На этом уровне находятся управляющие устройства – программируемые контроллеры ПЛК (PLC), промышленные компьютеры ПК (IPC), связанные с датчиками и исполнительными механизмами непосредственно линиями связи или через промышленные шины, образуя распределенную систему управления (DCS). Они используются для управления объектами технологического процесса.

устройство, предназначенное для выполнения алгоритмов управления, записанных пользователем в виде программы в память контроллера. Принцип работы ПЛК заключается в сборе и обработке данных по  программе пользователя с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства. Программируемые логические контроллеры(Рrogramable Logic Сontroller)  применяются для решения задач автоматизации от управления несложными комплексами (автоматическими линиями, сортировки, разлива, упаковки, управление насосами, управление дверьми и воротами, системы обогрева и вентиляции, системы безопасности и сигнализации и др.) до  решения задач автоматизации любой степени сложности с использованием мощных контроллеров или промышленных компьютеров объединённых в единую систему

. Промышленный ПК ( Industrial Personal Computer, IPC) предназначен для pаботы в производственных условиях в режиме реального времени, т.е. при возникновении какого-то случайного события должен незамедлительно реагировать на него, также отличается от обычного способностью длительно работать в условиях повышенной вибрации, загрязнённости, перебоев в электропитании,  в тяжелых температурных режимах. Поэтому должны иметь минимум движущихся частей, а желательно вообще обойтись без них, поэтому в последнее время жёсткие диски активно заменяются на SSD накопители, вентиляторы не применяются, и тепло отводится на наглухо закрытый корпус-радиатор, из-за чего стараются применять процессоры с минимальным TDP (thermal design power- предельно потребляемая мощность).  Должны быть снабжены устройствами сопряжения с различными периферийными устройствами ( сканеры, панели  HMI и др.), иметь сторожевой таймер (watchdog), позволяющего машине самостоятельно перезагружаться при зависании.

Управляющие контроллеры и компьютеры выпускают много таких известных мировых фирм, как SIEMENS, OMRON, MITSUBISHI, ROCWELL AUTOMATION, SNEIDER ELECTRIC, ABB и др.

Примеры приведены на Рис. 40

 

Рис. 40  Разновидности промышленных контроллеров и компьютеров.

Источник: http://old.automation-drives.ru/as/products/pc_based/ipc/

 

Структурная схема Рис. 41 показывает из каких модулей состоит контроллер и которые связаны между собой системными шинами. К клеммам входного модуля подключаются кнопки управления (''Старт'' ,''Стоп'' , ''Реверс'' и др.) и датчики измеряющие параметры в обьекте управления (температура, давление, расход и др.). Сигнал с датчика может быть бинарным (0, 1) или цифровым в виде последовательности импульсов. Если сигнал датика аналоговый, то датчик подключают через добавочный модуль или встроенный модуль, преобразующий аналоговый сигнал в цифровой- АЦП. Микропроцессорный модуль ( CPU- Central Processor Unit) состоит из микропроцессора и памяти. Процессор организует и согласует работу всех модулей контроллера, производит логические и арифметические операции над переменными, получаемыми от входного модуля и записанными в память, обеспечивает операции коммуникации контроллера с внешними устройствами через сетевой интерфейс.                                                                                                          Память контроллера секционирована, т.е разделена на области для различных переменных, что упрощает его программирование.                                                                                           К клеммам выходного модуля подключаются исполнительные механизмы ( реле, контакторы, электро- пневмо- гидроприводы, сигнальные устройства и др.)  Выходные сигналы  могут быть бинарными или цифровыми. Если для управления ИМ нужен аналоговый сигнал, то применяют цифро- аналоговый преобразователь ЦАП.

Блоки расширения подключают в том случае, если нужно увеличить число входов и выходов для управления большим числом параметров.                                                          Сетевой интерфейс  связывает контроллер, через промышленные шины,  с другими  устройствами автоматизированной системы.                                               Модем применяют при осуществлении беспроводной  дистанционной связи с внешними устройствами.                                                                                                   С помощью компьютера, который подсоединен к контроллеру через  устройство связи УС, в память контроллера записывается программа пользователя с алгоритмом, описывающим процесс управления управляемым технологическим обьектом.

 

Рис. 41 Структурная схема контроллера (рисунок автора).

Контроллер работает циклически и его рабочий цикл (цикл сканирования) разделён на фазы, которые выполняются последовательно. Пройдя все фазы, цикл повторяется и число циклов в секунду зависит от скорости процессора и длины программы. Для разных контроллеров число фаз цикла может быть разным. На Рис.42. показаны фазы для контроллера SIMATIC.

 

Рис.42. Цикл сканирования (рабочий цикл) программируемого контроллера (рисунок автора).

 

Фазы цикла сканирования:

1.Чтение входов( сигналы с датчиков):  PLC копирует состояние физических входов в регистр входов, в памяти входов формируется цифровой образ процесса.

2.Выполнение логики управления в программе пользователя: процессор выполняет команды программы и сохраняет промежуточные значения в различных областях памяти. Новые состояния выходов записываются в регистр выходов.

3.Обработка коммутационннх запросов на обмен данными: процессор выполняет все задачи, необходимые для обмена данными.

4.Самодиагностика CPU:  процессор проверяет физическое состояние блоков контроллера, напряжение в блоке памяти, время выполнения отдельных приказов, а также контролирует события, связанные с ходом выполнения кадра сканирования.

5.Запись в выходы: Значения, хранящиеся в регистре выходов образа процесса, записываются в физические выходы, обеспечивая передачу управляющих команд на исполнительные механизмы.

