Учебное пособие Дорошенко В. А. ,Друк Л. В. Проектирование распределенных систем управления.


ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение
Глава 1. СПОСОБЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО ВЫБОРА ВАРИАНТОВ 10
1.1. Уровни распределённых систем управления и задачи выбора
вариантов по уровням 10
Классификация задач выбора вариантов 20
Алгоритм процесса построения модели принятия решений
при выборе вариантов 21
Методы выбора нехудших вариантов на основе безусловного
критерия предпочтения 28
1.4.1. Метод рабочих характеристик 28
1.4.2. Метод модифицированных рабочих характеристик 33
1.4.3. Весовой метод выбора нехудших вариантов 34
1.4.4. Комбинированный метод выбора нехудших вариантов 35
Методы выбора вариантов на основе условных
критериев предпочтения 36
1.5.1. Методы на основе введения результирующего
показателя эффективности 36
1.5.2. Минимаксные методы 43
1.5.3. Метод на переводе всех показателей эффективности,
кроме одного, в разряд ограничений45
1.5.4. Метод последовательных уступок 45
Глава 2. МНОГОСТАДИЙНЫЙ ВЫБОР ВАРИАНТОВ
НА ОСНОВЕ БИНАРНЫХ ОТНОШЕНИЙ МЕЖДУ
МНОЖЕСТВАМИ47
2.1 Структурная модель многостадийного выбора вариантов 47
2.2. Формирование модели представления информации для
выбора вариантов 50
2.3. Нормализация исходных таблиц соответствий 56
2.4. Метод выбора допустимых вариантов63
2.5. Методы выбора нехудших вариантов на основе
безусловного критерия предпочтения66
2.5.1. Выбор нехудших вариантов на основе абсолютного
критерия66
2.5.2. Выбор нехудших вариантов на основе метода рабочих
характеристик70
2.5.3. Выбор нехудших вариантов на основе метода
усеченных матриц75
2.6. Методы выбора оптимальных вариантов на основе
условных критериев предпочтения80
2.6.1. Выбор оптимальных вариантов на основе
лексикографического метода80
2.6.2. Выбор оптимальных вариантов при ранжировании
показателей эффективности с уступками83
Глава 3. УРОВЕНЬ ДАТЧИКОВ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ
УСТРОЙСТВ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ86
3.1. Постановка задачи 86
Операторские уравнения и структуры процессорных
измерительных средств91
Светооптические первичные преобразователи94
Структурная модель выбора процессорных
измерительных средств98
Выбор операторского уравнения и структуры
процессорных измерительных средств99
Выбор оптимального варианта первичных
светооптических преобразователей. Метод выбора
общепромышленных датчиков108
Варианты процессорных измерительных средств на базе
приборов с зарядовой связью для измерения размеров
древесного сырья115
Сенсорные сети для подключения датчиков и
исполнительных устройств122
3.8.1. Модель взаимодействия открытых систем. 122
3.8.2. Характеристики промышленных сетей 127
3.8.3. Сенсорные сети для подключения датчиков и
исполнительных устройств. Промышленная сеть
AS-интерфейс142
3.8.4. Комплекс технических средств промышленной сети
AS-интерфейс для подключения к промышленному
контроллеру SIMATIC S7-300 (Siemens)156
3.8.4.1. Ведущие устройства сети AS-интерфейс157
3.8.4.2. Кабель сети AS-интерфейс162
3.8.4.3. Ведомые устройства AS-интерфейса в системе
SIMATIC S7-300 (фирма Siemens)167
3.8.4.4. Распределители, ответвители адаптеры
сенсорной сети AS-интерфейса в системе
SIMATIC S7-300 (фирма Siemens)175
3.8.4.5. Датчики для подключения к промышленной
сети AS-интерфейс176
Глава 4. УРОВЕНЬ НИЗОВОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ
РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ181
4.1. Классификация и аппаратные средства промышленных
контроллеров181
4.2. Процессорный модуль промышленных контроллеров 187
4.3. Основные характеристики промышленных контроллеров 191
4.4. Примеры промышленных контроллеров и их характеристики195
4.4.1. Промышленный контроллер научно-исследовательской
лаборатории проектирования (НИЛ АП,
www RealLab. ru) 195
4.4.2. Промышленные контроллеры компании ICP DAS
(www ipc 2U. ru) 199
4.4.3. Промышленные контроллеры группы компаний «Текон»
(www tecon. ru) 203
4.4.3.1. Система «Теконик» на основе процессорных
модулей РО4, РО4М206
4.4.3.2. Система «Теконик» на основе процессорных
модулей РО6, РО6 DIО 223
4.4.3.3. Программное обеспечение системы «Теконик»
на основе процессорных модулей
РО6, РО6 DIО 239
4.4.3.4. Промышленный контроллер МФК группы
кампаний «Текон»241
4.4.3.5. Промышленный контроллер МФК 3000 ЗАО ПК
«Промконтроллер» (www tecon. ru) 249
4.4.3. Промышленные логические контроллеры компании
«ОВЕН» (www. Owen. ru) 266
4.5. Модули ввода-вывода сигналов промышленных
контроллеров297
4.6. Модули ввода аналоговых сигналов. 302
4.7. Модули вывода аналоговых сигналов 322
4.8. Модули ввода дискретных сигналов 328
4.9. Модули вывода дискретных сигналов 336
4.10. Модули ввода частоты, периода и счета импульсов347
4.11. Объединение модулей ввода-вывода в сеть363
4.12. Специальные модули промышленных контроллеров370
4.13. Контроллерные промышленные сети 378
Глава 5. УРОВЕНЬ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ
УЧАСТКАМИ И ПРОЦЕССАМИ 382
5.1. Промышленные компьютеры382
5.2. Модели промышленных компьютеров 389
5.3. Операторские станции в распределенных системах
управления 395
5.4. Модели операторских станций 407
5.5. Универсальные промышленные сети415
Глава 6. УРОВЕНЬ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ 420
6.1. Локальные вычислительные сети – основа управления
производством 420
6.2. Аппаратные средства локальных вычислительных сетей 426
5.3. Классификация локальных вычислительных сетей 446
Глава 7. SCADA-СИСТЕМЫ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМАХ
УПРАВЛЕНИЯ 472
7.1. Функции и свойства SCADA-систем472
7.2. Общие положения и особенности SCADA-систем 476
7.2.1. Интегрированная SCADA-система TRACE MODE-6 +
TFACTORY-6 480
7.2.2. Экономические модули SCADA-системы TRACE MODE-6 +
TFACTORY-6 491
7.2.3. Исполнительные модули TRACE MODE-6 +
TFACTORY-6 495
7.2.4. Технология разработки проекта в инструментальной
системе TRACE MODE-6501
7.3. Выбор SCADA-систем 511
Библиографический список517








Введение
Современные системы управления являются распределенными по уровням и интегрированными по функциям АСУ ТП и АСУП. Каждому уровню соответствуют определенные функции, реализованные соответствующими техническими средствами автоматизации и программным обеспечением. Основой первого уровня распределенных систем управления являются оконечные устройства, в основном это датчики и исполнительные устройства, расположенные непосредственно на объектах контроля и управления. Второй уровень относится к уровню низовой автоматизации. Основными техническими средствами этого уровня являются промышленные контроллеры и промышленные контроллерные сети. Главной задачей третьего уровня является управление технологическими участками и технологическими процессами. Промышленные компьютеры, операторские станции и универсальные промышленные сети – основа уровня. Четвертый уровень относится к управлению производством (АСУП) в тесной интеграции с системами автоматизации технологических процессов (АСУ ТП). Технической основой уровня являются компьютеры, серверы, коммуникационные устройства, объединенные в вычислительные сети с соответствующими автоматизированными рабочими местами (АРМ). Для создания таких распределенных систем управления необходимы интегрированные системы проектирования SCADA-системы, обеспечивающие работу АСУ ТП и АСУП в реальном времени на основе единого математического обеспечения при интеграции информационных ресурсов и программного обеспечения от уровня датчиков и исполнительных устройств, низовой автоматики до уровня управления производством, доступности информации на всех уровнях принятия решений.
Из изложенного выше следует, что во всех случаях проектирования возникает задача многокритериального выбора вариантов из исходного множества вариантов, удовлетворяющих заданным показателям эффективности. Для решения такой задачи необходимы:
методы выбора вариантов;
структурная модель выбора;
математическое описание процесса выбора вариантов технических средств и программного обеспечения;
алгоритм процесса выбора;
вычислительная процедура процесса выбора вариантов;
комплекс технических средств для всех уровней распределенной системы управления, включая варианты современных SCADA-систем, содержащих инструментальную систему проектирования и исполнительные программные модули.
C этой целью в учебном пособии в первой и второй главах рассмотрены способы решения задач многокритериального выбора вариантов при
проектировании распределенных систем управления. Проведен сравнительный анализ методов выбора на основе безусловного и условного критериев предпочтения. Предложен метод многостадийного выбора вариантов с использованием бинарных отношений между множествами, включающий выбор допустимых, нехудших и оптимальных вариантов с использованием абсолютного критерия, метода рабочих характеристик, усеченных матриц, лексикографического метода, метода ранжирования показателей эффективности с уступками. Приведены примеры реализации предложенного многостадийного метода.
В третьей главе рассмотрены составляющие уровня датчиков и исполнительных устройств распределенных систем управления:
операторные уравнения и структуры современных процессорных измерительных средств;
математическое описание и алгоритм процесса выбора операторных уравнений и структуры процессорных измерительных средств;
варианты измерительных средств с применением светооптических первичных преобразователей на базе приборов с зарядовой связью;
метод выбора оптимальных вариантов первичных светооптических преобразователей;
метод выбора общепромышленных датчиков
сенсорные сети для подключения датчиков и исполнительных устройств с подробным описанием комплекса технических средств промышленной сети AS-интерфейс для подключения к промышленному контроллеру SIMATIC (Siemens).
Четвертая глава посвящена уровню низовой автоматизации распределенных систем управления. Приведены классификация, аппаратные средства и характеристики промышленных контроллеров. Рассмотрены варианты конфигурации (компоновки) систем автоматизации на базе промышленных контроллеров различных фирм, программное обеспечение и схемы подключения. Дано описание и приведены характеристики контроллерных промышленных сетей для подключения контроллеров к операторским станциям. Большое внимание в данной главе уделено модулям ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов, специальным модулям промышленных контроллеров, объединению модулей в сеть. Рассмотрены варианты построения модулей, схемы подключения датчиков к модулям ввода сигналов и исполнительных устройств к модулям вывода сигналов. Приведены характеристики для выбора вариантов аналогового и дискретного ввода-вывода. В четвертой главе также рассмотрены варианты операторских панелей, характеристики и схемы подключения в системах автоматизации.
Для уровня управления технологическими участками и технологическими процессами в пятой главе представлены основные модели промышленных компьютеров и операторских (рабочих) станций, их характеристики и параметры для выбора, в том числе для автоматизированного выбора вариантов. Указаны особенности промышленных компьютеров и варианты схемных решений операторских станций в распределенных системах управления.
Локальные вычислительные сети (ЛВС) являются неотъемлемой частью любой современной компьютерной сети. Информационные ресурсы крупных корпоративных сетей практически сосредоточены в локальных сетях, а глобальные сети являются транспортом, который соединяет многочисленные локальные сети. В производственной практике локальные сети играют очень большую роль. Посредством таких сетей объединяются рабочие места в систему на уровне управления производством, которые используют оборудование, программные средства и информацию предыдущих уровней распределенной системы управления. В шестой главе приведена классификация и аппаратные средства локальных вычислительных сетей: сетевые адаптеры, трансиверы, концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы. Приведены варианты ЛВС на основе разделяемой среды передачи данных и коммутируемые ЛВС.
Проектирование распределенных систем управления невозможно без применения интегрированных SCADA-систем, позволяющих создавать в автоматизированном режиме проекты и выполнять программирование, начиная с интеллектуальных датчиков, промышленных контроллеров и кончая созданием операторского интерфейса и автоматизированных рабочих мест для управления производством. В седьмой главе приведены функции, свойства и особенности SCADA-систем. Подробно рассмотрен один из вариантов интегрированной SCADA-системы TRACE MODE-6 + T-FACTORY-6 (компания AdAstra, Россия): инструментальная система для создания проектов, технология разработки проекта, исполнительные модули для программирования технических средств АСУ ТП и АСУП. Приведен метод многокритериального выбора SCADA-систем.
Глава 1. СПОСОБЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО ВЫБОРА ВАРИАНТОВ
1.1. Уровни распределённых систем управления и задачи выбора вариантов по уровням.
Современные системы управления являются распределёнными по уровням и интегрированными по функциям АСУ ТП И АСУП [1 - 7]. Каждому уровню соответствуют определённые функции, реализованные соответствующими техническими средствами автоматизации и программным обеспечением (рис.1.1).
Основой первого уровня распределённых систем управления являются оконечные устройства, в основном это датчики и исполнительные устройства, расположенные непосредственно на объектах контроля и управления. Основными задачами при проектировании данного уровня являются:
математическое описание процедуры выбора процессорных измерительных средств (ПрИС) и исполнительных устройств;
формирование множества параметров и признаков технологического процесса, определяющих выбор датчиков и исполнительных уст-ройств;
формирование показателей эффективности для выбора датчиков и исполнительных устройств;
обоснование структурной модели процесса выбора вариантов датчи-ков, исполнительных устройств и программного обеспечения;
выбор уравнения и структуры процессорных измерительных средств;
выбор оптимального варианта процессорных измерительных средств на множестве показателей эффективности;
определение числа ПрИС;
выбор промышленной сенсорной сети для подключения датчиков и исполнительных устройств;
выбор программного обеспечения для интеллектуальных датчиков и исполнительных устройств;
разработка алгоритма и программного обеспечения для решения за-дач выбора вариантов ПрИС и исполнительных устройств.
Второй уровень распределенной системы относятся к уровню низо-вой автоматизации. Основными техническими средствами этого уровня яв-ляются промышленные контроллеры и промышленные контроллерные сети для подключения контроллеров к операторским станциям. Основная задача данного уровня – непосредственное управление объектом, обработка измерительной информации, поступающей от датчиков и формирование управляющих сигналов, подаваемых на исполнительные устройства.
Контроллеры


Универсальная
сеть


Уровень
управления
производством
Сервер

Вычислитель- ная сеть
Исполнительные
устройства
Сенсорная сеть



Компью-
теры





Универсальная сеть

Уровень
управления
участками и
технологическими
процессами




Операторские
станции


Уровень
низовой
автомати-
зации

Контроллерная сеть





Уровень
датчков
и испол-
нитель
ных уст-
ройств

.

Датчики

Технологический объект управления (ТОУ) (технологический процесс,
технологические операции, технологическое оборудование)

Рис. 1.1. Уровни распределенных систем управления.
Объём информационного кадра для данного уровня составляет порядка 1– 2 байта, время цикла порядка 10 мс. Основными задачами при проектировании уровня низовой автоматизации являются:
обоснование структурной модели процесса выбора промышленных контроллеров, контроллерной сети и программного обеспечения; формирование показателей эффективности для выбора оптимальных вариантов промышленных контроллеров и промышленной контрол - лерной сети;
математическое описание процедуры выбора промышленных контролеров и контроллерной сети;
определение числа каналов модулей ввода-вывода;
выбор модулей ввода-вывода промышленных контроллеров;
выбор вариантов процессорной части промышленных контроллеров;
выбор вариантов контроллерной сети;
выбор программного обеспечения для технических средств второго уровня распределенных систем управления (РСУ);
разработка алгоритма и программного обеспечения для решения задач выбора вариантов промышленных контроллеров и контроллерной сети.
Основной задачей третьего уровня распределённых систем является управление технологическими участками и технологическими процесса-ми. Основой уровня являются операторские станции, промышленные ком-пьютеры и универсальные промышленные сети. Информационный кадр составляет десятки байтов, время цикла 100–1000 мс. Для управления тех-нологическими участками и технологическими процессами должен быть спроектирован соответствующий уровень операторского интерфейса для визуального контроля процессов на участках и технологических операциях и воздействия на второй уровень системы и в итоге на объекты управления. Основными задачами для проектирования данного уровня являются:
обоснование структурной модели выбора вариантов технических средств и программного обеспечения третьего уровня РСУ;
математическое описание выбора технических средств и программ-ного обеспечения;
формирование показателей эффективности для выбора операторских станций, промышленных компьютеров и промышленной универса- льной сети;
выбор вариантов операторских станций, промышленных компьютеров и промышленной сети на множестве показателей эффективности;
выбор программного обеспечения для технических средств третьего уровня РСУ;
разработка алгоритма и программного обеспечения для решения за-
дач выбора вариантов технических средств и программного обес-печения.
Четвертый уровень относится к уровню управления производством и в большей степени относится к системам управления производством (АСУП) в тесной интеграции с системами автоматизации технологических процессов (АСУ ТП). На этом уровне осуществляется: управление произ-водственным циклом, автоматизация работ по планированию, контролю исполнения, сбору статистики и анализу производственного цикла предп-риятий с непрерывным, циклическим и поточным производством, организация профилактического и технического обслуживания производственного оборудования, автоматизация управления персоналом. Технической основой уровня являются компьютеры, коммуникационные устройства и серверы, объединенные в вычислительные сети с соответствующими автоматизированными рабочими местами (АРМ). Основными задачами при проектировании данного уровня являются:
обоснование структурной модели выбора технических средств и программного обеспечения четвертого уровня РСУ;
математическое описание процесса выбора технических средств и программного обеспечения четвертого уровня РСУ;
формирование показателей эффективности для выбора варианта то-пологии (компоновки) вычислительной сети;
выбор вариантов компьютеров и серверов на множестве показателей эффективности;
выбор программного обеспечения для технических средств вычис-лительной сети с учетом интеграции системы управления производ-ством с системой управления технологическим процессом в реаль-ном времени;
разработка алгоритма и программного обеспечения для решения за-дач выбора вариантов на данном уровне распределенной системы управления.
Пример сетевого взаимодействия уровней распределённой системы управления показан на рис.1.2. Датчики и исполнительные устройства под-ключены к сенсорной промышленной сети «АS-интерфейс» (разработчик AS-I Consortium), позволяющей подключать простые, бинарные датчики и интеллектуальные датчики с возможностью подключения к промышлен-ной сети более высокого уровня, PROFIBUS – Dp (разработчик Siemens) с протоколом физического уровня, соответствующего стандарту физическо-го интерфейса RS – 485. Промышленная сеть PROFIBUS-Dp обеспечивает высокоскоростной обмен данными с оконечными устройствами. Подклю-чение сети AS – интерфейс к сети PROFIBUS-Dp осуществляется через мо-дуль связи 1 фирмы Siemens (Dp/AS – I - Link). Сеть PROFIBUS-РА применяется в опасных производствах, реализует стандарт IES 61158 2 (с внутренней защитой данных).
Internet /
Intranet
TCP /IP


Вычислитель- ная сеть



Уровень
управления
производством
Сервер

PROFIBUS - РА

Компью-
теры







Уровень
управления
участками и
технологическими
процессами
TC/ IP/ Ethernet

Операторские
станции




PROFIBUS -FMS

Уровеньнизовой
автомати-
зации

RS - 485


К о н т р о л л е р ы


PRO FIBUS - DP

2
1
Уровень датчков
и испол-
нитель
ных уст-
ройств

.

IES 6158 - 2
RS - 485



1


Исполнительные
устройства

Датчики
AS-и н т е р ф е й с

Технологический объект управления (ТОУ) (технологический процесс ТП,
участки ТП, технологическое оборудование)

Рис. 1.2. Сетевое взаимодействие уровней распределённой системы управления
Сегмент сети PROFIBUS-Dp подключается к сети PROFIBUS-РА через разделительный мост 2. Промышленные контроллеры (уровень низовой автоматизации) подключаются к датчикам и исполнительным устройствам, в данном случае с помощью сети PROFIBUS-РА и физического интерфейса RS – 485. Для подключения промышленных контроллеров к операторским станциям (уровень управления участками и технологическими процессами) используется промышленная сеть PROFIBUS-FMS, предназначенная для передачи больших объемов данных с физическим интерфейсом RS – 485. Для связи операторских станций с вычислительными сетями (уровень управления производством) используется универсальная промышленная сеть Ethеrnet (разработчик DEC, Xerox, Intel) cо стековым протоколом стандарта Ethernet TCP/IP (Transmission Control Protokol/ Internet Protokol), протокол управления и передачи/протокол Интернета. Для связи вычислительной сети управления производством с уровнем интегрированных систем управления типа ERP (Enterprise Resourse Plauning) используются универсальные сети Internet/Intranet с протоколом TCP/IP. Для создания таких распределенных систем управления необходимы интегрированные системы проектирования, обеспечивающие работу АСУ ТП и АСУП в реальном времени, интеграцию информационных ресурсов от уровня низовой автоматики до уровня планирования и управления производством и доступности этой информации на всех уровнях принятия решений. К таким системам относится система TRACE MODE 6+T-FAKTORY 6 (компания AdАstra Research Group, Россия) [7], структура и функции системы представлены на рис. 1.3, 1.4. Управление производством в реальном времени в интегрированной системе TRACE MODE 6 + T - FAKTORY 6 представлено на рис.1.5. TRACE MODE 6 даёт набор средств для программирования промышленных контроллеров (Softlоgik), создания систем телемеханики и операторского интерфейса (SCADA) для цифрового управления технологическим процессом (АСУ ТП). T – FAKTORY – 6 решает задачи: контроль исполнения производственных заданий, учет производственных затрат, сырья, энергии, производственных и людских ресурсов, расчет себестоимости выпускаемой продукции, материальных балансов, учёт и техническое обслуживание производственного оборудования, учёт персонала. В иерархии информационных систем предприятия T – FAKTORY – 6 заполняет пробел между SCADA и ЕRР уровнями. Модули T – FAKTORY – 6 интегрированы с программами TRACE MODE – 6. Разрабатывая проект методом от «технологии» проектировщик одновременно создает основу автоматизации управления финансово-экономическими процессами предприятия. Данные реального времени поступают в T – FAKTORY – 6 с мониторов реального времени (МРВ) TRACE MODE – 6. Для хранения данных T – FAKTORY – 6 используется система управления базой данных реального времени SIAD 6. Модули Т – FAKTORY – 6 представляют набор средств автоматизации финансово-экономических процессов производства (АСУП) и включают: систему управления исполнением производственных заданий – МЕS – система (Маna-facturing execution system); cистему учета и технического обслуживания оборудования ЕАМ – система (Euterprise assets management); cистему управления человеческими ресурсами HRM – система (Human recourses management). Вместе они образуют полную информационную систему директора по производству и подчиненного ему персонала рис. 1.5. Система МЕS является основным модулем, в ней концентрируется вся информация из АСУ ТП (TRACE MODE – 6) и из модулей ЕАМ и НRМ. Основные задачи, решаемые МЕS – системой:
генерирование производственных заданий или их получение из ЕRР систем предприятия;
ERP
SCADA TRACE MODEМикро TRACE MODE 6
Цифровое управление технологическим процессом
Финансы, продажи,
снабжение, маркетинг и т. д.


