
малые контроллеры, рассчитанные примерно от 100 до 300 входов/выходов;
средние контроллеры, рассчитанные примерно на 300-2000 входов/выходов;
большие контроллеры, имеющие примерно от 2000 и более входов/выходов.
Требования автоматизируемого объекта всегда четко фиксируют необходимое число входных и выходных каналов контроллеров, что позволяет точно указать классы контроллеров по мощности, среди которых следует производить их отбор, чтобы не допустить излишних затрат и удовлетворить заданным требованиям.
К этой же классификации контроллеров примыкают сведения о том, какой из контроллеров каждого класса выпускается производителем как единичное средство, а какой является модификацией серии (линейки) однотипных контроллеров, отличающихся друг от друга отдельными параметрами и характеристиками (в частности, классом мощности), но имеющих общие программное обеспечение и интерфейсы к другим средствам, единую взаимосвязывающую их сетевую структуру и единые рабочие станции оператора. Эти сведения представляют немалый интерес для разработчиков систем автоматизации, если последние должны состоять из ряда контроллеров, отличающихся по параметрам, характеристикам, числу подключаемых входов/выходов. Естественно, что для их построения целесообразно и технически, и экономически отбирать контроллеры из одной серии.

Область применения
Классификация по функциональному назначению позволяет потенциальному заказчику связать требуемые функции контроля и управления с определенным классом контроллеров.

Специализированный контроллер со встроенными функциями. Обычно им является минимальный по мощности контроллер, программа действия которого заранее прошита в его памяти, а изменению при эксплуатации подлежат только параметры программы. Число и набор блоков ввода/вывода определяется реализуемыми в нем функциями. Часто такие контроллеры реализуют различные варианты функций регулирования. Основные области применения: управление каким-либо малым самостоятельным механизмом либо элемент общей системы управления, выделенный из-за специфических требований к отдельной функции. Так, например, из-за высокоскоростного изменения свойств какого-то узла объекта, требуется управлять им с очень малым циклом опроса, что легче и надежнее реализовать отдельным контроллером.
Контроллер, рассчитанный на реализацию логических зависимостей (в основном: на блокировку, программное управление, пуск, останов машин и механизмов). Главные сферы применения такого контроллера: станкостроение, машиностроение, замена релейно-контактных шкафов во всех отраслях промышленности. Он характеризуется прошитой в его памяти развитой библиотекой логических функций и функций блокировки типовых исполнительных механизмов. Для его программирования используются специализированные языки типа релейно-контактных схем. Набор блоков ввода/вывода у такого контроллера рассчитан, в основном, на разнообразные дискретные каналы.
Контроллер, рассчитанный на реализацию любых вычислительных и логических функций. Наиболее распространенный универсальный контроллер, не имеющий ограничений по области применения. Центральный процессор контроллера имеет достаточную мощность, разрядность, память, чтобы выполнять как логические, так и математические функции. Иногда для усиления его вычислительной мощности он снабжается еще и математическим сопроцессором. В программные инструментальные средства входят, как минимум, языки типа релейно-контактных схем и конфигураторы с библиотеками математических и регулирующих функций. В состав блоков ввода/вывода входят блоки на всевозможные виды и характеристики каналов (аналоговых, дискретных, импульсных и т. д.).
Контроллер, реализующий функции противоаварийной защиты. Он должен отличаться от контроллеров других классов:
особенно высокой надежностью, достигаемой различными вариантами диагностики и резервирования (например, диагностикой работы отдельных компонентов контроллера в режиме on-line, наличием основного и резервного контроллеров с одинаковым аппаратурным и программным обеспечениями и с модулем синхронизации работы контроллеров, резервированием блоков питания и коммуникационных шин);
высокой готовностью, т. е. высокой вероятностью того, что объект находится в рабочем режиме (например, не только идентификацией, но и компенсацией неисправных элементов; не просто резервированием, но и восстановлением ошибок программы без прерывания работы контроллеров);
отказоустойчивостью, когда при любом отказе автоматизируемый процесс переводится в безопасный режим функционирования.
Контроллер цепи противоаварийной защиты должен иметь сертификат, подтверждающий безопасность его работы в цепях противоаварийной защиты.
Контроллер, предназначенный для телемеханических систем автоматизации. Данный класс универсальных контроллеров удобен для создания систем диспетчерского контроля и управления распределенными на местности объектами. Он отличается от прочих классов контроллеров особой проработкой программных и технических компонентов передачи информации на большие расстояния беспроводными линиями связи. В качестве таких линий часто используются УКВ-радиоканалы с обычными или транковыми радиостанциями. При этом возможна передача информации от каждого контроллера в диспетчерский центр, а также эстафетная передача информации по цепи от одного контроллера к другому до достижения диспетчерского центра.

