Процессоры и сети в DCS-системах

Компоненты станции управления KFCS монтируются в специальном шкафу или в стойках. Станция управления поддерживает до 10 блоков ввода/вывода (до 8 модулей ввода/вывода в каждом блоке).

Компоновка специального шкафа станции управления KFCS: передняя часть - блок управления FCU и 5 блоков ввода/вывода; задняя часть - 5 блоков ввода/вывода.

Пример монтажа блоков на передней части специального шкафа показан на рисунке справа.

· Станции LFCS адаптированы для систем управления с большим количеством ввода/вывода.

В станции управления LFCS с подключенными устройствами через шину RIO реализовано резервирование центрального процессора. Возможно также резервирование шины RIO и различные варианты монтажа в шкафу или на стойке. В варианте с резервированием блока управления резервирование имеют процессорная плата, блок питания, аккумуляторный блок и интерфейсный модуль шины RIO.

Узлы блоков ввода/вывода, подключаемые к блоку управления с помощью шины RIO, не обязательно должны находиться в шкафу станции управления. При удалении блоков ввода/вывода от станции на расстояние до 750 м используется экранированная витая пара. Применение повторителей шины и оптоволоконной связи увеличивает расстояние до 20 км, причем повторители и оптоволоконные линии можно чередовать до четырех раз.

Ø Основными компонентами системы PlantScape (Honeywell) являются:

- гибридный контроллер для дискретного управления и управления

интегрированным процессом;

- функциональный сервер;

- операторский интерфейс (HMI);

- программное обеспечение сервера и контроллеров;

- сети управления ControlNet.

Компоненты системы PlantScape были разработаны так, чтобы функционировать как единая высоко оптимизированная система, обеспечивая выполнение таких функций и такую эффективность, которые обычно недоступны для систем со слабой взаимосвязью человеко-машинного интерфейса (HMI) и программируемых логических контроллеров (PLC).

Процессоры системы поддерживают до 64 модулей ввода/вывода независимо от плотности модулей. Максимальное количество аналоговых модулей - 32. Модули ввода/вывода могут быть размещены как локально, так и удаленно.

Архитектура системы PlantScape представлена на рис.2.

Рис. 2. Архитектура системы PlantScape.

Взаимодействие компонентов системы на уровне управленияосуществляется с помощьюоткрытой сети ControlNet, котораяобеспечивает связь контроллеров с сервером, контроллеров между собой и контроллеров с вводом/выводом. По этой сети сервер получает данные из контроллеров для обновления дисплеев, осуществляет сбор исторических данных и информации об алармах. ПО Control Builder пользуется этой сетью для загрузки и мониторинга алгоритмов управления.

Пропускная способность сети ControlNet с учетом резервирования составляет 5 Мбит/с и характеризуется возможностью детерминированной передачи данных. С физической точки зрения средства передачи данных представляют собой коаксиальный кабель с поддержанием шинной топологии типа «магистрали с ответвлениями». Максимальная длина кабеля с медным покрытием сегмента сети составляет 1 км (максимальная длина зависит от количества разветвителей). Установка промежуточных повторителей, количество которых может достигать 5, позволяет использовать кабель с медным покрытием длиной до 6 км. Использование дополнительных волоконно-оптических удлинителей ControlNet позволяет увеличить длину сети до 22 км. Каждый сегмент супервизорной/равноправной сети поддерживает до 6 контроллеров без резервирования или до 5 контроллеров с резервированием. Каждый управляющий процессор может объединять до 8 шасси ввода/вывода через сеть ввода/вывода.

Система PlantScape может быть интегрирована с контроллерами различных фирм-производителей. Это взаимодействие может быть реализовано двумя путями: через сеть ControlNet и непосредственно через сервер.

Для того, чтобы устройства могли связываться друг с другом через сеть ControlNet, требуется использовать протокол, понятный обоим устройствам. На сегодняшний день такими протоколами являются ControlNet и DH+, поддерживаемые некоторыми устройствами фирмы Allen-Bradley. К ним относятся PLC-5/C, и ControlLogix5550, поддерживающие сеть ControlNet, а также PLC-5 на DH+.