СУБД ERP



MES, EAM, HRM

Операторское
СУБД РВ SIAD 6
управление
техпроцессом



ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
Рис. 1.3. Структура интегрированной системы TRACE MODE – 6 + T – FACTORY – 6: MES – система исполнения производственных заданий. EAM – система учета и технологического обслуживания оборудования. HRM – управление человеческим ресурсом.
планирование материальных, технологических, организационных и человеческих ресурсов, необходимых для исполнения производственных заданий;
планирование материальных, технологических, организационных и человеческих ресурсов, необходимых для исполнения производственных заданий;
контроль исполнения заданий по стадиям;
ведение статистики исполнения производственных заданий;
выполнение текущей себестоимости;
создание материальных балансов;
расчет времени исполнения производственных заданий и сравнение его с нормативами;
расчет стоимости исполнения производственных заданий и сравнение его с нормативами;
сохранение истории производственных заданий, прослеживание пути товара в технологии;
передачу в реальном времени информации о производственном задании в ЕRР – систему предприятия;
TRACE MODE – 6
T – FACTORY – 6

Softlogic
АСУ ТП
Цифровое управление
технологическим процессом
SCADA
Программирование контроллеров


Управление производственным бизнесом в реальном времени – набор средств автоматизации финансово – экономических процессов производств





АСУП


Создание систем телемеханики и операторского интерфейса

Система управления исполнением производственных заданий

Система учета и технического обслуживания оборудования





EAM

MES


Управление человеческими
ресурсами



HRM




Рис. 1.4. Функции интегрированной системы TRACE MODE – 6 + T – FAKTORY – 6
На основе Т – FAKTORY – 6 - MES создаются автоматизированные рабочие места (АРМ) руководителей предприятия: директора по производству, главного технолога, директора по качеству и т.д.
КЛИЕНТ
ЗАКАЗ
ПЛАНОВОЕ ВРЕМЯ И СТОИМОСТЬ
ИСПОЛНЕНИЯ ЗАКАЗА
ERP
ВЫПОЛНЕНИЕ
ЗАДАНИЯ


ЗАДАНИЕ НА
ПРОИЗВОД-СТВО

Директор
по производству

СЕБЕСТОИМОСТЬ ПРОДУК ЦИИ

ПЛАНИРОВАНИЕ
РАБОТ
МАТЕРИАЛНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
БАЛАНСЫ

МЕS

ОКЛОНЕНИЕ ОТ НОРМА- ТИВОВ

SOFTLOGIC
Анализ ОБ СЛУЖИВАНИЕ
ОБОРУДОВАНИЯ
ИСПОЛНЕНИЕЗАДАНИЯ

ЗАГРУЗКА
ОБОРУДОВА-НИЯ

ЕАM
ПРОСТОИ
ОБОРУДО-
ВАНИЯ


ПРИЧИ- НЫ БРАКА

HRM

ЧЕЛОВЕЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ


СОХРАНЕ-
НИЕ ИСТО-
РИИ

CYБД

SCADA

EAM

УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ

Рис. 1.5. Управление процессом в реальном времени в интегрированной системе
TRACE MODE – 6 + T – FAKTORY – 6
Основные задачи, решаемые в ЕАМ – системе:
учет и техническое обслуживание производственного оборудования;
получение информации для расследования причин отказов оборудо-вания;
отладка материально-технического снабжения;
планирование людских, материальных и энергетических ресурсов;
учет финансовых затрат на техобслуживание оборудования;
создание для каждой единицы оборудования регламента профилак-тического и аварийного технического обслуживания с программиро-ванием документооборота исполнения;
генерирование отчетов штатным серверам документирования TRA-CE MODE – 6 или генераторам отчетов СУБД.
Информация об использовании, производительности и выработке оборудования поступают в ЕАМ – систему в режиме реального времени из МРВ TRACE MODE – 6 или непосредственно из контроллеров через Микро TRACE MODE. База данных оборудования формируется уже при разработке АСУ ТП в TRACE MODE – 6 методом «от технологии».
На основе Т – FAKTORY – 6 – ЕАМ создаются АРМ сотрудников производственных служб предприятия: начальник служб технического об-
служивания; мастер цеха, бригадиры службы технического обслуживания; рабочие служб технического обслуживания; менеджеры по закупкам оборудования; складские работники и т.д.
Основные задачи, решаемые в НRМ – системе:
формирование информации об административной структуре и кад-
рах предприятия, необходимую для организации производства и ре-
шения задач МЕS и ЕАМ – системами;
создание штатного расписания, прописываются организационные структуры цеха, отдела, участка, смены и т.д.;
создание личных карточек сотрудников;
выдача руководителю информации в реальном времени о наличии и доступности трудовых ресурсов предприятия, необходимых для вы-полнения производственных заданий.
Из изложенного выше следует, что во всех случаях возникает задача выбора вариантов из исходного множества вариантов, удовлетворяющих заданным показателям эффективности, и что для решения задачи интегрированного проектирования для распределенных систем управления необ-ходимы единые:
метод автоматизированного выбора вариантов;
математическое описание процесса выбора вариантов технических средств и программного обеспечения;
структурная модель выбора вариантов;
вычислительная процедура выбора вариантов;
алгоритм выбора вариантов;
программное обеспечение процесса выбора вариантов для всех уров-ней распределенных систем управления;
интегрированная среда разработки проектов распределенных систем управления на базе современных SCADA – систем, включающих ин-струментальную систему и исполнительные программные модули, мониторы реального времени, систему управления базой данных ре-ального времени для группового проектирования АСУ ТП и АСУП с выходом на ЕRР – систему предприятия.
Классификация задач выбора вариантов.
Обобщенная постановка задач выбора вариантов при проектировании систем управления сводится к следующему, имеется необходимое множество вариантов Висх = {Вi} = {B1, B2,…, BN}, вторым множеством является множество показателей эффективности КK = {К1, К2,…, Кm}, которые формируются на основе характеристик исходных вариантов, показатели эффективности имеют целый ряд значений K=K1, K2,…, KMk, необходимо на множестве исходных вариантов, множестве показателей эффективности и множестве значений показателей эффективности выбрать оптимальный вариант, т.е. найти оптимальное соответствие между этими множествами. При этом в конкретных условиях можно выделить восемь классов задач выбора [8], табл. 1.1.
Т а б л и ц а 1.1
Классификация задач выбора
Классы задач Варианты объектов выбора Показатели эффективности Значения показателей эффективности
1 Bисх.. m MK
2 Bисх.. m
3 Bисх.m/< m MK
4 Bисх.m/< m
5 Bисх./<Bисх.m MK
6 Bисх./<Bисх.m
7 Bисх./<Bисх.m/< m MK
8 Bисх./<Bисх.m/< m
В задаче первого класса необходимо для множества исходных вариантов (Висх.) осуществить выбор сочетаний значений показателей эффективности (MK), при которых все показатели эффективности будут оптимальными (Kопт.K).
В задаче второго класса необходимо на множестве исходных вари-антов (Висх.) и всех показателей эффективности (m) выделить подмножест-во значений показателей эффективности (), при которых показа-тели эффективности будут удовлетворять предельным условиям KK>KTPK В задаче третьего класса необходимо для множества исходных вариантов (Висх.) выделить подмножество показателей эффективности (), которые обеспечивают требуемое качество системы Km1>KTPm1, при всех значениях показателей эффективности (MK).
В задаче четвёртого класса необходимо для множества исходных вариантов (Висх.) выделить подмножество показателей эффективности () и для каждого показателя эффективности подмножество значений показателей эффективности (), при которых показатели эффектив-ности удовлетворяют условию Km1>KTPm1.
При решении задачи пятого класса выбора вариантов необходимо найти подмножество вариантов (Bисх./) из множества исходных вариантов (Висх.), которое обеспечивает требуемое качество системы KK>KTPK, при всех показателях эффективности (m) и всех значениях показателя эффективности (MK).
При решении задачи шестого класса необходимо найти подмножество вариантов (Bисх./) из множества исходных вариантов (Висх.), на подмножестве значений () при всех значениях показателей эффективности (m), при этом выполняется условие KK>KTPK.
В задаче седьмого класса необходимо выделить подмножество вариантов (Bисх./) из множества исходных вариантов (Висх.) на подмножестве показателей эффективности () при всех значениях показателей эффективности (MK), при этом показатели эффективности удовлетворяют условию Km1>KTPm1.
При решении задач восьмого класса выбора вариантов необходимо выделить подмножество вариантов (Bисх./) из множества исходных вариан-тов (Висх.) на подмножестве показателей эффективности () и под-множестве значений показателей эффективности (), при этом показатели эффективности удовлетворяют условию Km1>KTPm1.
1.3. Алгоритм процесса построения модели принятия решений при выборе вариантов.
Модель предназначенную для решения задачи многокритериального выбора вариантов можно представить в виде множества
М = {T3, B, Kк, Lк, C, PП}, (1.1)
где T3 – тип многокритериальной задачи;
В – множество вариантов;
Kк – множество показателей эффективности;
к = 1, 2, …, m – число показателей эффективности;
Lк – множество отображений, устанавливающих соответствие между
вариантами и числовыми значениями каждого показателя эффективно-
сти;
C – система предпочтений лица, принимающего решение (ЛПР) на
множестве вариантов;
PП – решающее правило, задающее на множестве вариантов отноше
ния предпочтения, удовлетворяющие системе предпочтений.
Особенностью использования модели (1.1) является переход из мно-жества вариантов в пространство критериев, как более удобное для дальнейшего анализа и установление отношения предпочтения. Для каждого критерия определяется множество возможных (допустимых) значений критерия, в результате чего строится пространство критериев. С помощью отображений Lк каждому варианту ставится в соответствие вектор оценок:
Kк(В) = K1(В), K2(B),…, Km(В)
Анализ работ по многокритериальному синтезу [8 – 24] показал, что существуют три основные многокритериальные задачи и соответствующие им способы решения. При этом наиболее существенным классификационным признаком многокритериальных задач, с точки зрения обоснования решающего правила (РП) является требуемая степень упорядоченности сравниваемых вариантов и показателей эффективности.
Задачи на основе частичного упорядочения сравниваемых вариантов с помощью отношения нестрогого порядка, при отношении толерантности относительно упорядочения показателей эффективности по важно-сти (при равноважных показателях), что соответствует безусловному критерию предпочтения:
В1RВ2 ↔(К)[Кк (В1)≤ Кк(В2)] [Кк(В1 )< Кк(В2)] (1.2)
В1RВ2 ↔(К)[Кк (В1)≥ Кк(В2)] [Кк(В1) > Кк(В2)], (1.3)
т.е., если (К) для двух произвольных вариантов В1В2 выполняется одно из неравенств (1.2, 1.3) и существует , хотя бы одно их этих неравенств строгое: Kк(В1) < Kк(В2), Kк(В1) > Kк(В2), то вариант В1 безусловно лучше, чем В2 (1.2) или безусловно хуже, чем В2, при этом к показателям эффективности не предъявляются требования по важности (находятся в отноше- нии толерантности), т.е. показатели эффективности являются равноважными. Это и есть безусловный критерий предпочтения, который впервые был введен Парето применительно к экономическим системам [9] и иногда называется критерием Парето. Уравнение (1.2) применяется при минимизации показателей эффективности, уравнение (1.3) – при максимизации. Пример такой задачи рассмотрен на основе сравнения вариантов промышленных контроллеров серии I-8000 [25].
Исходные варианты контроллеров и значения показателей эффективности представлены в табл. 1.2.
Т а б л и ц а 1.2
Исходные данные промышленных контроллеров серии I – 8000
и значения показателей эффективности
Ва-ри-ан-
ты Промы-шленые
котроллеры Частота процессора
К1 Опера-тивная память
К3 Емкость
электронного диска
К4 Постоянная
память
К5 Чи-сло
сло-тов
К2 Число по
следова
тельных интерфейсов
К6 Стои-мость,
руб.,
К7
В1 I – 8410 40 МГц 128 Кб 256 Кб 256 Кб 4 1 9720
В2 I – 8411 40 МГц 512 Кб 512 Кб 512 Кб 4 2 10950
В3 I – 8430 40 МГц 256 Кб 512 Кб 512 Кб 4 1 11190
В4 I – 8438 80 МГц 512 Кб 512 Кб 512 Кб 4 2 19010
В5 I – 8810 40 МГц 128 Кб 256 Кб 256 Кб 8 1 11070
В6 I – 8811 40 МГц 512 Кб 512 Кб 512 Кб 8 2 12060
В7 I – 8830 40 МГц 256 Кб 512 Кб 512 Кб 8 1 12330
В8 I – 8831 40 МГц 512 Кб 512 Кб 512 Кб 8 2 13080
В9 I – 8431 40 МГц 512 Кб 512 Кб 512 Кб 4 2 11670
В10 I – 8417 40 МГц 512 Кб 512 Кб 512 Кб 4 2 12960
В11 I – 8437 40 МГц 512 Кб 512 Кб 512 Кб 4 2 13680
В12 I – 8817 40 МГц 512 Кб 512 Кб 512 Кб 8 2 13830
В13 I – 8837 40 МГц 512 Кб 512 Кб 512 Кб 8 2 14820
Расположение сравниваемых вариантов в плоскости координат показателей эффективности К1 (частота процессора), К2 (число слотов контроллера) показано на рис. 1.6, из которого следует:
KkB4= K1=80 МГц, K2=4 KkB1-B3, B9-B11== K1=40 МГц, K2=4 KkB5-B8, B12,B13= K1=40 МГц, K2=8KkB1-B3, B9- B11= K1=40 МГц, K2=4 KkB4= K1=80 МГц, K2=4 KkB5-B8, B12,B13 = = K1=40 МГц, K2=8 В первом случае вариант В4 безусловно лучше вариантов В1 – В3,
В9 – В11, т.к. при равенстве значений показателя К2 (число слотов), значе-
ния показателя К1 (частота процессора) для варианта В4 больше, что соот- ветствует условию (1.3). Во втором случае варианты В5 – В8 , В12, В13 безу-словно лучше вариантов В1 – В3 , В9 – В11, т.к. при равенстве значений по-
казателя К1, значение показателя К2 больше. В третьем случае вариант В4 лучше вариантов В5 – В8 , В12, В13 по первому показателю (К1), а варианты В5 – В8 , В12, В13 лучше по второму показателю (К2), поэтому на основе сра-внения этих вариантов по данным показателям эффективности нельзя ут-верждать, что вариант В4 лучше или хуже вариантов В5 – В8 , В12, В13, или что они эквивалентны. В первых двух случаях варианты являются сравни-мыми, в третьем не сравнимы (выделено множество Парето). В первых двух случаях нет необходимости вводить дополнительные условия для вы-деления лучшего варианта, в третьем случае необходимо введение допол-нительных условий. Безусловный критерий обладает свойствами, важны-ми с точки зрения решения задачи выбора (принятия решения), отсева на ранней стадии выбора множества худших вариантов (Мх) и выделения множества нехудших (несравнимых) вариантов (Мнх). Эти свойства сводятся к тому, что если непустое множество допустимых вариантов (МДВ) замкнуто, то [9]:
МДВ содержит по крайней мере один нехудший вариант;
если МДВ содержит кроме нехудших и худшие варианты, то все ху-дшие варианты могут быть исключены из дальнейшего рассмотре-ния, оптимальный вариант обязательно будет один из нехудших;
ни один из нехудших вариантов не может быть признан безусловно лучшим или безусловно худшим;
если множество нехудших вариантов вырожденное, всего один вари-ант, то этот вариант является оптимальным;
каждому нехудшему варианту соответствует наилучшее возможное (потенциальное) значение любого из показателей К1, К2,…, Кm при фиксированных значениях всех остальных (m - 1) показателей эф-фективности;
Геометрическим местом всех нехудших вариантов является опти-мальная поверхность К1 = fнх ( К1, К2,…, Кm), удовлетворяющая условию строгой монотонности:
К1 = fнх ( К2, К3, К4,…, Кm)
К2 = fнх ( К2, К3, К4,…, Кm)
⋮Кm = fнх ( К2, К3, К4,…, Кm)
Чертой снизу отмечаются показатели, которые рассматриваются как фиксируемые, произвольные в пределах области определения. Сказанное проиллюстрировано на примере сравнения вариантов промышленных контро-
ллеров (рис. 1.6) по двум показателям. Зависимость К1 = f ( К2) построена по данным таблицы 1.2, показывает, что нехудшими являются варианты В4 – В8 , В12, В13 (несравнимые варианты), худшими – В1 – В3 , В9 – В11. Значения К1 = f ( К2) монотонно убывают.
Основным достоинством безусловного критерия является его объек-тивность при выделении нехудших вариантов и отсеве худших без введе-ния дополнительных условий, но при этом (кроме вырожденного случая) задача определения оптимального варианта (единственного варианта) не решена до конца. Во многих случаях выделение нехудших вариантов является удовлетворительным, но чаще всего, особенно при автоматизированном выборе существует потребность выделения оптимального варианта.

Рис. 1.6. Сравнение вариантов на основе безусловного критерия.
Cуществует несколько способов введения дополнительных условий и на их основе условных критериев предпочтения [9, 12 – 14, 17, 21, 22], большая часть из них сводится к стpогому упорядочению сравниваемых вариантов и показателей эффективности, т. е. к решению второй многокритериальной задачи на основе отношения R.
B1RB2 ↔ [K1(B1) < K1(B2) K1(B1) = K1(B2)] [K2(B1) < K2(B2) K2(B1) =
= K2(B2) ]… [Km-1(B1) < Km-1(B2) Km-1(B1) = Km-1(B2)] [Km(B1) < Km(B2)] (1.4)
B1RB2 ↔ [K1(B1) > K1(B2) K1(B1) = K1(B2)] [K2(B1) > K2(B2) K2(B1) =
= K2(B2)]… [Km-1(B1) > Km-1(B2)Km-1(B1) = Km-1(B2)][Km(B1) >Km(B2)]
(1.5)
Уравнение (1.4) применяется при минимизации показателей эффек-
тивности, уравнение (1.5) – при максимизации. Решение задачи сводится к лексикографическому отношению предпочтения [13, 17], при котором все показатели эффективности (частные критерии) строго упорядочены по важности. В процессе сравнения вариантов в первую очередь используется первый по важности показатель, за счет любых потерь по остальным показателям. При равенстве значений первого показателя для двух или более вариантов используется второй показатель и т.д. Условие лексикографического критерия при минимизации показателей эффективности можно записать
K1(B1) < K1(B2)
K1(B1) = K1(B2), K2(B1) < K2(B2)
K2(B1) = K2(B2), K3(B1) < K3(B2)
⋮ (1.6)
Km-1(B1) = Km-1(B2), Km(B1) < Km(B2)
При максимизации показателей эффективности условие лексикогра-фического критерия можно записать
K1(B1) > K1(B2)
K1(B1) = K1(B2), K2(B1) > K2(B2)
K2(B1) = K2(B2), K3(B1) > K3(B2) (1.7)
⋮Km-1(B1) = Km-1(B2), Km(B1) > Km(B2)
Если при приведённом выше примере (рис.1.6) упорядочить по важ-ности показатели, поставив на первое место показатель K1, на второе K2, то из нехудших вариантов B4 – B8, B12 , B13, выделенных с помощью безус-ловного критерия, оптимальным является вариант B4. Этот вариант выде-лен только с помощью первого показателя K1 без перехода к показателю K2. Если на первое место по важности поставить второй показатель (K2), то отсеивается вариант B4 , а варианты B5 – B8, B12 , B13 будут равноценными
по значению показателя K2, поэтому для выделения оптимального вариан-та (единственного варианта) в соответствии с (1.4, 1.5) необходимо ввести для сравнения показатель K1, то оптимальным как и в первом случае будет вариант B4. Если показатели эффективности, приведённые в табл. 1.2, упо-рядочить по важности в виде К2, К3, К4, К5, К6, К7, К1, то по показателю K2 варианты B5 – B8, B12 , B13 будут равноценны по числу слотов, т. е. отсе-ивается вариант B4. В соответствии с (1.4 – 1.7) вводится показатель K3, при этом равнозначными вариантами по показателям K2, K3 остаются варианты B6 – B8, B12 , B13, исключаются из дальнейшего процесса выбора вариантов B5, B7, при введении следующего показателя (K4) остаются равноценными варианты B6 , B8, B12 , B13, тот же результат при введении показателя K5, при введении показателя K6 получаем оптимальный выбор в виде варианта B6, как вариант с минимальной стоимостью.
Третья многокритериальная задача построена на основе комбиниро-ванного метода, включающего безусловный и условный критерии предпо-чтения. При этом на первом этапе выбора применяется безусловный критерий предпочтения по следующим причинам:
безусловный критерий является объективным, без введения дополнительных условий, которые устанавливает лицо принимающее решение, что приводит к субъективности в процессе выбора вариантов;
исключает потери полезной информации в виде нехудших вариантов;
дает гарантию того, что в процессе дальнейшего выбора будет выде-лен оптимальный вариант из множества нехудших.
На втором этапе предпочтительнее использование условного критерия предпочтения, методы, на основе которого, позволяют довести задачу до выбора оптимального (единственного) варианта. Исходя из решения конкретного типа многокритериальной задачи формулируются структурные модели процесса выбора вариантов. На рис.1.7. представлена блок-схема алгоритма процесса построения модели принятия решений при выборе вариантов на основе комбинированного метода решения многокритериальных задач как наиболее рационального с точки зрения получения результата выбора, объективность выбора на первом этапе, на основе безусловного критерия при равнозначных показателях эффективности, и единственность решения на втором этапе на основе условных критериев при равноважных показателях эффективности.
Начало


Формирование исходного множества вариантов


Формирование множества параметров объектов


Обоснование метода показателей эффективности и ограничений



Формирование математической модели процесса выбора вариантов


Методы решения задачи выбора вариантов при равноважных показателях эффективности
Решение задачи выбора вариантов при равноважных показателях эффективности



Удовлетворяет решение задачи выбора вариантов ЛПР ?

