Контроллер Modicon TSX Quantum в системах автоматизации

Применение контроллеров на цеховом уровне распределенных АСУТП  аналогично их применению на цеховом  уровне централизованных АСУТП, за исключением следующих особенностей:

• обязательна система резервирования;

• количество переменных на систему достигает 1000;

• для обмена данными  между цеховым контроллером и  локальными контроллерами используется полевая шина.

Этим требованиям соответствуют  контроллеры типаVME9300-42 (Kontron), SIMATIC S5-115F, SIMATIC S4-400H (Siemens), Premium, Quantum (Schneider Electric).

Применение контроллеров на локальном уровне распределенных АСУТП должно удовлетворять следующим  основным требованиям:

• локальная  полевая шина обмена между контроллером и распределенным (удаленным) УСО (например, Modbus Plus, PROFIBUS) со скоростью обмена не менее 1 Мбит/с;

• полевая шина обмена между локальным и цеховым  контроллерами;

• количество переменных на один ПЛК достигает 280/112 дискретных/ аналоговых;

• ОС реального  времени;

• поддержка  синхронизации времени;

• контуры регулирования;

• программирование в режиме реального времени (on-line). Этим требованиям соответствуют контроллеры типа IUC9000,

SMART I/O (Kontron), SIMATIC S7-300H (Siemens), Premium, Compact (Schneider Electric), 90-30 (GE Fanuc).

В отдельную  группу выделяются контроллеры для  следующих применений:

• контроллеры  противоаварийной защиты (ПАЗ);

• контроллеры  сбора удаленных каналов телемеханики (RTU). Контроллеры ПАЗ применяются в системах противоаварийной защиты. Особенности системы ПАЗ состоят в следующем:

• высокая готовность системы;

• контроллер ПАЗ  может быть выделен из системы  в отдельный блок, если система ПАЗ входит в состав АСУТП;

• резервирование источников питания системы;

• малое время  реакции системы на событие (прерывание);

• ввод аналоговых сигналов без мультиплексирования  производится высокоскоростными модулями УСО с изоляцией между каналами не менее 1500 В.

Данным характеристикам  в полной мере удовлетворяют контроллеры SIMATIC S5-115F (Siemens), Premium, Quantum (Schneider Electric), 90-30, 90-70 (GE Fanuc).

Контроллеры входят в состав оборудования автоматизированных систем контроля и управления (АСКУ) удаленными объектами, где средства коммуникации и доступа к объекту затруднены. Свойства контроллеров, входящих в состав АСКУ удаленных объектов, следующие:

• коммуникационная поддержка последовательных и модемных каналов;

• стандартный  протокол обмена;

• расширенный  диапазон температуры от - 40 до +60 °C;

• встроенная диагностика;

• программирование в режиме реального времени (on-line);

• защита от провалов питания с помощью батареи  или бесперебойного ИП.

Для этих целей  фирмами Schneider Electric и Bristol Babcock разработаны специальные контроллеры Compact и серии Network DSC3000.

6. Линейки контроллеров

Таблица 4

Линейки контроллеров от основных производителей

Фирма	Линейка	Линейка	Линейка
	верхнего уровня	среднего уровня	нижнего уровня
Kontron	VME9300	IUC9000	Smart I/o
Siemens	SIMATIC S7-400	SIMATIC S7-300	ET200
Schneider	Quantum	Premium	Micro/Nano
Electric
GE Fanuc	90 - 70	90 - 30	VersaMax

 

В таблице представлены линейки контроллеров от основных производителей. Линейка контроллеров представляет собой группу контроллеров с одинаковым конструктивом, равными функциональными возможностями, но с разной производительностью в зависимости от ЦП. Линейки контроллеров у разных производителей лежат в одном слое с равными типовыми решениями конструктива, набора функций, плотности каналов УСО и др. Линейки подразделяются по уровням:

• линейка верхнего уровня (мощные цеховые контроллеры, как правило, типа VME);

• линейка среднего уровня (контроллеры локального уровня АСУТП, средней производительности);

• линейка нижнего  уровня (контроллеры - интеллектуальные УСО для связи с распределенными  объектами).

В одной линейке ПЛК отличаются по производительности центральных процессоров и их коммуникационным возможностям. Стоимость ПЛК в одноуровневых линейках разных производителей контроллеров близка к равному номиналу. В ряду одной линейки стоимость ПЛК может колебаться в пределах стоимости ЦП. Стоимость ПЛК Schneider Electric линейки Micro до 100 тыс.руб., а линейки Quantum до 500 тыс.руб.

