Развитые системы управления и энергообеспечения следует строить как иерархические вычислительно-управляющие сети. Выполнение общепринятых принципов построения открытых сетевых систем придает им гибкость в аппаратном и программном плане, дает возможность наращивать эти системы с минимальными изменениями, накапливать опыт их построения и широко использовать его в новых разработках.
Основной структурной единицей сети систем энергообеспечения и управления является контроллер, получающий информацию от датчиков и средств интерфейса с оператором.
Рис. 8.2. Функциональная схема типового контроллера
АК – аналоговый контроллер
ДК – дискретный контроллер
АУ – аналоговое управление
ДК – дискретное управление
Его назначение — обработка поступающей информации и выдача управляющих воздействий для реализации совокупности возложенных на системы функций. В состав развитого контроллера входит вычислительное ядро, непосредственно обрабатывающее поступающую информацию и организующее обмен с элементами объекта управления. Поддержку вычислительному ядру при вводе и выводе информации от оператора обеспечивают человеко-машинный интерфейс и система ввода-вывода. Это может быть клавиатура, мышь, различные кнопки для ввода информации в цифровом виде, ползунки либо поворотные ручки, позволяющие вводить информацию в аналоговом представлении.
Устройство связи с объектом предоставляет вычислительному ядру услуги при обмене элементарными сигналами аналогового АК и дискретного ДК контроля с датчиками, характеризующими состояние объекта управления, и сигналами дискретного ДУ и аналогового АУ управления с преобразователями энергетических потоков. В качестве периферийных компонентов системы управления, непосредственно связанных с объектом управления, используют электромагнитное реле, включающие и выключающие различные устройства; твердотельные реле; универсальные ключи на электронных компонентах или специальные драйверы приводов.
Адаптер сети необходим для подключения контроллера в сеть. Каждый контроллер выполняет возложенные на него функции управления. Если он поддерживает скорость вращения главного привода станка, то по сети от контроллера высшего уровня он получает установку, определяющую значение этой скорости. В той же сети находятся контроллеры, ответственные за проведение других процессов, например контроллер привода подачи. Часто адаптер сети бывает конструктивно встроен в вычислительное ядро, на котором бывает несколько последовательных каналов и сетевых адаптеров.
Периферийные компоненты системы управления служат для управления энергетическими потоками, поступающими на исполнительные механизмы и другие компоненты машины, нуждающиеся в энергопитании. Обмен с ними идет, как правило, элементарными сигналами дискретного и аналогового управления. Управляют энергетическими потоками преобразователи, например, ключи — устройства, способные преобразовать информационный сигнал в энергетический поток с требуемыми параметрами.
Датчики, входящие в состав периферийных компонентов, выдают на линии связи сигналы, характеризующие состояние объекта управления. Это, как правило, элементарные сигналы аналогового и дискретного контроля.
Построение для широкого класса оборудования систем энергообеспечения и управления требует три типа контроллеров в соответствии с тремя уровнями иерархии..
1.Контроллеры верхнего уровня, или центральные, управляют отдельными машинами, производственными участками, цехами и имеют развитые сервисные возможности (вычислительные, графические, накопления информации, встраивания в локальные вычислительные сети и др.). Конструктивно они представляют собой многоплатное устройство и содержат вычислительное ядро и блок связи с объектом, ведущий информационный обмен с отдельными элементами машины. Центральный контроллер координирует работу всей системы, выдает задания на исполнение локальным и узловым контроллерам и стоит во главе системы управления.
2.Контроллеры среднего уровня, или узловые, управляют достаточно развитой подсистемой машины, командуют фрагментом управляющей сети или отдельными сложными' механизмами, когда разместить на одной плате устройство, совмещающее функции управления и энергообеспечения, не удается. От центральных они отличаются меньшими вычислительными и сервисными возможностями (как правило, отсутствие дисплея и клавиатуры, небольшие объем памяти и быстродействие и, как следствие, меньшая стоимость).
3.Контроллеры низшего уровня, или локальные, совмещают функции преобразования энергии и информации. Это контроллеры, располагаемые на периферии системы управления, встраиваемые в управляемое устройство и имеющие, как правило, одноплатную конструкцию.
