Процессорный блок промышленного программируемого контроллера

Полезная модель относится к процессорному блоку промышленного программируемого контроллера. Промышленный программируемый контроллер (далее контроллер) предназначен для измерения, контроля, регулирования, диагностики и управления производственными процессами, технологическими линиями и агрегатами средней и высокой сложности, как в системах управления технологическими процессами, так и в системах противоаварийных защит и блокировок.
Процессорный блок контроллера состоит из шасси и двух резервированных модулей центральных процессоров, закрепленных на шасси. Модуль центрального процессора (далее модуль ЦП) используется в контроллере в качестве центрального вычислительного устройства.
Стоит уточнить, что термин «соединитель» употребляется при описании прототипа и полезной модели в общем смысле и охватывает приборные розетки и/или вилки, порты, разъемы, зажимы, оптические SFP-модули и т.п.
Стоит уточнить, что термин «интерфейсный соединитель» употребляется в заявке при описании прототипа и полезной модели в отношении соединителей, предназначенных для взаимодействия абонентов по интерфейсу.
Стоит уточнить, что термин «модуль ввода-вывода» употребляется при описании аналогов и полезной модели в общем смысле и охватывает все возможные устройства связи с объектом (УСО), предназначенные для ввода в контроллер сигналов с датчиков различных типов, а также для вывода сигналов управления исполнительным устройствам, и работающие с различными типами сигналов, в том числе модули ввода и/или вывода аналоговых и/или дискретных сигналов, ввода число-импульсных и частотных сигналов и т.п.
1
2

Конструктивное выполнение модулей контроллера должно обеспечивать их нахождение в стандартных электротехнических шкафах. Известны несколько форм-факторов исполнений модулей контроллера. Одни имеют вид отдельных функциональных модулей, корпуса которых крепятся на DIN-рельс, а общение между модулями происходит по кабелям. Большое распространение имеют контроллеры, печатные платы модулей которых и объединительная печатная плата размещаются в крейте и имеют конструктив Евромеханика. В последнее время контроллеры имеют вид отдельных функциональных модулей, корпуса которых выполняют из пластика и закрепляют на шасси, при этом каждая из компаний использует свои типоразмеры, формы и конструктив модулей и шасси. Связь между модулями в таких контроллерах осуществляется по внутренней шине, находящейся на шасси. Все вышеперечисленные серии контроллеров были разработаны и в группе компаний ТЕКОН и на сегодняшний день при проектировании ПТК ТЕКОН для АСУ ТП может использоваться вся линейка контроллеров (ТЕКОНИК, МФК3000, МФК1500 на базе модуля ЦП серии CPU715), каждый из которых в наибольшей степени предназначен для решения локальных задач.
3

4

3 и 4

На страницах 1-5 брошюры «Информация о продукте. Семейство Experion I/O» и на странице 24 брошюры «Обзор контроллеров и модулей ввода-вывода Experion СЕЕ» описаны серии модулей ввода-вывода, разработанные фирмой Honeywell. Это и серии Rail I/O Series-A (RIOM-A) и Rail I/O Series-H (RIOM-H), которые предназначены для крепления на DIN-рельс. Это и серия РМ I/O (РМIO), печатные платы модулей которых и объединительная печатная плата размещаются в крейте. Это и серия Chassis I/O Series-A (СIOМ-А), корпуса модулей которых закрепляют на шасси. Это и серия "Series С", в которой каждый из корпусов модулей ввода-вывода и корпус модуля управления расположен на своей индивидуальной печатной плате. Все серии модулей фирмы Honeywell создавались в рамках создания новых контроллеров, в которых форм-фактор модуля управления соответствовал форм-фактору модулей ввода-вывода. Идея фирмы Honeywell, описанная в брошюрах, заключается в том, что при проектировании Experion Process Knowledge System (сокращенно Experion PKS) - распределенной системы управления процессом для пользователя обеспечивается возможность использовать все пять серий модулей ввода-вывода для того, чтобы выбрать решение наиболее подходящее для управления конкретным процессом. При этом в качестве центральных вычислительных устройств в Experion PKS предлагается использовать самые мощные модули управления С200 или С300. При этом с одним и тем же модулем управления могут быть использованы модули ввода-вывода разных серий, что позволяет обеспечить максимальную гибкость при минимальной стоимости системы управления.

Возможность проектирования такой гибкой системы управления Experion PKS обеспечивают следующие факторы:
- Пять полностью интегрированных серий модулей ввода-вывода разных форм-факторов и методов монтажа, при этом модули каждой серии имеют полный набор функций, характеристик и типов модулей.
- Все серии модулей ввода-вывода полностью интегрированы с модулем управления и пользовательским интерфейсом.