Кроме того, система PlantScape имеет встроенную коммуникацию Foundation Fieldbus (FF H1), поддерживаемую сервером.

Ø Архитектура I/A Series (Foxboro) долгие годы была основана на концепции узла (Node), который являлся базовым элементом построения систем управления технологическими процессами. В соответствии с такой архитектурой каждый узел системы работает независимо и выполняет все функции, связанные с автоматизацией процесса. Он может быть связан с другими узлами Foxboro или устройствами других фирм через совместимые сети.

Узел состоит из набора модулей двух типов – процессорных модулей и модулей ввода/вывода, которые объединены между собой посредством шины узла Nodebus. Узел представляет собой промышленный шкаф с набором модулей, соединенных с рабочими станциями (операторскими и инженерными) и полевыми устройствами.

Типичная система управления I/A Series, включающая один узел, приведена на рис. 3.

В системе имелось четыре типа процессорных модулей:

- прикладные процессоры (AP) – компьютеры, обычно подключаемые к запоминающим устройствам большой емкости для передачи данных в обоих направлениях;

- процессоры рабочих станций (WP, AW) – компьютеры, к которым подключаются видеомониторы, клавиатура и другие устройства рабочих станций;

- процессоры связи - интерфейсы и шлюзы для обеспечения взаимодействия компонентов системы управления через локальные сети, распределенные сети, устройства RS-232/RS-485;

- управляющие процессоры (CP), к которым подключаются модули ввода/вывода полевой шины.

Рис. 3. Система управления на базе одного узла.

Примечание. Разделение по функциям рабочих станций объясняется низкой производительностью процессоров персональных компьютеров того времени. Функции операторского интерфейса выполняли рабочие станции WP, функции конфигурирования управляющих процессоров – рабочие станции AW, функции работы с файлами, устройствами памяти, функции управления оборудованием, хранения конфигурации системы - рабочие станции AP. Набор компонентов узла, представленный на рис. 3, не является обязательным и определяется конфигурацией системы.

На ранних этапах развития системы I/A Series в качестве модулей ввода/выводаиспользовались модули FBM (FBM1, FBM2…) монтируемые в каркасах и шкафах. К ним подсоединялись датчики технологических параметров и исполнительные устройства.

При использовании удаленного ввода/вывода связь с управляющими процессорами обеспечивалась изоляторами полевой шины FBI. Изолятор полевой шины применялся для обеспечения гальванической развязки и уменьшения цифрового взаимовлияния удаленной полевой шины и системы ввода/вывода. Изоляторы устанавливались в каркасы для монтажа модулей ввода/вывода.

Управляющие процессоры (CP - Control Processors) – ядро системы I/A Series - обеспечивают обработку полевых сигналов с модулей FBM. Управляющий процессор содержит в памяти базу данных и алгоритмы управления процессом, и в соответствии с ними происходит обработка сигналов. Управляющие процессоры обладают большой производительностью, что позволяет осуществлять операции с плавающей точкой и реализовывать сложные алгоритмы управления. Первым управляющим процессором был CP10. Затем широкое распространение получили более производительные CP30 и CP40 и их модификации CP30В и CP40В.

Локальная сеть I/A Series Carrierband обеспечивает удаленный обмен данными между узлами системы управления.

С развитием цифровой техники совершенствовалась и I/A Series. Деление рабочих станций на WP (операторские) и AW (инжиниринговые) стало условным. Отпала необходимость выделять прикладные станции AP в связи с возросшей производительностью персональных компьютеров. На смену изоляторам FBI пришли коммуникационные модули FCM, на смену связным процессорам – специальные модули системных интеграторов. Постепенно возрастала производительность и управляющих процессоров. В конце 90-х годов появились управляющие процессорыСР60. Была разработана новая серия модулей - FBM200, которые взаимодействовали с управляющим процессором через коммуникационные модули FCM.

Первоначально система I/A Series работала на компьютерах под управлением Unix-подобной операционной системы (Solaris) и, соответственно, всё программное обеспечение было написано под Unix.