Монолитная или открытая архитектура
По структуре контроллеры подразделяются на два класса: контроллеры, имеющие фирменную закрытую структуру, и контроллеры открытой структуры, основанной на одном из магистрально-модульных стандартов.

При фирменной структуре изменения (модификации) контроллера возможны, обычно, компонентами производителя. Сами изменения достаточно ограничены и заранее оговорены производителем.
При открытой магистрально-модульной структуре, имеющей стандартный интерфейс для связи центрального процессора с другими модулями контроллера, ситуация кардинально меняется:
открытость и широкая доступность стандарта на шину, соединяющую модули разного назначения, дает возможность выпускать в данном стандарте любые модули разным производителям, а разработчикам контроллеров дает возможность компоновать свои средства из модулей разных фирм;
возможность любой модификации и перекомпоновки средств путем замены в них отдельных модулей, а не замены самих средств, удешевляет эксплуатацию средств;
сборка контроллеров из готовых модулей позволяет точнее учитывать конкретные технические требования и не иметь в них лишних блоков и элементов, не нужных для данного конкретного применения;
широкая кооперация разных фирм, поддерживающих данный стандарт на шину и работающих в этом стандарте, позволяет пользователям модулей не быть привязанным к конкретному поставщику и иметь широкий выбор необходимой ему продукции.
Наиболее продвинутым по широте распространения в Европе и, в частности, в России стал стандарт VMEbus (VersaBus Module Eurocard).
В номенклатуру модулей VMEbus входят центральные процессоры, сетевые контроллеры, разные виды памяти, генераторы импульсов и функциональные генераторы, счетчики, таймеры, измерители электрических параметров, аналоговые и цифровые вводы/выводы сигналов разных уровней, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.
Средства VMEbus поддерживают практически все распространенные программные продукты: операционные системы, языки программирования, базы данных, сетевые интерфейсы и т. д.
Другое важное структурное разделение относится не ко всем модулям контроллера, а касается только блоков ввода/вывода и периферийных компонентов. Блоки ввода/вывода и периферийные компоненты подразделяются на:
разработанные конкретно для данного контроллера (или данной серии контроллеров);
стандартные, которые могут быть использованы в разных контроллерах.
К последним относятся мезонинные модули, выпускаемые десятками производителей в разных странах. Это малые по размерам платы, которые устанавливаются на основной плате (плате-носителе). Обычно на плате-носителе помещаются 4 мезонинных модуля. Номенклатура мезонинных модулей:
модули аналогового ввода/вывода на разные типовые сигналы датчиков и исполнительных механизмов;
модули цифрового ввода/вывода на разные токи и напряжения;
аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
модули сетевых интерфейсов, обслуживающие разные сети;
дополнительные процессоры;
счетчики и таймеры.

Стандартизация мезонинных модулей производится международной организацией VITA. Стандартизируются габариты мезонинного модуля, его присоединительные разъемы, дисциплины обмена между платой-носителем и мезонинным модулем. На сегодня большое распространение получили две стандартные технологии мезонинных модулей: IndustryPack и MODPACK.
Наконец, следует отметить еще одну структурную классификацию контроллера по пространственному расположению его отдельных компонентов:
контроллеры компактной структуры, у которых все компоненты, включая блоки ввода/вывода, находятся в одном корпусе;
контроллеры распределенной структуры, у которых часть или все блоки ввода/вывода могут быть конструктивно отделены от центральной части контроллера, отнесены на значительные расстояния и соединены с ней последовательной шиной или полевой сетью.

