Проектирование систем управления на базе ПЛК

Устройства, применяемые в промышленных системах управления, такие как программируемые логические контроллеры (ПЛК), все более расширяют коммуникационные возможности и повышают уровень встроенной обработки данных. Кроме того, возрастают требования по безопасности производственного оборудования. Ключевые особенности устройств, выпускаемых некоторыми поставщиками оборудования для систем автоматизации (этот список далеко не полный) приведены в таблице 1. Как можно заметить, в этой таблице упор сделан на такие функциональные особенности оборудования как коммуникационные возможности, встроенная обработка данных и функциональная безопасность.

Более внимательно рассмотрев архитектуру и конфигурацию модулей ввода/вывода в таких системах, мы обнаружим взаимосвязь между совершенствованием систем автоматического управления и развитием электронной технологии. Далее мы более подробно обсудим каждую из тенденций развития систем автоматизации и связанные с ними новые решения в области электроники.

От простой промышленной системы управления до крупной фабрики всю инфраструктуру автоматизации обычно разделяют на три уровня (см. рис. 1). Наверху — уровень предприятия. Затем следует уровень управления, состоящий из основных средств обработки данных, используемых для управления станками и процессами в цехе. Наконец, датчики и актуаторы, которые находятся на полевом уровне. Между этими уровнями устанавливаются надежные коммуникации. Кроме того сегодня наблюдается заметная тенденция интегрирования интеллектуальных функций в полевые устройства, повышения эффективности управления ими и улучшения их взаимодействия с управляющими системами.

Рис. 1. Инфраструктура устройств автоматизации в промышленной системе управления

Раньше основным способом связи между полевыми устройствами, контроллерами и другим оборудованием был интерфейс — токовая петля 4–20 мА или промышленные полевые шины. Хотя несколько лет они оставались главными способами коммуникаций, в промышленных системах управления началось внедрение технологии Ethernet вместе с некоторыми типами полевых шин, адаптированных для промышленных версий Ethernet. Это такие типы шин как PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, SERCOS, Powerlink и многие другие. По сути, детерминистские протоколы получают все более широкое распространение в высококачественных приложениях, например, таких как системы управления перемещением. Их преимуществами являются увеличенная пропускная способность, плотность узлов и стандартное аппаратное обеспечение. Данные с производственных участков становятся доступными для программного обеспечения технологической подготовки производства, что весьма полезно. Кроме Ethernet, можно отметить возобновившийся интерес к таким протоколам как HART и IO-Link, которые обеспечивают цифровую связь с полевыми устройствами. Наконец, можно отметить успехи беспроводной технологии, которая опционально обеспечивает дополнительные контуры управления, например, для контроля параметров уровня жидкости в резервуаре.

Ключевыми направлениями развития электронных компонентов в области коммуникаций являются программируемость и гибкость. Учитывая наличие различных протоколов промышленного Ethernet, производители интегральных схем предлагают теперь программируемые устройства и программно-аппаратные средства, которые обеспечивают для системных разработчиков возможность поддержки множества протоколов на одном и том же процессоре. По сути, некоторые процессоры и FPGA содержат аппаратные подсистемы, в которых обеспечен межцикловый детерминизм, необходимый в протоколах промышленного Ethernet. Кроме того, производители интегральных схем предлагают продукты промышленной категории качества для реализации аналогового сопряжения многих полевых шин с помощью некоторых интерфейсов, интегрированных в процессор в качестве периферийных компонентов. Наконец, беспроводные чипы и трансиверы содержат блоки шифрования и флэш-память увеличенного объема для хранения стеков протоколов, необходимых для различных коммуникационных интерфейсов.

Решения для систем автоматизации

Успехи в развитии средств коммуникации привели к появлению двух направлений развития систем автоматизации: увеличение числа каналов в системе и увеличение числа удаленных систем. Например, цифровые встроенные модули ввода/вывода от Phoenix Contact содержат до 32-х каналов. Увеличение числа каналов требует роста производительности систем обработки данных, а для того чтобы обеспечить удаленный ввод/вывод, требуется меньший форм-фактор.
Современные алгоритмы управления  весьма сложны и требуют значительной вычислительной мощности. Например, система управления серии DeltaV компании Emerson содержит плату CHARMS, в которой допускается удаленный ввод/вывод. В продуктах серии DeltaV также реализовано встроенное интеллектуальное управление с помощью таких методов как нечеткая логика, нейронные сети и многомерное управление с упреждением. Рост сложности обработки и уменьшение размеров достигаются благодаря встроенной обработке данных. К тому же, наблюдается тенденция переноса обработки данных из центрального контроллера в распределенные локальные системы управления. Наконец, сами полевые устройства поддерживают все более высокий уровень интеллектуальности, что позволяет устанавливать связь с сетью управления и выполнять диагностические функции и техническое обслуживание.

Решения для электронных компонентов

Ключевыми драйверами современных тенденций развития систем автоматизации являются интеграция, новые технологии корпусирования и снижение энергопотребления компонентов. Рост интеграции не проявляется столь же наглядно как в микроконтроллерах и микропроцессорах. Простота, широкое распространение и доступность модели лицензирования IP-блоков ARM-архитектуры в сочетании с низким энергопотреблением обеспечили существенные успехи развития встраиваемых процессоров от различных производителей интегральных схем. Развитие полупроводниковой технологии с тенденцией постоянного уменьшения размеров элементов также содействует увеличению степени интеграции кристаллов. Эти достижения обеспечили рост интегрирования периферийных компонентов и коммуникационных интерфейсов в процессоры, в результате чего достигнут высокий уровень встроенных интеллектуальных возможностей. Кроме процессоров рост интеграции происходит и в аналоговых чипах. Чтобы оценить это, рассмотрим блок-схему типовой архитектуры, используемой для построения модулей с аналоговыми входами (см. рис. 2).