При этом проектирование гибкой системы управления Experion PKS обеспечивает следующие преимущества:

- Поддержка устаревших модулей ввода-вывода позволяет пользователям защищать свои инвестиции и развиваться в Experion PKS в темпе, который наиболее целесообразен для их предприятия и персонала.
- Возможность интеграции с сетями полевого уровня и протоколами интеллектуальных цифровых устройств (такими как HART, FOUNDATION Fieldbus, ProfiBus, Modbus, DeviceNet).
- Выборочно некоторые сети и модули ввода-вывода могут быть реализованы в конфигурации с резервированием, не обеспечивающей единой точки отказа.
4
5
5
5
6
В качестве прототипа для заявляемого процессорного блока программируемого контроллера выбран процессорный модуль С300 фирмы Honeywell (страница 21 брошюры), который впоследствии был назван «С300 controller» (брошюра "Experion С300 Controller"). Конструктивное выполнение процессорного модуля позволяет соединять его с модулями ввода-вывода разных серий контроллеров. Процессорный модуль С300 состоит из модуля управления серии "Series С" и его индивидуальной платы (индивидуального шасси). Все интерфейсные соединители, предназначенные для подключения модуля управления ко всем внешним устройствам, находятся только на его индивидуальной плате. Сам модуль управления не содержит интерфейсных соединителей для подключения внешних устройств. А вот прямоугольная индивидуальная плата имеет достаточно большой периметр, что позволяет разместить на ней необходимое количество разнотипных соединителей. В электротехническом шкафу индивидуальные платы располагают друг под другом. При этом на одной индивидуальной плате располагается только один модуль управления. При резервировании второй модуль управления располагается на своей индивидуальной плате, а связь между резервированными модулями управления происходит по кабелям, которые соединяют их платы. В качестве достоинств конструктивного выполнения контроллера в виде модулей серии "Series С" и их вертикального расположения в шкафу в брошюре указано, что указанный форм-фактор обеспечивает «надежную и высокодоступную платформу в элегантном стиле, которая сокращает занимаемую площадь, упрощает установку и обслуживание и обеспечивает эффективное рассеивание тепла, что увеличивает срок службы», при этом «избыточность элементов и отсутствие единой объединительной платы обеспечивает решение без единой точки отказа». Тем не менее, несмотря на все перечисленные в брошюредостоинства, если посмотреть на фотографию, расположенных в электротехническом шкафу модулей управления и модулей ввода-вывода серии "Series С" то видно, что поскольку каждый модуль расположен на своей индивидуальной плате, имеющей вид плоской пластины достаточно большого периметра, то в шкафу можно разместить небольшое количество плат с модулями. К тому же если рассмотреть примеры крепления столь широко сейчас используемого SFP-модуля (англ. Small Form-factor Pluggable) на достаточно плоской индивидуальной плате то видно, что для этого используют фирменную крышку, которой накрывают и закрепляют расположенный на плате SFP-модуль, и которую жестко крепят к плате винтом. Следовательно, конструктивное выполнение слота и расположенного в нем SFP-модуля, которое предусматривает быструю «горячую» замену SFP-модуля, в данном случае теряет свою актуальность.
Техническая проблема заключается в расширении арсенала средств промышленных программируемых контроллеров, а именно в расширении средств процессорных блоков контроллеров.
2
При создании нового мощного процессорного блока контроллера стояла задача его интеграции в ПТК ТЕКОН, в котором обеспечена возможность использовать модули ввода-вывода разных серий контроллеров, разработанных в группе компаний ТЕКОН. Для этого процессорный блок содержит достаточное количество разнотипных интерфейсных соединителей, в том числе и имеющих вид SFP-модулей, при этом конструктив процессорного блока отвечает современным требованиям эстетики, т.е. он компактный и симметричный.
Технический результат достигается тем, что процессорный блок программируемого контроллера состоит из шасси и по меньшей мере одного модуля ЦП. Модуль ЦП закреплен на шасси, для чего на передней стенке шасси имеет электрический соединитель. Шасси и каждый модуль ЦП имеют на передней стенке интерфейсные соединители.
По меньшей мере два из интерфейсных соединителей на передней стенке каждого модуля ЦП могут иметь вид SFP-модулей.
Шасси на передней стенке может иметь механический соединитель в виде защелки, предназначенный в дополнение к электрическому соединителю для присоединения модуля ЦП к шасси.
