Для измерительных цепей с высокой чувствительностью в плохой электромагнитной обстановке лучшие результаты дает применение «плавающей» земли совместно с батарейным питанием и передачей информации по оптоволокну.

Цепи питания двигателей с импульсным управлением, двигателей сервоприводов, исполнительных устройств с ШИМ-управлением должны быть выполнены ВИТОЁ парой для уменьшения магнитного поля, а также экранированы для снижения электрической компоненты излучаемой помехи. Экран кабеля должен быть заземлен с одной стороны. Цепи подключения датчиков таких систем должны быть помещены в отдельный экран и по возможности пространственно отдалены от исполнительных устройств.

Заземление в промышленных сетях. Промышленная сеть на основе интерфейса RS-485 выполняется экранированной витой парой с обязательным применением модулей гальванической развязки. Для небольших расстояний (порядка Юм) при отсутствии поблизости источников помех экран можно не использовать. При больших расстояниях (стандарт допускает длину кабеля до 1,2 км) разность потенциалов земли в удаленных друг от друга точках может достигать несколько единиц и даже десятков вольт (см. п. 3.5.2), Поэтому, чтобы предотвратить протекание по экрану тока, выравнивающего эти потенциалы, экран кабеля нужно заземлять только в одной точке (безразлично в какой). Это также предотвратит появление замкнутого контура большой площади в цепи заземления, в котором за счет электромагнитной индукции может наводится ток большой величины при ударах молнии или коммутации мощных нагрузок. Этот ток через взаимную индуктивность наводит на центральной паре проводов э.д.с, которая может вывести из строя микросхемы драйверов порта.

Современные системы промышленной и лабораторной автоматизации позволяют решать широкий круг задач, которые можно разделить на несколько групп, имеющих свои особенности:

• автоматизация управления технологическими процессами (АСУ ТП);
• взаимодействие системы с диспетчером (оператором);
• автоматизированный контроль и измерения (мониторинг);
• обеспечение безопасности;
• дистанционное управление, измерение, сигнализация (задачи телемеханики).

История развития программных средств автоматизации показала, что все особенности отдельных применений можно учесть путем настройки нескольких универсальных программ на выполнение конкретной задачи. К таким универсальным программам относятся:

Для решения перечисленных выше задач первоначально использовались универсальные языки программирования высокого уровня и команда профессиональных программистов. Однако практика показала крайне низкую эффективность такой разработки. Оказалось, что разработка системы должна выполняться не программистами, а специалистами той предметной области, которая нуждается в автоматизации, т.е. технологами, а также системными интеграторами, которые осуществляют комплексное внедрение системы.

Необходимость в разработке средств программирования, предназначенных специально для систем автоматизации и ориентированных на технологов, была вызвана следующими причинами:

• требованием надежности программного обеспечения. Система, написанная целиком на алгоритмическом языке для конкретного заказа, содержала слишком много программного кода, на тщательную разработку и тестирование которого не хватало времени;

Языки визуального программирования появились в начале 90-х годов и содержат большое число стандартных функций и библиотек, а также готовых средств визуализации. Они позволяют создавать очень удобные и эффектные программы, однако достигается это за счет резкого увеличения объема программного кода. Поэтому языки визуального программирования, как и текстовые, по-прежнему не позволяют модифицировать алгоритмы силами технологов без участия профессиональных программистов.

Настоящую революцию в программировании систем автоматизации сделали языки графического программирования. Одним из первых в этом классе был графический язык среды Simulink, входящей в состав MATLAB (MathWorks Inc), а также языки Lab VIEW (National Instruments) и HP-VEE (Hewlett Packard). Они были предназначены и успешно использовались для сбора данных, моделирования систем автоматизации, автоматического управления, обработки собранных данных и их визуального представления в виде графиков , таблиц, звука, с помощью компьютерной анимации. Графические языки были настолько простыми и естественными, что для их освоения зачастую было достаточно метода проб и ошибок без использования учебников и консультаций. Человек, не знакомый с программированием на алгоритмических языках, пользуясь только логикой и понимая постановку прикладной задачи, мог собрать работающее приложение из готовых компонентов, набрасывая их мышкой на экран монитора и проводя графические связи для указания потоков информации.

Создание графических интерфейсов пользователя на компьютере явилось большим достижением в направлении развития средств диспетчерского управления, Главным эффектом от применения графического интерфейса является существенное снижение количества ошибок, допускаемых оператором (диспетчером) в стрессовых ситуациях при управлении производственными процессами. Проектирование пользовательского интерфейса основано на следующих принципах:

• узнаваемость: назначение элементов экрана должно быть понятно без предварительного обучения, допустимые манипуляции с этими элементами также должны быть понятны интуитивно. Пользовательский интерфейс не должен содержать излишней детализации;
• логичность: пользователь, имеющий опыт работы с одной программой, должен быть способен быстро, практически без обучения, адаптироваться к любой аналогичной программе;
• отсутствие «сюрпризов»: знакомые из прошлого опыта операции с элементами на экране должны вызывать знакомые реакции системы;

Программные средства автоматизации должны удовлетворять требованиям открытости (см, главу 1), Для этого они должны поддерживать:

• стандартные средства программирования МЭК 61131-3;
• стандарт ОРС для связи с физическими устройствами;
• стандартные сетевые протоколы Ethernet, Modbus, Profibus, CAN и др.;
• стандартный интерфейс ODBC для доступа к базам данных с языком запросов SQL;
• наиболее распространенные операционные системы (Windows ХР/СЕ, Linux);
• веб-технологию;
• обмен данными с Microsoft Office.