Да Нет

Задание приоритетов показателей эффективности



Методы решения задачи выбора вариантов с приоритетом показателей эффективности
Решение задачи выбора вариантов с приоритетом показателей эффективности



Удовлетворяет решение задачи выбора вариантов ЛПР?


Нет Да


Конец


Рис. 1.7. Блок-схема алгоритма процесса построения модели принятия решений при выборе вариантов.
Cпособы выбора вариантов на основе безусловного и условных критериев представлены на рис. 1.8
Методы выбора вариантов


Критериальные методы выбора вариантов на основе безусловного критерия предпочтения
Критериальные методы выбора вариантов на основе условного критерия предпочтения


Методы на основе результирующего показателя эффективности

Метод рабочих характеристик

Метод модифицированных рабочих характеристик


Аддитивный показатель эффективности

Весовой метод выбора вариантов

Мультипликативный показатель эффективности

Комбинированный метод выбора вариантов

Комбинированный на основе аддитивного и мультипликативного показателей эффективности


Минимаксные методы


На основе отклонения от «идеального» варианта
Метод на основе перевода показателей эффективности в разряд ограничений


На основе относительного показателя эффективности

Метод последовательных уступок

На основе функции потерь


Рис. 1.8. Критериальные методы выбора вариантов на основе безусловного и условного критериев предпочтения.
Методы выбора нехудших вариантов на основе безусловного критерия предпочтения.
Метод рабочих характеристик.
Прежде чем давать описание метода рабочих характеристик, необходимо остановиться на основных понятиях и свойствах нехудших вариан-тов (точек). На основе выводов, сделанных в [9], можно отметить следую-щее:
учет и техническое обслуживание производственного оборудования;
получение информации для расследования причин отказов оборудо-вания;
отладка материально-технического снабжения;
если множество содержит кроме нехудших также и худшие точки (варианты), то все худшие точки могут быть исключены из дальнейшего рассмотрения без ущерба для результатов выбора, ибо оптимальным обязательно будет одна из нехудших точек (вариантов);
если множество не является замкнутым, то на первом этапе выбора следует рассмотреть его замыкание и найти соответствующее этому замыканию множество нехудших систем. На втором этапе выбора следует выбрать оптимальный вариант из множества нехудших на основе какого либо условного критерия;
ни одна из нехудших точек (вариантов) не может быть признана бе-зусловно лучшей или безусловно худшей, чем другая нехудшая точ-ка (вариант);
если множество нехудших точек (вариантов) вырожденное, т. е. сос-тоит всего из одной точки (варианта), то она является наилучшей;
каждой нехудшей точке (варианту) соответствует минимальное (на-илучшее возможное, потенциальное) значение любого из показате-лей качества (К1, К2,…, Кm) при фиксированных значениях всех оста-
льных (качества m-1) показателей (свойство из m-кратного минимума);
Из свойства m-кратного минимума нехудших точек (вариантов) следует, что найдя совокупность нехудших точек (вариантов) получаем m зависимостей вида
К1 = fнх1 (К2, К3,…, Кm)
К2 = fнх2 (К1, К3,…, Кm)
⋮ (1.8)
Кm = fнхm (К1, К2,…, Кm-1),
где К1, К2,…, Кm – минимальные значения каждого из показателей эффективности при фиксированных значениях остальных (m-1) показателей. Эти
значения называются частными потенциальными (наилучшими возможными) значениями показателей эффективности К1, К2,…, Кm. Найдя со-вокупность нехудших точек (вариантов) находим связь между потенциаль-ными значениями всех показателей эффективности. В случае двух показа-телей эффективности зависимость (1.8) запишется
К1 = fнх1 (К2) (1.9)
К2 = fнх2 (К1) (1.10)
Геометрическое место всех нехудших точек в m-мерном пространстве показателей называется оптимальным. Оптимальная поверхность может вырождаться в линию или в совокупность изолированных точек (вариантов). Любое из соотношений вида (1.8) можно рассматривать как уравнение оптимальной поверхности. При m = 2 эта поверхность описывается уравнениями (1.9, 1.10) и имеет вид непрерывной кривой (рис. 1.9 а), или вид разорванной линии (рис. 1.9 б), или вид совокупности точек (рис. 1.9 в).

а б в
Рис. 1.9. Зависимость показателей эффективности:
а – непрерывная линия; б – разорванная линия; в – совокупность точек.

При m = 3 оптимальная поверхность имеет вид поверхности в трёхмерном
пространстве ОК1К2К3 (рис. 1.10). Поверхность также может быть непрерывной, разорванной или – из изолированных точек.

Рис. 1.10. Поверхность нехудших вариантов
(точек) в трехмерном пространстве
Свойство оптимальной поверхности называется строгой монотонностью. Если m = 2, то строгая монотонность означает, что зависимость К1= fнх ( К2) имеет монотонно убывающий характер. При m = 3 оптимальная поверхность К1 = fнх ( К2, К3) может быть изображена в виде семейства кривых, К1 = fнх( К2, К3) с параметром К3 (рис. 1.11 а), или семейства кри-вых К1 = fнх ( К2, К3) с параметром К2 (рис. 1.11 б). Свойство монотонности состоит в том, что все кривые обоих семейств являются монотонно убыва-ющими функциями.
В целом для любого числа показателей эффективности оптимальная поверхность является геометрическим местом нехудших точек (вариантов) строго монотонна, любая из выражающих её функций (1.8) монотонно убывает по каждому из аргументов. При выборе нехудших вариантов на основе построения зависимостей между показателями эффективности используется следующая совокупность данных [9] D = {Y, OS, KK, OK}, Y = {У1, У2, …, УP}; OS = {OS1, OS2, …, OSg} – ограничения на структуру и параметры вариантов (системы); КК = {K1, K2, …, Km} – показатели эффективности; OK = {OК1, OK2, …, OKm} – ограничения на показатели эффективности. К условиям относятся такие ограничения как диапазон температур, давлений, влажности и т. д. Ограничения OS на структуру при выборе вариантов могут варьироваться от нежестких до сильных (жестких) ограничений. Например, к нежестким ограничениям можно отнести ограничение на класс промышленных контроллеров (монолитные, модульные, РС – base контроллеры), более жесткие ограничения на серию контроллеров (I – 800, WinCon – 8000, LinCon - 8000).
а). б).
Рис. 1.11. Монотонно убывающая зависимость показателей эффективности
при выборе вариантов по трем показателям эффективности: а – зависимость
К1 = fнх (К2, К3); б – зависимость К1 = fнх ( К2, К3)
Ограничения на параметры: типа равенств, неравенств, дискретности, связи. Множество показателей эффективности КК = {K1, K2, …, Km} включает совокупность тех показателей эффективности, которые должны учитываться в процессе выбора. Ограничения OK, накладываемые на значения показателей эффективности могут быть: типа равенств, неравенств, связи. Варианты (В), удовлетворяющие совокупности {У, OS} исходных данных, называются допустимыми (Мg). Допустимые варианты, удовлетворяющие совокупности ограничений OK называются строго допустимыми (Мсд). Из множества строго допустимых оптимальным вариантом считается вариант, обладающий наилучшим множеством показателей эффективности КК, для этого должен быть обоснован критерий предпочтения (критерий оптимальности), т. е. правило, на основании которого одно значение множества КК (вектора КК) следует считать лучшим (или хушим) другого его значения.
Непосредственно метод рабочих характеристик состоит в следую-щем. Определяется минимум одного из показателей эффективности, например , при всех остальных показателях эффективности, переведенных в разряд ограничений типа равенств
…, (1.11)
при этом учитывают исходные ограничения У, OS, OK . Минимизируемый показатель эффективности К1 называется главным, а все остальные (m – 1) показатели второстепенными. Величина в общем случае будет зави-сеть от фиксированных значений …, , т.е.
= fp( …, ) (1.12)
Нахождение зависимости (1.12) производится для всех интересующих комбинаций значений показателей …, . Зависимость вида (1.12) называется рабочей поверхностью. В общем виде (1.12) можно записать
= fp( …, ) (1.13)
Рабочая поверхность (1.13), рассматриваемая как функция одного из своих аргументов при фиксированных значениях всех остальных аргументов, называется рабочей характеристикой. Рабочей поверхности (1.13) соответствуют рабочие характеристики (m - 1) видов:
= fp()
= fp() (1.14)
. . . . . . . . .
= fp()
Основные свойства метода рабочих характеристик [9]:
рабочая поверхность содержит все нехудшие варианты (точки), но может содержать и ряд худших вариантов, которые должны быть отсеяны из дальнейшего рассмотрения;
необходимым и достаточным условием совпадения рабочей поверхности с оптимальной является строгая монотонность рабочей поверхности, т. е. монотонно убывающий характер всех (m – 1) сооветствующих ей рабочих характеристик (1.14);
в большинстве реальных задач рабочая поверхность строго монотонна, что соответствует геометрическому месту нехудших вариантов (Мнх.).
Основная сложность метода рабочих характеристик состоит в сле-дующем:
минимизацию главного показателя эффективности (1.13) необходи-мо проводить с учётом не только исходных условий (У) и ограниче-ний (ОS), но и с учетом дополнительных (m – 1) ограничений вида (1.11);
минимизация должна быть проведена не для одного конкретного сочетания значений зафиксированных показателей эффективности (1.11), а для всех интересующих сочетаний значений и показателей эффективности;
в целом получается достаточно объёмная вычислительная процеду-ра выделения нехудших вариантов. Отсюда вывод, что необходимо применение современных компьютерных технологий с соответству-ющим математическим и программным обеспечением.
Метод модифицированных рабочих характеристик.
Метод модифицированных рабочих характеристик состоит в отыскании минимума (по всем допустимым вариантам) радиуса-вектора [9] . При фиксированных, но произвольных значе-
ниях отношений получают зависимо -
мость
rmin = fp (P1, P2, …, Pm -1) (1.15)
варьируя отношения Рi () в пределах области, определяемой неравенством 0 < Pi < ∞, . Зависимость (1.15) называется полярной рабочей поверхностью. Точки (варианты) модифицированной рабочей поверхности получаются в результате перехода от переменных (rmin, P1, P2, …, Pm -1) к переменным (K1, K2, …, Km) по формулам
K1 = (1.16)
K2 = K1 P1, K3 = K1P2 , …, Km = K1 Pm –1
Уравнения (1.16) представляют собой уравнение модифицированной рабочей поверхности в параметрическом виде. Уравнение модифицированной рабочей поверхности в явном виде получается на основе (1.16).
K1 = fpм (K2, K3, …, Km)
K2 = fpм ( K1, K3, …, Km)
⋮Km = fpм ( K1, K3, …, Km-1)
Рабочая модифицированная характеристика обладает тем же свойством, что и обычная рабочая характеристика:
содержит все нехудшие точки (варианты) и, кроме того, может содержать худшие точки;
монотонно убывающая модифицированная рабочая характеристика не содержит худших точек;
необходимым и достаточным условием совпадения модифицируемой рабочей характеристики с левой нижней границей (с оптимальной) является монотонно убывающий характер этой характеристики.
Весовой метод выбора нехудших вариантов.
Весовой метод выделения множества нехудших вариантов (Мнх) основан на минимизации взвешенной суммы показателей эффективности по всем допустимым вариантам () или всем строго допустимым вариан-там () [9]
KВ = K1 + а1K2 + а2K3 + , …, аm-1Km
При фиксированных, но произвольных значениях весов аi в пределах, 0 < аi < ∞, . Каждой комбинации значений весовых коэффициентов (а1, а2 , …, аm-1) соответствует нехудший вариант Вв (а1, а2 , …, аm-1). Этому варианту соответствуют взвешенные значения показателей эффективности (), которые зависят от весовых коэффициентов
= f1B (а1, а2 , …, аm-1)
= f2B (а1, а2 , …, аm-1) (1.17)
⋮= fmB (а1, а2 , …, аm-1)
Система (1.17) является системой из m уравнений с (m - 1) неизвестными а1, а2 , …, аm-1. При исключении этих неизвестных получаются зависимости весовой поверхности (1.18).
= fB (, )
= fB (, ) (1.18)
⋮= fB (, )
Все соответствующие весовой поверхности (1.18) весовые характеристики являются монотонно убывающими функциями
= fВ ()
= fВ ()
⋮ = fВ (, …, )
Основные свойства весового метода:
любой вариант В (а1, а2 , …, аm-1), найденный весовым методом, яв-ляется нехудшим;
в общем случае весовой метод позволяет выделить не все нехудшие варианты, при этом, если весовая поверхность (1.18) оказывается оп-ределённой во всей области возможных значений показателей эффе-ктивности, то она в этой области совпадает с оптимальной повер-хностью, т. е. ни один из нехудших вариантов не будет пропущен.
Комбинированный метод выбора нехудших вариантов.
Для вариантов, характеризуемых m показателями эффективности
(при m >2) n показателей (n < m - 1) переводится в разряд ограничений типа равенства. Далее выбор вариантов проведён по безусловному критерию предпочтения для первых показателей эффективности m' = m – n (K1, K2, …, Km’) и получено уравнение поверхности, оптимальной для m' показателей при фиксированных значениях остальных n показателей (Km’+1, …, Km)
K1 = (K2, K3, … , Km’, Km’+1, … , Km) (1.19)
Если зависимость (1.19) оказалась монотонной при всех возможных комбинациях значений показателей эффективности (K2, K3, …, Km’), тогда она рассматривается как функция всех m показателей (K2, K3, …, Km), дающая оптимальное решение не только для первых m/ показателей, но и
для всех показателей эффективности. Имеется в виду оптимальное решение, соответствующее безусловному критерию предпочтения. Преимуществом комбинированного метода по сравнению с методом рабочих харак-
теристик является меньшее число показателей эффективности переведенных в разряд ограничений, т. к. n < m – 1. При методе рабочих характеристик ищут нехудшие варианты по одному из показателей при остальных
(m – 1) переведённых в разряд ограничений типа равенств и учете исходных данных Д = {У, OS, KK, OK}. Недостаток комбинированного метода – необходимость определения множества вариантов по (m – n) показателям (m – n >1), вместо определения варианта оптимального по одному показателю эффективности. Комбинированный метод может упростить выбор нехудших вариантов в том случае, когда перевод в ограничение большого числа показателей эффективности связано с усложнением выбора, а поиск вариантов нехудших по (m – n) показателей не вызывает трудностей.
Преимущество комбинированного метода по сравнению с весовым методом заключается в следующем. При весовом методе ни один из пока-зателей эффективности не переводится в разряд ограничений (типа ра-венств), но при этом необходимо определять множество вариантов, нехуд-ших по совокупности всех m показателей. Поэтому во многих случаях пе-ревод одного или нескольких показателей эффективности в разряд ограни-чений упрощает выбор нехудших вариантов, особенно если удается полу-чить аналитическое выражение для (m – n) показателей, в которые осталь-ные n показатели эффективности входят в качестве параметров, и поэтому их удобно принимать постоянными.
Методы выбора вариантов на основе условных критериев предпочтения.
Методы на основе введения результирующего показателя эффективности.
Иногда на этапе проектирования удаётся установить, что эффектив-ность системы может достаточно полно и правильно характеризоваться единым показателем эффективности и от каких частных показателей эф-фективности зависит единый показатель [9, 10, 14, 15, 17, 18, 21, 22].
KP = fP (K1, K2, …, Km) (1.20)

где fP (K1, K2, …, Km) – известная функция переменных K1, K2, …, Km;
KP – величина, однозначно связанная с эффективностью системы S.
Чем меньше (больше) величина KP, тем лучше система. Показатель KP на-
зывается объективным результирующим показателем эффективности сис-
темы [9]. Если принять, что чем меньше показатель KP, тем лучше, то кри-терий оптимальности можно записать
KP = fP (K1, K2, …, Km) = min (1.21)
д
KK = KK (S), K =
Минимум min д необходимо искать по всем допустимым вариантам систем (д), т. е. с учетом данных {У, OS, KK}. Если найдено минимальное значение результирующего показателя, то необходимо проверить условие KPмин. ≤ KPмак., KPмак – максимально допустимое значение результирующего показателя. Если это условие не выполняется, то это означает, что исходные данные противоречивы и их необходимо скорректировать, ослабить ограничения (OS) , скорректировать условия работы системы (У). При корректном (монотонно возрастающем по каждому аргументу) получении результирующей функции (1.21) решением задачи выбора является нехудший вариант системы. Это означает, что критерий (1.21) можно применять не только к выбору оптимального варианта из множества допустимых вариантов (Мд), но и из множества нехудших вариантов, найденных на основе безусловного критерия предпочтения. При этом задача выбора запишется так: найти вариант системы, обеспечивающий
KP = fP (K1, K2, …, Km) = min (1.22)
при условии, что
K1 = fнх (K2, K3, …, Km),
где K1 = fнх (K2, K3, …, Km) – уравнение оптимальной поверхности, т. е. геометрическое место всех строго допустимых нехудших вариантов (точек) в пространстве показателей эффективности. При этом задача (1.22) проще задачи (1.21), т. к. не требуется учитывать данные {У, OS, KK}. Они уже учтены при определении оптимальной поверхности (отыскания Мнх) на основе безусловного критерия предпочтения.
Применение результирующего показателя эффективности возможно как без предварительного отыскания множества нехудших вариантов (Мнх), так и после его отыскания. В первом случае задача выбора имеет вид обычной задачи скалярного синтеза и показатели эффективности K1, K2, …, Km играют роль параметров системы. Во втором случае при выборе Мнх синтез является векторным и его скаляризация осуществляется введением результирующего показателя, т. е. после отыскания множества нехудших вариантов. Разделение процесса выбора на два этапа во многих случаях оказывается целесообразным из-за упрощения вычислительной процедуры. Во многих случаях достаточно сложно обосновать результирующий показатель эффективности, поэтому существует целый ряд способов сформировать результирующий показатель субъективным способом [9, 10, 14, 15, 17, 18, 21, 22]. Субъективность заключается в том, что показатель формируется не путем количественного анализа влияния различных комбинаций значений показателей K1, K2, …, Km на эффективность системы, а путем, в значительной мере, интуитивных оценок, которые даются одним или несколькими экспертами. Поэтому такую результирующую функцию называют субъективной результирующей целевой функцией.
Очень часто в практике проектирования выбор результирующего показателя осуществляется:
на основе взвешенной суммы нормированных значений показателей эффективности (аддитивный критерий оптимальности).
/ = KK / K, K = , bK > 0, (1.23)
где bK – весовые коэффициенты;
K - начальное (опорное) значение показателя эффективности.
Весовые коэффициенты выбираются исходя из относительной важности каждого показателя эффективности. Такое объединение частных показателей эффективности в аддитивный обобщенный критерий имеет существенные недостатки:
слабая связь весовых коэффициентов с реальной ролью частных показателей эффективности в выполнении системой своих функций;
трудность отыскания объективного способа нормирования частных показателей эффективности для приведения их к безразмерному виду;
малая чувствительность результирующего показателя к изменениям величины отдельных частных показателей эффективности, особенно если их общее число велико, компенсация малой величины одного показателя избыточной величины другого;
на основе произведения показателей эффективности (мультикативный критерий оптимальности). Если весовые коэффициенты имеют одинаковую важность, то результирующий показатель формируется в виде простого произведения показателей эффективности
КР = K1, K2, …, Km (1.24)
При разноважных весовых коэффициентах результирующий пока-затель формируется с учетом весовых коэффициентов
КР = (1.25)
Результирующий показатель в виде (1.24, 1.25) не требует норми- рования частных показателей эффективности:
на основе взвешенной комбинации аддитивного и мультиплика-
тивных показателей эффективности
(1.26)
где ρ – весовой коэффициент, определяющий вес аддитивного и мультикативного показателей эффективности.
Недостаток для (1.24 – 1.26) – субъективизм при определении весовых
коэффициентов;
на основе абсолютного отклонения от «идеального варианта» в следующем виде
(1.27)
где - максимальное значение показателей эффективности. Разность () является мерой отклонения варианта от «идеального» варианта. Относительное отклонение от «идеала»
(1.28)
где - минимальное значение показателей эффективности.
С использованием весовых коэффициентов
(1.29)