По меньшей мере два интерфейсных соединителя на передней стенке шасси предназначены для дублированных шин, предназначенных для связи с локальной секцией контроллера, в состав которой входит шасси с модулями ввода-вывода.
По меньшей мере два интерфейсных соединителя на передней стенке модуля ЦП предназначены для дублированных шин, предназначенных для связи с удаленной секцией контроллера, в состав которой входит шасси с по меньшей мере одним интерфейсным модулем и модулями ввода-вывода.
По меньшей мере два интерфейсных соединителя на передней стенке модуля ЦП предназначены для шин, предназначенных для связи Ethernet с системой верхнего уровня (далее СВУ) АСУ ТП.
По меньшей мере два интерфейсных соединителя на передней стенке модуля ЦП предназначены для межконтроллерного обмена данными.
Для последующего описания процессорного блока приведены следующие чертежи:
фиг. 1 - пример компоновки контроллера, в процессорном блоке которого один модуль ЦП;
фиг. 2 - процессорный блок контроллера с одним модулем ЦП;
фиг. 3 - процессорный блок контроллера с резервированными модулями ЦП;
фиг. 4 - процессорный блок контроллера;
фиг. 5 - процессорный блок контроллера с одним модулем ЦП с дверцей;
1
Контроллер 1 (фиг. 1) содержит процессорный блок 2 и содержит локальную (ые) секцию 3 и/или удаленную (ые) секцию 4. Процессорный блок 2 состоит из шасси 5 и первого модуля ЦП 6 серии CPU850 (фиг. 2) или расположенных на шасси 5 первого 6 и второго 7 резервированных модулей ЦП (фиг. 3). Локальная секция может состоять из по меньшей мере одного шасси 8 с модулями ввода-вывода 9. Удаленная секция 4 может состоять из по меньшей мере одного шасси 10 с одним или двумя интерфейсными модулями 11 и с модулями ввода-вывода 12. Здесь следует отметить, что и в локальной секции 3 и в удаленной секции 4 могут быть использованы модули ввода-вывода любой из серий контроллеров, разработанных в группе компаний ТЕКОН. При наличии нескольких шасси в одной секции они соединены между собой кабелями 13 расширения магистрали. Обмен данными между процессорным блоком 2 и локальной секцией 3 осуществляют по дублированным шинам 14 CAN по фирменному протоколу Unitbus. Для обмена данными между процессорным блоком 2 и локальной секцией 3 по дублированным шинам 14 может быть использована M-LVDS - технология и фирменный протокол ТМВ. Обмен данными между процессорным блоком 2 и удаленной секцией 4 осуществляется по дублированным шинам 15 сети Ethernet. Интерфейсный модуль 11 обеспечивает связь с процессорным блоком 2 по фирменному протоколу МС1500 и обеспечивает связь с модулями ввода-вывода 12 по фирменным протоколам Unitbus или ТМВ. Связь процессорного блока 2 с системой верхнего уровня АСУТП осуществляется по дублированным шинам сети Ethernet. В режиме резервирования модулей ЦП в шасси 5 устанавливается два модуля ЦП, при этом обмен данными между модулями ЦП происходит по шинам, расположенным на печатной плате шасси 5. При наличии нескольких удаленных секций 4 используются коммутаторы.
На передней стенке шасси 5 для соединения с каждым из модулей ЦП (фиг. 4) имеется по два электрических сигнальных соединителя 16 и 17, соединитель 18 для электропитания, два упора 19 и 20 и механический соединитель (защелка) 21. Также на передней стенки шасси 5 имеются две пары интерфейсных соединителей (22, 23 и 24, 25) типа 8Р8С, предназначенных для дублированных шин 14 для подключения первой и второй локальных секций 3. На передней стенке шасси 5 имеется два соединителя 26 для электропитания. Для высокой надежности шасси спроектированы максимально просто: активных элементов нет, цепи питания и шины дублированы. На передней стенке каждого модуля ЦП 6 и 7 имеется индикаторное табло 27, трехпозиционный переключатель 28 режимов работы модуля ЦП, кнопка 29 для установки настроек по умолчанию (заводских уставок) модуля ЦП (далее кнопка "DEF") и слот 30 для карты памяти SD.
На передней стенке каждого модуля ЦП имеются следующие интерфейсные соединители:
- два соединителя 31 и 32 связи RS-485 для шин, предназначенных для подключения внешних устройств (панелей операторов, частотных преобразователей, второго нерезервированного контроллера и т.п.);
- два соединителя 33 и 34 типа 8Р8С связи Ethernet 100/1000Base-T для шин, предназначенных для связи с СВУ АСУ ТП;
- два соединителя 35 и 36 типа 8Р8С связи Ethernet 100/1000Base-T для шин 15, предназначенных для подключения удаленных секций 4.
