УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЗАЦИИ С ПРОГРАММИРУЕМОЙ ПАМЯТЬЮ

Устройство автоматизации с программируемой памятью.
Полезная модель относится к области средств автоматизации, в частности к устройству автоматизации с программируемой памятью, которые осуществляют функции управления и автоматизации в соответствии с программой пользователя.
Известно, устройство автоматизации с программируемой памятью, , включающий взаимосвязанные между собой программируемую память для хранения программ и данных пользователя, устройство управления и систему ввода-вывода - модули устройства связи с объектом, обеспечивающую обмен сигналами между внешними устройствами датчиками и исполнительными механизмамии и устройство управления/ см. Ремизевич Т.В. Современные программируемые логические контроллеры / Политехнический словарь, М., С.Э., 1989г.,с.243././,
Известно также устройство автоматизации с программируемой памятью , включающий взаимосвязанные между собой программируемую память для хранения программ и данных пользователя, устройство управления и систему ввода-вывода - модули устройства связи с объектом, обеспечивающую обмен сигналами между внешними устройствами датчиками и исполнительными механизмамии и устройство управления./ см. Ремизевич Т.В. Современные программируемые логические контроллеры // Приводная техника. 1999. № 1-2, стр. 8-20. №3-4, стр. 6-21../
Известны также недостатки параллельной шины для межмодульного (в т. ч. и с каналами ввода-вывода УСО) внутриблочного обмена в классических ПЛК ., и, в частности, при реализации MIF-контроллера с внутриблочной шиной, построенной на базе локальной последовательной сети (интерфейс CAN-BUS). Контроллер реализован в виде двух блоков (крейтов), в которые в общей сложности устанавливается до 32 модулей УСО. При этом модули УСО являются интеллектуальными и с точки зрения функционирования почти автономными. Модули посылают в локальную сеть сообщения, не заботясь и не зная о том, где находится адресат.
При всех своих достоинствах MIF-контроллер не избавлен от недостатков. Один из них - масштабируемость. Модуль УСО, являясь функционально автономным, конструктивно таковым не является, т. е. если функциональный узел по числу каналов ввода-вывода обслуживается всего одним модулем УСО, то для его установки необходима установка всей общесистемной части: крейта, источника питания, процессорного модуля, что резко повышает стоимость всей системы управления.
Еще одним недостатком контроллера, проявляющимся в гораздо большей степени, чем в классических ПЛК с параллельной шиной, является значительное изменение времени цикла контроллера при изменении объемов информации, передаваемой по межмодульной последовательной шине. Ввод даже одного дополнительного модуля УСО в состав контроллера заметно сказывается на длительности цикла контроллера и увеличивает его время реакции. Более выраженная зависимость длительности цикла контроллера от увеличения объема передаваемой по локальной шине информации по сравнению с параллельной шиной повышает возможность неустойчивости функционирования контроллера при его аппаратной или программной модификации.
Недостатками известных контроллеров является то, что
система ввода-вывода, как правило, содержит модули УСО центрального блока (ЦБ), модули УСО блоков расширения (БР) и модули УСО станций удаленного ввода-вывода (СУВВ), при этом модули УСО ЦБ и БР унифицированы и взаимозаменяемы, а модули УСО СУВВ имеют конструкцию, отличающуюся от конструкции модулей УСО ЦБ и БР. Связь между модулями
УСО в центральном блоке, блоках расширения и станциях удаленного вводавывода осуществляется по параллельной внутриблочной магистрали (шине), а связь между ЦБ и БР (или ЦБ и СУВВ) осуществляется по параллельной шине, имеющей малую длину, либо по последовательной полевой шине (например, PROFIBUS в Sinnatic S5 и в Siniatic S7), являющейся избыточной и дорогой для внутриконтроллерного интерфейса, т.е относительно низкое качество работы.
УУ выполняется однопроцессорным (как в Simatic S5-115U, S7-200), или мультипроцессорным (как в Simatic S5-135U, S7-400) или с интегрированной панелью визуализации и обслуживания (как в Simatic С7-620).
