В качестве примера рассмотрим ПЛК NLcon-CE, продвигаемый фирмой НИЛ АП под торговой маркой «RealLab!». Контроллер построен на базе мощного (для ПЛК) процессора РХА-255 фирмы Intel и работает с удалейными модулями ввода-вывода через интерфейс RS-485 по протоколу Modbus RTXJ или DCOR

Основными отличительными характеристиками ПЛК являются следующие:

• соответствие идеологии открытых систем;
• малые габаритные размеры;
• мощный процессор;
• большая емкость памяти;
• широкий температурный диапазон (от —25 °С или от —40 до +70 *С);
• поддержка дисплея, мыши, клавиатуры.

Центральный процессор управляет ОЗУ, ЭППЗУ, ЖКИ дисплеем и внешними портами с помощью вспомогательных контроллеров ввода-вывода, исполняя ОС Windows СЕ и программу пользователя, написанную с помощью пакета CoDeSys.

Вспомогательный контроллер («компаньон*) ITE 18152 управляет двумя USB портами и контроллером Realtek, который реализует стек протоколов Ethernet. Два порта RS-485 выполнены на основе контроллера Atmegal64P с использованием двух UART процессора РХА-255.

Автоматизированные системы сбора данных в настоящее время являются общедоступным средством получения экспериментальной информации, и связано это, в первую очередь, с широким распространением персональных компьютеров. Системы сбора данных находят применение для научных исследований, управления производственными процессами, мониторинга в промышленности, медицине, метеорологии, космонавтике и других областях человеческой деятельности. Автоматизированный сбор данных позволяет получить данные нового качества, которые невозможно получить иными средствами. Это результаты статистической обработки огромного числа измерений, полученных в цифровой форме, возможность регистрации случайно появляющихся событий с недостижимой ранее разрешающей способностью по времени и амплитуде, регистрация быстроизменяющихся процессов. Благодаря резкому удешевлению систем сбора данных по сравнению со стоимостью человеческого труда появилось большое количество областей применения, где ранее использовалась ручная регистрация данных: в теплицах, элеваторах, на метеостанциях, в процессе приемо-сдаточных и сертификационных испытаний продукции, на складах, в промышленных холодильниках, при автоматизации научного эксперимента и т.п.

Основным отличием систем сбора данных от ПЛК является отсутствие в них алгоритма управления, т.е, отсутствие необходимости в мощном контроллере и языке МЭК 61131-3, а также наличие большого объема памяти для ведения архива. Хотя системы сбора данных можно построить на любом ПЛК, но в связи с указанными выше особенностями они занимают отдельный сегмент рынка и их выделяют в отдельную группу средств автоматизации.

Системы сбора данных могут применяться в реальном времени, например для мониторинга (наблюдения) различных процессов, идентификации аварийных ситуаций в технологических процессах, а также могут применяться для архивирования данных, когда их обработка отделена от процесса сбора неопределенным интервалом времени. В системах реального времени текущие данные сохраняются в течение некоторого заданного времени в кольцевом буфере, откуда устаревшие данные вытесняются вновь поступившими. В архивирующих системах используются накопители информации большой емкости и данные обрабатываются после завершения сбора.

Страниц: 1 2

Несмотря на существующие традиции применения ПЛК для решения проблем автоматизации, многие задачи гораздо эффективнее решаются с помощью персональных компьютеров вместо контроллера. Компьютер может быть использован также как пульт оператора (диспетчера) или выполнять одновременно функции контроллера и пульта оператора, В задачах автоматизации широко применяют как офисные, так и промышленные компьютеры.

Компьютер может быть превращен в полноценный контроллер, если на него установить:

• систему программирования контроллеров (например, CoDeSys или ISa-GRAF);
• электронный диск вместо обычного жесткого диска;
• платы ввода-вывода или внешние модули ввода-вывода;
• сторожевой таймер.

Электронный диск представляет собой ПЗУ, состоящее из микросхем флэш-памяти и конструктивно выполненное в виде корпуса обычного жесткого диска формата 2.5″, 3.5″ или 5.25″ со стандартными интерфейсами IDE и SCSI. Основным достоинством электронного диска является его высокая устойчивость к вибрациям, отсутствие акустического шума, высокая надежность, низкое энергопотребление, малый вес.

Платы и внешние модули ввода-вывода для компьютера выпускаются многими независимыми производителями, что стало возможным благодаря наличию стандартов на конструктивное исполнение и шины как промышленных, так и офисных компьютеров.

