Характеристика каналов ввода/вывода контроллеров

Параметры контроллера с точки зрения поддерживаемых им каналов ввода/вывода часто могут быть определяющими при выборе. Важно не только количество каналов ввода/ вывода, поддерживаемое контроллером, но и разнообразие модулей ввода/вывода по количеству и уровням коммутируемых сигналов (ток/напряжение), способы подключения внешних цепей к модулям ввода/вывода, количество каналов локального, удаленного и распределенного ввода/вывода.

Рассмотрим подробнее эти характеристики.

1. Количество поддерживаемых контроллером (процессором) каналов ввода/вывода (аналоговых, дискретных, скоростных).

Большинство фирм-производителей поставляют на рынок средств и систем автоматизации семейства контроллеров, каждое из которых рассчитано на определенный набор выполняемых функций и объем обрабатываемой информации. Среди них имеются семейства самых малых контроллеров (микро) небольшой вычислительной мощности, способных поддерживать максимум несколько десятков вводов/выводов, в основном дискретных. Область применения таких контроллеров — сбор данных и системы противоаварийной защиты. В качестве примеров таких контроллеров можно привести контроллеры семейства MicroLogix (Allen — Bradley), Direct Logic DL05 (Koyo), Nano (Schneider Electric).

Семейства малых контроллеров способны поддерживать уже сотни вводов/выводов, выполнять более сложные функции. Эти контроллеры имеют достаточно развитый аналоговый ввод/вывод, выполняют операции с плавающей точкой и функции П ИД-регулирования. К этой группе контроллеров можно отнести SLC 500 (Allen — Bradley), TeleSAFE Micro6 (Control Microsystems), Simatic 57−200 (Siemens).

Контроллеры средней мощности, обладая достаточной памятью и быстродействием, могут обрабатывать уже тысячи переменных дискретного, аналогового и скоростного типа. Применяются для автоматизации небольших объектов процессов добычи, подготовки и транспортировки нефти и газа. Это контроллеры PLC-5 (Allen — Bradley), Premium (Schneider Electric), Direct Logic DIA05 (Koyo) и др.

Наконец, некоторые крупные фирмы производят класс контроллеров очень высокой вычислительной мощности, обладающих памятью, измеряемой мегабайтами и десятками мегабайт. Их способность обрабатывать десятки тысяч переменных и предопределила одну из областей применения — в качестве концентраторов информации, получаемой от локальных контроллеров. Вычислительные возможности этого класса контроллеров позволяют реализовывать сложные алгоритмы (адаптивное, оптимальное управление), применяемые при автоматизации непрерывных технологических процессов (переработка нефти и газа, нефтехимия). Наиболее яркими представителями этой группы контроллеров являются ControlLogvc (Allen — Bradley), Simatic 57—400 (Siemens), Fanuc. 90—70 (GE Fanuc), VME (PEP Modular Computers).

2. Разнообразие коммутируемых сигналов.

Как зарубежные, так и отечественные производители контроллеров комплектуют свои изделия широкой гаммой модулей дискретного и аналогового ввода/вывода. По количеству подключаемых сигналов различают модули на 4, 8,16, 32 и 64 канала. Такое разнообразие модулей облегчает подбор требуемой конфигурации контроллера, позволяя минимизировать стоимость технических средств.

Коммутируемые модулями дискретного ввода/вывода сигналы могут иметь различный уровень напряжения переменного и постоянного тока. Это 12, 24, 48 В постоянного тока, 120 и 240 В переменного тока с различными нагрузками по току.

Уровни коммутируемых сигналов модулями аналогового ввода/вывода могут быть самыми разнообразными. Это 0—5 В, 0—10 В, ±5 В, +10 В по напряжению и 0—20 мА, 4—20 мА по току. Есть и специальные модули для ввода в контроллеры сигналов от термопар и термометров сопротивления различных градуировок. Приведенные здесь данные по уровням сигналов, безусловно, не исчерпывают всего разнообразия, представленного на рынке.

Различаются модули ввода/вывода и по способу подключения внешних цепей. К одним модулям внешние цепи подключаются с помощью клемм с винтовыми зажимами. Возможно также подключение внешних цепей через съемные терминальные блоки или фронтальные соединители, что позволяет производить замену модулей без демонтажа внешних цепей. Некоторые производители НТК предлагают системы ввода/вывода, в которых внешние низковольтные цепи подключаются посредством пружинных зажимов.

На лицевой панели модулей ввода/вывода могут быть расположены светодиоды индикации состояния внешних цепей.

Одной из важнейших характеристик контроллеров является их способность поддерживать локальный, расширенный, удаленный и распределенный ввод/вывод.