Деление контроллеров на три группы несколько условно. В реальном оборудовании наличие контроллеров всех трех уровней не обязательно и одни могут успешно заменять другие. Узловые и центральные контроллеры благодаря гибкой модульной конфигурации достаточно универсальны, могут управлять широким классом технологического оборудования и поэтому выпускаются серийно. Локальные контроллеры, как правило, узко специализированы, поэтому их разрабатывают под конкретный механизм.
Имеющиеся в настоящее время различные микропроцессорные средства управления в соответствии с особенностями их построения, комплектации, использования и программирования подразделяют на несколько групп.
Локальные регуляторы управляют каким-либо исполнительным механизмом широкого применения, например нагревателем или электродвигателем (асинхронным, постоянного тока, шаговым). Часто локальный регулятор совмещает функции электропитания и управления, Программирование сводится к заданию констант и уставки пропорционально-интегрально-дифференциального закона регулирования.
В отличие от локальных регуляторов программируемые логические контроллеры не привязаны к исполнительному механизму. Конструктивно они состоят из отдельных модулей в собственных корпусах, объединенных между собой системной шиной.
Модули исполняют функции вычислительного ядра, устройств связи с объектом и коммуникационных устройств и могут комплектоваться исходя из потребностей заказчика. Для программирования логического контроллера разработаны специальные языки, закрепленные в международном стандарте МЭК 61131-3. Эти языки предоставляют программисту достаточно широкие возможности для разработки управляющих программ.
Промышленные компьютеры еще более гибко комплектуются под объект управления. Их главное отличие от логических контроллеров заключается в том, что они могут работать под управлением универсальных операционных систем и выполнять широкий круг задач общего назначения; работать в распределенных сетях с базами данных, использовать AutoCAD, Word, Excel и т. п. Главным отличием промышленного компьютера от обычного офисного является отсутствие материнской платы, которая у промышленного компьютера выполнена так же, как и платы устройства связи с объектом и подключена в какую-либо системную шину наряду с другими платами. Однако программно и аппаратно промышленный компьютер совместим с офисными компьютерами семейства PC и можно плату устройства связи с объектом поместить в офисный компьютер и работать с ней.
Средства распределенного сбора данных и управления ориентированы на применение их в системах управления станочными комплексами, занимающими большие площади. Состоят они из согласованных между собой блоков ввода-вывода, устройств аналоговой обработки информации и нормализации сигналов датчиков, а также программируемых логических контроллеров, способных выполнять функции локальных и узловых контроллеров. Все эти устройства имеют единую сеть, единые средства программирования.
Структурные схемы информационно-управляющих сетей системы управления делятся на:
а) радиальные
В этих сетях по линии связи могут «общаться» только два контроллера К1 и К2 последовательно (посылая сообщение - потом ответ) - полудуплексный режим, или одновременно в обоих направлениях - дуплексный режим.
Отдельный цикл обмена (запрос — ответ) может инициироваться либо одним из контроллеров или каждым контроллером.
б) радиально-кустовые
В этих сетях сообщение между контроллерами передается через ряд узлов, благодаря чему в отличие от радиальных сетей появляется возможность связи различных контроллеров. В таких сетях также возможен дуплексный режим связи и централизованное либо децентрализованное управление.
г) кольцевые
В кольцевых сетях все контроллеры замкнуты в кольцо и сообщение последовательно проходит по сети от одного к другому. Здесь также возможен дуплексный режим связи и централизованное или децентрализованное управление.
д) магистральные
В магистральных сетях все контроллеры подсоединены к одной линии связи. В этих сетях, как правило, дуплексный режим невозможен, но управление может быть как централизованным, так и децентрализованным (сети с произвольным доступом).
Каждый способ организации сети обладает своими преимуществами и недостатками. Наличие многих решений свидетельствует об отсутствии наилучшего для различных условий применения. Радиальные сети наиболее просты. Практически каждый контроллер обладает хотя бы одним портом последовательного канала. Но такие сети не дают возможности выбора абонентов. Радиально-кустовые сети обеспечивают возможность выбора, но требуют наличия в контроллерах нескольких портов последовательных каналов либо применения специальных маршрутизаторов. Кольцевые сети часто применяют в системах, объединяющих большое количество одинаковых устройств, но выход из строя одного из контроллеров, если не приняты специальные меры, ведет к разрыву сети. Магистральные сети гибки с точки зрения выбора абонента, способны «на лету» проводить подключение и отключение абонентов, но протоколы работы таких сетей сложнее. Реальные управляющие сети представляют собой комбинации описанных здесь способов соединения и организации обмена.