SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Процессорный модуль MDS 100 CPU – вычислитель и коммуникатор

В статье рассматривается процессорный модуль MDS 100 CPU, выпускаемый НПФ «КонтрАвт» и предназначенный для построения распределенных систем сбора данных, автоматического управления и телемеханики.

НПФ «КонтрАвт», Нижний Новгород

contravt_logo.gif


Введение

НПФ «КонтрАвт» уже давно зарекомендовала себя как производитель модулей ввода/вывода серии MDS. Полный обзор модулей ввода/вывода серии MDS был опубликован в журнале «ИСУП» № 5 за 2010 г. Модули ввода предназначены для сбора информации от первичных датчиков, ее первичной обработки (например, фильтрации, линеаризации и подсчета событий) и передачи информации управляющему устройству по цифровому интерфейсу. Модули вывода – для получения информации от управляющего устройства в цифровом виде через интерфейс и в соответствии с ней формирования выходных дискретных или унифицированных аналоговых сигналов. Процессорный модуль  MDS 100 CPU – это головное управляющее устройство в сети модулей MDS. Этот модуль предназначен для получения информации от модулей ввода/вывода, ее обработки, консолидирования, проведения сложных математических расчетов, передачи данных на более высокие уровни управления и/или выдачи сигналов исполнительным устройствам посредством модулей вывода. Именно для решения указанных задач при разработке процессорного модуля основной акцент был сделан на его вычислительные и коммуникационные возможности.

Процессорный модуль  MDS 100 CPU совместно с модулями ввода/вывода серии MDS образует программируемый логический контроллер (ПЛК) с распределенной архитектурой, который способен решать очень широкий класс задач. Вот только некоторые из возможных задач, решаемых ПЛК на базе модулей MDS:
- управление станками, оборудованием, конвейерами (машиностроение);
- управление технологическими процессами (химия, нефтехимия, пищевая промышленность, металлургия, энергетика);
- реализация алгоритмов аварийной защиты (химия, нефтехимия, пищевая промышленность, металлургия, энергетика, железнодорожный транспорт, другие отрасли);
- управление микроклиматом (сельское хозяйство, системы «умный дом»);
- управление большими агрегатами (нефте- и газотранспортировка);
- коммерческий учет энергоресурсов.

Ris-1.jpg

Рис. Внешний вид контроллера


1.1. Чем интересен ПЛК MDS

Концепцию модуля MDS 100 CPU можно сформулировать таким образом: мощная вычислительная и коммуникационная платформа промышленного исполнения по невысокой цене.

Совокупность модуля MDS 100 CPU, всех модулей серии MDS и среды программирования можно охарактеризовать так: ПЛК средней мощности по невысокой цене, предназначенный для решения задач сбора данных, управления технологическими процессами, телемеханики, простой в освоении и программировании.

По отношению к другим аналогичным продуктам ПЛК позиционируется следующим образом – это ПЛК, идеально подходящий для решения тех задач, где не предъявляется высоких требований по времени отклика, но требуются высокие коммуникационные возможности, высокая вычислительная мощность для различных расчетов, высокая надежность, обеспечиваемая резервированием основных частей системы автоматики.

Главные достоинства и отличительные особенности процессорного модуля  MDS 100 CPU приведены в табл. 1.

Таблица 1

Ris-2.gif


Главные достоинства и отличительные особенности контроллера на базе процессорного модуля  MDS 100 CPU и модулей ввода/вывода серии MDS приведены в табл. 2.

Таблица 2

Ris-3_1.gifRis-3_2.gif



1.2. Опционность MDS 100 CPU


 MDS 100 CPU представлен более чем двадцатью различными модификациями. Модификации различаются:
- по количеству дополнительных изолированных интерфейсов RS-485 (0/2/6);
- по наличию дискретных входов/выходов (0/(8DI+8DO));
- по наличию интерфейса для «горячего» резервирования (есть/нет);
- по типу установленного программного обеспечения (Linux, СРВК Круг);
- по климатическому исполнению (B4, C4).

Кроме того, Система Реального Времени Контроллера (СВРК) Круг сама по себе имеет множество модификаций.

Модификации СРВК Круг отличаются:
- по количеству точек ввода/вывода контроллера;
- по количеству трендов, хранимых в модуле;
- по наличию модуля межконтроллерного обмена;
- по количеству каналов телемеханики (через канал ТМ, например, можно получить доступ к архиву данных на самом модуле);
- по наличию или отсутствию функций регулирования, резервирования, технического учета тепла, газа и т.п.

СРВК Круг обеспечивает обмен данными между  MDS 100 CPU и различными устройствами, такими как счетчики электрической энергии, теплосчетчики, интеллектуальные датчики. Для обеспечения обмена необходимы соответствующие драйверы. Перечень драйверов поддерживаемых устройств представлен на сайтах contravt.ru и www.krug2000.ru.