Последний класс имеет ряд преимуществ перед первым при построении распределенных по производству систем управления. Он позволяет устанавливать блоки ввода/вывода непосредственно возле соответствующих датчиков и исполнительных механизмов, что технически целесообразно, а экономически эффективно.
ПК-подобие
Рассматривается подразделение контроллеров на РС-совместимые контроллеры и РС-несовместимые контроллеры. Последнее время эти два класса контроллеров конкурируют друг с другом.
Основные отличия данных классов контроллеров состоят в следующем:
РС-совместимые контроллеры максимально открытые средства. Они имеют архитектуру IBM PC; базируются на той же, что и РС, компонентной базе; работают под одной из операционных систем персонального компьютера; взаимодействуют со всем наработанным для персональных компьютеров программным обеспечением и реализуют его по мере необходимости и при наличии соответствующей мощности в контроллере; программируются на любых языках, используемых для программирования РС; в основном ориентированы на информационный обмен с другими средствами, как и PC, через сеть Ethernet.
РС-несовместимые контроллеры существенно более закрыты. Их архитектура большей частью является оригинальной разработкой производителя; их компонентная база отличается от РС и она разная у разных производителей; их специфические операционные системы реального времени точно отслеживают требования наиболее динамичных промышленных объектов; они почти не пользуются стандартами Windows в части программного обеспечения и не могут применять наработанные для РС программы; их программирование ведется на специальных технологических языках; в сетевых взаимосвязях они, в основном, ориентированы на стандартные или специальные промышленные и полевые сети.
Характер приведенных свойств рассматриваемых классов контроллеров определяет сравнительные достоинства и недостатки каждого класса:
РС-совместимые контроллеры по сравнению с РС-несовместимыми контроллерами в целом обладают большей мощностью, легче стыкуются с различными SCADA-программами и СУБД, открыты для большинства стандартов в областях коммуникаций и программирования, они в среднем дешевле, проще обслуживаются и ремонтируются;
в то же время РС-совместимые контроллеры по сравнению с РС-несовместимыми контроллерами гораздо хуже учитывают требования промышленной автоматики; их операционные системы не полностью соответствуют ряду требований реального времени; они не имеют всех наработанных в промышленности способов диагностики и горячего резервирования, обеспечивающих повышенную надежность работы контроллеров; недостаточно используются в них возможности связи с промышленными и полевыми сетями.
Приведенное выше краткое перечисление особенностей этих двух классов контроллеров обобщенно определяет рациональные ниши применения каждого из них:
РС-несовместимые контроллеры целесообразнее применять на нижних иерархических уровнях автоматизации отдельных агрегатов и механизмов. На этих уровнях наблюдаются особенно строгие специфически промышленные требования к средствам автоматизации, а необходимость открытости к стандартам программирования и к СУБД, требования больших вычислительных ресурсов почти или совсем отсутствуют;
РС-совместимые контроллеры целесообразнее применять на верхних иерархических уровнях автоматизации участков, цехов и производства в целом. Здесь слабеет строгость требуемой промышленной специфики вычислительных средств автоматизации и усиливаются требования к информационной совместимости контроллеров с корпоративными сетями и к использованию наработанного для РС программного обеспечения.
Конструктивное исполнение
По конструктивному исполнению контроллеры подразделяются на два класса: встраиваемые и автономные.
Встраиваемые контроллеры выпускаются на раме без специального кожуха, поскольку они монтируются в общий корпус оборудования (агрегат, машину, прибор) и являются его неотъемлемой частью. Обычно они оснащаются панелью с цифровым дисплеем на несколько строк и специализированной клавиатурой.
Автономные контроллеры помещаются в защитные корпуса, рассчитанные на разные условия окружающей среды. Каркасы и корпуса контроллеров могут быть как собственной разработки производителя контроллеров (что наблюдается все реже), так и стандартные (обычно стандарта "Евромеханика"). Конструктивное исполнение каркасов - любое (стойка, рама, башня, настольное исполнение, шкаф). Стандартные конструктивы имеют широкий диапазон вариантов исполнения на разные условия окружающей среды: температуру, пыль, влагу, вибрацию, электромагнитные помехи и пр. Используются следующие размеры плат Евромеханики: платы одинарной высоты 3U - 100х160 мм, платы двойной высоты 6U - 233х160 мм, для особо сложных систем используются платы 9U - 367,7х400 мм.