Особенности ПЛК производителями контроллеров реализованы, как правило, только для интегрированных в ПЛК каналов ввода-вывода. Декларируемые возможности расширения каналов ввода-вывода УСО, особенно по последовательным каналам связи, например, станциями ЕТ200, не поддерживаются (как в Simatic S5) или частично поддерживаются (как в Simatic S7) ОС ПЛК и наличием в зоне отображения процесса, что приводит к тому, что конфигурирование, обработка, синхронизация обмена данными, диагностика расширения каналов ввода-вывода УСО осуществляются пользователем с помощью дополнительного программного обеспечения, что резко повышает уровень требований к квалификации пользователя и не гарантирует качества проекта.
Существенным недостатком, особенно в распределенных в пространстве системах управления, реализованных с применением БР и СУВВ, является то, что при нарушении работы канала связи, к которому подключается данное устройство, часто невозможно определить, исправно ли оно, вследствие отсутствия возможности тестирования устройства в автономном режиме на месте эксплуатации.
Ужесточение требований западных стандартов в части повышения безопасности оборудования и снижения производственных рисков привело к тому, что в модули УСО и ОС ПЛК стали вводить дополнительные функции, такие как:
-динамический контроль (в каждом цикле) исправности входных каналов, предусматривающий отключение питания входных цепей и проверку состояния входных цепей на соответствие логическому О с последующей подачей напряжения питания на входные цепи от дополнительного управляемого источника питания с проверкой состояния каналов на соответствие логической
-цифровая (программная) фильтрация данных по входным каналам с изменяемыми параметрами фильтрации;
-установка выходных каналов в заранее заданное состояние при возникновении аварийных ситуаций в устройстве управления.
Введение данных функций приводит к значительному увеличению времени цикла контроллера, а при большом количестве входов-выходов - к недопустимому увеличению, что на практике означает: эти функции полностью или частично не используются, хотя и декларируются изготовителем.
Цель полезной модели - повышение качества работы устройства автоматизации
Достигается это тем, что операционная система (ОС) реального времени выполнена с узлами жесткого режима работы - узлами тестирования ПЛК;
опроса входных переменных, предварительной обработки и записи в зоне отображения процесса (ОП) в памяти ПЛК ; обработки отображений всех переменных ПЛК в соответствии с программой пользователя с записью полученного результата - выходных переменных - в зону отображения процесса в памяти ПЛК , узла чтения выходных переменных из зоны отображения процесса и записи в порты системы ввода-вывода.
система ввода-вывода устройства автоматизации (УА) выполнена с интеллектуальными и автономными функционально и конструктивно модулями УСО (АИМУСО 1...N), которые по последовательному каналу подключены к устройству управления, а УУ УА выполнено с возможностью обработки подмножества М последовательных каналов, составляющих локальную внутриконтроллерную сеть УА. Операционная система УУ УА выполнена одновременно для двух отображений процесса: основного отображения процесса (ООП) и совокупности отображений каналов (СОК).
( -4В отличие от классического ПЛК, где все этапы цикла контроллера выполняются последовательно, цикл УУ устройства автоматизации (фиг. 2) состоит из двух основных параллельно выполняемых во времени этапов:
-первый - обработка всех переменных ООП текущего цикла в соответствии с программой пользователя с записью полученного результата выходных переменных - в ООП в памяти УУ;
-второй - запись из СОК (а именно из POI) в АИМУСО выходных переменных, установленных на первом этапе предыдущего цикла, и опрос всех входных переменных АИМУСО с записью в СОК (а именно в PII) для использования на первом этапе последующего цикла. Причем работы по второму этапу цикла выполняются параллельно (одновременно) по всем последовательным каналам (1...М) локальной внутриконтроллероной сети УД, при этом в начале каждого этапа выполняется тестирование соответствующей аппаратуры УУ. По окончании обоих этапов цикла ОС УУ проводится переключение адресов зон памяти СОК на ООП и наоборот, и цикл начинается вновь. Параллельно с основным циклом УУ АИМУСО проводят тестирования средств каналов УСО и предварительную обработку данных, освобождая ОС УУ от этих задач. При этом АИМУСО имеют возможность выполнения дополнительных функций.
Подобное построение контроллера позволяет использовать в качестве каналов связи известные простые и дешевые технические решения с достаточно низкими скоростными характеристиками, например, интерфейс токовая петля или RS485, при этом соотношение число каналов/время цикла достаточно просто оптимизировать с помощью использования дополнительных каналов связи внутриконтроллерной сети. При этом все модули УСО контроллера однотипные и их установка возможна как рядом с УУ в централизованных системах, так и на значительном расстоянии в распределенных системах. Каждый АИМУСО имеет встроенный источник питания и конструктивную автономность, а также поле обслуживания, содержащее переключатель и индикатор, обеспечивающие возможность автономного запуска теста и индикации его результата. В простейшем случае это переключатель Работа-Тест и светодиод Ошибка - вариант исполнения АИМУСО приведен на фиг. 3.