Под локальным следует понимать такой ввод/вывод, когда модули ввода/вывода размещаются непосредственно на том же шасси, на котором размещен и модуль центрального процессора. Так как количество слотов в шасси ограничено (максимум 16—18 для некоторых контроллеров), то и количество локальных вводов/выводов может быть также ограничено. Преимущество локальных вводов/выводов заключается в том, что они имеют высокую скорость обновления данных. При всех прочих равных условиях скорость обработки этих вводов/выводов очень высока. Эта характеристика особенно важна, когда речь идет о регулировании технологических параметров.

Для поддержки большего числа переменных фирмы — производители аппаратных средств снабдили свои системы возможностью расширения локального ввода/вывода. Эти шасси расширения с размещенными в них модулями ввода/ вывода соединяются между собой специализированным коротким кабелем и могут быть отнесены максимум на несколько десятков метров от центрального процессора. Некоторые комплексы контроллеров способны поддерживать одно/два шасси расширения, другие — десятки шасси с очень большим количеством модулей ввода/вывода.

Например, контроллеры PLC-5/40L, PLC-5/60L (Alien — Bradley) допускают расширение локального ввода/вывода для ускоренного обновления данных (рис. 4.2). Это позволяет расширенному процессору сканировать до 16 расширенных шасси ввода/вывода. Расширенные шасси могут быть разнесены на расстояние до 30 м от процессора.

Рис. 4.2. Организация расширенного ввода/вывода.

Удаленный ввод/вывод применяется для систем, в которых имеется большое количество датчиков и других полевых устройств, находящихся на достаточно большом расстоянии (1000 и более метров) от центрального процессора. Это относится и к объектам нефтегазовой отрасли, часто находящихся на больших расстояниях от пунктов управления. Такой подход позволяет уменьшить стоимость линий связи за счет того, что модули ввода/вывода размещаются вблизи полевых устройств.

Часто каналы удаленного ввода/вывода обновляются асинхронно по отношению к сканированию процессора. Поэтому из числа задач, использующих удаленный ввод/вывод, решены могут быть только ге, которые не требуют обновления ввода/вывода на каждом шаге.

Фирмы — производители аппаратных средств автоматизации решают проблему удаленного ввода/вывода поразному.

Поддержка удаленных вводов/выводов может осуществляться посредством модулей, называемых «удаленный ведущий» и «удаленный ведомый». Ведущий модуль располагается в локальном каркасе контроллера и соединяется кабелем с «удаленным ведомым», который находится в удаленном каркасе (контроллеры DL205, DLA05 фирмы Коуо, контроллер Quantum компании Schneider Electric). Один ведущий модуль может поддерживать 32, 64, 125 ведомых. В свою очередь некоторые процессоры могут поддерживать несколько ведущих модулей. Таким образом, системы управления, построенные по технологии удаленного ввода/вывода, способны обрабатывать многие тысячи параметров.

На рис. 4.3 показана реализация удаленного ввода/вывода процессорами /42−240/250 контроллеров семейства Direct Logic DL205. Каждый модуль D2-RMSM поддерживает один канал удаленных вводов/выводов (до 31 каркаса). Процессор 1)2−250 способен поддерживать семь мастер-модулей D2-RMSM.

Другое решение организации удаленного ввода/вывода обеспечивается встроенным в процессор портом, играющим.

Рис. 4.3. Организация удаленного ввода/вывода.

роль «мастера» (контроллеры PLC-5 фирмы Allen — Bradley, контроллеры Premium компании Schneider Electric).

Распределенный ввод/вывод является разновидностью удаленного, с той лишь разницей, что количество параметров, которое требуется «достать», мало (от нескольких параметров до десятков). Поэтому решение с применением каркасов удаленного ввода/вывода, рассчитанных на достаточно большое количество параметров, может оказаться дорогим. В связи с этим некоторые фирмы предлагают специализированные решения (система Field Control фирмы GE Fanuc, система ввода/вывода FLEX I/O фирмы Allen — Bradley).

Например, для использования модулей ввода/вывода системы FLEX I/O необходим монтажный рельс, модуль адаптера, источник питания, модули контактной базы и кабель. Один модуль адаптера может поддерживать до восьми модулей контактной базы. Это позволяет реализовать 128 дискретных вводов/выводов (или 64 аналоговых ввода, или 32 аналоговых вывода). На рис. 4.4 приведен пример организации удаленного и распределенного ввода/вывода на базе контроллеров фирмы Allen — Bradley, системы FLEX I/O и сети Remote I/O.

Рис. 4.4. Распределенный ввод/вывод Flex I/O.

Одно из решений распределенного ввода/вывода — применение интеллектуальных устройств, объединенных полевой шиной.