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.

Контроллер ввода/вывода серии МКСО для распределенных систем автоматизации

Компания ЗАО «ЭМИКОН» представляет свою новую разработку – контроллер ввода/вывода серии МКСО для распределенных систем автоматизации.


ЗАО «ЭМИКОН», г. Москва

EMICON_logo.gif

Многофункциональный контроллер связи с объектом МКСО предназначен для ввода/вывода аналоговых, дискретных и цифровых сигналов в распределенных системах автоматизации (СА) пожароопасных и взрывоопасных производств.

В традиционных СА в шкафах устройств связи с объектом (УСО) помимо собственно контроллера ввода/вывода устанавливается достаточно большое количество дополнительных устройств, таких как объектовые клеммники, промежуточные клеммники, промежуточные реле, барьеры искрозащиты, устройства защиты от импульсных перенапряжений, преобразователи и разветвители сигналов, предохранители, размыкатели и др.

В шкафах УСО на базе контроллеров МКСО нет необходимости в применении таких дополнительных устройств. Это достигается за счет того, что функционал малоканальных модулей ввода/вывода (от 1 до 3 каналов), входящих в состав контроллера МКСО, обеспечивает обработку всех необходимых типов входных сигналов СА (включая искробезопасные) и формирование всех необходимых типов выходных сигналов СА (включая искробезопасные). При этом обеспечивается требуемый уровень защиты модулей ввода/вывода от воздействий импульсных перенапряжений. Модули ввода/вывода устанавливаются в каркас, содержащий кроссовую плату с объектовыми клеммниками. При этом обеспечивается непосредственное подключение сигналов от объектовых кабелей СА к модулям ввода/вывода.

Таким образом, при использовании контроллеров серии МКСО внутришкафной монтаж сводится к минимуму. Кроме того, за счет типизации схемотехнических и конструктивных решений существенно упрощается разработка СА и сокращаются сроки изготовления шкафов УСО.

Структура МКСО

В состав МКСО входят следующие блоки: блок коммуникационный (БК), блоки ввода/вывода (БВВ) и блок внутришкафного контроля (БВК).
МКСО работает под управлением контроллера центрального (КЦ), с которым он связан с помощью полевой информационной шины. Взаимодействие МКСО с КЦ осуществляется посредством блока коммуникационного БК. Структурная схема подключения МКСО к КЦ показана на рис. 1. В качестве КЦ используются модули семейства DCS‑2000 исполнения М3.

Ris_1.png

Рис. 1. Структурная схема подключения МКСО к КЦ

В шкафу УСО на базе МКСО устанавливается один блок БК, один блок БВК и до шестнадцати блоков БВВ, в зависимости от габаритов шкафа.

Все блоки контроллера МКСО запитываются от дублированных источников бесперебойного питания +24 VDC, при этом обеспечивается контроль целостности цепей питания.

Структурная схема МКСО показана на рис. 2.

Ris_2.png


Рис. 2. Структурная схема МКСО

Все модули, входящие в состав блоков БК, БВК и БВВ, имеют по два ввода питания +24 В с раздельными цепями 0 В. Результирующее питание формируется внутри каждого модуля с использованием схем двойного диодного «ИЛИ» (как по цепям питания, так и по цепям 0 В).

Блок коммуникационный БК

Блок коммуникационный БК обеспечивает:

  • связь с КЦ по оптоволоконной информационной шине EmiBus (дублированное оптокольцо с «самовосстановлением») посредством модулей оптического медиаконвертера MC‑002;
  • связь с блоками ввода/вывода БВВ по дублированным интерфейсам RS‑485 (протокол EmiBus) посредством модулей контроллеров сети ввода/вывода BC‑002;
  • связь с интеллектуальными датчиками и исполнительными механизмами, а также со смежными системами автоматики по интерфейсу RS‑485 (протокол Modbus RTU) посредством модулей контроллера интерфейсов CI‑002.
Структурная схема БК показана на рис. 3.

Ris_3.png

Рис. 3. Структурная схема БК

В состав БК входят сетевые модули BC‑002 и CI‑002, модули оптических медиаконвертеров MC‑002, а также каркас с направляющими для установки модулей и c кроссовой платой (с клеммниками для подключения питания и кабелей интерфейсов RS‑485).