Если автономные контроллеры выпускаются как локальные приборы, то в них встраивается или подключается к ним специальная панель интерфейса с оператором, состоящая из дисплея и функциональной клавиатуры управления. Если они рассчитаны на работу в сетевом комплексе, состоящем из ряда контроллеров, то они не имеют встроенного пульта или панели, но есть физические порты, соединяющие их с другой аппаратурой, и сетевые интерфейсы, которые через сеть связывают их с другими средствами автоматизации, в частности, с рабочими станциями операторов.
Классификация систем управления
Рассмотрим классификацию систем управления по числу и характеристикам составляющих их контроллеров.
Единичный локальный контроллер. Один контроллер выполняет все необходимые функции системы автоматизации на достаточно изолированном небольшом производственном узле, при этом не требуется его связь с другими средствами автоматизации. Он либо является автономным конструктивом, подсоединяемым к автоматизируемому объекту, либо встраивается в оборудование и является его неотъемлемой частью.
Сетевой комплекс контроллеров. Этот класс микропроцессорных средств наиболее широко используется во всех отраслях промышленности. Обычный состав сетевого комплекса контроллеров:
ряд одно- или разнотипных контроллеров, обычно, одной серии;
одна или несколько дисплейных рабочих станций операторов;
промышленная сеть, соединяющая контроллеры и рабочие станции между собой;
последовательная связь или полевая сеть, позволяющая выносить блоки ввода/вывода контроллера к отдельным датчикам и исполнительным механизмам.
Контроллеры определенного сетевого комплекса имеют обычно ряд модификаций, отличающихся друг от друга характеристиками, возможностями резервирования, приспособлением к разным условиям окружающей среды, числом подключаемых каналов входа и выхода. Это облегчает использование определенного сетевого комплекса для разных технологических объектов, поскольку позволяет наиболее точно подобрать контроллеры требуемых характеристик под разные отдельные узлы автоматизируемого агрегата и под разные функции контроля и управления.
В качестве дисплейных рабочих станций почти всегда используются те или иные персональные компьютеры в обычном или промышленном исполнении с одним или несколькими мониторами с большими экранами.
Промышленная сеть может иметь различную структуру: шину, кольцо, звезду. Она часто подразделяется на отдельные сегменты, связанные между собою повторителями и маршрутизаторами. Информация, передаваемая по сети, достаточно специфична - это ряд как периодических, так и случайных во времени коротких сообщений, к передаче которых предъявляются особые требования: они ни в коем случае не могут быть утеряны (должна быть гарантирована их доставка адресату), в ряде случаев для сообщений высшего приоритета (например, сообщений об авариях) должен быть также гарантирован интервал времени передачи сообщений. Эти требования указывают на то, что предпочтительно методы доступа сообщений к промышленной сети могут основываться на передаче маркера или на взаимодействии узлов сети типа "ведущий/ведомый" (Master/Slave). В меньшей степени этим требованиям удовлетворяет метод случайного доступа к сети, при котором в случае возникновении аварийной ситуации и, как ее следствия, одновременного резкого увеличения числа экстренных сообщений, которые должны пройти через сеть, может возникнуть закупорка сети, что приведет к потере отдельных сообщений, а не только к задержке их доставки адресату.
Наличие в ряде контроллеров выносных блоков ввода/вывода, связанных с самим контроллером полевой сетью, позволяет расширить число обрабатываемых каждым контроллером датчиков, снизить помехи в цепях измерения, уменьшить кабельную сеть на производстве.
Прикладное программное обеспечение сетевых комплексов контроллеров состоит из двух взаимосвязанных частей, ориентированных на специалистов по автоматике, а не на квалифицированных программистов, что существенно упрощает внедрение комплексов. Одна часть программного обеспечения - это SCADA-программа, реализующая построение и функционирование рабочих станций операторов. Другая часть - специализированные технологические языки контроля и управления и наборы типовых программных модулей, с помощью которых реализуются почти все конкретные функции контроллеров.