Наиболее типичным применением ПК в задачах автоматизации является организация рабочего места оператора (диспетчера). Компьютер здесь выполняет роль человеко-машинного интерфейса (ЧМИ). Для улучшения эргономичности и эффективности работы оператора используют SCADA-пакеты с использованием звука, анимации, высококачественной цветной графики и множеством интеллектуальных функций, облегчающих работу оператора.

Для создания ЧМИ используют мониторы с сенсорным экраном, плазменные панели, проекторы экрана компьютера на стену, трекбол, звуковые колонки, сирены, клавиатуры со степенью защиты от IP-21 до IP-67.

Трекбол аналогичен компьютерной мыши, которая перевернута шариком вверх, и имеет размер шарика от 1 до 4***6 см в диаметре- Трекбол удобен тем, что при его использовании запястье руки остается неподвижным, он не требует много места и может быть использован в условиях тряски и вибрации.

Сенсорный экран представляет собой стеклянную или пластиковую пластину, прикрепленную поверх экрана обычного монитора. Для определения координат касания экрана пальцем оператора используют в основном четыре физических принципа: поглощение пальцем энергии поверхностных акустических волн, изменение емкостного тока при касании экрана, изменение сопротивления между двумя прозрачными проводящими поверхностями при надавливании пальцем и принцип затенения инфракрасных лучей, исходящих из излучателей по периметру экрана. Наибольшее распространение получили ре-застивные и емкостные сенсорные экраны.

Промышленные компьютеры существенно отличаются от офисных по конструктивным признакам, однако используют те же микропроцессоры и архитектуру, Основными отличиями являются следующие:

• разъемы для сменных плат устанавливаются на пассивной объединительной панели, а не на материнской плате;
• для сменных плат используются надежные штырьковые разъемы;
• для смены плат не нужно раскрывать корпус;
• используются специализированные промышленные компьютерные шины CompactPCI, AdvancedTCA, COMExpress, VME, VXI и др.;
• вместо жесткого диска может быть использована флэш-память;
• наличие сторожевого таймера;
• применение вентиляторов со сменным пылеулавливающим фильтром или отсутствие вентиляторов;
• прочная несущая конструкция с надежным креплением плат пружинящими планками с винтовыми зажимами;
• применение блоков питания повышенной надежности, с защитой от х.з. по выходу и с расширенным диапазоном сетевых напряжений (от 100 до 250 В);
• резервирование блоков питания;
• наличие энергонезависимой оперативной памяти (с аккумуляторным питанием), которая сохраняет данные при сбоях или исчезновении питания;
• в одном конструктиве и на одной объединительной шине может располагаться несколько компьютерных систем;
• наличие съемной флэш-памяти;
• применение, кроме Windows, операционных систем DOS, Linux и операционных систем реального времени.

Конструктивное исполнение промышленного компьютера обеспечивает защиту от пыли, влаги, вибрации, электромагнитных наводок и облегчает техническое обслуживание. Для работы в диапазоне температур от —40 до +70 °С используется индустриальная элементная база с расширенным температурным диапазоном или, если это возможно, искусственный подогрев а принудительное охлаждение.

Страниц: 1 2

Устройства (модули) ввода-вывода являются интерфейсом между процессором ПЛК и реальным миром. В идеальном случае было бы желательно иметь в процессоре значения измеренных сигналов в любой момент времени. Однако поскольку количество каналов ввода-вывода в некоторых системах может достигать тысяч, а измерительные каналы всегда имеют ограниченную пропускную способность, измеренные значения поступают в процессор в дискретные моменты времени.

Существует несколько уровней и способов опроса множества каналов ввода, Современный модуль ввода имеет свой собственный микроконтроллер, который выполняет циклический опрос всех своих каналов и помещает полученные данные в буфер. Если по алгоритму работы системы автоматизации используются только несколько каналов модуля, то неиспользуемые каналы можно замаскировать (исключить их из процедуры опроса), если это требуется для увеличения быстродействия системы. При поступлении в модуль команды считывания значений со входов собранные данные передаются из буфера модуля в ПЛК, где помещаются в буфер ОРС сервера или в определенную область ОЗУ.

Опрос модулей может выполняться циклически с одинаковой частотой для всех модулей или с разной частотой. Второй вариант позволяет уменьшить загруженность шины, по которой выполняется обмен данными между модулями ввода и процессорным модулем.

Страниц: 1 2

Разнообразие физических явлений порождает разнообразие датчиков, для каждого из которых существует соответствующее устройство ввода. Для унификации (сокращения числа типов) модулей ввода используют устройства нормировання сигналов, которые преобразуют измеряемую физическую величину в стандартный электрический сигнал, соответствующий ГОСТ 26.011-80 и ГОСТ Р 51841-2001. Применение стандарта позволяет изготовить всего один тип универсального устройства ввода со стандартными диапазонами для всех типов датчиков со стандартными выходными сигналами. Однако для таких датчиков, как термопары, термопреобразователи сопротивления, тензорезисторы, в силу их широкой распространенности нормирующие преобразователи встраивают в сами модули ввода. Поэтому, кроме универсальных модулей ввода, получили распространение специализированные модули ввода сигналов термопар, термопреобразователей сопротивления и тензорезисторов.