В зависимости от количества платомест в каркасе БК имеют четыре модификации: БК‑04, БК‑08, БК‑12 и БК‑16.

Сетевые модули BC‑002 и CI‑002 имеют восьмиразрядные двоичные задатчики адреса. Таким образом, максимальное общее количество абонентов (модулей BC‑002 и CI‑002) в одной сети ввода/вывода контроллеров МКСО – не более 255 (один адрес зарезервирован как системный).

Модуль оптического медиаконвертера МС‑002

Модуль оптического медиаконвертера МС‑002 обеспечивает ретрансляцию двух световых сигналов Rx и Tx и их преобразование в один интерфейсный канал RS‑485.

В один БК устанавливаются два модуля MС‑002. По оптике они подключаются к дублированному оптокольцу, а по интерфейсу RS‑485 – к дублированным каналам модулей BC‑002 и CI‑002, также установленных в каркасе БК.

Модули оптического медиаконвертера имеют два исполнения:

  • MC‑002А (многомодовый);
  • MC‑002B (одномодовый).
Скорость передачи данных через MC‑002 – 921,6 кбит/с.

Модуль контроллера сети ввода/вывода BC‑002

Модуль BC‑002 обеспечивает:

  • связь c двумя медиаконвертерами MC‑002, установленными в БК, по двум каналам RS‑485 (протокол EmiBus, скорость 921,6 кбит/с), реализованным в кроссовой плате БК;
  • связь по одному каналу RS‑485 (протокол EmiBus, скорость 921,6 кбит/с) с блоками ввода/вывода БВВ (до 8 блоков по 16 модулей ввода/вывода).
Для опроса модулей ввода/вывода, установленных в БВВ, по основному и по резервному каналам RS‑485, в БК используются два модуля BC‑002.

Максимальное количество модулей ввода/вывода, опрашиваемых одной парой модулей ВС‑002, составляет: N = 8 × 16 = 128.

Из КЦ в модуль BC‑002 загружается массив конфигурации всех модулей ввода/вывода, подключенных к нему, а также карта опроса этих модулей. Информация, полученная от модулей ввода/вывода, считывается и сортируется в соответствии с картой опроса. В результате формируется массив дискретных входов, массив аналоговых входов и массив диа­гностики. Для управления выходами модулей вывода КЦ пересылает в модуль BC‑002 массив дискретных выходов и массив аналоговых выходов.

Таким образом, весь опрос данных и формирование управления для модулей ввода/вывода конфигурируется в КЦ.

Модуль CI‑002

Модуль контроллера интерфейсов CI‑002 устанавливается в блоке БК и предназначен для подключения к МКСО различных устройств по протоколу Modbus RTU (датчики, исполнительные механизмы, смежные системы автоматики и др.). Модуль обеспечивает связь c двумя медиаконвертерами MC‑002 по двум каналам RS‑485, реализованным на кроссовой плате БК (протокол EmiBus, скорость 921,6 кбит/с), а также связь по двум каналам RS‑485 (протокол Modbus RTU) с объектовыми интеллектуальными устройствами.

Напряжение гальванической изоляции между объектовой и системной частями модуля – не менее 4 кВ, между каналами RS‑485 одного модуля – не менее 4 кВ, между соседними модулями – не менее 4 кВ. Кроме того, каждый канал имеет встроенное устройство защиты от импульсных перенапряжений на базе защитных диодов (супрессоров).

Каждый канал может конфигурироваться на различные скорости и режимы приема-передачи. Для каждого канала загружается соответствующая карта опроса и карта управления. Данные от интеллектуальных устройств попадают во входной массив модуля, а данные из выходного массива модуля передаются в интеллектуальные устройства. Также в модуле формируется массив диагностики. Все перечисленные массивы доступны для чтения/записи из КЦ.

Блок ввода/вывода БВВ

Блок ввода/вывода БВВ предназначен для обработки входных аналоговых и дискретных сигналов и формирования выходных аналоговых и дискретных сигналов. БВВ работает под управлением дублированных контроллеров сети ввода/вывода BС‑002. Количество БВВ, подключаемых к одной паре модулей BС‑002, – не более 8.

В состав БВВ входят:

  • модули ввода/вывода;
  • каркас с кроссовой платой и направляющими для установки модулей ввода/вывода.
Кроссовая плата содержит разъемы для подключения модулей ввода/вывода, а также клеммники для подключения объектовых кабелей и установки перемычек. Кроме того, на кроссовую плату устанавливаются кодовые планки для каждого типа модуля ввода/вывода (для предотвращения неправильной установки модулей в каркас).