 

2. Описание и работа контроллера

1. Назначение и область применения

Серия программируемых контроллеров Modicon TSX Quantum является хорошим решением для задач управления на базе высокопроизводительных совместимых программируемых контроллеров. Благодаря расширяемой модульной архитектуре контроллер Quantum может быть сконфигурирован таким образом, чтобы удовлетворять самым строгим требованиям к производительности средних и больших систем управления.

Modicon TSX Quantum широко используют для управления технологическими процессами, систем противоаварийной защиты, систем управления объектами инфраструктуры.

Конструкция программируемых контроллеров Modicon TSX Quantum позволяет сэкономить пространство в щите. Обладая глубиной всего в 4 дюйма (включая экран), для этих контроллеров не требуются большие щиты, они размещаются в стандартном 6-дюймовом электрическом шкафу, что позволяет экономить до 50% стоимости обычных панелей управления. Они могут легко устанавливаться на задних панелях шкафов класса NEMA или в 19-дюймовых стойках.

Системы управления, использующие программируемые  контроллеры серии Modicon TSX Quantum, поддерживают различные варианты решений от одиночной установочной панели ввода/вывода (до 448 вводов/выводов) до резервируемых процессоров с разветвленной системой ввода/вывода с количеством линий ввода/вывода до 64000, определяемым в соответствии с потребностями. Кроме того, объем памяти от 256 кбайт до 4 Мбайт достаточен для самых сложных схем управления. Благодаря использованию усовершенствованных процессорных устройств на основе микросхем Intel, быстродействие контроллеров серии Quantum и пропускная способность ввода/вывода достаточны для удовлетворения жестких требований к скорости, предъявляемых задачами управления машинами и обработкой материалов. В этих контроллерах также используются высокопроизводительные математические сопроцессоры для обеспечения наилучшей скорости выполнения алгоритмов и математических вычислений, необходимой для обеспечения непрерывности и качества управляемого процесса.

Возможность подключения к сетям предприятия  и полевым шинам реализована для восьми типов сетей от Ethernet до INTERBUS-S. Поддерживая несколько языков программирования, Quantum представляет собой программный инструмент для достижения оптимальной эффективности и производительности. Quantum обеспечивает производительность, предоставляя языки обработки для периодического и непрерывного управления, языки релейно-контактных схем и последовательных функциональных схем для дискретного управления, а также три языка высокого уровня для наилучшей открытости и гибкости. Quantum предлагает средства разработки программного обеспечения, соответствующие стандарту МЭК1131-3. В дополнение к пяти языкам, утвержденным МЭК, контроллеры Quantum могут выполнять программы, написанные на языке релейно-контактных схем Modicon 984, на языке состояний Modicon и на специальных языках для конкретных применений, разработанных другими фирмами.

Контроллеры Modicon TSX Quantum отвечает всем потребностям современного рынка систем управления. Контроллер Quantum обладает гибкостью, позволяющей сочетать в конфигурациях локальный, удаленный, распределенный в/в, одноранговые конфигурации, а также подключение к полевым шинам в/в. Подобная гибкость делает Quantum уникальным решением, способным удовлетворить самые широкие потребности в автоматизации. Используя лишь одну серию модулей в/в, система Quantum может быть сконфигурирована под все эти архитектуры и, таким образом, является подходящей для контроля непрерывных процессов, управления обработкой материалов, управления оборудованием или распределенного управления. Какой бы ни была задача автоматизации, система Quantum предложит подходящую архитектуру.

2. Работа в системах локального, удаленного и распределенного ввода/вывода

Программируемые контроллеры серии Modicon TSX Quantum имеют  поддержку локального в/в, использующегося  в системах управления, в которых  наиболее эффективным способом соединения является прокладка кабеля с периферии к центральному шкафу управления. Локальный в/в может осуществляться модулями в/в в количестве от 1 до 14 вместе с центральным процессором и источником питания, собранными на одной установочной панели. Такая архитектура позволяет иметь до 448 цифровых линий в/в, занимающих на панели площадь 1845 см2. Выпускаются 6 типов панелей различных размеров. Выбор панели зависит от количества модулей, необходимого для системы. В случае необходимости в панели локального в/в также могут устанавливаться дополнительные системные модули. Для их использования необходимо наличие локального центрального процессорного устройства (ЦПУ), исключение составляет блок управления многокоординатным перемещением, который может работать автономно. Количество поддерживаемых дополнительных устройств зависит от выбранного процессора ЦПУ. Возможные дополнительные системные модули:

• Сетевой модуль Modbus Plus и Modbus.
• Сетевой модуль Ethernet.
• Модуль управления многокоординатным перемещением.
• Сетевой модуль Interbus-S.
• Сетевой модуль LonWorks.
• Сетевой модуль Profibus.
• Сетевой модуль удаленного в/в.
• Контроллер горячего резерва.