на основе относительного показателя эффективности частных пока-зателей эффективности
(1.30)
где PKj – относительный показатель эффективности частных показа-
телей;
– частные показатели эффективности;
– варианты для выбора;
Относительный показатель эффективности определяется в соответ –
ствии с условиями
, при ≤
, при > (1.31)
где – значения показателей эффективности вариантов системы
– эталонные значения показателей эффективности ;
на основе функции потерь. Наиболее распространенной является аддитивная функция потерь (эквивалентная ей аддитивная функция полезности), позволяющая учитывать возможный нелинейный характер зависимости результирующего показателя эффективности от показателей K1, K2, …, Km.
КР = (1.32)
где bK > 0, , ) – некоторая безразмерная, в
общем случае нелинейная функция значений показателя КК, обос-
нованная экспертами, исходя из назначения системы.
Если выбрать функцию линейной, то можно записать
= , (1.33)
где – минимально возможное значение показателя эффективности КК
при заданной совокупности исходных данных {Y, OS} при игнориро-
вании значений всех остальных (m – 1) показателей эффективности;
– максимально допустимое значение показателя КК .
Тогда функцию (1.32) можно записать
(1.34)
при = 0 функция = .
Квадратичная функция потерь запишется в виде
= , (1.35)
при этом, если выполняется условие <<
= (1.36)
Если эффективность системы оценивается не m – мерным вектором KК = <K1, K2, …, Km > частных показателей эффективности, а ml – мерной
матрицей (ml >>1),то аддитивная функция потерь (1. 32) запишется в общем виде
(1.37)
где – значение К-го показателя эффективности при работе системы в
g - том режиме;
bK – весовые коэффициенты, учитывающие относительную важность
частных показателей эффективности;
Сg – весовые коэффициенты, учитывающие относительную важность
различных режимов работы системы и удовлетворяющей условию
= 1, > 0, g =
В случаях, когда эффективность системы характеризуется матрицей частных показателей эффективности, то строки матрицы соответствуют режиму работы системы (g), а столбцы – значениям частных показателей эффективности. В итоге каждому режиму работы системы соответствует m показателей эффективности.
Kk= g/KkK1K2g1K111K122g2K211K222 K3…KmK133…K1mmK233…K2mm g3 K311K322⋮ ⋮⋮gl Kl11Kl22 K333…K3mm⋮⋮⋮Kl33…Klmm (1.38)
где K1,K2,K3,…Km– значения частных показателей эффективности.
Например, промышленные контроллеры серии I – 8000, WinCon – 8000 и LinCon – 8000 работают в различных операционных системах [25], соответственно в операционной системе Mini OS7 (g1), Windows CE. NET (g2) и Linux (g3). Частными показателями эффективности промышленных контроллеров для всех операционных систем являются: частота процес-сора (К1), объем оперативной памяти (К2), число слотов (К3), стоимость (К4). Матрица показателей эффективности (1.38) выглядит
КК = g/KkK1K2g1K111K122g2K211K222 K3K133K233 K4K144K244 g3 K311 K322 K333 K334где K1,K2,K3,…Km– значения частных показателей эффективности; для промышленных контроллеров серии I – 8000, (в данном случае контроллер
I – 8438), работающих в операционной системе Mini 0S7 (режим g1); K111 – частота процессора, 80 МГц; K122 – объем оперативной памяти, 512 Кб; K133- число слотов, 4; K144 – стоимость, 19010 руб.; значения частных показателей серии WinCon (W – 8701 – G – R2) Windows GE. NET: K211 = 206 МГц; K222 = 64 000 Кб; K233 = 7; K244 = 21420 руб; значения частотных показателей для промышленного контроллера серии LinCon (L – 8741 – G), работающего в операционной системе Linux: K311 = 206 МГц; K322 = 64000 Кб; K333 = 7; K344 = 24300 руб.
Элементы матрицы можно развернуть в одну строку и рассматривать как m – мерный вектор размерности ml
K = <K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K8, K9, K10, K11, K12 >,
где K1 = K111, K2 = K122, K3 = K133, K4 = K144, K5 = K211, K6 = K222, K7 = K233,
K8 = K244, K9 = K311, K10 = K322, K11 = K333, K12 = K344.
Если ml >>1, то сведение матрицы к ml–мерному вектору нецелесообразно. На основе приведенных значений частных показателей эффективности для трех вариантов (g1, g2, g3) необходимо выбрать оптимальный вариант. Для этого используется результирующая функция (1.37), при этом вариант с максимальным значением КР будет оптимальным. Входящие в формулу (1.37) весовые коэффициенты Сg, bК и вид функции fK (Kgk) должны быть выбраны экспертами. В данном случае предположим, что все режимы (g1, g2, g3) равноважны, т.е.
С1 = С2 = С3 = = 0,33 (1.39)
Весовые коэффициенты, учитывающие относительную важность показателей эффективности K1, K2, K3, K4 соответственно равны b1 = 0,4; b2 = = 0,3; b3 = 0,1; b4 = 0,2. Функция fK (Kgk) квадратичная
fK (Kgk) = (1.40)
Из приведенных значений для частных показателей ясно, что = 80 МГц;
= 512 Кб; = 4; = 19010 руб.; = 206 МГц; = 64000 Кб; = 7; = 24300 руб. С учетом (1.37, 1.39, 1.40) результирующий показатель (1.37) запишется
КР = 0,33k=14bk Kgk-K0kKMk2 С учетом (1.37, 1.39, 1.40) и учетом того, что показатели К1, К2, К3 максимизируются, а показатель К4 минимизируется выражение (1.37) можно записать:
КР = 0,33 K=14bkKgkk-K0kKmk2+ 0,33b4Km4-KgkkKgkk2 (1.41)
На основе (1.41) результирующий показатель для вариантов g1, g2, g3 запишется
KP1=0,33b1K111-K01Km12+0,33b2K122-K02Km22+0,33b3K133-K03Km32+0,33b4Km4-K144K1442=0,33∙0,4 80-802062+ + 0,33∙0,3512-512640002+ 0,33∙0,14-472++0,33∙0,224300-19010190102=0,0051 KP2=0,33b1K211-K01Km12+0,33b2K222-K02Km22+0,33b3K233-K03Km32+0,33b4Km4-K244K2442=0,33∙0,4 206-802062+ + 0,33∙0,364000-512640002+ 0,33∙0,17-472++0,33∙0,224300-21420243002=0,1529 KP3=0,33b1K311-K01Km12+0,33b2K322-K02Km22+0,33b3K333-K03Km32+0,33b4Km4-K344K3442=0,33∙0,4 206-802062+ + 0,33∙0,364000-512640002+ 0,33∙0,17-472++0,33∙0,224300-21420243002=0,1529 Оптимальным вариантом является вариант на основе промышленных контроллеров WinCon-8000 с операционной системой Windows CE.NET (КР2 = 0,1529).
1.5.2. Минимаксные методы.
В большинстве случаев вид результирующей целевой функции (1.20) очень трудно обосновать не только объективным, но и субъективным путем, очень сложно выбрать весовые коэффициенты в функции вида (1.23). В таких случаях возможно применение минимаксного критерия [9, 10, 14, 16-18, 22], при котором оптимальным вариантом является вариант, для которого выполняется неравенство
Кмакс. (Вм) ≤ Кмакс. (Вi), Вi, Вм Вcg (1.42)
где Кмакс. – наибольший из нормированных показателей эффективности
Кk = max {K1, K2, …, Km}, k = 1, 2, …, m, т. е.
Кмакс. = max {K1, K2, …, Km} (1.43)
k
Нормирование показателей эффективности выполняется в соответствии с отношением
(Кk)/ = Кk / (1.44)
Минимаксный критерий обеспечивает наилучшее значение наихудшего из нормированных показателей эффективности. Минимаксное решение выби-рается из множества строго допустимых вариантов (1.42). Возможно выде-ление оптимального варианта в два этапа. На первом этапе минимальное решение Вм (1.42) выделяется из множества допустимых вариантов (Мg), т.е. на этом этапе не учитывают ограничения на показатели эффективности (ОК) K1, K2, …, Km. На втором этапе проверяют выполнения условия
Кмакс. (SM) ≤ 1 (1.45)
При этом будет выполняться и условие
(Кk)/ = Кk / ≤ 1, К = (1.46)
т. е. найденный минимаксный вариант будет строго допустим Вм Мcg .
Пусть требуется выбрать оптимальный вариант промышленного кон-троллера из трех вариантов В1, В3, В5 (табл. 1.2). Заданные ограничения
K1 ≤ = 80 МГц; K3 ≤ = 512 Кб; K4 ≤ = 512 Кб; (1.47)
Варианты имеют следующие показатели эффективности: В1 (40 МГц; 128 Кб; 256 Кб), В3 (40 МГц; 256 Кб; 512 Кб), В5 (40 МГц; 128 Кб; 256 Кб), т. е. все варианты являются допустимыми. Нормированные значения показателей эффективности (К1)/ = К1 /; (К3)/ = К3 /; (К5)/ = К5 /.
Нормированные значения показателей эффективности вариантов промышленных контроллеров
В1 (0,5; 0,25; 0,5), Кмакс. = 0,5
В3 (0,5; 0,5; 1,0), Кмакс. = 1,0
В5 (0,5; 0,25; 0,5), Кмакс. = 0,5
При задаче максимизации оптимальным вариантом является вариант В3, при этом выполняются условия (1.45, 1.46).
Иногда более целесообразным является применение модифицирован-ного минимаксного критерия. Оптимальным является вариант, для кото-рого выполняется условие
Кмакс. (ВM) ≤ Кмакс. (В), (1.48)
Вi Мg
где Кмакс = max i

при этом должно выполняться условие (1.42);
- минимально возможные значения показателей эффектив- ности. Из сравнения выражений (1.42, 1.43) и (1.48) ясно, что при = 0, модифицированный минимальный критерий совпадает с минимаксным критерием. В случае, когда хотя бы один показатель эффективности не равен нулю, то модифицированный, минимальный критерий является более целесообразным. Такой случай можно рассмотреть на примере выбора оптимального варианта промышленного контроллера из трех вариантов В1, В2, В3 (табл.1.2), при ограничениях (1.47). Варианты имеют следующие значения показателей эффективности В1 (40 МГц; 128 Кб;
256 Кб), В2 (40 МГц; 512 Кб; 512 Кб), В3 (40 МГц; 256 Кб; 512 Кб). Минимальные значения показателей эффективности: 256 Кб. При обычном минимаксном критерии получаем нормированные значения (1.44) для исходных вариантов
В1 (0,5; 0,25; 0,5), Кмакс. = 0,5
В2 (0,5; 1,0; 1,0), Кмакс. =1,0, (1.49)
В3 (0,5; 0,5;1,0), Кмакс. = 1,0
И делаем вывод, что нехудшими вариантами являются варианты В2, В3, но из результата (1.49) видно, что вариант В2 является лучшим по сравнению с вариантом В3. Применение модифицированного минимального критерия позволяет исключить такой результат. Применяя (1.48) получаем:
для варианта В1:
для варианта В2:
для варианта В3:
В1 (0; 0; 0); В2 (0,5; 0,75; 0,75); В3 (0; 0,25; 0,75);
В соответствии с критерием (1.48) оптимальным является вариант В2.
Метод на переводе всех показателей эффективности,
кроме одного, в разряд ограничений.
Метод основан на переводе всех показателей эффективности в разряд ограничений типа равенств, неравенств или смешанного типа, кроме одного показателя, называемого главным. При этом задача сводится к выбору варианта Вi Мg, имеющего минимальное (максимальное) значение главного показателя эффективности при наличии ограничений типа ра-венств К2=, К3=,…, Кm= или неравенств К2 ≤ , К3 ≤ ,…, Кm ≤ , или ограничений системного типа [9, 22]. Кроме ограничений должно выполнятся условие Кгл. ≤ .
При ограничениях типа равенств можно получить безусловно худшее решение. В таких случаях метод можно применять, когда возможность получения безусловно худшего варианта исключена. При ограничениях типа неравенств один из выделенных вариантов будет нехудшим.
Методу свойственны следующие недостатки:
в большинстве случаев нет достаточных оснований считать, какой один показатель эффективности главный;
для показателей переводимых в разряд ограничений очень часто не-льзя установить допустимые значения. Данному методу, как и боль-шинству других методов, основанных на условных критериях пред-почтения, свойственна значительная доля произвола, даже в случае привлечения высококвалифицированных специалистов – экспертов. Уменьшить субъективизм при выборе вариантов можно применением комбинированного метода, метода на основе введения ограничений на показатели эффективности и метода, основанного на введении результирующей целевой функции. Суть такого метода заключается в следующем. Для части показателей эффективности обоснованно вводится результирующий показатель (КР)
= f (K1, K2, …,Km/), m/ < m
Остальные (m-m/) показателей переводятся в разряд ограничений типа неравенств. Задача выбора принимает вид:
Найти вариант Вi Вg, обеспечивающий
= f (K1, K2, …,Km/)= min (max) при
, , …,
1.5.4. Метод последовательных уступок.
Суть метода заключается в следующем [9]:
показатели эффективности ранжируют в порядке их важности, к
примеру, наиболее важным считается показатель K1, наименее важ-ным – ;
определяется минимально возможное значение первого показателя при заданных (У) условиях и ограничениях (ОS) и игнорирова-нии остальных показателей эффективности (K2, K3, …, Km);
задается уступка ΔK1 (допустимое увеличение показателя K1 по сравнению ). Уступка необходима для обеспечения на последующих этапах выбора определения приемлемых результатов показателей эффективности K2, K3, …, Km;
oпределяется минимальное значение показателя при условии
Задается уступка ΔK2 и определяется минимальное значение при условии , ;
Аналогичная процедура повторяется до использования последнего по рангу показателя эффективности – Km, определяется при условии , , …, .
Найденный на этом этапе вариант и значения его показателей явля-ются оптимальными, при условии, что они отвечают ограничениям на показатели эффективности (ОК). Недостатком данного метода является субъективизм при ранжировании показателей эффективности по важности и в значительной степени произвольными являются уступки , , …,.
Глава 2. МНОГОСТАДИЙНЫЙ ВЫБОР ВАРИАНТОВ НА
ОСНОВЕ БИНАРНЫХ ОТНОШЕНИЙ МЕЖДУ МНОЖЕСТВАМИ
2.1. Структурная модель многостадийного выбора вариантов.
В математической теории принятия решений существует два подхода к оценке качества решения, кардинальный (количественный) и ординальный (порядковый или качественный). Количественный подход не охватывает многих естественных ситуаций, не всегда удается оценить качество одной функцией. Более широкое приложение у порядкового подхода, особенно при выборе на множествах. Такой подход связан со сравнением любой пары вариантов из множества вариантов и выделения более предпочтительного. Формализм порядкового подхода основан на теории бинарных отношений [8, 10 – 15, 22 – 24, 26 – 30]. Язык бинарных отношений позволяет сравнивать по качественным признакам объекты произвольной природы. Каждому типу качественной информации соответствует определенный класс отношений, с помощью которых можно описать разнообразные типы соответствия между элементами множества и множествами. Можно выделить специальный класс бинарных отношений, обладающий свойствами, естественными для процесса выбора вариантов. К таким бинарным отношениям относятся: отношение эквивалентности, отношение толерантности, отношение нестрогого (частичного) порядка, отношение строгого порядка, строгое упорядочение, строгий частичный порядок. Специальные бинарные отношения позволяют формировать в процессе выбора конструкции принятия решений, лишенные недостатков непосредственного сравнения объектов, вариантов, альтернатив, а введение схем математического программирования дает возможность описать с помощью бинарных отношений любой процесс выбора. Существует три способа решения задач выбора на основе бинарных отношений, соответствующие трем многокритериальным задачам (1.2 – 1.4) на основе строгого, нестрогого и комбинированного упорядочивания показателей эффективности (рис. 2.1). Для каждого способа выбора существует четыре способа задания отношений (рис. 2.1), преимущества каждого проявляются при разных характеристиках множеств. Первый, очевидный способ задания состоит в непосредственном пересечении пар элементов множеств. Он приемлем в случае конечного множества вариантов. Второй, весьма удобный, и широко применяемый способ задания отношения на конечных множествах – матричный. Третий способ дает возможность наглядного представления отношений в виде графа, гиперграфа. Граф, сохраняя всю наглядность и содержательность отображаемого объекта, позволяет строить формальные алгоритмы преобразований и при использовании своих матричных эквивалентов в виде матриц смежности, инциденций, в виде композиции матриц инцидентности гиперграфов, легко обрабатывается на компьютере. Для определения отношений на бесконечных множествах используется четвертый способ – задание отношений сечениями, в виде верхнего и нижнего уровней. Распределенную систему управления как объект компоновки техническими средствами автоматизации и программным обеспечением можно представить в виде отношения между множествами, соответствующих уровням распределенной системы (рис. 1.1): множество процессорных измерительных средств, исполнительных устройств и сенсорных сетей, множество промышленных контроллеров и контроллерных сетей, множество операторских станций и универсальных промышленных сетей, множество компьютеров и серверов, объединенных в вычислительные сети. Формализованное описание взаимодействия между уровнями (отношения между множествами) можно представить в виде графа связей с переходом к матрицам, для уменьшения числа элементов матриц можно использовать композицию гиперграфов [24, 28].
Способы выбора
Векторные
Скалярные
Нестрогое упорядочивание
Строгое упорядочи-вание критериев
Комбинированное упоря-дочивание критериев






На основе за-дания отно-шений в виде сечений
На основе за-дания отно-шений в виде графа
На основе за-дания отно-шений в виде матриц
На основе задания отношений в виде перечисления пар

Рис. 2.1. Способы решения задач выбора вариантов на основе бинарных отношений.
Поэтому в работе предложена структурная модель выбора вариантов на ос-нове бинарных отношений между множествами (рис. 2.2). Множество исходных вариантов Мисх. (рис. 2.3) формируются в виде модели представления информации для выбора вариантов. На основе этой модели осуществляется количественная оценка сложности и избыточности вариантов. Выбор допустимых вариантов (Мд/) осуществляется на множестве условий (У) и ограничений на структуру и параметры проектируемой системы (ОS).
Параметры и признаки технологических объектов управления, технических средств автоматизации и программное обеспечение
Формирование модели представления информации для выбора вариантов
Определение показателя сложности и избыточности вариантов
Выбор допустимых вариантов на множестве показателей эффективности

Выбор нехудших вариантов на основе абсолютного критерия Выбор нехудших вариантов на основе безусловного критерия предпочтения
Выбор нехудших вариантов на основе метода рабочих характеристик Выбор нехудших вариантов на основе метода усеченных матриц
Выбор оптимальных вариантов на основе лексикографического метода Выбор оптимальных вариантов на основе условного критерия предпочтения
Выбор оптимальных вариантов на основе метода уступок
Результат
Техническое и программное обеспечение распределенной системы управления
Рис. 2.2. Многостадийная модель выбора вариантов технического и программного
обеспечения распределенных систем управления.
Выбор строго допустимых вариантов Мg (рис. 2.3) осуществляется на множестве показателей эффективности формируемых на основе технических параметров вариантов и структурных показателей эффективности, на основе показателя сложности и показателя избыточности и на основе ограничений на показатели эффективности. Замкнутое множество в виде строго допустимых вариантов является исходным для объективного выбора нехудших вариантов Мнх. (рис. 2.3) на основе безусловного критерия предпочтения и отсева худших вариантов (Мх). Выбор нехудших вариантов в зависимости от лица, принимающего решение (ЛПР), может осуществлен на основе абсолютного критерия, на основе метода рабочих характеристик и метода усеченных матриц. Выделенное множество нехудших вариантов является исходным для выбора оптимальных вариантов Кк (Х0) (рис. 2.3) на основе условного критерия предпочтения, при этом на первом этапе выбирается оптимальный вариант при строгом упорядочении показателей эффективности. Если в результате выбора не получено единственного решения (единственного варианта), то применяется выбор на основе метода уступок. Результатом выбора является техническое и программное обеспечение для компоновки распределенных систем управления. Для реализации предложенной многостадийной модели необходимо соответствующее математическое описание процесса выбора на основе бинарных отношений между множествами.
Mx



К1

МД/
К2
Mисх
Мнх


КК(Х0)





Рис. 2.3. К многокритериальному выбору вариантов
2.2. Формирование модели представления информации для выбора вариантов.
Для выбора вариантов на множестве исходных вариантов и множестве показателей эффективности необходимо иметь рациональную модель представления исходной информации. Процесс выбора вариантов технических средств и программного обеспечения представляет собой процесс принятия решений и сводится к анализу соответствия между множеством исходных вариантов и множеством показателей эффективности, вли-яющих на выбор. Анализ работ [22, 24, 31 – 37] показал, что понятие «соответствие» является наиболее общим отношением между множествами и реализовать оптимально это отношение можно с помощью таблиц соот-ветствий, включающих три компоненты
Г=КК, В, Мс (2.1)
где КК – множество значений показателей эффективности ;
В – множество исходных вариантов;
Мс – матрица соответствий.
Этим компонентам соответствуют три части таблицы соответствий табл. 2.1.: таблица аргументов на основе множества показателей эффективности (КК), таблица решений на основе множества исходных вариантов (В) и матрица соответствий (Мс) на основе подмножества произведения множеств, Мс=Bi×Kjk элементы которой равны
aij=1, если Bi∩Kjk≠00, если Bi∩Kjk=0 (2.2)
где i =; j=;
Nисх. – число исходных вариантов;
m – число показателей эффективности, при этом Kk= K1k,K2k,…,KMkk,
K1= K11,K21,…,KMk11, K2= K12,K22,…,KMk22, …,Km=
=K1m,K2m,…,KMkmm - значения показателей эффективности.
Т а б л и ц а 2.1.
Структура таблицы соответствий.
Множество исходных вариантов,
Вi Множество показателей эффективности
К1 К2 … Кm
Множество значений показателей эффективности
K11K21… KMk11K12K22… KMk22… K1mK2m… KMkmmВ1 Мс=Bi×Kjkaij=1, если Bi∩Kjk≠00, если Bi∩Kjk=0
В2 ВN При формировании таблицы аргументов необходимо исключить появления неопределенности при выборе вариантов, обусловленной тем, что исходные значения параметров технических средств и программного обеспечения могут быть заданы в виде дискретных значений и диапазонов значений. При значениях параметров в виде ряда цифр элементы матрицы соответствий (табл. 2.1.) можно определить
aij=1, если Bi∈KTk0, в противном случае (2.3)
где KTk – требуемое значение параметра (показателя эффективности).
Если для исходного варианта значение показателя эффективности задано в виде диапазона Kмин.k÷Kмак.k , то требуемые значения можно записать: KТмин.k≤Kмин.k, KТмак.k≥Kмак.k. Значения показателя эффективности представляет в этом случае дискретную выборку из непрерывного множества значений в интервале Kмин.k÷Kмак.k. Элементы матрицы можно определить
aij=1, если Bi∈(KТмин.k≤Kмин.k ^ KТмак.k≥Kмак.k0, в противном случае (2.4)
где i = 1, 2, … , Nисх. – число вариантов;
j = 1, 2, … , KP– число членов ряда в интервалe Kмин.k÷Kмак.k, при этом первый элемент ряда равен - Kмин.k, последний - Kмак.k. В такой матрице число столбцов равно числу членов ряда (KP). Появляется необходимость минимизировать число членов ряда значений и одновременно исключить появление неопределенности элементов матрицы соответствий. Возможность появления неопределенности показана на примере трех вариантов модулей ввода сигналов с термопар (табл. 2.2) [25].
Т а б л и ц а 2.2.
Варианты Диапазон входного сигнала по напряжению, В
1 I – 7019 R - 0,5 ÷ + 0,5
2 I – 7019 - 0,15 ÷ + 0,15
3 I – 70188 L - 0,1 ÷ + 0,1