1.3. Основные принципы работы с MDS 100 CPU

1.3.1. Разработка программы Пользователя
На основании требований задач для MDS 100 CPU должно быть разработано программное обеспечение пользователя (программа Пользователя), обеспечивающее реализацию необходимых алгоритмов работы.

Для модификации MDS 100 CPU с СРВК Круг разработка программ Пользователя проводится с помощью интегрированной среды разработки (ИСР) «KrugolDevStudio».

Для модификации  MDS 100 CPU с операционной системой Linux разработка программ Пользователя проводится с помощью инструментария GCC (http://arm.cirrus.com/files/tools/arm-linux-gcc-4.1.1-920t.tar.bz2)


1.3.2. Загрузка программы Пользователя в МП
В ИСР «KrugolDevStudio» предусмотрена возможность загрузки программы Пользователя в МП по интерфейсу LAN1. При необходимости можно скомпилированные программные модули скопировать на MDS 100 CPU «вручную» с помощью ПО Станции Инжиниринга SCADA Круг-2000 или аналогичного (WinSCP свободный SFTP и FTP клиент для Windows www.winscp.net).


1.3.3 Запуск программы Пользователя на исполнение
Запуск программы Пользователя происходит автоматически, если при рестарте  MDS 100 CPU переключатель режимов работы находится в положении режим Run.


1.4. Интегрированная среда разработки КРУГОЛ™ (Krugol DevStudio)

Интегрированная среда разработки (ИСР) КРУГОЛ™ предназначена для создания технологических программ, обеспечивающих решение задач АСУ ТП как на SCADA-уровне, так и на контроллерном.

Интегрированная среда разработки позволяет реализовать алгоритмы произвольной сложности на языке технологических программ, отвечающих требованиям IEC 61131-3. ИСР КРУГОЛ™ интегрирует языки структурированного текста (СТ) и функциональных блочных диаграмм (ФБД) в рамках одного проекта.

Язык СТ – процедурно-ориентированный язык программирования с несложным русифицированным синтаксисом. Он позволяет быстро овладеть правилами программирования и освобождает от задач распределения памяти под переменные, используемые в программе. Язык структурированного текста реализует основные управляющие структуры (Последовательность, Ветвление, Цикл, Составные структуры, Структуры прерывания выполнения блока программы), а также обеспечивает разработку и выполнение программ с вложенными процедурами и функциями.

Язык функциональных блочных диаграмм – графический язык. Элементами языка ФБД являются графические символы, которые используются для создания схемы ФБД. Данный язык позволяет разработчику строить сложные процедуры, используя существующие функции из поставляемой библиотеки, и связывать их с другими элементами ФБД.

Проект может включать в себя программы, процедуры, функции и функциональные блоки, между которыми обеспечивается четкое разделение внутри проекта. Программы, написанные на языке КРУГОЛ, могут исполняться на:
- SCADA КРУГ-2000;
- контроллерах, работающих под управлением СРВК.

Интегрированная среда разра­ботки является мощным программным комплексом, предназначенным для автоматизации программирования, что позволяет в полном объеме реализовать задачи разнообразной специфики, например:
- программно-логическое управление технологическим оборудованием;
- алгоритмы рационального управления;
- расчет косвенных переменных по формулам;
- визуализация значений в цифровом виде (трендов целевой обработки) – текущие, средние или суммарные значения параметров по часам, сменам и суткам;
- формирование трендов целевой обработки из программы Пользователя (ПрП) постфактум;
архивирование дат и времени событий;
- интегрирование мгновенных расходов для задач дозирования;
- создание альтернативных фильтров входных параметров;
- другие.

ИСР включает в свой состав:
- библиотеку функций управления и обработки данных (более 250 функций);
- библиотеку функций для реализации систем коммерческого и технического учета тепла и газа;
- механизм создания функций Пользователя (на языках C/C++) с возможностью их легкого включения в библиотеку функций КРУГОЛ.

Интегрированная среда разработки (ИСР) КРУГОЛ™ отличается удобными средствами отладки.

Функция программирования контроллера позволяет Пользователю обновлять базу данных и программы в контроллере непосредственно из ИСР КРУГОЛ. Использование данной функции позволяет подменять программы в контроллере «на лету», без остановки и перезагрузки контроллера.

Проекты, реализованные при помощи ИСР для контроллеров, поддерживают режим обычной и удаленной отладки, то есть отладку программы Пользователя можно производить как на локальном компьютере, так и на удаленном контроллере.