Появление популярной операционной системы Microsoft Windows NT стимулировало выпуск очередной версии I/A Series – шестой.

Архитектура I/A Series шестой версии приведена на рис. 4.

Рис.4. Архитектура I/A Series шестой версии.

Резервированная шина Nodebus объединяет все станции системы, обеспечивая обмен информацией между ними. Шина располагается в процессорных корзинах для управляющих процессоров и интерфейсных модулей. Можно последовательно соединить 4 корзины. Для более крупных конфигураций используются расширители шины Nodebus – усилители-повторители сигнала.

Интерфейсные модули применяются для подключения рабочих станций к шине Nodebus. Применяются два типа интерфейсных модулей:

- модуль DNBT (ранняя версия);

- модули RCNI/NCNI (новая версия).

Модуль DNBT устанавливается в процессорную корзину и обеспечивает интерфейс между рабочей станцией и шиной Nodebus. На каждую станцию требуется свой коммуникационный модуль. Максимальная длина кабеля между рабочей станцией и DNBT (CP) составляет 150м, скорость передачи данных 10Мбит/сек.

Модули NCNI/RCNI обеспечивают более гибкое построение системы. Модуль NCNI располагается в процессорной корзине. Он соединён с шиной Nodebus и модулем RCNI (рис. 4). Модуль RCNI соединён непосредственно с рабочей станцией. Применение модулей RCNI/NCNI более предпочтительно по следующим причинам:

- расстояние между рабочей станции и CP может достигать 2 км, так как между RCNI и NCNI может быть установлено оптоволоконное расширение;

- скорость обмена данными с рабочей станцией может выбираться 10 - 100 Мб/сек;

- можно подключать несколько RCNI к одному NCNI при помощи коммутаторов, т.е. использование одного установочного места в процессорной корзине дает возможность подключить несколько рабочих станций (их количество определяется возможностями коммутатора и свободными IP-адресами).

В одной системе управления можно использовать одновременно оба типа модулей.

Подсистема ввода/вывода состоит из модулей FBM200 и коммуникационных модулей FCM. Данные модули устанавливаются на базовых платах, внутри которых находится шина Fieldbus. Связь между FBM и FCM реализуется по протоколу HDLC со скоростью 2Мб/сек. Модули FCM преобразуют пакеты HDLC в пакеты Ethernet 10Мб/сек для взаимодействия с управляющими процессорами. К одному управляющему процессору можно подключить через коммутатор до 6 коммуникационных модулей FCM.

В 2004 году появилась восьмая версия системы I/A Series, принципиально отличающаяся от прежних версий. В восьмой версии реализован совершенно другой принцип построения сети управления, маршрутизации, передачи данных, а также представлено новое поколение управляющих процессоров.

Упрощенная архитектура I/A Series восьмой версии представлена на рис.5.

Рис. 5. Архитектура I/A Series восьмой версии.

В этой версии центральным компонентом системы является сеть управления Mesh, которая соединяет управляющие процессоры, рабочие станции и подсистемы ввода/вывода в сеть 100Мб/1Гб. Сеть управления Mesh представляет собой коммутируемую сеть Fast Ethernet, основанную на стандартах IEEE 802.3u (Fast Ethernet) и IEEE 802.3z (Gigabit Ethernet). Сеть состоит из коммутаторов Ethernet, образующих определенную топологию.

Резервированная сеть управления Mesh предоставляет многочисленные каналы связи между любыми двумя устройствами сети, что обеспечивает высокую надёжность.

Устройствами системы, подключаемыми к коммутаторам, являются:

- рабочие станции, подключаемые к коммутаторам без использования интерфейсных модулей;

- управляющие процессоры FCP270, напрямую взаимодействующие с подсистемами ввода/вывода;

- управляющие процессоры ZCP270, взаимодействующие с подсистемами ввода/вывода через коммуникационный модуль FCM100Et.

В настоящее время системы I/A Series 6-7 и 8 версий несовместимы. Но разрабатывается модуль, который позволит включать в 8 версию системы сегменты, выполненные на шине Nodebus.