Согласно табл. 2.2 минимальное значение диапазонов входного си-гнала равно Kмин.1 = – 0,5 В, максимальное значение – Kмak.1= + 0,5 В. Про-извольно проведем деление данного интервала на 0, 05 В. Число членов ря-да при этом равно КР = 20, т.е. KP= K1p,K2p,…,KNp = K1p,K2p,…,K20p, K1p=-0,5, K2 p=-0,45, K3 p=-0,4, K4p=-0,35, K5 p=-0,3, K6 p=- 0,25,
K7p=-0,2, K8 p=-0,15, K9 p=-0,1, K10p=-0,05, K12 p=-0,1, K13 p=+ 0,15, K14p=-0,2, K15 p=+0,35, K16 p=+0,3, K17p=+0,35, K18 p=+0,4, K19 p=+ 0,45, K20 p=+ 0,5
Число диапазонов в таблице аргументов таблицы соответствий в интервале Kмин.1÷Kмак.1 равно, ∆Kj11=∆K11,∆K21, …,∆KMK11 j1 = j11, j12, … , j1M – столбцы матрицы соответствий, j11 → ∆K11, j12 → ,∆K21, j1M→ ∆KMK11; ∆K11 = K1p÷K2p– 0,5 ÷ – 0,45, ∆K21 = K2p÷K3p= – 0,45 ÷ – 0,4, …, ∆KMK11 = =K19p÷K20p= + 0,45 ÷ + 0,5. В данном случае число диапазонов (столбцов) таблицы аргументов равно ∆Kj11 = 19.
Число единичных значений для варианта В1 в матрице соответствий определяется по формуле (2.4)
a1j1=1, если B1∈(KТмин.1≤Kмин.1 ^ KТмак.1≥Kмак.10, в противном случае, (2.5)
где ∆Kмин.1=∆K1мин.1,∆K2мин.1, …,∆KMK1мин.1 – множество минимальных значений диапазонов столбцов матрицы соответствий;
∆Kмak.1=∆K1мak.1,∆K2мak.1, …,∆KMK1мak.1; – множество максимальных значений диапазонов столбцов матрицы соответствий.
С учетом диапазона входного сигнала для варианта В1 (табл. 2.2) KТмин.1 =
= – 0,5, KТmak.1= + 0,5, число единичных элементов в матрице соответствий (табл. 2.3) будет равно 19. Число единичных элементов для второго варианта модуля ввода сигналов с термопар (В2) можно определить
a2j1=1, если B2∈(KТмин.1≤Kмин.1 ^ KТмак.1≥Kмак.10, в противном случае, (2.6)
Диапазон входного сигнала для варианта В2 (табл. 2.2) равен KTмин.1÷KTмак.1 = – 0,15 ÷ + 0,15, число единичных элементов будет 5 (табл. 2.3).
Число единичных элементов для третьего варианта (В3) определяет-ся в соответствии с (2.4).
a3j1=1, если B3∈(KТмин.1≤Kмин.1 ^ KТмак.1≥Kмак.10, в противном случае, (2.7)
Диапазон входного сигнала для варианта В3 (табл. 2.2) равен KTмин.1÷KTмак.1 = – 0,1 ÷ + 0,1, число единичных элементов в матрице соответствий (табл. 2.3) по выражению (2.7) будет равно 3.
При произвольном уменьшении числа членов ряда в интервале Kмин.1÷Kмак.1 = – 0,5 ÷ + 0,5 в два раза, что соответствует делению диапазона входных сигналов вариантов В1, В2, В3 на 0,1 В, в матрице соответствий (табл. 2.4) появляется неопределенность (столбцы 4, 6). Формирование таблицы соответствий (табл. 2.4) выполнено в соответствии с (2.4 – 2.7) и табл. 2.2. Для исключения неопределенности и оптимизации числа элементов матрицы соответствий необходимо принимать в качестве границ участков границы диапазонов значений показателей эффективности исходных вариантов.
Т а б л и ц а 2.3.
Таблица соответствий при делении диапазона входных сигналов на 0,05 В.
i / j 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
B1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
B2 1 1 1 1 1 B3 1 1 1 Т а б л и ц а 2.4.
Таблица соответствий при делении диапазона входных сигналов на 0,1 В.
i / j 1 2 3 4 5 6 7 8 9
B1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
B2 ? 0 1 ? 1 ? 0 1 ? B3 1 Т а б л и ц а 2.5.
Таблица соответствий при формировании таблицы аргументов по нижним и верхним границам диапазонов входных сигналов по вариантам
i / j 1 2 3 4 5
B1 1 1 1 1 1
B2 1 1 1 B3 1
Для выполнения этого условия при формировании таблицы аргументов выполняются следующие операции:
Выделяются множества минимальных и максимальных значений диапазонов показателей эффективности вариантов
Kмин. =Kмин.1^Kмин.2^…^ Kминm, Kмaк. =Kмак.1^Kмак..2^…^Kмак.m (2.8)
Элементами множеств (2.8) являются минимальные и максимальные значения диапазонов показателей эффективности
Kмин.1=K1мин.1v K2мин.1v …v Kn1мин.1, Kмин.2=K1мин.2v K2мин.2v …v Kn2мин.2, … , Kмин.m=K1мин.mv K2мин.mv …v Knmмин.m, Kмак.1=K1мак.1v K2мак.1v …v Kn1мак.1, (2.9)
Kмак.2=K1мак.2v K2мак.2v …v Kn2мак.2, … , Kмак.m=K1мак.mv K2мак.mv …v Knmмак.m;
Из множества минимальных и максимальных значений диапазонов, для каждого показателя эффективности формируется упорядоченный по возрастанию ряд, при этом повторяющиеся значения не включаются повторно в члены ряда.
KP1=K1P1,K2P1, …,KN1P1, KP2=K1P2,K2P2, …,KN2P2
KPm=K1Pm,K2Pm, …,KNmPm (2.10)
На основе упорядоченных значений (2.10) формируются диапазоны таблицы аргументов для каждого показателя эффективности
∆Kj11=∆K11,∆K21, …,∆KMK11, ∆Kj22=∆K12,∆K22, …,∆KMK22, … … , ∆Kjmm=∆K1m,∆K2m, …,∆KMKmm (2.11)
Непосредственно диапазоны значений равны:
∆K11 = K1p1÷K2p1, ∆K21 = K2p1÷K3p1, … , ∆KMK11=KN1-1p1÷KN1p1,
∆K12 = K1p2÷K2p2, ∆K22 = K2p2÷K3p2, … , ∆KMK22= KN2-1p2÷KN2p2, … , ∆K1m = =K1Pm÷K2Pm, ∆K2m = K2Pm÷K3Pm, … , ∆KMKmm= KNm-1Pm÷KNmPm. (2.12)
Столбцы таблицы аргументов для матрицы соответствий, для сфор-мированных диапазонов (2.11, 2.12) можно обозначить:
J1 = j11, j12, …,j1MK1, j11→∆K11 , j12→∆K21 , …,j1MK1→∆KMK11;J2 = j21, j22, …,j2MK2, j21→∆K12 , j22→∆K22 , …,j2MK2→∆KMK22; ⋮ (2.13)
Jm = jm1, jm2, …,jmMKm, jm1→∆K1m , jm2→∆K2m , …,jmMKm→∆KMKmm;где m – число показателей эффективности;
– число столбцов значений показателей эффективности.
Элементы матрицы соответствий для значений диапазонов показателей эффективности (2.12) в целом определится в соответствии с выражением
a1j=1, если B1∈(KТмин.K≤Kмин.K ^ KТмак.K≥Kмак.K)0, в противном случае, (2.14)
где i = 1, 2, … , Nисх., Nисх. – число исходных вариантов;
К = 1, 2, …, m – число показателей эффективности.
С учетом (2.10 – 2.14) элементы матрицы соответствий для первого показателя эффективности и первого варианта определяются
a1j=1, если B1∈(KТмин.1≤Kмин.1 ^ KТмак.1≥Kмак.1)0, в противном случае, (2.15)
где Kмин.1={∆K1мин.1, ∆K2мин.1, …, ∆KMK1мин.1} – минимальные значения диапазонов в столбцах j11, j12, …,j1MK1;
Kмак.1={∆K1мак.1, ∆K2мак.1, …, ∆KMK1мак.1} – максимальные значения диапазонов в столбцах j11, j12, …,j1MK1;
В результате выражение (2.15) можно записать
a1j1=1,если B1∈KTмин.1≤(∆K1мин.1v ∆K2мин.1v…v∆KMK1мин.1)^KTмак.1≥≥(∆K1мак.1, ∆K2мак.1, …, ∆KMK1мак.1) 0, в противном случае
(2.16)
Аналогично (2.15, 2.16) и с учетом (2.10 – 2.14) можно записать выражения для определения элементов матрицы соответствий для последующих показателей эффективности и исходных вариантов.
В результате модель представления информации для выбора вариантов показана в виде таблицы соответствий (табл. 2.6).
Т а б л и ц а 2.6.
Таблица соответствий для представления информации для выбора
вариантов
Вари-анты,
Вi Значения диапазонов показателей эффективности
∆Kj11==∆K11,∆K21, …,∆KMK11∆Kj22==∆K12,∆K22, …,∆KMK22… ∆Kjmm =
∆K1m,∆K2m, …,∆KMKmm∆K11,j11 ∆K21,j12 … ∆KMK11,j1MK1∆K12,j21 ∆K22,j22 … ∆KMK22,j2MK2… ∆K1m,jm1 ∆K2m,jm2 … ∆KMKmm,jmMKmВ1 MC=[Bi×KjK]aij=1, если Bi∈(KТмин.k≤Kмин.k ^ KТмак.k≥Kмак.k0, в противном случае
В2 ВN Таблица соответствий включает в себя таблицу аргументов (множество
значений диапазонов показателей эффективности), таблицу решений (исходное множество вариантов) и матрицу соответствий (Мс).
2.3. Нормализация исходных таблиц соответствий.
Использовать исходные таблицы соответствий в алгоритмах выбора вариантов (решений) нецелесообразно, т.к. они могут иметь ряд недостатков: избыточность информации (получение одинаковых вариантов при различных условиях); большой объем таблиц соответствий (наличие избыточных и нулевых значений условий); появление множества дублирующих параллельных путей выбора решений. Для нормализации исходных таблиц (табл. 2.7) соответствий предложены логические условия выделения безразличных значений параметров, неопределенных и эквивалентных значений параметров, транзитных параметров. Если значение параметра относительно таблицы решений в матрице соответствий имеет все единицы, то это значение параметра является безразличным. Выделить его можно с помощью логического условия.
i=1Nисх.∆K11 =Nисх.v i=1Nисх.∆K21 =Nисх.v… vi=1Nисх.∆KMK11=Nисх.vvi=1Nисх.∆K12 =Nисх.v i=1Nисх.∆K22 =Nисх.v… vi=1Nисх.∆KMK22=Nисх.vvi=1Nисх.∆K1m =Nисх.v i=1Nисх.∆K2m =Nисх.v… vi=1Nисх.∆KMKmm=Nисх., (2.17)
где Nисх. – число вариантов проектных решений i = 2, 3, … , Nисх.;
МК1, МК2, …, МКm – число значений показателей эффективности.
Безразличным параметром является параметр, у которого все значе-ния безразличны относительно таблицы решений. Выделяется такой пара-
метр с помощью следующего логического условия:
i=1Nисх.∆K11 =Nисх.^i=1Nисх.∆K21 =Nисх.^…^i=1Nисх.∆KMK11=Nисх. vvi=1Nисх.∆K12 =Nисх.^i=1Nисх.∆K22 =Nисх.^…^i=1Nисх.∆KMK22=Nисх. vvi=1Nисх.∆K1m =Nисх.^ i=1Nисх.∆K2m =Nисх.^…^i=1Nисх.∆KMKmm=Nисх.
(2.18)
Если значение параметра относительно таблицы решений в матрице соответствий имеет все нули, то это значение является неопределенным. Его выделение осуществляется с помощью следующего логического усло-вия:
i=1Nисх.∆K11 =0v i=1Nисх.∆K21 =0v… vi=1Nисх.∆KMK11=0vvi=1Nисх.∆K12 =0v i=1Nисх.∆K22 =0v… vi=1Nисх.∆KMK22=0vvi=1Nисх.∆K1m =Nисх.v i=1Nисх.∆K2m =Nисх.v… vi=1Nисх.∆KMKmm=Nисх., (2.19)
Если парные значения параметра относительно таблицы решений в матрице соответствий имеет число совпадений равное числу решений (Nисх.), то такие значения являются эквивалентными, выделить их можно с помощью следующих условий
i=1Nисх.(∆K11 ^∆K21 )=Nисх.vi=1Nисх.(∆K11 ^∆K31 )=Nисх.v……v i=1Nисх.(∆K11 ^∆KMK11)=Nисх.vi=1Nисх.(∆K21 ^∆K31 )=Nисх.vvi=1Nисх.(∆K21 ^∆K41 )=Nисх.v…vi=1Nисх.(∆K21 ^∆KMK11)=Nисх.v……vi=1Nисх.(∆KMK1-11^∆KMK11)=Nисх. vi=1Nисх.(∆K12 ^∆K22 )=Nисх.vi=1Nисх.(∆K12 ^∆K32 )=Nисх.v……v i=1Nисх.(∆K12 ^∆KMK22)=Nисх.vi=1Nисх.(∆K22 ^∆K32 )=Nисх.vvi=1Nисх.(∆K22 ^∆K42 )=Nисх.v…vi=1Nисх.(∆K22 ^∆KMK22)=Nисх.v……vi=1Nисх.(∆KMK2-12^∆KMK22)=Nисх.v⋮ (2.20)

i=1Nисх.(∆K1m ^∆K2m )=Nисх.vi=1Nисх.(∆K1m ^∆K3m )=Nисх.v……v i=1Nисх.(∆K1m ^∆KMK1m)=Nисх.vi=1Nисх.(∆K2m ^∆K3m )=Nисх.vvi=1Nисх.(∆K2m ^∆K4m )=Nисх.v…vi=1Nисх.(∆K2m ^∆KMKmm)=Nисх.v……vi=1Nисх.(∆KMKm-1m^∆KMKmm)=Nисх.при этом число сочетаний по каждому параметру составляет , , .. …, .
Если параметр включает только безразличные и неопределенные значения, то он является транзитным. Выделить его можно с помощью сле-дующих условий:
i=1Nисх.∆K11 =0v i=1Nисх.∆K21 =0v… vi=1Nисх.∆KMK11=0^^i=1Nисх.∆K11 =Nисх.v i=1Nисх.∆K21 =Nисх.v… vi=1Nисх.∆KMK21=Nисх.vi=1Nисх.∆K12 =0v i=1Nисх.∆K22 =0v… vi=1Nисх.∆KMK22=0^^i=1Nисх.∆K12 =Nисх.v i=1Nисх.∆K22 =Nисх.v… vi=1Nисх.∆KMK22=Nисх.^……^i=1Nисх.∆K1m =0v i=1Nисх.∆K2m =0v… vi=1Nисх.∆KMKmm=0 ^^i=1Nисх.∆K1m =Nисх.v i=1Nисх.∆K2m =Nисх.v… vi=1Nисх.∆KMKmm=Nисх.(2.21)
При этом суммарное число значений параметра равное нулю и единице в матрице соответствий должно быть равно общему числу значений параметра в таблице аргументов, т.е.
j1=1MK1i=1Nисх.∆Kj11=0+j1=1MK1i=1Nисх.∆Kj11=1=MK1, j1=1MK1i=1Nисх.∆Kj22=0+j2=1MK2i=1Nисх.∆Kj22=1=MK2,…..,j1=1MK1i=1Nисх.∆Kj22=0+j2=1MK2i=1Nисх.∆Kj22=1=MKm (2.22) где j1, j2, … , jm - число столбцов, соответствующих значениям показателей
эффективности.
В результате анализа исходной таблицы соответствий по значениям показателей эффективности ∆Kj11,∆Kj22 , ∆Kj33, …, ∆Kjmm и значениям таблицы аргументов, в соответствии с предложенными логическими условиями (2.17 – 2.22), удаляют все столбцы, соответствующие значениям безразличного параметра, если параметр имеет эквивалентные значения, то удаляют все значения, кроме одного, которому приписывают всё множество проектных эквивалентных решений. В результате формируется нормализованная таблица соответствий (табл. 2.8).
По данным нормализованной таблицы определяется показатель информативности параметров таблицы аргументов 33
= mс+ p +g ,
где mс – число столбцов (значений) параметра;
p – суммарное число решений, определяемых всеми попарно неэкви-
валентными значениями параметра;
g – принимает значение «1», если имеется неопределённое значение
параметра, и значение «0», если такое значение отсутствует.
В табл. 2.8 параметр ∆Kj33 является транзитным (ТР). Остальные параметры являются параметрами-разделителями. Нормализованная таблица соответствий является основой для построения минимизированной граф-схемы выбора проектных решений с помощью частичных нормализованных таблиц соответствий 30, 33, 36. Начальной вершине граф-схемы (рис. 2.4) соответствует транзитный параметр. Если таких параметров в нормализованной таблице несколько, то для построения начального транзитного куста выбирают транзитный параметр с наименьшим индексом. Начальной вершине транзитного куста ставят в соответствие все множества проектных решений (В1, В2, В3, В4,…, ВNисх). Дугам транзитного куста соответствуют значения транзитного параметра (∆K13 ,∆KMK33). Конечной вершине дуги ∆KMK33 соответствует всё множество проектных решений, конечной вершине второй дуги присваивают пустое решение (рис.2.4). После построения транзитного куста из числа параметров-разделителей нормализованной таблицы (табл. 2.8) выбирают параметр с наименьшей информативностью. При наличии нескольких параметров с такой информативностью, для построения следующего куста граф-схемы выбирают параметр с наименьшим числом безразличных значений. Если и таких параметров несколько, то выбирают параметр с наименьшим индексом. Вершине куста соответствует параметр с наименьшей информативностью (∆Kj11). Каждой дуге этой вершины соответствует значение параметра. В данном случае первая дуга -∆K1,21, вторая - ∆KMK1 Если для значений данного параметра не содержится всех проектных решений, то строится дополнительная дуга, которой присваивается пустое значение параметра (). В этом случае проектные решения, соответствующие данному значению, не выпадают из дальнейшего построения граф-схемы. Конечным вершинам дуг K1,21, ∆KMK1 1соответствуют определенные проектные решения – (В1, В3, В4, В2, Вm). Последующие кусты графа строятся на основе частичных нормализованных таблиц. Для этого из нормализованной табл. 2.8 удаляют параметры, выбранные для построения предыдущего куста ∆Kj11, ∆Kj33.
Т а б л и ц а 2.7
Исходная таблица соответствий.
Вари-анты,
В Вi Значения диапазонов показателей эффективности
∆Kj11=∆K11,∆K21, …,∆KMK11∆Kj22=∆K12,∆K22, …,∆KMK22 ∆Kj33=∆K13,∆K23, …,∆KMK33∆Kjmm = ∆K1m,∆K2m, …,∆KMKmm∆K11,j11 ∆K21,j12 … ∆KMK11,j1MK1∆K12,J21 … ∆KMK22,j2MK2∆K13,J31 … ∆KMK33,j3MK3∆K1m,jm1 ∆K2m,jm2 … ∆KMKmm,jmMKmВ1 1 1 … 1 … 1 … 1 1 … В2 … 1 1 … 1 … 1 1 … В3 1 1 … 1 … 1 … 1 … 1
В4 1 1 … 1 … 1 … 1 1 … … … … … ВN … 1 1 … 1 … 1 … 1
Т а б л и ц а 2.8
Нормализованная таблица соответствий
Варианты,
Вi Значения диапазонов показателей эффективности
∆Kj11=∆K11,∆K21, …,∆KMK11∆Kj33=∆K13,∆K23, …,∆KMK33∆Kjmm = ∆K1m,∆K2m, …,∆KMKmm∆K1,21j1,1 …… ∆KMK11,j1MK1∆K13,J31 …… ∆KMK33,j3MK3∆K1m,j1m ∆K2m,j2m … ∆KMKmm,jmMKmВ1 1 … … 1 1 … В2 … 1 … 1 1 … В3 1 … … 1 … 1
В4 1 … … 1 1 … … … … … ВN … 1 … 1 … 1
ρ7 Тр 8
Для оставшихся параметров строятся частичные таблицы соответствий для конечных вершин предыдущего куста. В данном случае параметр ∆Kjmm. и соответственно конечные вершины В1, В3, В4, В2, Вm. Этим вершинам, по данным предыдущей таблицы (2.8), соответствуют частичные таблицы – (табл. 2.9, 2.10).
Т а б л и ц а 2.9
Частичная таблица для решений В1, В3, В4
Вi ∆Kjmm∆K1m∆K2m… ∆KMKm mВ1 1 В3 1
В4 1
При необходимости осуществляют нормализацию частичных таблиц в соответствии с (2.17 – 2.22). Дальше процедура построения графа повторяется: для каждой частичной таблицы определяется показатель информативности параметров; выбираются параметры с минимальной информативностью, и строятся последующие кусты графа.
Т а б л и ц а 2.10
Частичная таблица для решений В2, Вm
Вi Kjmm∆K1m∆K2m… ∆KMKm mВ2 1 Вm 1
Построение выполняетcя до получения конечных вершин для всех параметров (рис. 2.4). На основе минимизированной граф-схемы формируется минимизированная таблица соответствий (табл. 2.11).
Т а б л и ц а 2.11
Минимизированная таблица соответствий
Вi Значения условий выбора проектных решений
∆K1,21∆KMK1 1∆KMK3 3∆K1m∆K2m∆KMKm mВ1 1 - 1 - 1 -
В2 - 1 1 1 - -
В3 1 - 1 - - 1
В4 1 - 1 1 - -
Вm - 1 1 - - 1