Большинство сетевых комплексов контроллеров имеет ограничения как по сложности выполняемых функций (обычно, они реализуют типовые функции измерения, контроля, учета, регулирования, блокировки), так и по объему самого автоматизируемого объекта, в пределах десятков тысяч измеряемых и контролируемых величин (обычно, они реализуют управление отдельным технологическим агрегатом).
Распределенные системы управления. Это наиболее мощный по возможностям и по охвату производства класс взаимосвязанных контроллеров, практически не имеющий границ ни по выполняемым производственным функциям, ни по объему автоматизируемого производственного объекта. Не редки примеры использования одной такой системы для автоматизации производственной деятельности целого крупномасштабного предприятия.
Основные отличия данного комплекса средств от сетевого комплекса контроллеров заключаются в более гибкой, многоуровневой сетевой структуре, позволяющей помещать отдельные средства комплекса на значительных расстояниях друг от друга; в развитой сети операторских, инженерных, обслуживающих станций; в большем насыщении средств современными программными решениями, автоматизирующими труд проектировщика системы управления и работу обслуживающего систему персонала, повышающими точность, качество и экономическую эффективность работы системы.
Зачастую такие комплексы имеют несколько уровней промышленных сетей, соединяющих контроллеры между собой и с рабочими станциями операторов (например, нижний уровень, используемый для связи контроллеров и рабочей станции отдельного компактно расположенного технологического узла, и высший уровень, реализующий связи средств управления отдельных узлов друг с другом и с рабочими станциями операторов всего автоматизируемого участка производства). В ряде случаев развитие сетевой структуры идет в направлении создания ряда быстродействующих полевых сетей, соединяющих отдельные контроллеры как с удаленными от них блоками ввода/вывода, так и с интеллектуальными приборами (датчиками и исполнительными устройствами).
Отметим ряд свойств, присущих данному классу контроллерных средств:
наличие наиболее мощных по вычислительным возможностям модификаций контроллеров, что позволяет реализовать в них многие современные высокоэффективные, но сложные и объемные алгоритмы контроля, диагностики, управления;
использование протяженных промышленных сетей, позволяющих подсоединять к одной шине сотни узлов (контроллеров и рабочих станций) и распределять эти узлы на значительные расстояния (десятки километров);
работа взаимодействующих рабочих станций в клиент/серверном режиме и в структуре Интранет;
достаточно проработанное включение в систему информационных сетей (обычно, сети Ethernet) для связи рабочих станций операторов друг с другом, для их связи с серверами баз данных, для взаимодействия данной системы с корпоративной сетью предприятия, для возможности построения необходимой иерархии управляющих центров (планирование, диспетчеризация, оперативное управление), для вывода нужной информации за пределы данного предприятия с помощью глобальной сети Internet;
наличие в составе системы ряда прикладных пакетов программ, реализующих функции эффективного управления отдельными агрегатами (многосвязное регулирование, оптимизация и т. д.), функции диспетчерского управления участками производства (компьютерная поддержка принятия управленческих решений), функции технического и экономического учета и оперативного планирования производства в целом.

Заключение
Любое приобретение контроллеров и/или контроллерных комплексов методом проведения тендера или непосредственной закупкой у какого-либо производителя требует предварительного ознакомления с рынком, выделения в нем своей ниши и рассмотрения предлагаемой в этой нише продукции.
Приведенная в статье классификация микропроцессорных контроллеров и их сетевых комплексов нацелена на грамотную ориентацию в этой сфере современного рынка. Она позволяет потенциальным потребителям и заказчикам более обоснованно подойти к выбору рассматриваемых средств для своих конкретных целей:
сформулировать точные требования к микропроцессорным средствам автоматизации;
выделить по ним нужный класс контроллеров;

определить наилучший вариант путем анализа отдельных контроллерных средств из выделенного класса.

Источник: Журнал «КОМПАС промышленной реструктуризации»