Рабочие станции обеспечивают интерфейс между системой и человеком для управления технологическим процессом, а также для конфигурирования и поддержки самой системы управления.

В настоящее время один компьютер способен выполнять все необходимые операции по конфигурированию системы, отображению информации и хранению данных. Тем не менее, в системе I/A Series различают операторские рабочие станции (WP) и инженерные рабочие станции (AW). Компьютер станции AW, как правило, имеет больший объём оперативной памяти по сравнению с компьютером операторской станции WP (1024 Мб и 512 Мб, соответственно).

Задача управляющих процессоров и контроллеров DCS-систем – поддержка большого количества контуров регулирования и логического управления. Большинство контуров критично ко времени выдачи управляющих воздействий. Это предопределяет жесткие требования к процессорным платам, типам процессоров и рабочим частотам, объему оперативной памяти.

· Характеристика процессоров системы I/A Series приведена в таблице.

Процессор	CP60	ZCP270	FCP270
Тип процессора	AMD DX5	AMD Elan SC520	AMD Elan 520
Частота, МГц
Память RAM, Мб		SDRAM	SDRAM
Память Flash, Мб	-
Скорость связи с FBM	2 Мб/с	2 Мб/с	2 Мб/с
Число подключенных модулей	Max 120, по 30 на FCM, по 24 на FBI	Max 120	Max 30

· Управляющий процессор C200 (система PlantScape) представляет собой двухплатный модуль удвоенной ширины на базе процессора 100 MHz PowerPC 603E с ОЗУ (8 Мбайт) и функцией выявления и исправления ошибок. В качестве постоянной памяти используется ПЗУ (4 Мбайт) с параллельным стиранием и с защитой от ошибок по четности. Встроенная литиевая батарейка служит для сохранения резервной копии базы данных контроллера, а дополнительный модуль батарей шириной в два слота обеспечивает функцию подзарядки вместо замены литиевой батарейки.

Этими жепричинами обусловлены и параметры сетей и шин, применяемых в DCS-системах.

· V-net (CENTUM CS3000) - сеть управления реального времени со скоростью обмена данными 10 Мбит/с. Эта сеть объединяет такие компоненты системы управления как станция управления, станция оператора, BCV, CGW.

Сеть может быть зарезервирована. Протяженность сети при соединении со станцией оператора - 185 м, при подключении других устройств - до 500 м. Расширение сети достигается применением повторителей и оптических повторителей (максимум 4), что позволяет удлинить сеть до 20 км.

Система с одной станцией оператора с установленными на ней функциями проектирования не требует сети Ethernet.

С помощью Ethernet можно объединить между собой станцию оператора и инжиниринговую станцию, а также супервизорные системы.

Станции управления типа KFCS, предназначенные для высокоскоростного управления, используют внутреннюю шину ESB для подключения локальных узлов ввода/вывода, имеющую скорость обмена 128 Мбит/с.

· В последней версии I/A Series центральным компонентом системы является сеть управления Mesh, которая соединяет управляющие процессоры, рабочие станции и подсистемы ввода/вывода в сеть 100Мб/1Гб.

Управляющий процессор FCP270 непосредственно соединен волоконно-оптическим кабелем 100Мб/с Ethernet с сетью управления Mesh.

“Снизу” управляющий процессор FCP270 соединен с полевой шиной без использования интерфейсного модуля FCM. Скорость обмена данными с полевыми устройствами (датчиками, исполнительными механизмами) осуществляется по шине Fieldbus - 2 Мб/с (протокол HDLC).

· ControlNet (PlantScape) - это гибкая высокопроизводительная сеть, поддерживающая как супервизорный / равноправный обмен информацией (контроллеры с HMI), так и сетевой ввод/вывод. Это открытая сеть, спецификация которой принадлежит и контролируется ControlNet International, для которой Honeywell является членом-учредителем. Пропускная способность с учетом резервирования составляет 5 Mбит/с и характеризуется возможностью детерминированной передачи данных. С физической точки зрения средства передачи данных представляют собой коаксиальный кабель с поддержанием шинной топологии типа «магистрали с ответвлениями».

Дата добавления: 2014-01-14