Удаленная отладка в режиме «с остановкой контроллера» производится в основной среде исполнения контроллера. Отладка программ Пользователя на контроллере обеспечивает пошаговое и циклическое выполнение программ в ручном и автоматическом режиме, работу с точками останова, а также просмотр и изменение значений переменных. Кроме того, Пользователю предоставляется возможность подключиться к работающей на контроллере программе или запустить отлаживаемую программу в режиме реального времени для анализа выполнения шагов программы.

Удаленная отладка в режиме «без остановки контроллера» производится следующим образом: в этом режиме запускается отладочная копия ядра исполнения (СРВК), и интегрированная среда разработки работает только с ней. Затем, по завершении процесса отладки, возможна подмена программы без перезапуска и остановки контроллера.

Таким образом, ИСР позволяет максимально быстро, удобно и надежно отлаживать программу Пользователя, в том числе и в системах, требующих безостановочной работы.

Дополнительные удобства при пусконаладочных работах в рамках крупных проектов обеспечивает имитатор СРВК, позволяя отлаживать Пользовательские алгоритмы без наличия реальных контроллеров. Выгодным отличием имитатора СРВК является его полное эмулирование всех функций реальной системы СРВК, включая функции резервирования и межконтроллерного обмена.


Возможные применения  MDS 100 CPU 

2.1. АСУ ТП теплопункта

Назначение
АСУ ТП теплового пункта предназначена для эффективного управления технологическим процессом обеспечения потребителей тепловой энергией и горячим водоснабжением в целях повышения его надежности, качества и экономичности.

Объекты управления
Объектами управления АСУ ТП являются центральные и индивидуальные тепловые пункты, обеспечивающие присоединение к тепловой сети систем теплопотребления: отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и технологических установок потребителей.

Основные возможные функции
- Измерение температуры, давления, расхода теплоносителя и тепловой энергии в трубопроводах тепловой сети и систем теплопотребления;
- измерение тока и температуры подшипников электродвигателей насосов;
- коммерческий (технический) учет расхода теплоносителя и тепловой энергии, переданных в системы теплопотребления потребителей, в соответствии с «Правилами учета тепловой энергии и теплоносителя»;
- коммерческий (технический) учет электрической энергии, по­требляемой тепловым пунктом;
- измерение сигналов с дискретных датчиков, в том числе с концевых выключателей запорной и регулирующей арматуры, насосных агрегатов с последующим отображением положения (состояния) исполнительных механизмов на экране панели оператора и/или АРМ оператора;
- сигнализация о неисправностях оборудования или о нарушениях заданного значения контролируемых параметров дистанционное;
- управление пуском и остановом насосов, открытием и закрытием запорной и регулирующей арматуры;
- автоматическое регулирование технологических параметров теплового пункта:
-- температуры и давления воды, поступающей в систему горячего водоснабжения потребителей;
-- тепловой энергии в системе отопления потребителей в зависимости от изменения температуры наружного воздуха;
-- перепада давлений воды в подающем и обратном трубопроводах тепловой сети на вводе в тепловой пункт;
-- ограничение расхода теплоносителя из тепловой сети на тепловой пункт;
- индивидуальное и групповое автоматическое управление насосными агрегатами:
-- включение и выключение подпиточных насосов для поддержания статического давления в системах теплопотребления при их независимом присоединении;
-- корректирующих (подмешивающих) насосов для снижения температуры воды после теплового пункта в зависимости от принятого температурного графика при зависимом присоединении систем теплопотребления;
-- плавный пуск и регулируемый останов электродвигателей насосов для исключения гидравлических ударов в трубопроводе;
-- чередование включения насосов в работу для равномерной выработки ресурса электродвигателей и насосов;
-- автоматический ввод в работу резервного насоса (АВР);
- выполнение алгоритмов противоаварийных защит и блокировок (ПАЗ) технологического оборудования теплового пункта;
- сбор, архивирование и документирование технологических данных и событий системы;
отображение технологической информации на местном щите управления, на экране панели оператора, на АРМ оператора;
- обмен технологическими данными с центральным и/или районными диспетчерскими пунктами, в том числе прием дистанционных команд управления, настроек и уставок технологического процесса (при работе системы в составе ­МАСДУ тепловых сетей).

Ris-4.gif

Рис. АСУ ТП теплопункта



2.2. Автоматизированная система контроля и дистанционного управления системами жизнеобеспечения здания (комплексом зданий)

Назначение
Автоматизированная система контроля и дистанционного управления системами жизнеобеспечения здания предназначена для эффективной эксплуатации систем жизнеобеспечения зданий и учета потребляемых энергоресурсов.

Объекты автоматизации
- Система теплохладоснабжения;
- система оборотного водоснабжения, предназначенная для охлаждения хладагента чиллеров;
хозяйственно-питьевое водоснабжение, состоящее из резервированных насосных установок;
автономное горячее водоснабжение, позволяющее обеспечить экономичный режим функционирования и не зависеть от сезонных отключений горячей воды;
- приточная и вытяжная вентиляция;
- пожарное водоснабжение (контроль работы).