Под индикаторным табло 27 расположена дверца 37 (фиг. 5), за которой в модуле ЦП имеются два держателя (слота), предназначенных для SFP-модулей 38 и 39 связи Ethernet 100/1000Base-T или связи Ethernet 1000Base-FX. Данные соединители предназначены для межконтроллерного обмена при резервировании контроллеров или обмена данными с другими устройствами.
При работе контроллера от датчиков поступает сигнал в модули ввода локальной 3 или удаленной 4 секции, где он преобразуется в цифровой формат и в цифровом виде передается в модуль ЦП 6, где происходит его обработка и последующая передача результата обработки в модули вывода соответствующих секций контроллера. В свою очередь, модули вывода передают управляющий сигнал в исполнительные механизмы. Режим работы модуля ЦП (контроллера) определяется положением переключателя 28 на модуле ЦП и кнопкой 29 "DEF". В случае резервирования модулей ЦП режим работы контроллера определяется положением переключателей 28 на обоих модулях ЦП. Переключение режимов "MASTER" / "SLAVE" выполняется вручную переключателем 28 или автоматически. Механизм переключения режимов реализован в СПО модуля ЦП. Для переключения режимов вручную в переключатель 28 вставляется ключ, задается одно из трех положений переключателя, соответствующее указанному режиму и перезагружается модуль ЦП.
Описание режимов работы модуля ЦП без резервирования:
Режим "RUN" (Управление): выполняется прикладная программа (осуществляется управление технологическим процессом), работают все сконфигурированные службы, диагностика контроллера, служба «Plug&Play» модулей.
При резервировании модуль ЦП принимает решение о выборе состояния работы "MASTER" / "SLAVE" в зависимости от результатов диагностики. В состоянии "MASTER" происходит полное управление ресурсами контроллера (управление технологическим процессом). В состоянии "SLAVE" прикладная программа выполняется в модуле ЦП, но управление контроллером не осуществляется. При этом модуль ЦП готов к переключению в режим «MASTER» (если нет отказов).
Режим "PRG" (Конфигурирование): выполнение прикладной программы остановлено, выходы заблокированы, модуль ЦП находится в режиме конфигурирования (программирования).
Режим "DEF" (вспомогательный режим): предназначен для восстановления заводской конфигурации (например, для восстановления забытого или неправильно установленного IP-адреса).
Ручной перевод переключателя в положение "LOCK" (сокращение от Lock out - блокировка выходов) приводит к блокировке режима "MASTER", прикладная программа в модуле ЦП продолжает выполняться, но выходные сигналы управления блокированы.
Описание режимов работы контроллера при резервировании модулей ЦП приведено в Таблице.
В результате проведенных патентных исследований на патентоспособность не обнаружен аналог для процессорного блока промышленного программируемого контроллера, который бы был охарактеризован всеми идентичными существенными признаками независимого пункта формулы полезной модели.
Список литературы
1. Н.Н. Сергиенко, В.В. Скороходов. ПЛК ТЕКОН для ответственных применений // Журнал «ИСУП», №4(24) 2009.
Точный адрес статьи: https://isup.ru/articles/4/410/
2. B.C. Сережкин. Высоконадежные АСУ ТП на базе ПТК «ТЕКОН» для объектов большой и малой энергетики // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - Издательство: Общество с ограниченной ответственностью «Горная книга» (Москва). - 2014. - №5. - С. 182-189.
3. Product Information Note. Experion I/O Families.
PN-07-31 ENG December 2007 Honeywell International Inc., page 1-5
Точный адрес информации о продукте:
https://www.honeywellprocess.com/library/marketing/notes/Exp_I-O_PIN.pdf
4. Technical Information. Experion CEE-based Controllers and I/O Overview. Doc EP03-290-400Doc # EP03-290-400 Release # 400 July 2010, Version 1.0, Honeywell International Inc.
Точный адрес информации о продукте:
http://www.izoformltd.com.tr/upload/files/Kontrol_Cihazlari/2180b_EP03-CEE-IO-Ovr-R400V1-eop.pdf
5. Process Solutions. Product Information Note. Experion C300 Controller.
PN-12-49-ENG November 2012 Honeywell International Inc.
Точный адрес информации о продукте:
https://www.honeywellprocess.com/library/marketing/notes/Exp_C300_PIN.pdf
6. Honeywell launches latest DCS, 30 APR 2014.
Точный адрес статьи в журнале:
http://processengineering.co.uk/article/2018484/honeywell-launches-l
7. Experion PKS, Release 501, Control Firewall User's Guide, EPDOC-XX20-en-501B, April 2018, Honeywell International Inc, page 17.
Точный адрес информации о продукте:
https://www.nexinstrument.com/assets/images/pdf/CC-PCF901.pdf
8. Точный адрес о продукте: https://ru.wikipedia.org/wiki/SFP