Контроллеры для автоматизации крупных промышленных объектов

     Первым  этапом разработки явился анализ существующих технических средств, в том числе  специализированных Программно Технических  Комплексов (ПТК) для ТЭС. Он показал, что многие фирмы предлагают системы на базе традиционных контроллеров, но существуют и другие ПТК, которые в полной мере учитывают ключевые требования со стороны объекта автоматизации. Примерами таких систем могут служить хорошо известные системы "TELEPERM-ME" фирмы Siemens, "PROCONTROL-P" фирмы ABB и некоторые другие.

     Знакомство  с техническим описанием этих систем подтвердило верность идеи использования  внутри контроллера коммуникационной среды, оперирующей более высокоуровневыми понятиями - такими как "сообщения", "события", "телеграммы" и т.п. Практически, коммуникационные шины внутри этих контроллеров являются детерминированными локальными сетями, но они имеют один существенный недостаток - эти шины не являются стандартными и открытыми.

     На  втором этапе анализировались существующие стандартные технологии, используемые в системах автоматизации для выбора конкретных решений по организации ввода/вывода, внутренней локальной сети, внешней коммуникации, интеграции других систем в составе контроллера и другое.

     Далее была разработана конкретная архитектура и структурная схема контроллера с описанием основных свойств на основе выбранных технических решений. После чего были разработаны необходимые модули.

     Серийное  производство модулей размещено  на предприятиях, обеспечивающих высокое качество производства электронных устройств.

     Технические решения, использованные в MIF-контроллере

     Внутренняя  последовательная шина MIF-контроллера

     По  причинам, подробно описанным выше, в качестве средств коммуникации между модулями контроллера было решено использовать последовательную шину, а точнее сказать сеть, так как она должна обеспечивать:

1. множественный доступ к среде передачи;
2. контроль ошибок при передаче;
3. стандартный электрический интерфейс к среде передачи;
4. автоматическую конфигурацию логической топологии среды передачи;
5. гарантированное время доставки сообщений;
6. соответствие какому либо из распространенных стандартов.

     Внутренняя  шина MIF-контроллера выбиралась из так  называемых "полевых" шин (сетей). При выборе анализировались следующие  стандартные сети из числа наиболее распространенных "полевых" сетей: Profibus, CAN-bus и другие.

     CAN-bus проектировался для обеспечения  взаимодействия тесно связанных  по управлению контроллеров. CAN-bus идеально подходит для задач  управления агрегатного уровня, хотя и имеет ряд ограничений: по скорости передачи (до 1Мбод), что может оказаться недостаточным для цехового уровня; по топологии сети, по протяженности (до 40 м при максимальной скорости передачи), по передаче крупных массивов информации [6].

     Profibus сегодня - стандарт номер один в автоматизации цехового уровня: имеет высокие скорости до 12Мбод; разнообразные варианты топологий, допускающей комбинации различных технологий, как на медном кабеле, так и на оптоволоконном; большую протяженность сегментов. Для задач управления на уровне агрегата, механизма и т.п. он является несколько громоздким и избыточным. Он прекрасно подходит в качестве сети более высокого "цехового" уровня для объединения контроллеров.

     В качестве внутренней шины контроллера  была выбрана шина CAN-bus. С нашей точки зрения для внутренних коммуникаций контроллера она подходит наилучшим образом [5].

     Сеть CAN-bus является одним из наиболее зрелых стандартов. Он реализован в виде специализированных СБИС более чем 20 ведущими компаниями, поддерживает разнообразные среды передачи, контролирует целостность и отсутствие ошибок при передаче/приеме сообщения без получения специального ответа от "получателя". Жесткая детерминированность протокола, динамическое распределение приоритетов, многомастерность, поддержка совместной обработки управляемой событиями, смысловая адресация сообщений и событий вместо традиционной физической адресации получателя/отправителя сетевых пакетов, все это делает его подходящим средством межмодульной коммуникации в контроллере [5].

     Итак, взаимодействие MIF-модулей внутри MIF-контроллера  осуществляется по дублированной шине CAN-bus. Конструктивно сеть CAN-bus выполнена  в MIF-контроллере на объединительной  печатной плате, в которую устанавливаются MIF-модули. Дублирование шины повышает надежность MIF-контроллера до уровня, который никогда не достижим в традиционных контроллерах - MIF-контроллер не может отказать ни при каком любом единичном отказе среды передачи контроллера.

     Решения по организации ввода/вывода

     Контроллеры в ПТК для автоматизации технологических процессов должны решать вполне определенный набор задач по вводу, т.е. преобразованию физических сигналов в цифровой код, и выводу, т.е. обратному преобразованию из цифрового кода в физический сигнал. В этот набор входят задачи ввода сигналов от термопар, термометров сопротивлений, потенциальных и токовых аналоговых сигналов и дискретных сигналов в диапазоне от 24В до 220В, а так же задачи вывода потенциальных и токовых аналоговых команд и дискретных команд в том же диапазоне. Кроме того, в ряде случаев могут возникать более нестандартные задачи ввода/вывода. Для решения этих разнообразных задач требуется набор соответствующих модулей для ввода/вывода.

     При разработке MIF-контроллера, как одна из основных, ставилась задача минимизации расходов на разработку, минимизации стоимости контроллера, унификации принятых технических решений и проектной компонуемости не только контроллера, но и входящих в него модулей.

     Для удовлетворения всех перечисленных  требований была выбрана "мезонинная" технология организации ввода/вывода, которая основана на выделении целевых функций ввода/вывода в отдельные субмодули (мезонины), устанавливаемые на модуль-носитель.