Рис.1. Типовая система  локального в/в

В некоторых  приложениях необходимо обновлять  данные в/в, не дожидаясь конца цикла обработки программы. Quantum отвечает этим требованиям за счет применения служебных функций прерывания для ввода/вывода в высокоскоростных приложениях. Эти функции включают временную обработку прерываний и немедленное обновление данных в/в, позволяющих повысить пропускную способность критических модулей в/в, установленных на панели процессора. Эти инструкции внедрены в язык релейно-контактных схем Quantum 984 и доступны из средств разработки программного обеспечения Modicon Modsoft или Concept 984. Эти высокоскоростные инструкции вызывают немедленное обновление данных в/в, содержащихся в контроллере. Таблица обновленных данных в/в может использоваться только для обновления логики или записи в любой локальный модуль в/в с помощью секции подпрограмм контроллера. Обслуживание прерываний повышает производительность оборудования, что влечет за собой повышение пропускной способности и эффективности основного оборудования.

 Для использования в приложениях, требующих большого числа линий в/в, использования удаленных модулей в/в, высокой производительности модулей в/в или возможности подключения к имеющимся удаленным узлам в/в Modicon, система Quantum поддерживает систему удаленного в/в. В схеме удаленного в/в используется коаксиальный кабель для реализации протяженной сети длиной до 5250 м с удаленными узлами в количестве до 31. Такая высокопроизводительная сеть обеспечивает передачу данных в/в со скоростью 1,544 Мбит/с.

Рис.2. Типовая система удаленного в/в

Планировщик сегментов Modicon обеспечивает высокую  производительность сети, чередуя обслуживание в/в и параллельную обработку логики для достижения высочайшей пропускной способности системы. Запатентованная система Segment Scheduler (планировщик сегментов) разделяет прикладные программы на логические сегменты и планирует в/в таким образом, чтобы его обработка происходила в соответствии с обработкой логики. Входные данные считываются непосредственно перед обработкой логики, а выходные записываются немедленно после нее. По сравнению с традиционными системами управления, такая слаженная схема устраняет лишний цикл обработки программы, повышая пропускную способность системы. Планировщик сегментов может быть сконфигурирован для оптимизации обслуживания критических удаленных блоков в/в, повышая общую производительность этих секций в/в. Описанное повышение пропускной способности влечет за собой более быстрый вывод информации и более предсказуемую и надежную работу систем управления. В результате обновление удаленного в/в происходит так же быстро, как и локального.

Для систем, нуждающихся в особой надежности, разработан вариант схемы с двойным кабелем, предохраняющий систему от последствий обрыва одного из кабелей или повреждения соединительной арматуры. При соединении головного конца с каждым узлом двумя кабелями обрыв одного из них не нарушит связь. Арбитраж кабеля и проверка целостности проводятся автоматически на головном конце и каждом из узлов. В случае обрыва кабеля система Modicon TSX Quantum оповещает пользователя с помощью сигнального светодиода и внутренней программы проверки работоспособности, результаты которой доступны для пользовательской программы и оболочки оператора. Это важное свойство позволяет блокировать испытывающий сбои узел и поврежденный кабель.

Рис.3. Типовая система удаленного в/в с двойным кабелем

Для приложений, требующих наличия пространственно распределенных небольших узлов, система Quantum имеет схему распределенного в/в (DIO), основанную на технологии Modbus Plus, позволяющую экономично разместить блоки в/в ближе к рабочему участку, таким образом снизив расходы на подключение датчиков и исполнительных механизмов к блокам в/в. В схеме распределенного в/в системы Quantum используются те же модули в/в, что и в подсистемах локального и удаленного в/в с целью сокращения номенклатуры, и недорогой кабель типа "витая пара" в целях снижения стоимости установки.