Перечисленные средства удовлетворяют общепризнанным ИЛИ официальным стандартам, имеются в свободной продаже, разрабатываются несколькими независимыми производителями, конкурирующими между собой (последнее не касается MS Windows и MS Office).

Связь программного обеспечения с физическими устройствами в системах автоматизации осуществляется с помощью методов DDE, OLE, COM, DC ОМ и ОРС.

Технология обмена данными между приложениями Windows с аббревиатурой DDE (Dynamical Data Exchange — динамический обмен данными) появилась в 1987 г. вместе с Windows 2.0. В промышленной автоматизации DDE использовалась для обмена данными между SCADA в качестве DDE-клиента и физическим устройством, которое поставлялось с DDE-сервером.

После появления OLE (Object Linking and Embedding — связывание и внедрение объектов) фирмы Microsoft, а позже COM (Component Object Model — модель многокомпонентных объектов) и DC ОМ (Distributed СОМ — СОМ для распределенных систем) технология DDE была полностью вытеснена этими новыми средствами, которые оказались гораздо более эффективными.

Системы автоматизации работают с большими объемами данных, которые необходимо хранить, сортировать, группировать, извлекать и представлять в виде, удобном для пользователя. Данные извлекаются с помощью языка запросов SQL (Structured Query Language — структурированный язык запросов), который стал стандартом в системах автоматизации. Наиболее распространенными системами управления базами данных (СУБД) являются Microsoft SQL Server, Wonderware Industrial SQL Server, Microsoft Access и Excel- Основными свойствами СУБД являются: наличие пользовательского интерфейса на базе языка запросов SQL; возможность одновременного обслуживания нескольких пользователей; корректность работы с данными.

Открытые системы используют обращение к СУБД через драйвер ODBC (Open Database Connectivity — подключение к открытой базе данных). ODBC используется, когда необходимо обеспечить независимость прикладной программы от типа СУБД или типа операционной системы в требуется подключиться к нескольким различным СУБД (например, одновременно к MS SQL Server, MS Excel, MS Access, Paradox и др.). При использовании нескольких ODBC-драйверов ими управляет менеджер драйверов. ODBC-драйвер транслирует стандартный SQL-запрос в формат запроса для конкретной СУБД. Таким образом, для работы с новой базой данных пользователю достаточно добавить в систему новый ODBC-драйвер, не изменяя прикладную программу.

Быстродействие ПЛК или компьютера влияет на величину динамической погрешности системы автоматизации и запас ее устойчивости при наличии обратной связи. Для улучшения этих характеристик используют быстродействующие модули ввода-вывода и компьютер (ПЛК) с высокопроизводительным процессором. Это позволяет улучшить динамические характеристики системы, однако большинство операционных систем (ОС) не могут обеспечить одно и то же время выполнения задачи при повторных ее запусках, т.е. время выполнения является случайной величиной. В некоторых случаях непредсказуемость времени исполнения задачи приводит к отказу системы.

Пусть, к примеру, автомат подсчитывает количество бутылок на конвейере. Если бутылки появляются напротив датчика с периодом 1 с, а время реакции системы на появление бутылки составляет 0,7 с, то система кажется работоспособной. Однако, если задержка является случайной величиной, то в некоторый момент времени она может оказаться больше 1 с, что приведет к появлению случайной ошибки в количестве бутылок, т.е. к отказу системы. Величина ошибки определяется статистической функцией распределения случайных задержек.

Стандарт OPC разработан международной организацией ОРС Foundation (opcfoundation.org), членами которой являются более 400 фирм, работающих в области средств автоматизации и измерительной техники. Основателями организации являются фирмы Fisher-Rosemount, Rockwell Software, Opto 22, Intel lut ion и Intuitive Technology. Первая версия стандарта OPC была выпущена в 1998 г. [594]. В совет директоров OPC Foundation в 2008 году входили представители Siemens AG, Emerson Process Management, Yokogawa, Honeywell, Rockwell Automation, ICONICS.

Главной целью стандарта ОРС явилось обеспечение возможности совместной работы (интероперабельности) средств автоматизации, функционирующих на разных аппаратных платформах, в разных промышленных сетях и производимых разными фирмами. До разработки стандарта ОРС SCADA-пакет нужно было адаптировать к каждому новому оборудованию индивидуально. Существовали длинные списки «поддерживаемого оборудования», очень сложной была техническая поддержка. При модификации оборудования нужно было вносить изменения во все драйверы, каждый из которых поддерживал протокол обмена только с одной клиентской программой. Число таких драйверов доходило до сотен.