Для этого необходимо проанализировать обратный путь от каждого варианта проектного решения - В1, В2,…,Вm - до начальной вершины графа. Значения параметров, присвоенные дугам каждого пути, являются значениями условий, определяющими выбор решений, что соответствует единичным значениям в матрице соответствий (табл. 2.11). В итоге составляется минимизированный алгоритм выбора проектных решений на основе логических условий таблицы соответствий:
B1=∆K1,21^ ∆KMK3 3^ ∆K2m; B2= ∆KMK1 1^ ∆KMK3 3^ ∆K1m; B3=∆K1,21^ ∆KMK3 3^ ∆KMKmm; B4=∆K1,21^ ∆KMK3 3^ ∆K1m;
Bm=∆KMK1 1^ ∆KMK3 3^ ∆KMKmmВ1, В2, В3, В4,…, Вm



∆Kj33 ∆K13

∆KMK3 3
В1, В2, В3, В4,…, Вm



∆Kj11
∆K1,21В1, В3, В4

В2, Вm
∆KMK1 1

∆Kjmm ∆Kjmm
∆K2m ∆K1m ∆K1m ∆KMKm m ∆KMKm m
В4
В1
B3
B2
Bm


Рис. 2.4. Минимизированная граф-схема выбора проектных решений
2.4. Метод выбора допустимых вариантов.
Одной из задач в процессе многостадийного выбора вариантов является выбор вариантов с требуемыми значениями показателей эффектив-ности. Задача многовариантная и многопараметрическая и поэтому при-менение метода простого полного перебора является громоздким, число операций сравнения растет пропорционально числу вариантов и значений параметров. Наиболее рациональным, с точки зрения вычислительной про-цедуры и единого подхода к формализованному описанию процесса мно-гостадийного выбора, является метод информационного поиска допусти-мых вариантов на основе матриц соответствий, где роль поисковых признаков допустимых вариантов выполняют требуемые значения показателей эффективности [24, 39, 40]. Решение задачи сводится к классификации исходного множества вариантов на два класса, множество допустимых ва-риантов и множество вариантов не удовлетворяющих хотя бы одному тре-буемому значению показателей эффективности. Для выполнения процеду-ры классификации можно ввести двоичную функцию
g(B1)=g1=1, если (KТмин.1≤Kмин.K ^ KТмак.K≥Kмак.K)0, если (KТмин.1>Kмин.K ^ KТмак.K<Kмак.K) (2.23)
где KТмин.K, KТмак.K - требуемые минимальные и максимальные значения по-казателей эффективности.
Из (2.11 – 2.13, 2.23) можно записать g1= 1, если (KТмин.1≤∆Kj1мин.1 ^KТмак.1≥Kj1мак.1)^(KТмин.2≤∆Kj2мин.2 ^KТмак.2≥Kj2мак.2)^ .. .. ^(KТмин.m≤∆Kjmмин.m ^KТмак.m≥Kjmмак.m) (2.24)
С учетом (2.24) g1 равно
gi=gij1^ gij2^…^ gijmгде gij1= 1, если KТмин.1≤∆Kj1мин.1 ^ KТмак.1≥Kjмак.1;
gij2= 1, если KТмин.2≤∆Kj2мин.2 ^ KТмак.2≥Kj2мак.2;

gijm= 1, если KТмин.m≤∆Kjmмин.m ^ KТмак.m≥Kjmмак.mУсловие классификации можно записать
Bi=Biд, если gi=1 Biнд, если gi=0Для выделения допустимых вариантов из множества исходных не-
обходимо для каждого варианта определить двоичную функцию
g1=g1j1^ g1j2 ^ ⋯^ g1jm g2=g2j1^ g2j2 ^ ⋯^ g2jm (2.25)

gисх.=gNисх.j1^ gNисх.j2 ^ ⋯^ gNисх.jm Правая часть системы уравнений (2.25) представляет собой логи-ческое произведение столбцов матрицы, а левая часть может быть записана как результирующий столбец
Ag=g1g2⋮gисх.=g1j1g2j1⋮gNисх.j1^ g1j2g2j2⋮gNисх.j2^⋯^g1jmg2jm⋮gNисх.jm (2.26)

В результате поиск допустимых вариантов сводится к логическому умножению столбцов матрицы, строки которой соответствуют исходным вариантам, а столбцы требуемым минимальным и максимальным значе-ниям показателей эффективности, если значения показателей эффективно-сти заданы в виде диапазона Kмин.K÷Kмак.K Выбор допустимых вариантов при дискретных значениях показате-лей эффективности осуществляется также с помощью матрицы соответст-вий Аg = |аij|, в которой строки соответствуют исходным вариантам, а стол-бцы требуемым значениям показателей эффективности.
Ag= i/jKT11KT21 B1 a11 a12B2a21a22 ⋯KTmm⋯ a1m⋯a2m (2.27)
⋮⋮⋮BNисх.aNисх.1aNисх.2 ⋮⋮⋯aNисх.mЭлементы матрицы определяются
aij=1, если B1∈(KТ1 v KТ2 v ⋯ v KТm)0, в противном случае (2.28)
В дальнейшем введем обозначение KТ1=AT1, KТ2=AT2,⋯, KТm=ATm. Для выделения допустимых вариантов необходимо осуществить логическое ум-ножение столбцов матрицы (Ag).
Ag= AT1 ^ AT2^⋯^ ATm (2.29)
Множества допустимых вариантов выполняется на основе пересечения множеств
Mg=XAT11^ XAT22 ^ ⋯^ XATmm (2.30)
где XAT11, XAT22, ⋯, XATmm - множества, элементами которых являются варианты, которым в столбцах матрицы соответствуют единичные значения.
Выбор допустимых, нехудших и оптимальных вариантов в соответ-ствии с многостадийной моделью (рис.2.2) рассмотрен на примере выбора вариантов промышленных контроллеров. Исходные варианты контролле-ров представлены в табл. 2.12. В качестве показателей эффективности при-няты: частота процессора (К1), оперативная память (К2), память электрон-ного диска (К3), Flach-память (К4), число слотов (К5), число последователь-ных интерфейсов (К6), стоимость (К7). Для выбора допустимых вариантов заданы требуемые значения KТK={KT1, KТ2, ⋯, KТm}, KT1 ≥40 MГц, KТ2≥128 Кб, KТ3≥256 Кб, KТ4≥256 Кб, KТ5≥3, KТ6≥1, KТ6≥10,29∙10-5. Матрица для выбора допустимых вариантов сформулирована в со-ответствии с (2.27) Ag=aij, i = 1, 2 ,…, Nисх., Nисх.= 7, Bi= {B1, B2, …, B7},
j = 1, 2, … , 7 = KT1, KТ2, ⋯, KТm. Элементы матрицы определены в соответствии с (2.28)
aij=1, если B1∈(KТ1 v KТ2 v ⋯ v KТ7)0, в противном случаеi/jKТ1KТ2B111B211 KТ3KТ4KТ5111111 KТ6KТ71111 Ag= B3 1 1B4 1 1B5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 (2.31)
B6 1 1B7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 В соответствии с (2.26, 2.29, 2.30) логическое умножение столбцов мат-рицы (2.31) Ag= AT1 ^ AT2^⋯^ AT7где AT1=KТ1, AT2=KТ2, AT3=KТ3,AT4=KТ4,AT5=KТ5,AT6=KТ6, KТ7= AT7. Выделение допустимых вариантов промышленных контроллеров выполне-но в соответствии с (2.30) Mg=XAT11^ XAT22 ^ ⋯^ XAT77, при этом XAT11= {B1 ÷ B7}, XAT22={B1 ÷ B7}, … , XAT77= {B1 ÷ B7}; т.е. элементами множеств XAT11, XAT22, ⋯, XAT77 являются исходные варианты B1 ÷ B7, т.к. в столбцах матрицы (2.31) им соответствуют единичные значения (при данных требуемых значениях показателей эффективности). В результате пересечения множеств допустимыми являются Mg= {B1, B2, … , B7}.
2.5. Методы выбора нехудших вариантов на основе безусловного критерия предпочтения.
2.5.1. Выбор нехудших вариантов на основе абсолютного критерия.
Первым исходным множеством для этого этапа выбора (рис. 2.2, 2.3) в соответствии с условным критерием предпочтения являются допустимые варианты Mg = {Bi} I = 1, 2, …, Ng. Вторым множеством является множество показателей эффективности КК = { К1 , К2 , …, Кm}. К= 1, 2, … , m и соответствующее им множество значений показателей эффективности
KK=<K1K, K2K, …, KMKK>,
где МK – число значений показателей эффективности.
Для выбора нехудших (рациональных) вариантов необходимо вы-полнить [24, 27, 29]
Формирование упорядоченного ряда значений показателей эффек-тивности
KK={K1K, K2K, …, KMKK}, K1={K11, K21, …, KMK11}, K22, …, KMK22}, Km={K1m, K2m, …, KMKmm}, (2.32)
где МК, МК, MKm - число значений показателей эффективности.
Упорядоченные ряды по возрастанию формируются при минимизации показателей эффективности в процессе выбора вариантов, при максимизации упорядоченные ряды формируются по убыванию.
Формирование матриц для показателей эффективности на основе упорядоченных значений показателей эффективности (2.32)
AK1=aij1, AK2=aij2, ⋯, AKm=aijm. (2.33)
Строки матриц соответствуют допустимым вариантам, i = 1, 2, …, Ng; столбцы – значениям упорядоченных рядов показателей эффективности,
j1 = K11, K21, …, KMK11, j2 = K12, K22, …, KMK22 …, jm = K1m, K2m, …, KMKmm.
Первые столбцы матриц (2.33) соответствуют первым значениям упорядоченных рядов (2.32), при этом столбцы матриц можно обозначить:
K11→A11, K21→A21, ⋯, KMK11→AMK11; K12→A12, K22→A22, ⋯, KMK22→→AMK22, ⋯, K1m→A1m, K2m→A2m, ⋯, KMKmm→ AMKmm (2.34)
Элементы матриц AK1, AK2, … , AKm определяются в соответствии с условиями:
aij1=1, если Bi∈(A11 v A21 v ⋯ vAMK11)0, в противном случаеaij2=1, если Bi∈(A12 v A22 v ⋯ vAMK22)0, в противном случае ⋮ aijm=1, если Bi∈(A1m v A2m v ⋯ vAMKmm)0, в противном случае (2.35)


Выбор нехудших вариантов по абсолютному критерию применяется при выборе вариантов с минимальными (максимальными) значениями всех показателей эффективности и выполняется с помощью логического умножения результирующего столбца допустимых вариантов и первых столбцов матриц показателей эффективности (2.33) [27]
Анх = Ag^ A11 ^ A12 ^…^ A1m (2.36)
Непосредственно выбор нехудших вариантов осуществляется пересечени-ем множеств
Mнх = Xg^ X11 ^ X12 ^…^ X1m (2.37)
Где Xg,X11,X12 … X1m - множества, элементами которых являются варианты, которым в столбцах соответствуют единичные значения. Процедура выбора по абсолютному критерию рассмотрена на примере выбора промышленных контроллеров, на основе исходных вариантов в табл. 2.12 и результатов выбора допустимых вариантов, M g = { В1, В2, …, В7}. В данном примере показатели эффективности максимизируются, поэтому значе- ния показателя эффективности К7 (стоимость) представлены в виде обратных значений.
Т а б л и ц а 2.12
Исходные варианты промышленных контроллеров.
Варианты
Промышленные контроллеры Частота процессора
К1, МГц
Оперативная память,
К2
Память электронного диска, К3 Flash память, К4
Число слотов,
К5 Число последовательных интерфейсов К6 Стоимость ,
К7
B1 W-8301-G 206 64 Mб 32 Мб 32 Мб 3 3 5,03*10-5
(19890)
В2 W-8331-G 206 64 Mб 32 Мб 32 Мб 3 1 4,41*10-5
(22680)
В3 W-8337-G 206 64 Mб 32 Мб 32 Мб 3 1 4,39*10-5
(22770)
В4 I-8410 40 128Кб 256 Кб 256 Кб 4 1 10,29*10-5
(9720)
В5 I-8438 80 512 Кб 512 Кб 512 Кб 4 2 4,99*10-5
(20010)
В6 I-8838 80 512 Кб 512 Кб 512 Кб 8 2 4,68*10-5
(21360)
В7 I-8817 40 512 Кб 512 Кб 512 Кб 8 2 7,23*10-5
(13830)
Упорядоченные значения показателей эффективности сформированы в соответствии с (2.32) по убыванию.
K11=206 МГц (В1, В2, В3)K21=80 МГц (В5, В6)K31=40 МГц (В4, В7) K12=64 Мб (В1, В2, В3)K22=512 Кб (В5, В6, В7)K32=128 Кб (В4) K13=32 Мб (В1, В2, В3)K23=512 Кб (В5, В6, В7)K33=256 Кб (В4) K14=32 Mб (В1, В2, В3)K24=512 Кб (В5, В6, В7)K34=256 Кб (В4) K15=8 (В6, В7)K25=4 (В4, В5)K35=3 (В1, В2, В3) K16=3 (В1)K26=2 (В5, В6,В7)K36=1 (В2, В3, В4) (2.38)
K17=10,29∙10-5 (В4)K27=7,23∙10-5 (В7)K37=5,03∙10-5 (В1) K47= 4,99∙10-5(В5) K57=4,68∙10-5 (В6)K67=4,41∙10-5 (В2)K77=4,39∙10-5 (В3)
Матрицы для показателей эффективности сформированы в соответствии с (2.35).


(2.39)
(2.39)
Логическое умножение первых столбцов матриц и пересечение множеств выполнены в соответствии с (2.36, 2.37)
Анх = , Мнх =
, , , , , ,
В результате пересечения множеств решения нет, т.е. Мнх = Ø. В таком случае необходимо перейти к выбору нехудших вариантов на основе метода рабочих характеристик.
2.5.2. Выбор нехудших вариантов на основе метода рабочих характеристик.
Исходными данными для выбора являются матрицы показателей эффективности и показатели эффективности К1, К2, …, Кm.
Для выделения множества нехудших вариантов необходимо выполнить логическое умножение матриц в соответствии с условием
, (2.40)
где n = 2, 3, …, m; – столбцы матриц показателей эффекти-вности (2.39);
, , …, ; – логическое умножение матриц ,
;, ; .. …;,

(2.41)


Столбцы матрицы логически умножаются на каждый столбец матриц , , …, до получения решения (совпадения хотя бы одного из единичных элементов столбцов).
Для матриц ,

(2.42)


Для матриц ,

(2.43)


Для матриц ,

(2.44)


В результате выполнения операций (2.40 – 2.44) выделено множество точек вариантов в координатах рабочих характеристик показателей эффективности К1К2, К1К3, …, К1Кm в соответствии с условием
, (2.45)
где – множества вариантов (в частном случае один вариант), полученные в результате логического умножения матриц (2.40); – множества вариантов, которым в столбцах матриц (2.39) соответствуют единичные значения: соответствует рабочей характеристике К1 = f (К2), – рабочей характеристике К1 = f (К3), – рабочей характеристике К1 = f (Кm),
…,
Для множеств матриц ,


(2.45)


Для множеств матриц ,

(2.46)


Для множеств матриц ,

(2.47)


Нехудшими вариантами в координатах рабочих характеристик К1 К2, К1К3, …, К1Кm являются варианты, соответствующие точкам левой границы, при минимизации показателей эффективности, точкам правой границы – при максимизации показателей эффективности. Множество нехудших вариантов, соответствующее множеству показателей эффективности Кк ={К1, К2, …, Кm}, определяется в соответствии с условием
МНХ = М1,2 М1,3 … М1,m,
где М1,2, М1,3, М1,m – варианты, выделенные в координатах рабочих характеристик. Пример выбора рассмотрен на основе сформированных матриц (2.39). В соответствии с (2.45) можно записать


, , , ,
, что соответствует значениям показателей эффективности (2.38) = 206 МГц, = 64 Мб, получена первая точка на рабочей характеристике К1 = f (К2) (рис.2.5). После получения первого решения необходимо выполнить логическое умножение матрицына второй столбец матрицы (2.41, 2.42) и в соответствии с (2.46) записать
,
= Ø, решение пустое
, что соответствует показателям эффективности = 80 МГц, = 512 Кб и второй точке на рабочей характеристике К1 = f (К2) (рис. 2.5). Далее необходимо выполнить логическое умножение матрицы на третий столбец матрицы (2.42) и в соответствии с (2.47) записать
,
= Ø, решение пустое; = Ø,
= , что соответствует значениям показателей эффективности = 40 МГц, = 128 Кб и третьей точке рабочей характеристике К1 = f (К2) (рис. 2.5). Точкой, принадлежащей правой границе выделенного множества является точка, которой соответствуют варианты В1, В2, В3. Множество нехудших вариантов в координатах рабочей характеристики К1 = f (К2) в данном случае можно записать М1,2 = {B1, B2, B3} .
Аналогичным образом построены рабочие характеристики К1=f (К3),
К1= f (К4), … , К1 = f (К7) в соответствии с (2.41 – 2.48). Нехудшими вариантами по результату анализа рабочих характеристик (2.5 – 2.10) являются: М1,2 = {B1, B2, B3}, М1,3 = {B1, B2, B3}, М1,4 = {B1, B2, B3}, М1,5 = {B6},
М1,6 = {B1}, М1,7 {B4}. В целом нехудшее множество равно
Мнх = = {B1, B2, B3, B4, B6}.

2.5. Рабочая характеристика для показателей эффективности
«Частота процессора», «Оперативная память»

2.6. Рабочая характеристика для показателей эффективности
«Частота процессора», «Память электронного диска»

2.7. Рабочая характеристика для показателей эффективности «Частота процессора», «Flash память»

2.8. Рабочая характеристика для показателей эффективности
«Частота процессора», «Число слотов»

2.9. Рабочая характеристика для показателей эффективности
«Частота процессора», «Число последовательных интерфейсов»


Рис. 2.10. Рабочая характеристика для показателей эффективности «Частота процессора», «Стоимость»
2.5.3. Выбор нехудших вариантов на основе метода усеченных матриц.
Достоинством многокритериального выбора вариантов на основе метода рабочих характеристик является его полная формализация, что позволяет автоматизировать вычислительную процедуру и вести безусловный поиск рациональных вариантов по любому количеству и сочетанию показателей эффективности, а также наглядность расположения точек (сравниваемых вариантов) в координатах рабочих характеристик. Недостатком является то, что необходимо выполнять в полном объеме логическое умножение столбцов матриц показателей эффективности, построение рабочих характеристик показателей эффективности и выделение левых границ множества точек (вариантов), при минимизации показателей эффективности, или выделение правых границ при максимизации показателей эффективности. Ускорить процесс выделения нехудших (рациональных) вариантов можно используя основное условие безусловного критерия предпочтения [39] – условие монотонности, согласно которому можно утверждать, что первая точка (вариант) в координатах показателей эффективности, полученная в процессе логического умножения матрицы первого показателя А на первые столбцы последующих матриц показателей эффективности А, А, …, А будет верхней точкой левой границы (при минимизации) или верхней точкой правой границы (при максимизации). Соответственно точек, расположенных левее или правее этих верхних точек, быть не может. В вырожденном случае может быть одна верхняя точка, соответствующая нехудшему варианту. Отсюда вывод, что для ускорения процесса поиска нехудших вариантов необходимо зафиксировать номера столбцов матрицы А с единичными значениями, полученными в результате логического умножения матрицы А на первые столбцы матриц А, А, …, А. В результате получим усеченные матрицы. Исходными данными для выбора вариантов являются: показатели эффективности К1, К2, …, Кm, матрицы показателей эффективности А, А, …, А. Непосредственно выбор вариантов заключается в следующем:
Определяется число столбцов значений матрицы А относительно
матриц А, А, …, А.
…; ,
где , ,…, - число столбцов значений матрицы АК.
Столбцы значений матрицы АК определяются в соответствии с условиями
j== …
j== … (2.48)
⋮j== … ,
где - столбцы матрицы .
Поиск столбцов осуществляется до получения первого решения, до получения единичного элемента в результате логического умножения столбцов матрицы на первые столбцы матриц А, А, …, А.
Для выделения нехудших вариантов, с учетом выделенных столбцов
j, j,…, j необходимо выполнить логическое умножение матриц в соот-ветствии с условием
, (2.49)
где n = 2, 3, …, m;
j, j,…, j - число столбцов усеченных матриц показателей эффек -
тивности , при этом j= j, j= j,…, j= j, j = 1, 2, …,
, j=, …, j=.
,
где j= j, j= j- 1; j= j- 2, т.е. на каждом шаге логического умно-
жения значения столбцов уменьшается на единицу, и так до значения
j= 1, т.е. до .
,


(2.50)
j= j, j= j- 1; j= j- 2 и так до значения j=1, т.е. до .



⋮ (2.51)
j= j, j= j- 1; j= j- 2 и так до значения j=1, т.е. до .

