CC BY
52
УДК 681.5
Ю.П. Страшун
ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ПРОГРАММИРУЕМЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ АВТОМАТИЗАЦИИ (ПКА)
ПКА совмещают характеристики промышленного компьютера на базе ПК с возможностями управления, свойственными ПЛК. Их объединяют надежность ПЛК, вычислительная мощность и имеющиеся программные средства, а также операционная система и возможности программного обеспечения ПК. Рассмотрены технические возможности ПКА для решения задач в промышленности и, в частности, в горном деле. Разработки ПКА компании National Instruments основаны на платформе автоматизации NRIO. Последняя построена на базе реконфигурируемой FPGA и контроллера реального времени, что обеспечивает возможность работы с быстропротекающими процессами и цифровую обработку сигналов. Совокупное применение ПКА и сервоприводов обеспечивает точное управление, широкий диапазон регулирования скорости и высокую помехоустойчивость. Интегрированное управление перемещением до 16 осей по сети Ethernet/IP может быть осуществлено контроллером CompactLogix5370 L3 компании Allen-Bradley,который поддерживает кольцевую сетевую топологию. ПКА обеспечивает отказоустойчивость при потере одного сетевого соединения, позволяет заменять устройства по одному без остановки управления и сокращает число коммутаторов в системе управления. Версия CompactLogix 5370 L3 без сохранения энергии (NSE) предлагает дополнительные возможности для опасных окружающих сред в таких отраслях,как горнодобывающая и нефтегазовая промышленность.
Ключевые слова: ПКА, ПЛК, БМК, стандарт ОРС, ПО, ШД (шаговый двигатель), СД (серводвигатель).
ПКА могут работать как полноценные, комплексные вычислительные узлы в распределенной сети и в такой форме смогли размыть границу между программируемыми устройствами управления и такими функциональными устройствами, как контроллеры DCS и дистанционные терминалы RTU [1].
В 2001 г. компания ARC Advisory Group предложила термин PAC (programmable automation controller — программируемый контроллер автоматизации, ПКА) для нового класса контроллеров. Из-за широкого набора функций ПКА классификация конкретных устройств по типу ПЛК или ПКА усложнилась.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-86-93
ПКА имеют следующие особенности, которые отличают их по функционалу от типовых ПЛК:
• многоцелевая функциональность: системы непрерывного управления логикой или движением можно проектировать с помощью одной и той же аппаратной платформы;
• единая комплексная платформа разработки — информационные блоки хранятся в общей базе данных;
• один инструмент для всех задач программирования: управления логикой, движением, проектирования человеко-машинного интерфейса для нескольких систем;
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 9. С. 86-93. © Ю.П. Страшун. 2017.
• открытая модульная архитектура, позволяющая пользоваться только тем оборудованием, которое требуется разработчику.
По определению ARC, ПКА должен отвечать следующим требованиям:
• работа всей системы на одной платформе — включая логические устройства, управление перемещением, управление электрическим приводом, управление технологическими процессами;
• расширение или изменение в пределах единой платформы — единая база тэгов (обрабатываемых сигналов) и база данных для всей внедряемой системы;
• программирование с использованием программных инструментов — возможность создания/изменения управляющей программы «в процессе» работы различных механизмов и устройств;
• использование стандартов де-факто позволяет осуществлять сетевой обмен данными через различные интерфейсы и протоколы, обмениваться данными с устройствами различных производителей оборудования;
• обеспечение эффективной обработки данных и, в частности, управление технологическим процессом со скоростной обработкой каналов ввода/вывода в реальном масштабе времени.
Программируемые контроллеры автоматизации (ПКА) соответствуют открытым промышленным стандартам, имеют расширенный функционал, стандартную платформу разработки и улучшенные характеристики, а также обеспечивают упомянутую возможность создания/ изменения управляющей программы «в процессе» работы различных механизмов и устройств, что отражено на рис. 1.
На рис. 1 FPGA — field programmable gate array (программируемая вентильная матрица ПЛИС, базовый матричный кристалл БМК).
Устройство программирования согласно стандарту IEC 61131-3 является центральным устройством, обеспечивающим эксплуатационные характеристики ПКА так же, как и другие повсеместно принятые стандарты связи и открытые стандарты типа OPC. Необходимо отметить, что со встроенным сервером SQL данные могут передаваться в формате базы данных SQL непосредственно из контроллера ПКА в базу данных предприятия или в приложение MS Access для выполнения локальных функций, связанных с управлением.
Учитывая, что в докладе перспективность того или иного ПКА рассматривается в контексте возможности его использования в промышленности и, в частности,
Рис. 1. Структура ПКА
Рис. 2. Подход с использованием: процессора (а); FPGA (б)
в горном деле (для управления движением, электродвигателями и т.п.), целесообразно проанализировать разработки ПКА компании National Instruments [2], которые основаны на платформе автоматизации NRIO и, в частности, NI Compact RIO.