Рис. 2. Блок-схема модуля с аналоговыми входами

Большинство поставщиков микросхем предлагают изделия, в которых интегрированы аналоговый мультиплексор, усилитель, АЦП, источник опорного напряжения и буфер. Фактически, большинство ключевых компонентов в левой части блок-схемы (см. рис. 2) доступны в корпусах, размер которых не превышает 40 мм². Современная технология корпусирования позволяет интегрировать значительную часть схемы управления питанием в модули или даже в отдельные корпуса. Такой уровень интеграции наряду с более высоким уровнем встроенной обработки данных обеспечивает реализацию компактных форм-факторов, на базе которых были созданы, например,  семейства ПЛК MicroLogix от Rockwell Automation.
Кроме увеличения интеграции следует рассмотреть и успехи в сфере снижения энергопотребления. На рисунке 3 показана блок-схема типового модуля с аналоговыми выходами. Один такой модуль с четырьмя активными каналами (на рисунке показаны только три канала), формирующий сигнал полной шкалы 20 мА и работающий на небольшую нагрузку, способен рассеивать до 1,5 Вт. Это довольно высокая мощность для устройства весьма малого объема. Однако интеллектуальные схемные решения и высокая степень интеграции позволят в будущем разместить ЦАП, усилитель и, возможно, значительную часть схемы управления питанием всего в одном корпусе.

Рис. 3. Блок-схема модуля с аналоговыми выходами

Другими вариантами реализации высокой плотности каналов являются новейшие чипы, содержащие большое число цифровых портов ввода/вывода. Ожидается, что тенденция увеличения степени интеграции и возможностей встроенной обработки данных продолжится и в будущем.

Решения для систем автоматизации

Возросшие коммуникационные возможности и более высокие уровни встроенной обработки данных привели к значительному росту сложности разрабатываемых систем автоматизации. Поэтому во много раз увеличилась стоимость оборудования и услуг персонала в случае какой-либо аварии. В то же время контролирующие организации стали требовать выполнения все более жестких нормативов по обеспечению безопасности оборудования. Например, в Европе была выпущена Директива 2006/42/EG по обеспечению требований охраны труда и техники безопасности. Такие стандарты важны для сертификации оборудования и обычно содержат определенные нормативные требования. Например, стандарты Международной электротехнической комиссии (IEC) содержат нормы уровней интегрированной безопасности (SIL). Чтобы отвечать этим требованиям, многие протоколы промышленного Ethernet содержат расширения для данных, связанных с безопасностью. Так, в стандарте PROFIsafe предусмотрены расширения по обеспечению защиты для существующих полевых шин PROFIBUS и PROFINET.
Для соответствия всем этим требованиям поставщики систем автоматизации начали встраивать все больше функций обеспечения защиты и диагностики, которые призваны гарантировать функциональную безопасность производственного оборудования. Компания Siemens, например, предлагает сертифицированные продукты, отвечающие требованиям различных стандартов по безопасности. Например, в линейке интегрированных систем безопасности SIMATIC функции обеспечения защиты реализованы в стандартных контроллерах, что позволяет обойтись без специального контроллера безопасности. Некоторые производители используют в своих системах резервные каналы, что позволяет существенно повысить уровень отказоустойчивости. Гарантируя максимальный уровень безопасности, такие решения снижают также  вероятность простоев производственного оборудования.

Решения для электронных компонентов

Основными средствами обеспечения функциональной безопасности являются интегрированные средства диагностики и функции обеспечения безопасности в электронных компонентах. В автомобильных системах нашли применение 2-ядерные процессоры, работающие в режиме lock step. Аналогичные решения должны быть реализованы и в промышленных приложениях безопасности. Хотя в большинстве приложений предусмотрено применение сдвоенных резервных каналов, в дублирующем канале можно использовать более дешевый процессор для обработки только тех данных, которые связаны с обеспечением безопасности.
Наряду с процессорами расширенные средства диагностики и обеспечения бесперебойной работы реализованы и в периферийных устройствах. Некоторые трансиверы Ethernet рассчитаны на промышленный диапазон рабочих температур и совместно со встроенными процессорами поддерживают функции диагностики, например, рефлектометрию промежутков времени (TDR) для детектирования сбоев и выполнения диагностики кабелей, что имеет большое значение в производственной инфраструктуре. Наконец, в ряде интерфейсных микросхем для полевых шин содержатся такие функции как невосприимчивость к перекрестному соединению, реализованная на базе технологии SymPol, защита от высокого напряжения и многие другие функции обеспечения безопасности. Следующие поколения продуктов будут иметь возможность автотестирования в режиме изоляции от остальной части системы, что обеспечивает контроль сбоев и повышает надежность системы.

На рисунке 4 схематично представлен взаимосвязанный процесс развития систем автоматизации и совершенствования электронных технологий. Расширение коммуникационных возможностей, повышение уровня встроенной обработки данных и совершенствование функциональной безопасности в новых контроллерах ввода/вывода привело к росту плотности каналов и развитию удаленного ввода/вывода. Это, в свою очередь, привело к тому, что производители интегральных схем начали предлагать программируемые интегрированные решения с более низким энергопотреблением и расширенными функциями диагностики в более совершенных корпусных исполнениях.

Рис. 4. Тенденции развития систем автоматизации и их влияние на архитектуру модулей ввода/вывода ПЛК

Сопутствующей тенденцией развития систем автоматизации, которую не следует упускать из виду, является потенциальная возможность появления бюджетных решений на азиатском рынке. Ожидается, что обозначенные взаимосвязанные тенденции в области развития систем автоматизации и электроники продолжат укрепляться в будущем благодаря совершенствованию систем автоматизации и появлению новых решений в области электроники.