(2.52)

Логическое умножение столбцов матриц выполняется до получения перво-
го решения, при этом значения столбцов j, j, …, j на каждом шаге умножения уменьшается на единицу и так до значения j= →, j→, …, j→.
В результате выполнения операций (2.48 – 2.52) выделяется множество нехудших вариантов в соответствии с условием
(2.53)
(2.54)
⋮ (2.55)
(2.56)
Xj12j222, Xj13j333,…,Xj1mjmmm - множество вариантов, полученных в результате логического умножения столбцов матриц (2.49 – 2.52) показателей эффективности, и которым в результирующем столбце соответствуют единичные значения; Xj122, Xj133,…,Xj1mm- множества вариантов, которым в столбцах матриц А, А, …, А соответствуют единичные значения. В результате выделяются только точки (варианты) принадлежащие левой границе (при минимизации) или правой границе (при максимизации).
Пример выбора нехудших вариантов на основе метода усеченных матриц выполнен на матрицах (2.39). В соответствии с (2.48) определено число столбцов матрицы А относительно матриц А - А
, = {В1, В2, В3} {В1, В2, В3} = {В1, В2, В3}, решение получено при логическом умножении первых столбцов матриц А, А, поэтому = 1, поэтому получена усеченная матрица , с одним столбцом (2.56) матрица А относительно третьей матрицы А.
= {В1, В2, В3} {В1, В2, В3} = {В1, В2, В3}, = 1, получена матрица ,
, = {В1, В2, В3} {В1, В2, В3} = {В1, В2, В3}, = 1, получена матрица ,
= {В1, В2, В3} {В6, В7} = = Ø, = {В5, В6} {В6, В7} = {В6}, = 1, получена матрица с двумя столбцами.
Аналогично, в соответствии с (2.48) сформированы матрицы А, А, при этом , где число столбцов матриц А, А, …, А (2.57).
В соответствии с (2.52 – 2.55) выделены нехудшие варианты:
- для показателей К1, К2
, с учетом = 1, =
= {В1, В2, В3} {В1, В2, В3} = В1, В2, В3, отсюда М1,2 = {В1, В2, В3};
- для показателей К1, К3, = 1
={В1, В2, В3} {В1, В2, В3} = В1, В2, В3, М1,3 = {В1, В2, В3};
- для показателей К1, К4, = 1
={В1, В2, В3} {В1, В2, В3} = В1, В2, В3, М1,4 = {В1, В2, В3};
- для показателей К1, К5, = 1
={В5, В6}{В6, В7} = В6, М1,5 = {В6};
Аналогичным образом в соответствии с (2.52 – 2.55) выделены нехудшие варианты М1,6 = {В}, М1,7 = {В4}. В итоге МНХ = М1,2 М1,3 … М1,7 = {В1, В2, В3, В4, В6}, т.е. выделены те же варианты, что и на основе рабочих характеристик.
Для выделения оптимального варианта из множества нехудших вариантов необходимо перейти к решению задачи выбора на основе условных критериев предпочтения, т.е. к решению второй многокритериальной задачи (1.4, 1.5).
= = = =
= = (2.57)
= = = =
= = (2.58)
2.6. Методы выбора оптимальных вариантов на основе
условных критериев предпочтения.
2.6.1. Выбор оптимальных вариантов на основе
лексикографического метода.
Решение задачи выбора сводится к лексикографическому отноше-нию предпочтения [13, 17, 24, 29], при котором все показатели эффектив-ности строго упорядочены по важности. В процессе выбора вариантов в первую очередь используется первый по важности показатель при равенст-ве значений первого показателя, для двух или более вариантов использует-ся второй показатель и т.д. (1.6, 1.7). Исходными данными являются: неху-дшие варианты МНХ = {В1, В2, …, ВN}, показатели эффективности КК =
= {К1, К2, …, Кm}, значения показателей эффективности KK= K1K,K2K, .. …KMKK. Для выбора оптимального варианта необходимо выполнить:
Формирование упорядоченного ряда значений показателей эффекти-вности (2.32).
Формирование матриц для показателей эффективности на основе упорядоченных значений показателей эффективности (2.33).
В соответствии с условием лексикографического метода на первом шаге выделяется вариант с минимальным значением (при минимизации) первого показателя эффективности (К1) путем логического умножения множества нехудших вариантов (МНХ) на первый столбец матрицы Ak1 , (2.59)
если при этом множество

включает один вариант (единственное решение), то на этом выбор прекра-щается, а выбранный вариант является оптимальным. Если 0 (решения нет), то выбор варианта продолжается в соответствии с условием
, (2.60)
до получения единственного решения. Если включает более одного ва-рианта, то для выделения оптимального варианта вводится матрица второго показателя () и выбор производится в соответствии с условием
, (2.61)
до выделения единственного варианта. Если решение не единственное, то
вводится матрица третьего показателя () и выбор осуществляется в соответствии с условием
, (2.62)
Процедура выделения выполняется до получения оптимального варианта, с введением последующих показателей эффективности
,
или в соответствии с (2.58 – 2.61)
, (2.63)
Пример выбора оптимального варианта выполнен на основе множе-ства нехудших вариантов, выделенных в предыдущем примере, МНХ = {В1, В2, В3, В5, В6}. Показатели эффективности упорядочены по важности К1, К2, К3, К4, К5, К6, К7.
Упорядоченные значения показателей эффективности сформулированы в соответствии (2.32)
K11= 206 МГц (В1, В2, В3) K15= 8 (В6)
K21= 80 МГц (В6) K25= 4 (В4)
K31= 40 МГц (В4) K35= 8 (В1, В2, В3)
K12= 64 Мб (В1, В2, В3) K16 = 3 (В1)
K22= 512 Кб (В6) K26= = 2 (В6) (2.64)
K32= 128 Кб (В4) K36= 1 (В2, В3, В4)
K13= 32 Мб (В1, В2, В3) K17 = 10,29 ·10-5(В4)
K23= 512 Кб (В6) K27 = 5,03 ·10-5(В1)
K33= 256 Кб (В4) K37= 4,68 ·10-5(В6)
K47 = 4,41 ·10-5 (В2)
K57= 4,39 ·10-5(В3)
K14= 32 Мб (В1, В2, В3)
K24 = 512 Кб (В6)
K34= 256 Кб (В4)
Формирование матриц показателей эффективности выполнено в соответствии с (2.33 – 2.35)
= = =
= = =
= (2.65)
Выделение оптимального варианта начинается с логического умно-жения и пересечения множеств (2.58)
= {В1, В2, В3, В4, В6}{В1, В2, В3} = В1, В2, В3
Выделено несколько вариантов, поэтому вводится следующий по важнос-ти показатель (2.60) (К2)
= {В1, В2, В3}{В1, В2, В3} {В1, В2, В3} = В1, В2, В3, решение не единственное, вводится показатель К3
= {В1, В2, В3, В4, В6}{В1, В2, В3}{В1, В2, В3} {В1, В2, В3 } = В1, В2, В3, решение не единственное, вводится показатель К4
= {В1, В2, В3}{В1, В2, В3} = В1, В2, В3, по получен-ному результату вводится показатель К5
= {В1, В2, В3}{В6} = Ø
= {В1, В2, В3}{В6} = Ø
= {В1, В2, В3}{ В1, В2, В3} = В1, В2, В3, решение не единственное, вводится показатель К6
= {В1, В2, В3}{В1} = В1 решение единственное, вы-делен один вариант, он и является оптимальным.
Если в процессе выбора единственного решения нет, то необходимо сделать переход от строгого ранжирования показателей эффективности к ранжированию с уступками.
2.6.2. Выбор оптимальных вариантов при ранжировании показателей эффективности с уступками.
Отличительной особенностью предлагаемого метода [24] по сравне-нию с методом последовательных уступок [9], является то, что уступки для всех показателей эффективности определяются одновременно, что в итоге сокращает вычислительную процедуру выбора, особенно при увеличении числа показателей. Процесс выбора до определения уступок такой же, как и для лексикографического метода. Дальнейшая процедура выбора заключается в следующем
1. Определяется значение уступок для всех показателей эффективности, кроме последнего (Кm),
Непосредственно значения уступок определяются
∆K1K=K2K-K1K, ∆K2K=K3K-K1K,⋯, ∆KMK-1K=KMKK-K1K, ∆K11=K21-K11, ∆K21=K31-K11,⋯, ∆KMK1-11=KMK11-K11, ∆K12=K22-K12, ∆K22=K32-K12,⋯, ∆KMK2-12=KMK22-K12, ⋮ (2.66)∆K1m-1=K2m-1-K1m-1, ∆K2m-1=K3m-1-K1m-1,⋯, ∆KMKm-1-1m-1=∆KMKm-1m-1-K1m-1.Накладываются ограничения на все показатели эффективности, кроме последнего
KT1=K11+∆Kj11=Kj1+11,KT2=K11+∆Kj22=Kj2+12, ⋯, KTm-1=K1m-1+∆Kjm-1m-1=Kjm-1+1m-1. (2.67)
где ∆Kj11=∆K11,∆K21,…, ∆KMK1-11, ∆Kj22=∆K12,∆K21,…, ∆KMK2-12, ……, ∆Kjm-1m-1 = ∆K1m-1,∆K2m-1,…, ∆KMKm-1-1m-1.

Задача выбора оптимального варианта формулируется следующим образом – необходимо выделить вариант, значения показателей эффектив-ности которого должны удовлетворять ограничениям
K1≤Kj1+11,K2≤Kj2+12,Km-1≤Kjm-1+1m-1,а значение показателя Кm отвечает экстремальным значениям Кm → мин (мак.). Первая часть задачи решает выбор допустимых вариантов (AgП), вторая – выбор оптимального варианта.
Выбор допустимых вариантов осуществляется логическим умноже-нием столбцов матриц , , …,
AgП , XgП (2.68)
Если в пределах первых уступок решения нет, т.е. XgП= 0, то необходимо определить новые значения уступок для всех показателей эффективности (2.66) и так до получения решения.
Выбор оптимального варианта осуществляется в соответствии с ус-
ловием
A0П=MHX^ AgП^Ajmm, X0П=MHX^ XgП^Xjmm (2.69)
Исходными данными для примера выбора по этому методу являются упорядоченные значения и матрицы показателей эффективности (2.64, 2.65). Уступки для показателей эффективности определены в соотве-тствии с (2.66). Первые уступки равны ∆K11=K21-K11 = 80 МГц – 206 МГц = - 126 МГц; ∆K12=K22-K12= 0,512 Мб – 64 Мб = - 63,488 Мб; ∆K13=K23-K13= 0,512 Мб – 32 Мб = - 31,488 Мб; ∆K14=K24-K14= 0,512 Мб – 32 Мб = - 31,488 Мб; ∆K15=K25-K15= 4 – 8 = - 4; ∆K16=K26-K16= 2 – 3 = -1; ∆K17=K27-K17= 5,03 ∙ 10-5 – 10,29 ∙ 10-5 = 5,26 ∙ 10-5.
Ограничения на показатели равны (2.66)
= 206 МГц – 126 МГц = 80 МГц; = 64 Мб – 63,488 Мб = 0,512 Кб; = 32 Мб – 31,48 Мб = 0,512 Мб = 512 Кб; = 32 Мб – 31,488 Мб = 0,512 Мб = 512 Кб; = 8 – 4 = 4; = 3 –1 = 2; = 10,29 ∙ 10-5 –
- 5,26 ∙10-5 = 5,03 ∙10-5.
Все ограничения показателей эффективности соответствуют значения вторых столбцов матриц показателей эффективности (2.65), т.е. выбор допустимых вариантов осуществляется в пределах первых двух столбцов матриц, в соответствии с (2.68)
XgП=X11^X12^X13^X14^X15^X16^X17 ={В1, В2, В3}{В1, В2, В3}{В1, В2, В3}{В1, В2, В3}{В6}{В1}{В4} = Ø; XgП=X11^X12^X13^X14^X15^X16^X17 = Ø, и так далее до XgП=X21^X22^X23^X24^X25^X26^X27 = Ø
Решения по выбору допустимых вариантов при первой уступке нет. Поэтому в соответствии с (2.66) определяются вторые уступки, накладываются ограничения (2.67) и определяются допустимые варианты в пределах первых трёх столбцов матриц показателей эффективности (2.65), что в результате даёт решение при следующих пересечениях множеств.
XgП=X11^X12^X13^X14^X35^X16^X27 ={В1, В2, В3}{В1, В2, В3}{В1, В2, В3}{В1, В2, В3}{В1, В2, В3}{В1}{В1} = В1.
Оптимальный вариант определяется по условию (2.69) XOП=MHX^XgП^ Xj77= =MHX^XgП^X17 {В1, В2, В3, В4, В6 }{В1}{В4} = Ø.
На втором шаге XOП= MHX^XgП^X27 = {В1, В2, В3, В4, В6}{В1}{В1} = В1.
Как и в случае лексикографического метода оптимальным является первый вариант промышленного контроллера.
ГЛАВА 3. УРОВЕНЬ ДАТЧИКОВ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ
УСТРОЙСТВ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
3.1. Постановка задачи
Особенностью синтеза распределенных систем управления технологическими процессами является то, что многовариантность компоновки технологического оборудования имеет множество условий, параметров и признаков, определяющих структуру систем управления в целом, и в особенности структуру системы датчиков как непосредственно воспринимающих изменения в технологической структуре [24, 27. 41, 42]. В лесопромышленном комплексе это, прежде всего: изменение диапазонов измеряемых параметров (длина, диаметр, толщина, кривизна и т. д.), изменение способа перемещения объекта обработки (продольное, поперечное, поперечно-продольное), изменение ориентации объекта измерения в процессе его перемещения, изменение методов раскроя, сортировки и учета, изменение числа поточных линий и механизмов транспортно-складской системы, сочетание непрерывных и дискретных технологических процессов, переход на новые комплексы машин на базе харвейстеров, совмещение обрабатывающе-переместительных функций.
Динамика требований и возможности современного технического и программного обеспечения предопределили появление нового поколения средств информационно-измерительной техники – процессорных измерительных средств [40 – 52]. Принципиальная особенность процессорных измерительных средств (ПрИС) состоит в том, что в них программируемая часть входит в состав измерительной цепи и участвует в получении результатов измерения для реализации части измерительной процедуры в числовой форме на программной основе. Изменение структуры измерительной цепи существенно меняет как функциональные и предельные возможности измерительных средств, так и методы их анализа и синтеза. В состав ПРиС входят первичный преобразователь, измерительный преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, процессор. Основой формализованного описания измерительной процедуры является уравнение измерения в операторной форме. Уравнения измерений являются исходными при анализе конкретных измерительных задач, системотехнических задач по синтезу рациональной структуры процессорных измерителей, по распределению функций между аппаратной и программной частями. Уравнениям в операторной форме соответствуют структурные схемы процессорных измерительных средств.
C развитием ПрИС связаны возможности повышения метрологического качества полученных результатов измерения и расширения измерительных функциональных возможностей с интеллектуализацией средств измерения, при этом понятие интеллектуальности непосредственно связано с наличием процессора и программной части, а определение уровня интеллекта измерительного устройства вытекает из возможного использования аппаратных и программно-алгоритмических возможностей на основе априорной и текущей информации о цели и условиях измерений [40 – 42, 55, 56]. При рассмотрении процессорных измерительных средств используется следующая априорная информация: измерительные задачи, характеристики входного сигнала, характеристики условий функционирования, характеристики требований и ограничений. При описании характеристик вводятся параметрические данные и функциональные зависимости.
В данном учебном пособии априорная информация представлена для технологического процесса обработки древесного сырья, характерного для любого производства лесопромышленного комплекса: первичная обработка древесного сырья, лесопильное производство, производство фанеры, столярно-мебельное производство, тарное производство, целлюлозно-бу-мажное производство, производство ДСП и ДВП. Основные измерительные задачи при обработке древесного сырья приведены в табл. 3.1.
На основе анализа технологических операций выделены множества параметров и признаков для выбора ПРиС (Рис. 3.1), где О1 – установки деревьев от сучьев с продольным перемещением деревьев; О2 – установки для групповой очистки сучьев. СХ 1 – установки для сортировки хлыстов с продольным перемещением. СХ2 – установки для сортировки хлыстов с поперечным перемещением; Р1 – раскряжевочные установки с поштучной раскряжевкой, продольным перемещением хлыста и индивидуальным раскроем; Р2 – раскряжевочные установки с поштучной раскряжевкой, поперечным перемещением хлыстов и программным раскроем (триммеры); Р3– раскряжевочные установки с поштучной раскряжевкой, поперечным перемещением и обезличенным раскроем (слешеры); Р4 – раскряжевочные установки для групповой раскряжевки хлыстов; З1 – установки для зачистки сучьев и частичной окорки, с продольным перемещением круглых лесоматериалов, с поштучной подачей; З2 – установки для зачистки сучьев и частичной окорки, с поперечным перемещением; С1– установка для сортировки круглых лесоматериалов с продольным перемещением и поштучной подачей; С2 – установка для сортировки круглых лесоматериалов с поперечным перемещением и поштучной подачей; С3 – установка для сортировки круглых лесоматериалов с поперечным перемещением и подачей плотной щетью; МО1, МО2, МСХ1, МСХ2, МР1, МР2, МР3, МР4, МЗ1, МЗ2, МС1, МС2, МС3 – множество параметров и признаков технологических операций, выполняемых соответствующим технологическим оборудованием; Х1 – объект измерения (хлысты, круглый лесоматериал); Х2 – поверхность в коре; Х3 – поверхность без коры; Х4 –продольное перемещение объекта измерения; Х5–поштучная подача в процессе обработки; Х6 – измерение минимального диаметра круглого лесоматериала; Х7 – измерение длины объекта; Х8 – ориентированная подача в процессе измерения;
Т а б л и ц а 3.1
Измерительные задачи при обработке древесного сырья
Измерительная задача Зависимость для вычисления Измерительн-
ые параметры
ИЗ1. Измерение для индивидуального учета объема хлыстов с базовым диаметром в комле Vхл = f (dк, Hхл, П, Р),
dк – значение диаметра в комле, см;
Hхл – значение длины хлыста, м;
П – порода; Р – разряд высот. dк, Hхл
ИЗ2. Измерение для индивидуального учета объема хлыстов с базовым диаметром в комле на уровне 1,3 м от комля Vхл = f (d1,3, Hхл, П, Р),
d1,3 – значение диаметра хлыста на уровне 1,3 м от комля, см.
d1,3, Hхл
ИЗ3. Измерение для индивидуального учета объема хлыстов с базовым диаметром на середине хлыста. Vхл = π4 Fd0,52HхлF – видовое число древесной породы
d0,5 – значение срединного диаметра без коры, см. d0,5 , Hхл
ИЗ4. Измерение для индивидуального учета объема хлыстов по формуле Смалина Vхл = Hхл2 (g0 + gH)
g0 – площадь поперечного сечения;
gH – площадь вершинного торца. dк, Hхл., dв – значение диа-метра верши-нного торца
ИЗ5. Измерение для индивидуального учета объема хлыстов по формуле Губера Vхл = gH/2 Hхл
gH/2 – площадь поперечного сечения на середине длины хлыста gH/2 , Hхл
ИЗ6. Измерение для индивидуального учета объема хлыстов по формуле Госфельда Vхл = (3gH/3 + gH) Hхл4gH/3 – площадь поперечного сечения на уровне 1,3 м от комля gH/3 , dв, Hхл
ИЗ7. Измерение для индивидуального учета объема хлыстов по формуле Ньютона-Рикке Vхл = (g0 + 4gH/2+ gн) Hхл6gH/3 – площадь поперечного сечения на уровне 1,3 м от комля dк, d0,5 , dв, Hхл
ИЗ8. Измерение для индивидуа-льного учета объема хлыстов по суммарному объему деловых сортиментов и вершин, получаемых при раскряжевке партии хлыстов Vхл = V+ V0 ,
V – объем сортиментов, обрезков и вершин, определяемый по ГОСТ;
V0 – объем обрезков, выходящих за пределы таблиц ГОСТ;
V = f (dв, lф),
lф – длина сортиментов, отрезков и вершин, м;
V0 = π4 d02 lф ∙10-4,
d0 – диаметр в коре на середине длины отрезка, см dв, d0, lф
ИЗ9. Измерение для индивидуального учета сортиментов и круглых лесоматериалов по таблицам ГОСТ 2708-75 с коррекцией на кору V = f (dв, Н),
dв – значение диаметра вершинного торца, см;
Н – длина сортимента, см dв, Н
ИЗ10. Измерение для индивидуального учета сортиментов и круглых лесоматериалов на основе интегрального непрерывного метода учета Vх = π4 0HdT(l)2dl,
dT - значение текущего диаметра, м;
l - текущая координата сечения, в ко тором производится в данный момент измерение, при этом 0≤l≤HdT, ∆ lПродолжение табл. 3.1.
Измерительная задача Зависимость для вычисления Измерительн-
ые параметры
ИЗ11. Измерение для индивидуального учета сортиментов и круглых лесоматериалов на основе интегрального дискретного метода учета V = π4 i=1H∆ldT(i∙ ∆l)2 ∆l;∆l –длина элементарного отрезка, м;
i = 1, 2, …, n; n = H∆ldт, ∆l, H
И12. Измерение для индивидуального учета сортиментов и круглых лесоматериалов по формуле усеченного конуса V = π12 H(dв2+ dвdк + dк2)
dв – значение диаметра в вершинном торце, см.
dк – значение диаметра в комле, см. dв, dк, H
ИЗ13. Измерение для индивидуального учета сортиментов и круглых лесоматериалов по формуле объема цилиндра V = πdср214 Hdср. – средний диаметр сортимента, м;
dср = dв+dк 2dк, dв, H
ИЗ14. Измерение для индивидуального учета сортиментов и круглых лесоматериалов по формулам, апроксиммирующим таблицы ГОСТ 2708-75 V = f (dв, Н)
dв, H
ИЗ15. Измерение для сортировки хлыстов Схл. = f (dк, Спр.)
dк – значение диаметра в комле хлыста, см;
Спр. – стрела прогиба, см dк, Спр
ИЗ16. Измерение для сортировки круглых лесоматериалов С = f (dв, Н)
dк – значение диаметра, см;
Н –значение длины, м dв, H
ИЗ17. Измерение для индивидуа-льного раскроя хлыстов с базовым диаметром в комле Рхл = f (dк, Нхл)
dк, Нхл
ИЗ18. Измерение для индивидуального раскроя хлыстов с базовым диаметром на уровне 1,3 м от комля Рхл = f (d1,3, Нхл)
d1,3, Нхл
ИЗ19. Измерение для индивидуа-льного раскроя хлыстов с базовым диаметром на середине хлыста Рхл = f (d0,5, Нхл)
d0,5, Нхл
ИЗ20. Измерение для регулирования скорости подачи хлыстов на пильные агрегаты с базовым диаметром в комле РП = f (dк, Нхл)
dк, Нхл
ИЗ21. Измерение для регулирования скорости подачи хлыстов на пильные агрегаты с базовым диаметром на уровне 1,3 м от комля.
РП = f (d1,3, Нхл)
d1,3, Нхл
ИЗ22. Измерение для регулирования скорости подачи хлыстов на пильные агрегаты с базовым диаметром на середине хлыста. РП = f (d0,5, Нхл) d0,5, Нхл

Х9 – неориентированная подача в процессе измерения; Х10 – измерение диаметра в комле хлыстов; Х11 – измерение диаметра на уровне 1,3 м от комля хлыста;
Х12 – измерение диаметра на средине хлыста; Х13 – поперечное перемещение объекта измерения; Х14 – продольное смещение объекта в зоне измерения при его поперечном перемещении; Х15 – поперечное смещение объекта в зоне измерения при его продольном перемещении; Х16 – измерение диаметра напенной гнили; Х17 – измерения длины распространения напенной гнили; Х18 – индивидуальный раскрой хлыстов; Х19 – программный раскрой; Х20 – обезличенный раскрой; Х21 – групповая подача при обработке древесного сырья; Х22 – измерение прогиба (кривизны) хлыстов.
Сортировка круглого ле-соматериала

С1 С2 С3
Зачистка и окорка круглого лесома-териала
З1 З2
Раскряжёвка хлыстов
Р1 Р2 Р3 Р4
Сортиров-ка хлыстов
СХ1 СХ2
Очистка деревь-ев от сучьев

О1 О2




MСХ1 MСХ2
X1
Х2
Х5
Х6
Х7
Х8
Х10
Х11
Х12
Х13
Х22
Х2
Х4
Х5
Х7
Х8
Х10
Х11
Х12
Х22
МР1 МР2 МР3 МР4
Х1
Х2
Х4 Х5
Х7 Х8 Х9 Х10 Х11 Х12
Х17
Х18 Х1
Х2
Х5
Х7
Х8
Х9
Х10 Х11
Х12
Х13
Х14
Х16 Х17
Х18
Х19 Х1
Х2
Х5
Х7
Х8
Х9
Х10 Х11
Х12 Х13
Х14
Х16
Х18 Х19 Х1
Х2
Х4
Х8 Х20
Х21
МЗ1 МЗ2
Х1
Х2
Х3
Х4
Х5
Х6
Х7
Х8
Х9
Х15
Х1
Х2
Х5
Х6
Х7
Х8
Х9
Х14
МС1 МС2 МС3
Х1
Х2
Х3
Х4
Х5
Х6
Х7
Х8
Х9
Х15
Х1
Х2
Х3
Х5
Х6
Х7
Х8
Х9
Х13
Х14
Х1
Х2
Х3
Х6
Х7
Х8
Х9
Х13 Х21
МО1 МО2
Х1 Х1
Х2 Х2
Х4 Х5
Х5 Х7
Х7 Х8
Х8 Х9
Х9 Х10 Х10 Х11
Х11 Х12 Х12 Х13
Х15


Рис. 3.1. Технологические операции, параметры и признаки при обработке древесного сырья.