Структура модулей ввода. Рассмотрим типовую структуру модулей ввода аналоговых сигналов на примере серии RealLab! фирмы НИЛ АП. Ниже приведена структура модуля NL-4RTD, однако она является типовой и на ее примере можно рассмотреть базовые принципы построения современных модулей ввода аналоговых сигналов.

Основной частью модуля ввода является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Обычно используют один АИД для ввода нескольких (обычно 8 или 16) аналоговых сигналов. Для подключения источников сигнала к АЦП используется аналоговый коммутатор на МОП-транзисторах. Ввод нескольких сигналов выполняется последовательно во времени, В случаях, когда необходим одновременный ввод, используют модули, в которых каждый канал имеет свой АНД.

Страниц: 1 2

Потенциальный вход. Потенциальные входы модулей ввода используются для измерения напряжений. Идеальный потенциальный вход имеет бесконечно большое сопротивление и нулевую емкость, поскольку при подключении к измеряемой цепи он не должен влиять на ее динамические или статические характеристики. В реальных условиях внутреннее сопротивление источника сигнала и сопротивление открытого ключа образуют делитель напряжения с входным сопротивлением на постоянном токе и емкостью в динамическом режиме. Поэтому полное входное сопротивление модуля ввода вносит методическую мультипликативную погрешность в результат измерения, которую всегда нужно оценивать, исходя из паспортных данных модуля. Типовыми значениями входных параметров являются 200 Ом, поэтому для обеспечения методической погрешности величиной 0,01 % сопротивление источника сигнала должно быть не болеем 2 кОм, Однако, поскольку указанная погрешность не зависит от напряжения источника сигнала, ее можно скомпенсировать в контролере или модуле ввода.

Сопротивления и емкость образуют фильтр низкой частоты первого порядка с постоянной времени, которая вносит также динамическую погрешность в результат измерения. Динамическая погрешность зависит от формы входного сигнала и может быть оценена по методике.

Для модулей с дифференциальными входами оценка методической погрешности делается аналогично.

Термопары являются самым распространенным средством измерения температуры в промышленности и лабораториях. Это связано с их широким температурным диапазоном (от -270 до +2500 С), обычно удовлетворительной точностью, низкой ценой, взаимозаменяемостью и высокой надежностью.

Понимание принципа действия термопары крайне важно для ее корректного применения. Термопара представляет собой два провода из различных металлов, соединенных на одном конце («рабочий конец», «горячий спай») и предназначенных для измерения температуры. Вторые концы термопары («свободные концы»t «холодный спай») соединены со средством измерения напряжения с помощью проводов из металла одного типа, например меди.

Обратим внимание, что для вычисления напряжения как холодного, так и горячего спая используется одна и та же градуировочная таблица (полином). Это становится возможным благодаря «правилу промежуточных проводов», согласно которому, если контакт двух металлов сделан через промежуточный металл (например, хонстантан и железо соединены через медь), то промежуточный металл не влияет на результирующую э.д.с, если его концы имеют одинаковую температуру. Таким образом, свободные концы термопары, соединенные с измерителем напряжения медными проводами, можно рассматривать как второй контакт между константаном и железом.

Страниц: 1 2

Основная проблема построения измерительного канала на базе термопары связана с ее малым выходным напряжением (около 50 мкВ на градус), которое гораздо меньше помех, наведенных на элементах измерительной цепи в обычных условиях. Поэтому очень важно правильно выполнить экранирование и заземление проводов, идущих от термопары к модулю ввода. Модуль ввода желательно помещать по возможности ближе к термопаре, чтобы снизить длину проводов, по которым передается аналоговый сигнал. Для снижения уровня помех с частотой 50 Гц в модулях ввода используют режекторный* фильтр. Подавление помехи нормального вида частотой 50 Гц, например, в модулях NL-8TI, составляет 121 дБ, помехи общего вида (когда источник помехи включен между закороченными входами и землей) — 140 дБ.

Важным достоинством термопар является очень низкое внутреннее сопротивление, что делает их практически нечувствительными к емкостным наводкам.

Точность термопары зависит от химического состава материала. Внешние факторы, такие, как давление, коррозия, радиация, могут изменить кристаллическую структуру или химический состав материала, что приводит к росту погрешности измерений.