.
Устройство автоматизации с программируемой памятью ссответствует всем требованиям признаков полезной модели, а именно
Признаку новизны, поскольку операционная система (ОС) реального времени выполнена с узлами жесткого режима
Признаку наличия конструктивного элемента, поскольку операционная система (ОС) реального времени выполнена с узлами тестирования ПЛК;
Признаку взаимного расположения элемента, поскольку операционная система (ОС) реального времени выполнена с узлами жесткого режима работы - узлами тестирования ПЛК; опроса входных переменных,
Признаку наличия связи между элементами, поскольку операционная система (ОС) реального времени выполнена с узлами жесткого режима работы - узлами тестирования ПЛК;
признак формы выполнения элементов, поскольку узел обработки отображений всех переменных ПЛК в соответствии с программой пользователя с записью полученного результата - выходных переменных - в зону отображения процесса в памяти ПЛК (а именно в POI),
Признаку формы связи между элементами, поскольку узла чтения выходных переменных из зоны отображения процесса (а именно из POI)
Признаку параметров и их взаимосвязи, поскольку записи в порты системы ввода-вывода
Признаку материала, из которого выполнен элемент, поскольку ; узел опроса входных переменных выполнен с предварительной обработкой и записью в зоне отображения процесса (ОП) в памяти ПЛК (а именно в PII);
На фиг. 1 изображена структурная схема программируемого логического контроллера
На фиг. 2 - то же, функциональная схема программируемого логического контроллера.
На фиг. 3 - то же, схема автоматизации устройства интеллектуальной связи с объектом
Устройство автоматизации с программируемой памятью включает взаимосвязанные между собой элементы управления и автоматизации 1 в соответствии с программой пользователя, программируемую память 2, систему
ввода-вывода 3 и узел управления с операционной системой для обработки системы ввода-вывода 4, узел формирования отображения процесса 5 и обработки программы пользователя, при этом система ввода-вывода 3 выполнена в виде многоканальной локальной внутриконтроллерной сети с подмножеством последовательных каналов связи 6 с подключеными автономными интеллектуальными модулями 7 ввода-вывода, при этом операционная система управления 8 имеет пару отображения процесса основную 9 и совокупность отображения каналов 10 и выполнена с элементами циклического переключения - замены отображений 11 и элементами одновременной обработки последовательных каналов связи 12 системы ввода-вывода, при этом операционная система реального времени 13 выполнена с узлами жесткого режима работы - узлом тестирования 14; узлом опроса входных переменных 15, узлами предварительной обработки и записи 16 в зоне отображения процесса в памяти; обработки отображений всех переменных 17 в соответствии с программой пользователя с записью полученного результата - выходных переменных - в зону отображения процесса в памяти, узла чтения 18 выходных переменных из зоны отображения процесса и записи в порты 19 системы ввода-вывода.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Вначале подготавливают к работе взаимосвязанные между собой элементы управления и автоматизации 1 в соответствии с программой пользователя, программируемую память 2, систему ввода-вывода 3 и узел управления с операционной системой для обработки системы ввода-вывода 4, узел формирования отображения процесса 5 и обработки программы пользователя, при этом систему ввода-вывода 3 выполняют в виде многоканальной локальной внутриконтроллерной сети с подмножеством последовательных каналов связи 6 с подключеными автономными интеллектуальными модулями 7 ввода-вывода, при этом операционная система управления 8 имеет пару отображения процесса - основную 9 и совокупность отображения каналов 10 и выполняют с элементами циклического переключения - замены отображений 11 и элементами одновременной обработки последовательных каналов связи 12 системы ввода-вывода, при
этом операционную систему реального времени 13 выполняют с узлами жесткого режима работы - узлом тестирования 14; узлом опроса входных переменных 15, узлами предварительной обработки и записи 16 в зоне отображения процесса в памяти; обработки отображений всех переменных 17 в соответствии с программой пользователя с записью полученного результата - выходных переменных - в зону отображения процесса в памяти, узла чтения 18 выходных переменных из зоны отображения процесса и записи в порты 19 системы ввода-вывода и после чего цикл повторяют.
.