Платформа автоматизации NI RIO построена на базе реконфигурируемой FPGA [3] и контроллера реального времени. Основное отличие от традиционных систем это возможность работы с быстропротекающими процессами (с характерными временами до 1 мкс) и цифровая обработка сигналов в реальном времени.
Областями применения NI RIO являются задачи мониторинга и диагностики, создание систем АСУТП и регулирования, прототипирование высокоскоростных систем обработки сигналов.
Широкое применение FPGA в промышленности обусловлено тем, что она совокупно содержит лучшие компоненты ASIC (ASIC — application specific integrated circuit) и процессорные средства.
FPGA обеспечивает скорость, присущую аппаратным средствам, и надежность, но при этом не требует больших первичных затрат на дизайн по сравнению с обычными ASIC. Репрограммируемая FPGA обеспечивает ту же гибкость software, устанавливаемого в процессорных средствах, но они не ограничиваются числом доступных микропроцессорных ядер. В противовес процессорам FPGA по сути параллельны по своей природе, так что различные операции по обработке данных заканчиваются одновременно для тех же источников. Каждая независимая процессорная задача приписана к определенной секции чипа и может функционировать автономно.
На рис. 2 проиллюстрировано одно из достоинств FPGA по сравнению с процессорной системой: логика приложения работает в hardware быстрее, чем с максимальным использованием драйверов ОС и прикладного ПО.
В последние годы широко применяется гибридная архитектура, часто называемая гетерогенной архитектурой, —
это микропроцессор в паре с FPGA, которая присоединяется к I/O.
Например, компания NI реализовала гибридную архитектуру в реконфигу-рируемых I/O (RIO) устройствах.
Платформа NI RIO представлена двумя семействами:
• NI Compact RIO — модульная платформа для применения в комплексных проектах;
• NI Single-Board RIO — одноплатное решение для разработки собственных систем.
Программируемый контроллер NI CompactRIO (cRIO) представляет собой многофункциональную встраиваемую систему сбора данных и управления, разработанную для задач, требующих высокой производительности и надежности измерительных и управляющих систем.
Промышленный программируемый контроллер автоматизации cRIO-9033 с шасси для модулей [4] имеет возможность установки до 4-х модулей (с возможностью расширения) для мониторинга, управления и измерений.
На рис. 3 показана PSP-портативная игровая приставка.
Объект управления и мониторинга — технологический процесс. Способ управления — протокол Modbus, цифро-аналоговые модули, модуль для шаговых двигателей (ШИМ). Параметры мониторинга — температура, ток, напряжение, частота, мощность, положение, скорость, ускорение, регистрация аварийных состояний.
Технические возможности cRIO-9033 следующие:
• двухядерный процессор Intel Atom 1.33 GHz c OS Linux Real-Time;
• 8 Гб внутренней памяти;
• 2 Гб DDR3/ 2 Gigabit Ethernet, 2 USB Hi-Speed host, 1 USB and 2 последовательных порта;
• 4 слотовое шасси с ПЛИС Xilinx Kintex-7 160T;
• NI 9263 — модуль аналогового вывода;
• NI 9474 — модуль цифрового вывода;
• NI 9481 — релейный модуль;
• NI 9501 — модуль управления шаговыми двигателями,
Рис. 3. Технические возможности cRI0-9033
• диапазон рабочих температур от -40 до +70°С.
В самом общем виде, управление шаговым двигателем сводится к задаче отработать определенное число шагов в нужном направлении и с нужной скоростью.
На блок управления ШД (драйвер) подаются сигналы «сделать шаг» и «задать направление». Сигналы представляют собой импульсы 5 В. Такие импульсы можно получить от компьютера, например от LPT-порта, от специального контроллера управления шаговыми приводами или задавать сигналы самостоятельно от источника питания или генератора 5 В.
Как правило, работой шагового двигателя управляет электронная схема, а питание его осуществляется от источника постоянного тока. Шаговые двигатели применяют для управления частотой вращения без применения дорогого контура обратной связи.
Системы управления механизмами, как правило, включают человеко-машинный интерфейс (HMI) и систему управления реального времени. Контроллеры реального времени обеспечивают надежное и предсказуемое поведение механизмов, в то время как HMI предоставляют оператору графический интерфейс пользователя (Graphical User Interface — GUI) для наблюдения за состоянием механизма и настройки параметров его функционирования. В типичной системе управления механизмами управляющая система строится на основе ПКА. Базовые функции контроллеров включают:
• аналоговый и цифровой ввод-вывод;
• табличную память для значений ввода-вывода и переменных (Tag);
• последовательность^ автомат, который определяет поведение машины.
