Системы автоматизации будущего прирастать будут Ethernet

Любой контроллер образует элементы двух основных типов: устройства обработки и устройства сопряжения с объектом (УСО). Между этими типами элементов возникают три основных вида взаимодействия, один из которых определяет взаимодействие контроллерного уровня в целом с вышестоящими уровнями систем автоматизации. Таким образом, средний (контроллерный) уровень определяется реализацией основных функций и взаимодействий.

Конкретные способы решения этих задач определяют все многообразие структур контроллерного уровня систем автоматизации.

Традиционно УСО и устройства обработки реализуются в рамках одного устройства, именуемого контроллером. Как правило, УСО встраивается непосредственно в контроллер, а взаимодействие между устройствами обработки и УСО осуществляется посредством параллельной внутренней шины. В 80-е годы. с развитием сетевых технологий появилось множество сетей для систем автоматизации. Большинство из них ориентировалось на решение задачи взаимодействия устройств обработки с УСО, но в таком варианте реализации контроллеры получали новое качество - территориальную распределенность. Это новое свойство контроллеров стало настоящим прорывом в технологии построения систем автоматизации, его влияние было настолько существенным, что во многих случаях фундаментальное понятие “распределенная система” подменялось “контроллерами с распределенным вводом-выводом”, большинство которых в действительности были и остаются устройствами с централизованной обработкой данных.

 

  Рис. 1. Общая структура системы автоматизации

 

Таким образом, если посмотреть на контроллер с точки зрения обработки информации, появление распределенного УСО ровным счетом ничего не меняет и не дает. В общей структуре любой системы автоматизации (рис. 1) центральным элементом является контроллер.

Рассмотрим модель среднего уровня АСУ ТП (табл. 1). Существуют два основных типа образующих его элементов и три вида основных взаимодействий. Возникает вопрос: возможно ли реализовать все три способа взаимодействия единым образом? Мы считаем, что да, возможно. Это стандартная, чрезвычайно развитая сегодня и имеющая хорошие перспективы дальнейшего развития сеть Ethernet. Остается только реализовать УСО и устройства обработки с непосредственным подключением к этой общей информационной среде взаимодействия, т.е. организовать непосредственное взаимодействие всех элементов АСУ ТП, включая рабочие станции и серверы, через единую информационную магистраль (рис. 2). Это простое решение практически ликвидирует понятие контроллера за ненужностью. Остаются равноправные участники информационного взаимодействия на основе единой стандартной сети - УСО, устройства обработки, серверы и рабочие станции.

УСО с интерфейсом Ethernet функционально могут быть достаточно традиционны и осуществлять только первичную обработку: подключение “полевых” кабелей, электрическое сопряжение с “полевыми” сигналами, преобразование сигналов в цифровую форму, преобразование в физические величины, нормирование, проверку данных на достоверность и обмен информацией по определенному протоколу через сеть по инициативе “ведущего” устройства обработки. Применение Ethernet в сравнении с возможностями традиционных систем с распределенным вводом-выводом дает новые возможности, например, спорадическую передачу данных по инициативе УСО за счет применения стандартных широковещательных сообщений сети Ethernet. 

Прикладное программное обеспечение, реализующее алгоритмы управления процессом и обработки данных, сосредоточено в ведущем устройстве обработки или процессовой станции.

 

Архитектура на основе сети Ethernet дает ряд преимуществ:

- гибкость и масштабируемость. Система с распределенным вводом-выводом способна развиваться и расширяться пропорционально росту количества сигналов на объекте, что делает возможным поэтапное внедрение таких систем;

- соответствие структуры системы топологии объекта. Распределение элементов системы по объекту позволяет приблизить контроллеры к местам измерений для уменьшения затрат на монтаж, кабель и материалы кабельных трасс и улучшения эксплуатационных и метрологических характеристик системы;

- невысокую стоимость;

- сокращенные сроки внедрения системы; 

- возможность использования в качестве процессовых станций любых контроллеров и компьютеров вплоть до стандартных ПК, что позволяет сократить затраты заказчика.

Компания “Модульные Системы Торнадо” разработала и приступила к созданию новой серии контроллеров MIRage-N для построения архитектур на базе Ethernet. При разработке контроллеров MIRage-N специалисты компании особое внимание уделили повышению надежности, скорости опроса, доступности и простоте использования. Задача обеспечения устойчивости сетевого обмена к любому единичному отказу решается путем дублирования коммуникаций.

Распределенные контроллеры MIRage-N позволяют строить системы с высокой надежностью и производительностью. Они просты в использовании, легко интегрируются в любые системы автоматизации, не требуют программирования, поддерживают стандартные протоколы обмена.

В качестве процессовой станции может выступать любое процессорное устройство обработки или даже персональный компьютер с необходимыми интерфейсами и протоколами связи. Все процессорные устройства, выпускаемые компанией “Модульные Системы Торнадо”, основаны на самой современной элементной базе и суперскалярных RISC-процессорах последнего поколения PowerPC.

 

Версия контроллеров MIRage-N поддерживает связь с процессовыми станциями по интерфейсу Fast Ethernet с протоколом ModBus over UDP, скорость передачи - 100 Mбод. Применение Ethernet с протоколом ModBus для коммуникаций обеспечивает высокую доступность и простоту в использовании, так как этот протокол - один из самых распространенных. Возможность множественного доступа избавляет от необходимости пассивного ожидания ответа от “ведомого устройства” (УСО), что обеспечивает фиксированный цикл опроса всех устройств за время, равное времени ожидания ответа от одного устройства. В настоящей реализации это время принято равным 10 мс. 