Дренажная система
Основные возможные функции:
- измерение и контроль технологических параметров;
- автоматическое управление (регулирование) оборудованием;
контроль и сигнализация (световая/звуковая) отклонений параметров от задаваемых границ;
- дистанционное управление оборудованием;
- предоставление наиболее полной и достоверной информации оперативному персоналу, в том числе информации о времени и продолжительности работы оборудования в виде «нагрузочной кривой», позволяющей оценить, в какие промежутки времени, например в течение суток, оборудование работает наиболее интенсивно и, проведя определенный анализ, выбрать оптимальный режим его работы;
- ведение и архивирование трендов, печатных документов, протоколов событий;
- выполнение расчетов наработки оборудования;
- программно-аппаратная самодиагностика основных элементов системы;
- учет потребляемых воды и энергоресурсов.

Ris-5.gif

Рис. Автоматизированная система управления комплексом зданий



2.3. Интегрированная автоматизированная система управления котельной

Назначение
Интегрированная автоматизированная система управления (ИАСУ) котельной предназначена для эффективного и надежного управления теплоснабжением систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Объекты управления

Индивидуальные (автономные), пиковые котельные, котельные промышленных предприятий, местные, квартальные и районные тепловые станции, оснащенные одногорелочными и многогорелочными паровыми и водогрейными котлами различной тепловой мощности, функционирующие на газообразном или жидком (мазут, солярка) топливе.

Основные возможные функции
- Измерение основных технологических параметров котельной в объеме требований СНиП II-35 (температура, давление, расход, уровень и т.д.);
- регистрация и визуализация состояния (положения) исполнительных механизмов и дискретных датчиков котельной;
- формирование световой и звуковой сигнализации оперативному персоналу о возникновении нарушений контролируемыми параметрами заданных значений и при обнаружении неисправностей оборудования;
- дистанционное ручное и автоматическое управление: пуском и остановом котлоагрегатов (подготовка котла к пуску, проверка герметичности газового оборудования, вентиляция топки, розжиг и вывод горелок на номинальную мощность, прогрев котла и т.д.), газовоздушным трактом, приточно-вытяжной вентиляцией, системой химводоподготовки, деаэрационно-питательной и редукционно-охладительной установкой, сетевыми, циркуляционными, подпиточными, дренажными насосами (пуск и останов, автоматический ввод резерва, групповое управление, динамическое назначение насосов в группе, переключение насосов в зависимости от количества отработанных часов, работа насосов по расписанию и т.д.);
- автоматическое поддержание (регулирование) заданных значений технологических параметров котельной в соответствии с требованиями СНиП II-35: тепловой нагрузки котла, соотношения топливо/воздух, разрежения в топке, давления в общем газопроводе котельной, температуры, давления и расхода теплоносителя в тепловой сети котельной и т.д.;
- противоаварийные защиты и блокировки технологического оборудования от недопустимых изменений технологических параметров в соответствии с требованиями СНиП II-35 в целях защиты персонала, предотвращения повреждения технологического оборудования и локализации последствий аварий;
- коммерческий/технический учет отпускаемой тепловой энергии и теплоносителя, потребляемого топлива (газа/мазута/солярки), химреагентов, электрической энергии, тепловой энергии и теплоносителя на собственные нужды;
- расчет технико-экономических показателей – удельных расходов топлива на выработку тепловой энергии и др.;
- сбор, архивирование и документирование технологических данных и событий системы, отображение информации о параметрах и состоянии технологического оборудования и процессов на экране панели оператора и/или АРМ оператора котельной;
- передача информации о текущем состоянии оборудования, о параметрах и состоянии технологического процесса в районный и/или центральный диспетчерский пункт, прием дистанционных команд управления, настроек и уставок технологического процесса из районного и/или центрального диспетчерского пункта (при работе АСУ ТП в составе АСДУ тепловых сетей).

Ris-6.gif

Рис. Автоматизированная система управления котельной


Приведенные примеры относятся к сфере ЖКХ и энергетики, однако это нисколько не ограничивает область применения решений, построенных на базе процессорного модуля MDS 100 CPU и модулей ввода/вывода серии MDS. Мощные вычислительные и коммуникационные свойства процессорного модуля наряду с высокими метрологическими характеристиками модулей ввода/вывода обеспечивают широкую сферу применения в системах управления технологическими процессами на распределенных объектах, в системах телемеханики и диспетчерского управления.


Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 3(33)_2011

Д.В. Громов, главный инженер НПФ «КонтрАвт»;
А.А. Желтухин, начальник сектора научно-технических разработок,
НПФ «КонтрАвт», Нижний Новгород,
тел.: (831) 260-0308,
e-mail: sales@contravt.nnov.ru