Базовая архитектура контроллера имеет три главных состояния (рис. 4):
• инициализация (служебная операция);
• управление (драйверы ввода-вывода и коммуникации, таблица памяти, задачи измерения и управления);
• выключение (служебная операция).
NI Single-Board RIO является одноплатной версией CompactRIO, предназначенной для приложений, где требуется конструктив несмонтированной платы. Поскольку такая архитектура физически по-другому устроена, в ней используется процессор и FPGA. NI Single-Board RIO отличается от CompactRIO тем, что подсистема ввода-вывода встроена непосредственно в плату.
Наряду с модульной платформой Ni Compact RIO имеется модульная платформа PXI [5]. Она предназначена для создания многофункциональных и высокопроизводительных автоматизированы^ измерительных систем. В основе PXI-платформы лежат стандартные компьютерные технологии: шина PCI/PCI Express, процессор и периферийные устройства.
В целом модули С-серии (I/O Modules) реализуют конечные функции ввода-вывода сигнала и данных:
• аналоговый ввод-вывод (напряжение, ток, мостовые схемы измерения);
• цифровой ввод-вывод (цифровые линии, счетчики);
• дополнительные интерфейсы и шины (CAN, RS232, Profinet и т.д.);
iИнициализация | 1 1
Управление
Выключение
>
Рис. 4. Три главных состояния базовой архитектуры контроллера
1769-L30ER 1769-L30ERM 1769-L30ER-NSE 1769-L33ER 1769-L33ERM 1769-L36ERM
Память пользователя, Мб 1 1 1 2 2 3
Задачи контроллера 32 32 32 32 32 32
Интегрированное управление перемещением 4 оси, управление по протоколу CIP, обратная связь по оси 8 осей, управление по протоколу CIP, обратная связь по оси 16 осей, управление по протоколу CIP, обратная связь по оси
Размер, мм (Ш) 55 x (В) 118 x (Г) 105
Локальные модули расширения 8 8 8 16 16 30
Локальный ввод/вывод 256 256 256 512 512 960
Карта памяти Предназначенная для промышленного применения карта памяти Secure Digital (SD) (емкость 1 или 2 ГБ)
Сервоприводы (обратная связь CIP) _ 4 _ _ 8 16
Узлы ввода/вывода в сети Ethernet 16 16 16 32 32 48
• прочие модули управления двигателями.
Далее следует кратко рассмотреть перспективные ПКА компаний Allen-Bradley и Mitsubishi Electric [6, 7] для задач в промышленности и, в частности, в горном деле.
В связи с этим важно упомянуть совокупное применение с ними сервоприводов (CD), обеспечивающих точное управление, широкий диапазон регулирования скорости и высокую помехоустойчивость.
Интегрированное управление перемещением до 16 осей по сети Ethernet/ IP может быть осуществлено контроллером CompactLogix 5370 L3 компании Allen-Bradley.
Посредством двух портов Ethernet и встроенного коммутатора Ethernet эти контроллеры поддерживают кольцевую сетевую топологию уровня физических устройств (DLR), упрощая интеграцию компонентов в систему управления и со-
кращая стоимость системы. ПКА обеспечивает отказоустойчивость при потере одного сетевого соединения; позволяет заменять устройства по одному без остановки управления; сокращает число коммутаторов Ethernet в системе управления.
Версия CompactLogix 5370 L3 без сохранения энергии (NSE) предлагает дополнительные возможности для опасных окружающих сред в таких отраслях, как горнодобывающая и нефтегазовая промышленность. Она допускает безопасную перевозку контроллера в области горных работ и из них; при выключенном питании контроллер имеет менее чем 200 мкДж остаточной энергии в каждом компоненте; обеспечивает отсутствие дуги или искры, способных вызывать взрыв в газовой среде.
Основные технические характеристики CompactLogix 5370 L3 сведены в таблицу.
Одноосевой ПКА для управления движением (перемещением) MR-MQ100
компании Mitsubishi Electric обеспечивает синхронизацию привода со всеми другими системами технологического процесса. Он может управлять работой сервоусилителя привода одноосного перемещения на высоких скоростях и с большой точностью, а также синхронизировать перемещение, используя сигнал с задающего энкодера или с виртуальной оси. Помимо позиционирования от точки к точке, контроллер может использоваться и в задачах со сложными последовательными движениями, для этого он оборудован входом для энкодера, четырьмя высокоскоростными дискретными входами, предназначенными для регистрации идентификационной метки, а также двумя дискретными выходами.
Новый компактный контроллер управления движением может работать без подключения внешнего ПЛК. Управляющий терминал, компьютер или другие контроллеры могут напрямую соединяться со встроенным портом сети Ethernet. Устройство использует электропитание
постоянного тока 24 В и соединено с сервоусилителем по высокоскоростной оптической сети Servo System Controller Network, поддерживающей скорость передачи данных до 50 Мбит/с. Такт обмена по шине равен всего 0,44 мс, а быстрая и простая установка, в сочетании с простой интеграцией в сеть, не требует сложного конфигурирования.