Применение оптоволоконных технологий обеспечивает значительную протяженность сети.

Серия контроллеров MIRage-N c коммуникационным интерфейсом на базе Fast Ethernet производства компании “Модульные Системы Торнадо” представлена следующими УСО:

- считывания показаний с 8 датчиков термосопротивления (MIRage-NPT);

- считывания сигналов с 8 термопар (MIRage-NTHERM);

- измерения 16 унифицированных значений напряжений/токов (MIRage-NAI);

- ввода 32 дискретных сигналов или выдачи 32 дискретных управляющих команд (MIRage-NDIO);

- вывода 8 аналоговых команд (MIRage-NAO).

Контроллеры серии MIRage-N с дублированный сетью Fast Ethernet и скоростью передачи 100 Мбит/с целесообразно применять для приложений, требующих высоких скоростей обмена. На их основе можно создавать системы не только с территориально распределенным вводом-выводом, но и с распределенной обработкой информации. Большим достоинством этих контроллеров является то, что они не связаны жестко с какой-то одной обрабатывающей процессовой станцией, а могут находиться в одной логической сети со множеством устройств обработки (рис. 2).

Варианты наиболее эффективного применения сети Fast Ethernet для построения экономичных систем автоматизации: 

- АСУ ТП на базе ПК. Сбор и обработка данных осуществляются на ПК общего назначения. Это может быть как рабочее место оператора, так и выделенный сервер. Стоимость системы снижается за счет применения недорогих PC-совместимых компонентов.

- Многомастерная система характеризуется тем, что данные с каналов одного из устройств должны передаваться на несколько компьютеров, например, в случае использования функционально идентичных операторских станций, или когда один прибор обслуживает несколько технологических процессов, которыми управляют различные операторы.

- Пространственно распределенная система. В случае системы, узлы которой пространственно разнесены, использование Ethernet в качестве средства связи дает возможность использовать различные среды передачи, так как стандарт Ethernet предусматривает эту возможность и предлагает готовые решения для их сопряжения. Для связи на больших расстояниях можно использовать оптоволокно или беспроводную сеть Wi-Fi.

- Система с резервированием каналов связи. В устройствах серии MIRage-N применяется дублированный Ethernet-контроллер, позволяющий обеспечить резервирование каналов связи и промежуточного коммуникационного оборудования. Дублирующие сети могут повторять друг друга логически, располагаясь в разных местах, или иметь совершенно различные структуры и среды передачи данных (например, основной оптоволоконный канал и резервный беспроводной канал Wi-Fi). Каждая сеть может также иметь собственные резервирующие механизмы (например, сеть Ethernet с кольцевой структурой или более сложная, имеющая большую степень избыточности). Эти механизмы не описаны явно в стандарте Ethernet, однако их поддержка обеспечивается коммуникационным оборудованием некоторых производителей.

В зависимости от структуры и назначения системы автоматизации может меняться как архитектура системы автоматизации, так и применяемое программное обеспечение. Так, для систем автоматизации производства или отдельных цехов, скорее всего, будет оправдана разработка специализированных программных комплексов (так называемых SCADA-систем). Традиционные программные средства больше пригодны для небольших объектов. При использовании приборов серии MIRage-N для автоматизации научных исследований могут быть использованы специальные инструментальные среды, такие как LabView и др.

В пакет программного обеспечения, поставляемого с приборами серии MIRage, входят не только компоненты, необходимые для работы с приборами серии MIRage-N, но и для предоставления данных с помощью стандартных интерфейсов:

- OPC для обеспечения совместимости с большинством существующих сегодня SCADA-систем для Windows;

- DDE, также поддерживаемый многими SCADA-системами и некоторыми другими средами разработки; 

- ActiveX, используемый в большинстве современных инструментальных сред (как общего назначения, так и специальных) при разработке для Windows, а также в web- и офисных приложениях.

Также в пакет входят библиотеки LabView для использования с этой инструментальной средой и исходные C/C++ коды библиотек для работы с прибором, которые могут понадобиться при разработке приложений в средах, не поддерживающих другие интерфейсы.

Все приборы серии MIRage-N выпускаются в схожем конструктивном исполнении. Прибор (рис. 3) состоит из базовой платы-носителя (1) с сигнальными клеммниками (2), съемного субмодуля микроконтроллера (3) и съемных субмодулей нормирующих вставок (присутствуют не у всех приборов). Питание приборов MIRage-N осуществляется от линии нестабилизированного напряжения +24 В, подключаемой к разъемной колодке (4). Ключ для снятия напряжения с модуля не предусмотрен, подача и снятие напряжения осуществляются подключением и отключением кабеля питания. Также на плате-носителе размещены предохранительная вставка (5) и разъемы для подключения Ethernet-кабелей (6). Конструктив модулей предусматривает их размещение на DIN-рейке.

 

А.А. Дорошкин, ЗАО “Модульные Системы Торнадо”, г. Новосибирск,

О.В. Сердюков, А.И. Тимошин, С.А. Кулагин, ИЦ 6 ИАиЭ СО РАН, г. Новосибирск

С.Н. Фокин, Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск.

Тел./факс: (383) 339-93-52, 330-20-39

e-mail: info@tornado.nsk.ru