Ris_4.png

Рис. 4. Конструкция БВВ

Модули ввода/вывода устанавливаются в каркас в соответствии с типами входных и выходных сигналов. По дублированному интерфейсу RS‑485 (протокол EmiBus, скорость 921,6 кбит/с) они соединены с парой модулей BC‑002, установленных в БК. В один БВВ может быть установлено до 16 модулей ввода/вывода.

Каркас содержит также две маркировочные планки. Одна из них расположена в непосредственной близости от объектовых клеммников, на нее наносятся обозначения клеммных полей. Вторая планка расположена в непосредственной близости от модулей ввода/вывода, на нее наносится название функционального узла, подключенного к этим модулям (например: «Задвижка № 3», «Маслонасос № 1» и т. д.). Это существенно облегчает и упрощает монтаж, наладку и обслуживание шкафа УСО.

Конструкция БВВ показана на рис. 4.

Объектовые сигналы модулей ввода/вывода через разъем кроссовой платы соединены с соответствующими объектовыми клеммами (пружинные клеммы с возможностью подключения объектовых одножильных проводов сечением до 2,5 мм²). Для четырех объектовых сигналов модуля ввода/вывода в клеммнике кроссовой платы выделено восемь клемм (два ряда по четыре клеммы, клеммы одного ряда закорочены в кроссовой плате с соответствующими клеммами второго ряда). Это позволяет легко устанавливать перемычки в клеммнике и тем самым объединять объектовые сигналы с общим потенциалом (например, общий провод в цепях управления задвижкой). Крайний ряд клеммника кроссовой платы соединен с «землей» и используется для подключения экранов объектовых кабелей.

Таблица 1. Модификации БВВ

Tab_1.png

В кроссовой плате БВВ также реализованы разводка двух каналов питания +24 В (U1 и U2) и двух каналов RS‑485 (протокол EmiBus).

БВВ устанавливаются в шкафу УСО вертикально. Такое расположение существенно упрощает расключение объектовых кабелей на объектовые клеммники БВВ.

В БВВ возможна установка как модулей ввода/вывода общепромышленного исполнения, так и модулей ввода/вывода с искробезопасными входными цепями (для этого в кроссовой плате БВВ выделяется отдельная зона с синими объектовыми клеммниками). В зависимости от количества искробезопасных платомест в кроссовой плате имеется пять модификаций БВВ.

Возможные модификации БВВ показаны в табл. 1.

Так как в составе БВВ отсутствуют активные элементы, неисправность которых может привести к потере связи с модулями ввода/вывода всего блока, то резервирующие друг друга сигналы СА, сигналы резервирующих друг друга агрегатов вспомогательных систем, регуляторов, датчиков, сигналы от разных МНА (ПНА), пожарных шлейфов одного защищаемого объекта могут быть подключены на модули ввода/вывода, установленные в одном блоке БВВ. В таком случае вышеперечисленные сигналы должны быть разведены на разные модули ввода/вывода.

Общие технические характеристики модулей ввода/вывода

Все модули ввода/вывода, входящие в состав БВВ, имеют два ввода питания +24 В. Результирующее питание формируется внутри модуля с использованием схемы двойного диодного «ИЛИ». Модули имеют по два канала RS‑485 (протокол EmiBus, скорость 921,6 кбит/с), каждый из которых подключается к «своему» модулю BC‑002. Напряжение гальванической изоляции (импульсное воздействие) между объектовой и системной частями модулей ввода/вывода – не менее 4 кВ, между соседними модулями ввода/вывода – не менее 4 кВ, между каналами ввода или вывода одного модуля – не менее 4 кВ.

Все модули ввода/вывода имеют встроенные устройства защиты от импульсных перенапряжений. В модулях общепромышленного применения защита реализована на базе супрессоров, для искробезопасных модулей – на базе супрессоров и газовых разрядников.

Отличительной особенностью модулей ввода/вывода МКСО является полностью законченный функционал входного и/или выходного тракта. Состав и краткие технические характеристики модулей ввода/вывода приведены в Приложении.