     Нами  была выбрана "мезонинная" технология ModPack, разработанная в 80-х годах  компанией PEP Modular Computers [7]. Эта технология получила широкое распространение в мире и является сегодня открытым международным стандартом. Сегодня в мире выпускается различными независимыми производителями около ста типов субмодулей в стандарте ModPack. Это означает, что на рынке средств автоматизации можно найти функциональный субмодуль для решения практически любой задачи.

     Отличительной особенностью субмодулей ModPack от других мезонинных технологий является крайне простой системный интерфейс. В  отличие от многих других мезонинных модулей, он разрабатывался специально для задач сопряжения с объектом автоматизации. В нем детально продуманы вопросы электросовместимости и электробезопасности. Использование "мезонинной" технологии сузило нашу задачу до разработки одного единственного модуля-носителя для субмодулей ModPack, удовлетворяющего всем общесистемным требованиям, упомянутым в этой статье.

     Сопряжение  с "полевым" уровнем

     Основная  часть функций сопряжения ПТК  с "полевым" уровнем (датчики, преобразователи, исполнительные механизмы и пр.) решена в субмодулях ModPack. В них реализуются функции аналого-цифрового преобразования, фильтрации, цифро-аналогового преобразования и т.п.

     Остальная часть задач сопряжения, таких  как подключение "полевых" кабельных  связей сечением до 2,5 мм2, согласование с конкретными измерительными схемами (2, 3, 4-х проводные, переход из термокомпенсационного кабеля в медный, и т.д.), дополнительные преобразования (24В в 220В и наоборот) и т.п., решается в Блоках Полевых Интерфейсов (БПИ).

     БПИ могут устанавливаться в шкафу  как отдельно, так и вместе с  крейтом контроллера. БПИ монтируются  на стандартную DIN-рейку. В верхней  части БПИ размещаются клеммы для подключения "полевых" кабелей, а в нижней - разъем для подключения  плоского 24 жильного кабеля к MIF-модулям с установленными на них субмодулями ModPack.

     Рис. 2. Типовой пример компоновки шкафа  КФУ

     Большим достоинством применения БПИ является отсутствие дополнительных шкафов пром-клеммников для подключения "полевых" кабелей, простота монтажа оборудования внутри шкафа, высокая модульность и легкость модификаций.

     Выбор элементной базы MIF-модуля

     При выборе элементной базы для MIF-модуля мы руководствовались следующим:

1. микропроцессор должен поддерживать широко распространенные операционные системы реального времени;
2. иметь встроенные средства для предотвращения зацикливания программ (watch-dog), развитая системная диагностика;
3. развитые средства отладки и тестирования;
4. поддержка инструментальных средств разработки;
5. наличие интерфейса Ethernet;
6. достаточно высокая производительность - не менее нескольких MIPs;
7. оптимальное соотношение стоимость/функциональность.

     При выборе микропроцессора, ввиду незначительной разницы в стоимости между 32-х разрядными и 8-ми разрядными микроконтроллерами в сравнение со стоимостью модуля, мы сразу исключили из рассмотрения 8-ми и 16-ти разрядные микроконтроллеры.

     Безусловным лидером на рынке 32-х разрядных  микроконтроллеров для встраиваемых систем, сегодня является компания Motorola с ее известными микроконтроллерами серий MC68300 на базе ядра CPU32, совместимого с 68000, и новыми микроконтроллерами MPC500, 800, 600 и другие на базе нового RISC-ядра PowerPC.

     Мы  остановили свой выбор на микроконтроллере MC68EN360 по следующим причинам:

1. наличие полного спектра хорошо отлаженного проверенного системного ПО реального времени и инструментальных средств разработки для микропроцессоров совместимых с 68000;
2. наличие в контроллере всех вспомогательных устройств, необходимых для встраиваемых систем (сторожевые таймеры, низкое потребления, диагностика шинных циклов и выполнения инструкций, и т.д)
3. развитые средства отладки, не доступные в других микроконтроллерах - встроенный в микроконтроллер аппаратный отладчик BDM;
4. встроенный специализированный коммуникационный со-процессор QUIC с поддержкой ряда стандартных сетевых протоколов, включая Ethernet;
5. высокая производительность до 10 MIPS;
6. невысокая стоимость.

     Рис. 3. Вид спереди крейта MIF-контроллера

     Рис. 4. Логическая структура MIF-контроллера

     Краткое описание MIF-контроллера

     MIF-контроллер состоит из двух основных подсистем - кластера MIF-модулей и сетевых шлюзов (одного или двух, в зависимости от требований по дублированию "цеховой" сети). MIF-модули объединяется в кластер внутри MIF-контроллера детерминированной локальной сетью CAN-bus. MIF-контроллер может состоять из двух крейтов, содержащих до 32 MIF-модулей. Для обеспечения взаимодействия MIF-модулей с другими контроллерами, MIF-контроллер имеет один или два сетевых шлюза в "цеховую" сеть, реализуемую на Profibus или Ethernet.

     Сетевой шлюз является абсолютно прозрачным устройством для MIF-модулей. Каждый MIF-модуль посылает в CAN сеть сообщения не заботясь и не зная о том, где находится адресат - в этом или другом MIF-контроллере. Для него все выглядит так, как будто все MIF-модули находятся в одной огромной сети CAN.

     Основная  часть сообщений не выходит за пределы MIF-контроллера, что дает фактически пропорциональный числу установленных  в системе MIF-контроллеров рост производительности коммуникационной среды.

     На  рис 3 и 4 показана структура КФУ на примере однокрейтового MIF-контроллера с "цеховой" сетью Profibus.

     Заключение

     Сформулированы  требования к системам управления крупными технологическими объектами учитывающие  технологическую структуру объекта, особенности правил его эксплуатации и ввода в действие.