Полностью согласованные компоненты системы управления на базе новых контроллеров идеально подходят для самых разных задач, а наличие четырех различных по характеристикам серий серводвигателей позволяет соответствовать различным требованиям, предъявляемым установками. Все двигатели снабжены энкодерами с высокой разрешающей способностью в 18 бит, которые обеспечивают получение более чем 262 144 импульсов за оборот.
Номенклатура продукции Mitsubishi Electric позволяет осуществлять конфигурацию специализированных приводных систем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Страшун Ю.П. Технические средства автоматизации и управления. Учебное пособие. НИТУ МИСиС, № 2549. — М., 2015.
2. Технологии NI для создания встраиваемых систем и систем АСУ ТП: материалы семинара компании National Instruments — М., 2014.
3. Суменко К.Г. Возможности и преимущества использования ПЛИС в RIO-системах. Доклад на семинаре, 19 ноября 2014. — М.: МТУСИ, 2014.
4. Автоматизированная система управления технологическим процессом на платформе cRIO 9033. Материал компании National Instruments.
5. Радиоизмерительная платформа NI — функциональная гибкость и широта применений в форм-факторе PXI // Контрольно-измерительные приборы и системы. — 2011. — № 1. — С. 19—26.
6. Программируемые контроллеры автоматизации CompactLogix 5370 L3. Материал компании Allen-Bradley.
7. Новый одноосевой контроллер управления перемещением MR-MQ100. Материал компании Mitsubishi Electric. www.rivkora.ru. iFra
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
Страшун Юрий Павлович — кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected], ПАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука».
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 9, pp. 86-93.
UDC 681.5
Yu.P. Strashun
TECHNICAL CAPABILITIES OF ADVANCED PROGRAMMABLE AUTOMATION CONTROLLERS
PKA combine characteristics of industrial computer based on PC control capabilities inherent in the PLC. They combine the reliability of a PLC with the computing power and available software tools, as well as operating-system and PC software. Analyse the technical feasibility of PKA for solving problems in industry and, in particular, in mining.
Development of PKA of the National Instruments based automation platform NRIO. The latter is built on the basis of reconfigurable FPGA and real time controller that provides the ability to work with fast processes and digital signal processing.
The combined use of MSC and servos provide precise control,wide speed control range and high noise immunity. Integrated motion control up to 16 axes via Ethernet/IP can be carried out by controller CompactLogix5370 L3 by Allen-Bradley,which supports ring network topology. PKA provides fault tolerance in the loss of one network connection allows to replace devices one by one without stop control and reduces the number of switches in the control system.
Version of the CompactLogix 5370 L3 without conservation of energy (NSE) offers additional features for hazardous environments in industries such as mining, oil and gas industry.
Key words: PAC, PLC, FPGA, OPC standard, software, stepmotor, servomotor.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-86-93
AUTHOR
Strashun Yu.P., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Leading Researcher, Senior Researcher, JSC «Institute of electronic controlling machines named after I.S. Bruk», Moscow, Russia, e-mail: [email protected].
REFERENCES
1. Strashun Yu.P. Tekhnicheskie sredstva avtomatizatsii i upravleniya. Uchebnoe posobie (Technical means of automation and control. Educational aid), Moscow, 2015.
2. Tekhnologii NI dlya sozdaniya vstraivaemykh sistem i sistem ASU TP: materialy seminara kom-panii National Instruments (Materials of seminar of National Instruments company), Moscow, 2014.
3. Sumenko K.G. Vozmozhnosti i preimushchestva ispol'zovaniya PLIS v RIO-sistemakh. Doklad na seminare, 19 noyabrya 2014 (The possibilities and advantages of using the FPGA in a RIO system. Report of a workshop, November 19, 2014), Moscow, MTUSI, 2014.
4. Avtomatizirovannaya sistema upravleniya tekhnologicheskim protsessom na platforme cRIO 9033. Material kompanii National Instruments (Material of National Instruments company).
5. Radioizmeritel'naya platforma NI — funktsional'naya gibkost' i shirota primeneniy v form-faktore PXI. Kontrol'no-izmeritel'nye pribory i sistemy. 2011, no 1, pp. 19—26.
6. Programmiruemye kontrollery avtomatizatsii CompactLogix 5370 L3. Material kompanii Allen-Bradley (Material of Allen-Bradley company).
7. Novyy odnoosevoy kontroller upravleniya peremeshcheniem MR-MQ100. Material kompanii Mitsubishi Electric (Material of Mitsubishi Electric company), www.rivkora.ru.
A