 

Длительность цикла сканирования зависит от скорости процессора, количества задействованых входов и выходов, от длины программы. Если смена состояния одного или нескольких входов произойдёт в течении цикла сканирования и длительность импульса с датчика, фиксирующего смену состояния датчика, будет короче цикла, то PLC может не среагировать на него. Для исключения этого, например, в контроллерах  SIMATIC  имеется функция  – ´"Регистратор импульсов"  (Pulse Catch Bits - Биты регистратора импульсов), которую можно включить в системном блоке.  Если функция "Регистратор импульсов" активизирована для некоторого входа, то изменение сигнала на этом входе фиксируется и удерживается, пока не произойдет обновление данных в следующем цикле. Таким образом время реакции контроллера (время от возникновения входного сигнала до  момента активизации выхода) не превышает длительности одного цикла сканирования.  Это поясняет Рис.43.

 

Рис.43  Работа PLC с деактивированным и активированным регистратором.

Источник: SIEMENS  SIMATIC Программируемый контроллер S7-200 Системное руководство.

 

При  контроллера учитываются его технические, эксплуатационные и потребительские характеристики. Технические и  эксплуатационные характеристики задаются техническими условиями и требованиями конкретного производства, а они являются определяющими. Выбрав по ним подходящие контроллеры, оценивают потребительские свойства, которые показывают соотношение показателей затраты/производительность/ надежность . Методика выбора контроллера по оценочным критериям приведена на Рис. 44.

Для одних потребительских свойств их увеличение (>) , а для других их уменьшение (<) является положительным, это надо учитывати при выборе, так как эффект их влияния различен, а то  и противоположен, т.е. уменьшение одного приводит к увеличению другого и, при сопоставлении, делают оптимальный выбор.

 

Рис. 44  Критерии оценки программируемых контроллеров.

Источник:  http://www.asutp.ru/?p=600073

 

Так как контроллеры непосредственно управляют технологическим процессом, то отказ в их работе может привести к нарушению хода процесса, экономическим потерям, а то и трагическим последствиям, поэтому во избежание этого, должны выполняться определённые требования по технике безопасности.

Требования к аппаратной части

1.Выдерживать условия эксплуатации (температура, влажность, запылённость, механические нагрузки). Современные  промышленные контроллеры могут работать в температурных условиях от 0 до 65 °С, при влажности до 95-98% и большой запылённости.

2.Надежность. Наработка на отказ до 10-12 лет. .   

3.Возможность полного аппаратного резервирования. Особенно для сложных производсв, где отказоустойчивость критична (химия, нефтехимия, металлургия и др.).

4.Монтаж и подключение контроллера должен быть выполнен качественно и  только квалифицированным персоналом, имеющим соответствующие допуски. Ошибки во внешних электрических цепях контроллеров, некорректный расчет устройств питания и силовых блоков, некачественное заземление, неправильно выполненная система аварийного отключения, отсутствие защиты механических узлов и прочие нарушения правил монтажа могут привести к тяжелым последствиям.

5.Возможность обеспечения бесперебойного питания  на случай выхода из строя сети питания контроллера.

6.Возможность отключения с блокировкой оборудования и программы.

Требования к программному обеспечению

7.Применять программное обеспение производителя обеспечивающее требования безопасности на данном производстве. Программа управления должна быть составлена грамотным специалистом.  Ошибки в прикладном программном обеспечении PLC способны приводить к потере синхронности работы механизмов, что может стать причиной их поломки или привести к травмам обслуживающего персонала. Правильно спроектированная система должна содержать элементы блокировки, исключающие такую возможность и выявление ошибок автоматически  должно сопровождаться переводом технологического оборудования в безопасные состояния.

 

1.Системы повышенной надежности (H-системы) - резервированные системы.Суть построения H-системы в принципе горячего резервирования с поддержкой безударного автоматического переключения на резервный базовый блок в случае отказа ведущего базового блока. В нормальном режиме  оба базовых блока находятся в активном состоянии и синхронно выполняют одну и ту же программу и синхронно формируют управляющие воздействия, но эти воздействия выдаются через модули вывода только из ведущего блока. В случае возникновения отказа все функции управления принимает на себя исправный блок контроллера.

 

Рис.45.  Резервированная система: S7-400H                                                        

Источник:  http://old.automation-drives.ru/as/products/simatic_s7/hf_systems/

Резервированные системы автоматизации (H-системы) повышают надежность функционирования системы управления и снижают вероятность остановки производства.

2.Системы повышенной безопасности (F-системы)                         Программируемые контроллеры повышенной безопасности (F-системы)    предназначены для построения систем безопасного управления, в которых возникновение отказов не влечет за собой появление опасности для жизни обслуживающего персонала и не приводит к загрязнению окружающей природной среды.                                                                          Эта система обеспечивает повышенную надежность функционирования автоматики безопасности за счёт резервирования; при возникновении отказов приводит к переводу технологического оборудования в безопасные состояния и остановке производственного процесса.    Реализация функций безопасного управления поддерживается программами безопасного управления (F- программами) центральных процессоров, а также специальными сигнальными модулями (F-модулями), позволяющими создавать различные конфигурации систем ввода-вывода.

 

Рис. 46.   S7-400F: система безопасного управления

Источник:  http://old.automation-drives.ru/as/products/simatic_s7/hf_systems/

 

Стандартные функции связи и функции F-связи между программируемым контроллером и станциями распределенного ввода-вывода ET 200M реализуются через сеть PROFIBUS-DP. Для передачи данных F-систем в сети PROFIBUS используется специальный профиль PROFISafe.

На основе программируемых контроллеров S7-400®F/FH и S7-300®Fмогут создаваться системы безопасного управления, отвечающие требованиям:

-Классов AK1 … AK6 по DIN V 19250/ DIN V VDE 0801*.

-Классов SIL 1 … SIL 3 по IEC 61508*.

-Категорий 1 … 4 по EN 954-1*.