Ris_5.png

Рис. 5. Шкаф УСО на базе контроллера МКСО

Модули ввода/вывода допускают их «горячую» замену и функционируют в режиме 'plug and play', то есть при установке их в соответствующее место БВВ они автоматически распознаются модулем BC‑002, и информация от модулей ввода/вывода начинает поступать в КЦ. Для защиты от некорректной установки модулей ввода/вывода в каркас БВВ используются специальные кодовые планки, закрепленные на модулях и в кроссовой плате БВВ, которые не позволяют произвести установку модуля, не соответствующего спецификации.

Блок внутришкафного контроля БВК

Блок БВК предназначен для контроля внутренних сигналов шкафа УСО (ввод 220 VAC, выходные напряжения блоков питания (+24 VDC), температура внутри шкафа, открывание дверей, состояние аккумуляторов, внутренняя диагностика UPS и др.). Блок БВК, как и БВВ, работает под управлением дублированных контроллеров сети ввода/вывода BС‑002 (интерфейс RS‑485, протокол EmiBus, скорость 921,6 кбит/с).

В состав БВК входят следующие модули:

  • модуль дискретного ввода Di701 (4 канала 220 VAC);
  • модуль дискретного ввода Di201 (4 канала 24 VDC);
  • модуль контроля вентиляции CV‑201 (встроенный датчик температуры, дискретный выход 220 VAC для управления включением/выключением вентиляторов шкафа);
  • модули контроллера интерфейсов CI‑202 (2‑канальный модуль RS‑485, протокол Modbus RTU).
В отличие от модулей ввода/вывода, входящих в состав БВВ, модули БВК имеют меньшее напряжение гальванической изоляции (1 кВ), большее количество каналов дискретного ввода в одном модуле, а также не имеют устройств защиты от импульсных перенапряжений. Все это существенно снижает их стоимость.

В зависимости от количества контролируемых сигналов внутри шкафа УСО БВК может иметь следующие варианты исполнения: БВК‑06, БВК‑08, БВК‑10.

Особенности конструкции шкафов УСО

Так как при использовании МКСО в шкафах УСО не требуется установка дополнительных устройств для тракта ввода/вывода объектовых сигналов, становится возможным разработка и изготовление типовых шкафов УСО.

Так как модули ввода/вывода МКСО малоканальные, аппаратная избыточность в контроллере минимальна.

Кроме того, при конструировании шкафа УСО нет необходимости закладывать «резервные» сигналы и клеммники. Необходимо оставлять лишь резервные платоместа для модулей ввода/вывода в блоках БВВ. При последующих доработках шкафов УСО (при реконструкциях и модернизациях СА) достаточно подвести новые объектовые кабели к «резервному» блоку БВВ и установить в резервные платоместа БВВ модули ввода/вывода с необходимым функционалом, а также программно переконфигурировать УСО.

Пример типового шкафа УСО (2000 × 800 × 600 мм, двухстороннего обслуживания) на базе контроллера МКСО приведен на рис. 5. В один шкаф такого габарита устанавливаются 8 блоков БВВ, то есть максимальное количество модулей ввода/вывода в шкафу – 128. Максимальное количество дискретных сигналов в шкафу – 384, что позволяет подключить к одному шкафу УСО данного габарита, например, до 32 задвижек. Максимальное количество искробезопасных аналоговых сигналов в шкафу – 128.

В шкафу УСО (2000 × 1000 × × 600 мм, двухстороннего обслуживания) можно установить 12 блоков БВВ, соответственно максимальное количество модулей ввода/вывода – 192.

Таким образом, за счет минимизации внутришкафного монтажа максимальное количество объектовых сигналов, подводимых к шкафу УСО на базе контроллеров МКСО, выше, чем при использовании традиционных конструктивных и схемотехнических решений.

Серийный выпуск контроллеров ввода/вывода серии МКСО начнется в четвертом квартале 2017 года.

Приложение. Состав и краткие технические характеристики модулей ввода/вывода МКСО

Prilozh_1_big.png

Prilozh_2_big.png

Prilozh_3_big.png

Статья опубликована в 2(68)2017 номере журнала "ИСУП"


А. А. Алексеев, к. т. н., генеральный директор,
ЗАО «ЭМИКОН», г. Москва,
тел.: +7 (499) 707-1645,
e‑mail: emicon@dol.ru,
сайт: emicon.ru