Организация передачи информации на уровне «датчики – контроллер»

Введение

С усложнением технологического оборудования, внедрением новых процессов и технологий системы управления, построенные с использованием аналоговых и релейно-контакторных схем, перестали удовлетворять условиям надежности и безопасности работы технологического оборудования. Кроме того, разнообразие элементной базы значительно усложняло наладку и ремонт таких систем [1].
В настоящее время ПЛК практически вытеснили релейные схемы управления и локальные регуляторы. Быстродействие, объем оперативной памяти, развитые средства коммуникаций современных ПЛК позволили строить разнообразные системы управления и реализовать алгоритмы управления, используя только программные средства, а миниатюрность и дешевизна контроллеров позволила интегрировать их абсолютно во все процессы промышленного производства, начиная от основного процесса получения продукта и заканчивая вспомогательными (сервисными) процессами обслуживания [2].
Целью данного реферата является исследование организация передачи информации на уровне «датчики – контроллер».
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– изучить основные положения в области систем автоматического управления;
– проанализировать расположение датчиков и контроллеров в иерархии автоматической системы управления;
– исследовать способы подключения и передачи информации между датчиком и контроллером.

1 Общие положения. Уровни автоматических систем управления.
Основное назначение промышленных контроллеров - контроль состояния объекта управления и формирование управляющих воздействий на объект управления с целью компенсации отклонения хода технологического процесса от заданного. В общем виде замкнутый контур системы управления представлен на рисунке 1 [3].

Рисунок 1 – Структурная схема контура управления параметрами технологического процесса
Датчики технологического процесса используются для получения информации о параметрах технологического процесса, таких как температура, давление, уровень, вес и т.д.
Система регулирования, используя какой-либо регулирующий алгоритм, на основании информации от датчиков технологического процесса формирует управляющий сигнал, который реализуется исполнительным устройством на объекте управления.
В настоящее время большинство фирм производителей оборудования для автоматизации технологических процессов начали разрабатывать и внедрять комплексные (интегрированные) решения по автоматизации всего процесса в целом, начиная от средств получения информации и реализации управляющих воздействий - датчиков и исполнительных устройств - до средств человеко-машинного интерфейса и диспетчерского управления процессом, объединенные единой средой передачи информации. Применение единых стандартов и типовых решений в проектировании такой интегрированной системы позволяет снизить издержки на разработку, внедрение и обслуживание системы в целом, а комплексная подготовка специалистов из обслуживающего персонала позволяет сократить сроки ремонтов оборудования и его настройку на процесс.
Проекты автоматизированных систем контроля и управления для большого спектра областей применения технических средств позволяет выделить обобщенную схему их реализации, представленную на рисунке 2.

Рисунок 2 – Уровни АСУ
Представленная система АСУ имеет три уровня, каждый из которых имеют свою характеристику.
Нижний уровень представляет собой уровень оборудования. Иначе его называют уровнем входов/выходов (Input/Output-level). Сюда относятся датчики, измерительные и исполнительные устройства, которые контролируют управляемые параметры и воздействуют на параметры процесса, с целью достижения задания. На этом уровне выполняется согласование сигналов датчиков с входами устройства управления, а вырабатываемых команд с исполнительными устройствами [4]

.
Средний уровень представляет собой уровень программируемых логических контроллеров (ПЛК). Он получает информацию с контрольно-измерительного оборудования и датчиков о состоянии технологического процесса и выдает команды управления, в соответствии с запрограммированным алгоритмом управления, на исполнительные механизмы. 
Верхний уровень на крупных предприятиях представлен промышленными серверами, операторскими и диспетчерскими станциями. На данном уровне обеспечивается связь  с нижними уровнями, откуда осуществляется сбор данных, визуализациия и слежение за ходом процесса.  На этом уровне задействован человек. Он необходим для выполнения локального контроля технологического оборудования через  так называемый человеко-машинный интерфейс (HMI - Human Machine Interface). К нему относятся: мониторы, графические панели, которые устанавливаются локально на пультах управления и шкафах автоматики. Для выполнения контроля за распределенной системой машин, механизмов и агрегатов применяется SCADA (Supervisory Control And Data Acqusition - диспетчерское управление и сбор данных) система. Эта система представляет собой программное обеспечение, которое настраивается и устанавливается на диспетчерских компьютерах. Она обеспечивает сбор, архивацию, визуализацию, важнейших данных от ПЛК. При получении данных система самостоятельно сравнивает их с заданными значениями управляемых параметров (уставками) и при отклонении от задания  уведомляет оператора с помощью тревог (Alarms), позволяя ему предпринять необходимые действия. При этом система записывает все происходящее, включая действия оператора, обеспечивая контроль действий оператора в случае аварии или другой нештатной ситуации.


2 Организация передачи информации на уровне «датчики – контроллер»

Для организации промышленных сетей используется множество интерфейсов и протоколов передачи данных, например Modbus, Ethernet, CAN, HART, PROFIBUS и пр. Они необходимы для передачи данных между датчиками, контроллерами и исполнительными механизмами (ИМ); калибровки датчиков; питания датчиков и ИМ; связи нижнего и верхнего уровней АСУ ТП. Протоколы разрабатываются с учетом особенностей производства и технических систем, обеспечивая надежное соединение и высокую точность передачи данных между различными устройствами. Наряду с надежностью работы в жестких условиях все более важными требованиями в системах АСУ ТП становятся функциональные возможности, гибкость в построении, простота интеграции и обслуживания, соответствие промышленным стандартам [5].
Наиболее распространённой системой классификации сетевых протоколов является теоретическая модель OSI (Open Systems Interconnection Basic Reference Model) – базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем.

Рисунок 3 – Модель OSI
Спецификация этой модели была окончательно принята в 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (ISO). В соответствии с моделью OSI протоколы делятся на 7 уровней, расположенных друг над другом, по своему назначению — от физического (формирование и распознавание электрических или других сигналов) до прикладного (API для передачи информации приложениями).
Организацию передачи информации между датчиком и контроллером осуществляют на трёх нижних уровнях: сетевом, канальном и физическом.
На рисунке 4 представлены основные промышленные сети, позволяющие связать между собой датчики и контроллеры.


Рисунок 4 – Промышленные сети для передачи данных между датчиками и контроллером
Интерфейс ASI является коммуникационной системой, предназначенной для использования на самом нижнем уровне иерархии промышленного автоматизированного комплекса. Как правило, по интерфейсу ASI передаются сигналы от дискретных датчиков (концевые, путевые выключатели, датчики предельных значений и т.д.), однако существует и спецификация интерфейса для передачи аналоговых сигналов.
В качестве кабеля для передачи данных и напряжения питания используется плоский двухпроводной кабель