С точки зрения выбора вариантов ПРиС задача является многовариантной и многокритериальной и формулируется следующим образом: на множестве условий, параметров и признаков {Xi} технологического процесса, множестве измерительных задач {ИЗi}, существующих операторных уравнений и структур ПРиС, множестве первичных преобразователей (ППi) выбрать варианты процессорных измерительных средств, отвечающих оптимальным значением показателей эффективности КК = {К1, К1, …, Кm}. Для решения этой задачи необходимы:
- исходные операторные уравнения и структуры ПрИС;
- первичные преобразователи ПрИС;
- структурная модель процесса выбора ПрИС;
- показатели эффективности для выбора вариантов;
- метод формализованного перехода от множества параметров признаков
технологического процесса к операторным уравнениям, структуре, числу
и оптимальным вариантам ПрИС.
3.2. Операторные уравнения и структуры процессорных
измерительных средств.
Основу для развития формального описания измерительных процедур (алгоритмов, методов), результатов измерения и характеристик результатов измерения составляет уравнение измерений. С учетом направления развития измерительных средств, включающих в состав измерительной цепи процессорные устройства и выполняющих преобразования в числовой форме, основное операторное уравнение имеет вид [42]
λ* = R2 K R1 γ,
где λ* - результат измерения;
R1 – преобразование, выполняемое в аналоговой форме;
К – аналого-цифровое преобразование;
R2 – преобразование, выполняемое в числовой форме;
γ - входное воздействие.
Наиболее распространенной классификацией измерений в метрологии является разделение на прямые и косвенные измерения и соответствующие им операторные уравнения (табл. 3.2)
Измерения, в которых воздействие на вход измерительного устройства осуществляется самой измеряемой величиной λtj, относятся к прямым измерениям. При косвенных измерениях на вход воздействуют величины, функционально связанные с измеряемой λ = f (γ), т.е. γtj.
Обыкновенные измерения – это измерения, при которых входное воздействие соотносится с моментом времени фиксации результата измерения, т.е. результат формируется по разовому измерению, результат формируется однократно.
Усредненные измерения – это измерения, в которых входные воздействия соотнесены с временным интервалом, т.е. результат измерения формируется по n-му числу измерений в течение временного интервала.
Т а б л и ц а 3.2.
Операторные уравнения процессорных измерительных средств
№ задачи
Типовые измерительные задачи Операторные уравнения измерения
1 Прямые обыкновенные неитеративные измерения - для одноканальной структуры
λj*=R1-1 R1λtj∆kφ∆kλ-- для многоканальной структуры
λji*=R1ji-1 R1jiλtj∆kφ∆kλ2 Прямые обыкновенные итеративные измерения - для одноканальной структуры
λjl*=R1jl-1 R1jlλtj∆kφ∆kλ-- для многоканальной структуры
λjil*=R1jil-1 R1jilλtj∆kφ∆kλ3 Прямые c усреднением неитеративные измерения - для одноканальной структуры
λj*=SdR1-1 R1λtj∆kφ∆kε∆kλ-- для многоканальной структуры
λji*=SdjiR1ji-1 R1jlλtj∆kφ∆kε∆kλ4 Прямые c усреднением итеративные измерения - для одноканальной структуры
λjl*=SdjlR1jl-1 R1jlλtj∆kφ∆kε∆kλ-- для многоканальной структуры
λjil*=SdjilR1jil-1 R1jllλtj∆kφ∆kε∆kλ5 Косвенные обыкновенные неитеративные измерения - для одноканальной структуры
λj*=R2R1γtj∆kφ∆kλ-- для многоканальной структуры
λji*=R2jiR1jiγtj∆kφ∆kλ6 Косвенные обыкновенные итеративные измерения - для одноканальной структуры
λjl*=R2jlR1jlγtj∆kφ∆kλ-- для многоканальной структуры
λji*=R2jiR1jilγtj∆kφ∆kλ7 Косвенные c усреднением неитеративные измерения - для одноканальной структуры
λj*=SdR2R1γtj∆kφ∆kε∆kλ-- для многоканальной структуры
λji*=SdiRji R1jiγtj∆kφ∆kε∆kλ
8 Косвенные c усреднением итеративные измерения - для одноканальной структуры
λjl*=SdjlR2jlR1jlγtj∆kφ∆kε∆kλ-- для многоканальной структуры
λjil*=SdjilR2jil R1jilγtj∆kφ∆kε∆kλгде λj*- результат измерений при j-том измерении;
R1-1- преобразование, обратное к преобразованиям, выполняемым в
аналоговой форме
λtj- меняющийся во времени входной сигнал;
γtj – входное воздействие при косвенных измерениях;
l – 1, 2, …, n, l-й цикл измерений в j–том измерении;
Sd- оператор усреднения, d – параметр усреднения;
∆kφ- интервал квантования аналого-цифрового преобразования;
∆kε – интервал квантования промежуточного преобразования при ус-
реднении измерений;
∆kλ – интервал квантования результата измерения.
Итеративные измерения – это циклические измерительные процедуры, при этом в каждом цикле алгоритм изменяется на основе информации, полученной в предыдущем цикле.
В зависимости от места усреднения в процессе измерения, усреднение может быть составной частью преобразований, выполняемых в аналоговой форме R1: = SdR1/ ∨R1/Sd, в числовой форме R2: = SdR2/ ∨R2/Sd, в аналоговой и числовой формах R1: = SdR1/ и R2: = R2/ Sd//, в результате можно формулировать различные модификации операторных уравнений и соответствующих аппаратных реализаций.λj*= SdR2/kR1γtj∨R2/SdkR1γtj∨R2/Sd//kSd/R1/γtj∨R2kSdR1/γ(t)∨ ∨R2kR1/Sdγ(tj)
Структуры процессорных измерительных средств, соответствующие уравнениям 1, 3, 5, 7 (табл. 3.2) показаны на рис. 3.2, где ПП – первичный преобразователь; ИП – измерительный преобразователь; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; П – процессор; К – коммутатор.
А Ц П
П
И П
П П
(t) (t) φ(t)∆kφ j*

а)
К
П П1
λ1(t)
П Пm
А Ц П
П
И П
λi(tj) (t) (t)
λm(t)
б)
К
П П1
И П1
λ1(t)
А Ц П
П
(t) (t)
П Пm
И Пm


в)
Рис. 3. 2. Структура процессорных измерительных средств для прямых и косвенных,
обыкновенных и с усреднением неитеративных измерений
а – одноканальная структура; б – многоканальная структура с коммутацией
аналоговых сигналов; в – многоканальная структура с коммутацией кодовых
комбинаций.
Структуры, соответствующие уравнениям (2, 4, 6, 8) (табл. 3.2), представлены на рис. 3.3, где r1jl, rkjl, r2jl, rком.ijl, r1ijl, rkijl, r2ijl – управляющие команды, осуществляющие трансформацию соответственно операторов R1, R2, k при переходе от l-го цикла к (l +1)-му циклу.
r2jlА Ц П
И П
(t) φjl(t) φ(t)∆kφ jl*
П
П П


r1jl rkjl
a)

К
П П
λ1(t) r2ijlП
А Ц П
И П
λijl φijl(t) ijl(t)∆kφ ijl*

ППm
λm(t)
rком.ijl r1ijl rkijl
б)
r1ijl
К
И П1
П П1
λ1(t) φ1jl(t) r2ijl
П
А Ц П
i(til) ijl(t)∆kφ ijl*

И Пm
П Пm
λm(t) φmjl(t)

rnijl rком.ijl rkijl

в)
Рис. 3.3. Структура процессорных измерительных средств для прямых и косвенных, обыкновенных и с усреднением итеративных измерений
а – одноканальная структура; б – многоканальная структура с коммута-
цией аналоговых сигналов; в – многоканальная структура с коммутацией
кодовых комбинаций
3.3. Светооптические первичные преобразователи.
Основным элементом измерительной цепи, определяющим структуру ПрИС, является первичный преобразователь (ПП). Разнообразные задачи бесконтактного измерения геометрических размеров древесного сырья и лесопродукции решаются на основе многоэлементных светооптических преобразователей, реализованных на фоторезисторах (ФР), фотодиодах (ФД), фототранзисторах (ФТ), элементах с лазерным излучением, приборах с зарядовой связью: линейные (ПЗС-Л), матричные (ПЗС-М). Первичные преобразователи на основе излучения параллельных лучей на базе ФР, ФД, ФТ показаны на рис. 3.4. Оптическая система фотоэлектрического преобразователя (рис.3.4а) включает: источники света 1, конденсоры 2, объективы 3, фотоприёмники 4. При перемещении объекта измерения 5 часть световых лучей перекрывается. По числу затенённых фотоприёмников можно судить о параметрах объекта. Особенностью преобразователя на рис. 3.4в является отсутствие конденсоров и объективов. Измерительные оптические лучи формируются с помощью удлинённых каналов 3. Источник света в виде линейки 1 и линейки фотоприемников 2. Первичные преобразователи с применением параболических зеркал показаны на рис. 3.4б, г, д, е. На рис. 3.4г представлен ПП, у которого осветитель выполнен на базе параболического зеркала 2 с использованием источника света 1. В результате формируются горизонтальные лучи, попадающие на фотоприёмники 3. Преобразователь с лазерным излучателем показан на рис. 3.4а. Луч лазерного излучателя 1 направлен на вращающуюся призму 2, которая находится в фокусе параболического зеркала 3. При отражении от граней призмы луч совершает угловое сканирование. Отражённый от зеркала луч совершает параллельное сканирование по фотолинейке 4. Количество затемнённых фотоприёмников в течение периода сканирования соответствует размеру объекта. Преобразователь на рис. 3.4е имеет осветитель в виде лампы накаливания 1, расположенной в фокусе параболического зеркала 2. Горизонтальные лучи попадают на линейку, образованную торцами светопроводников 3. Вторые концы светопроводников вставлены в отверстия цилиндрического кольца 4. В середине кольца находится светодиод 5, связанный с валом электродвигателя и направлен на фотоприемник. О размере можно судить по количеству затемненных светопроводников.
Целый ряд измерителей геометрических размеров разработан на базе твердотельных ПП. Перспективными являются ПП на базе приборов с зарядовой связью (ПЗС), действие которых основано на формировании и эффективном переносе дискретных фотогенерированных зарядовых пакетов по поверхности или внутри полупроводникового материала. В линейном ПЗС фоточувствительные элементы расположены в один ряд (рис. 3.5а). За один период интегрирования в электрический сигнал преобразуется одна строка оптического изображения. Заряды пакетов формируются в фоточувствительных элементах линейной секции накопления 1. На разрешающий затвор 3 поступает отпирающее напряжение, и вся картина заряда в параллельной форме передаётся в соответствующие элементы регистров сдвига 4.
4 2 5 a) 3 б)

в) г)

д) е)

Рис.3.4. Первичные преобразователи на основе фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов и лазерных излучателей: а, б, в - первичные преобразователи на основе излучения параллельных лучей; г, д, е – первичные преобразователи с применением параболических зеркал.
На следующем периоде накопления формируется новая картина зарядовых пакетов, а предыдущие пакеты последовательно передаются с регистров сдвига на выходные устройства 2, 5.
Измерение профиля с помощью линейного ПЗС показано на рис. 3.5в. В матричном ПЗС фоточувствительные элементы организованы в матрицу по строкам и столбцам (рис. 3.5a). За один период интегрирования матричный ПЗС преобразует в электрический сигнал один кадр оптического изображения.
4 1 2 1 2 1 2
2

3
5
1

3


3
2
4 а)
б)
2

1 3 4
2



3 2 1 1


в) г) д)
Рис.3. 5. Первичные преобразователи на базе приборов с зарядовой связью (ПЗС):
а – линейные ПЗС; б – матричные ПЗС; в – измерение профиля с помощью
линейного ПЗС; г – измерение на просвет; д – измерение в отражённом свете.
В состав преобразователя входит секция накопления 1, секция хранения 2, выходной регистр сдвига 3. Измерители на базе ПЗС могут работать на просвет (рис. 3.5г) и в отражённом свете (рис. 3.5д). В первом случае осветитель 1 устанавливается с одной стороны подающего транспортёра, а преобразователь 2 с противоположной стороны таким образом, чтобы свет от осветителя, при отсутствии объекта 3, попадал через объектив на фоточувствительные элементы линейной секции накопления. Во втором случае осветители 3 установлены с двух сторон преобразователя 4. В процессе перемещения объекта измерения 1 транспортёром 2 отражённый от объекта свет попадает на фоточувствительные элементы. Выбор режимов работы, на просвет или в отражённом свете определяется условиями конкретного технологического потока. Разработан также целый ряд измерителей на базе ультразвуковых и радиационных преобразователей [54, 55]. Варианты и количество ПП определяется множеством условий, параметров и признаков технологического процесса обработки древесного сырья. Для выбора уравнения и структуры процессорных измерительных средств, оптимального варианта первичных преобразователей и числа ПрИС необходима структурная модель, определяющая формализованный переход от параметров и признаков технологического процесса к выбору уравнения и структуры ПрИС, с последующим выбором оптимального варианта первичных преобразователей и числа ПрИС.
3.4. Структурная модель выбора процессорных измерительных средств.
Вопросу построения структурных моделей выбора при проектировании датчиков различного назначения посвящен целый ряд работ [40 – 42, 55 – 60]. В учебном пособии предложена структурная модель на основе бинарных отношений между множествами [43].
Структурная модель включает три этапа [43]. На первом этапе осуществляется формализованный переход от множества параметров и признаков технологического процесса (Рис.3.6) к выбору операторных уравнений на основе расстояния между множествами. Исходными являются параметры и признаки технологического процесса, определяющие выбор уравнения и структуры ПрИС. Непосредственно для выбора формируется матрица расстояний для эталонных множеств, соответствующих определенным операторным уравнениям и матрица расстояний между технологическими множествами и эталонными множествами. В результате осуществляется выбор уравнения и структуры ПрИС для автоматизации конкретных технологических операций и технологического процесса в целом.
Множество параметров и признаков технологического процесса
Мтп= X1÷X22


Выбор операторных уравнений и структуры процессорных измерительных средств на основе расстояния между множествами
D = dij, dij=1- Mi ∩ MjMi ∪ Mj

Выбор оптимального варианта светооптических первичных преобразователей процессорных измерительных средств
Допустимые варианты Нехудшие варианты Оптимальные варианты
Матрица допустимых вариантов Абсолютный критерий Метод рабочих характеристик Метод усеченных матриц Лексикографический метод Метод уступок
Определение числа процессорных измерительных средств

Рис. 3.6 Структурная модель выбора процессорных измерительных средств.
На втором этапе осуществляется выбор оптимального варианта светооптических первичных преобразователей на основе алгоритма многостадийного выбора (П. 2.1 – П. 2.6) и интегрального показателя эффективности (1.30). В качестве показателей эффективности определены технические характеристики светооптических преобразователей: число элементов в линейке (матрице), размер фоточувствительного элемента линейки (матрицы), расстояние между светочувствительными элементами, частота считывания сигналов, интегральная чувствительность линейки (матрицы), неравномерность интегральной чувствительности линейки (матрицы).
На третьем этапе осуществляется определение числа ПрИС для каждой технологической операции и технологического процесса в целом с учетом результатов предыдущих двух этапов и параметров и признаков технологического процесса.
3.5. Выбор операторного уравнения и структуры процессорных
измерительных средств.
Выбор операторного уравнения и структуры ПрИС осуществляется в соответствии с алгоритмом (Рис.3.8) (блоки 1÷16), реализующим первый этап структурной модели (Рис.3.6). Пример выбора рассмотрен на основе параметров и признаков технологического процесса, включая операции О1, Р1, З1, С1 (Рис. 3.7). Из множества параметров и признаков технологических операций формируется упорядоченный ряд (блок 2) для технологического процесса
Мтп = < X1, X2, X3, X4, X5, X6, X8, X10 > (3.1)
На основе упорядоченного ряда формируются эталонные множества (Блок 3, рис. 3.8), определяющие операторные уравнения, для каждого измеряемого параметра, для данного примера измеряемыми параметрами являются диаметр и длина древесного сырья (хлысты, сортименты). Принцип формирования эталонных множеств описан ниже.
С1
З1
Р1
О1


Х1
Х3
Х4
Х5
Х6
Х7
Х8
Х1
Х3
Х4
Х5
Х6
Х7
Х8
Х1
Х2
Х4
Х5
Х7
Х8
Х10
Х1
Х2
Х4
Х5
Х7
Х8
Х10

П а р а м е т р ы и п р и з н а к и т е х н о л о г и ч е с к и х о п е р а ц и й

Рис. 3.7. Технологические операции, параметры и признаки технологических операций.
Начало


Исходные данные:
-технологические операции
-параметры и признаки техно-
логических операций
1

Формирование упорядоченного ряда параметров и признаков технологического процесса
2


Формирование эталонных множеств, определяющих операторные уравнения при измерении параметров объекта
3

Формирование симметричной матрицы расстояний между эталонными множествами

4

Определение порогового расстояния между эталонными множествами


5

Формирование построчных кластеров симметричной матрицы расстояний между эталонными множествами

6

Определение среднегруппового расстояния между эталонными множествами:
R1=i=1m(ij)∈Aidiji=1mCn,m2
7

Проверка эталонных множеств на разнородность
8

Эталонные множества разнородные?

9
Да Нет

10

9

10
Формирование множеств параметров и признаков технологических операций, соответствующих измеряемым параметрам


11
Формулирование матрицы расстояний между множествами технологических операций и эталонными множествами



Определение порогового расстояния между множествами технологических операций и эталонными множествами: dпор=dmax+dmin2 12

13
Формирование построчных кластеров матрицы расстояний между множествами технологических операций и эталонными множествами



Определение среднегруппового расстояния между множествами технологических операций и эталонными множествами: R1=i=1m(ij)∈Aidiji=1mCn,m2 14



15
Определение построчных сходных множеств матрицы расстояний между множествами технологических операций и эталонными множествами.



16
Формирование таблицы результатов выбора операторных уравнений и структуры процессорных измерительных средств



Конец

Pис. 3.8. Алгоритм выбора операторного уравнения и структуры процессорных измерительных средств.
В каждое эталонное множество в качестве элементов множества при измерении диаметра входят: объект измерения (Х1), признак состояния поверхности (X2 или X3), способ перемещения объекта в зоне измерения (X4 или X13), способ подачи объекта измерения (X5 или X21), наличие или отсутствие ориентации объекта в зоне измерения (X8 или X9), один из базовых диаметров (X6 или X10, или X11, или X12). При этом в эталонное множество не должны одновременно входить два взаимоисключающих признака (X2 и X2), (X4 и X13), (X5 и X21), (X8 и X9) и два базовых диаметра (X6, X10, X11, X12).
Такой же подход – при формировании эталонных множеств при измерении следующего параметра, в данном случае длины хлыстов или сортиментов. Соответствие эталонных множеств операторным уравнениям определяется с помощью табл. 3.3, 3.4.
Т а б л и ц а 3.3.
Множества, определяющие операторные уравнения при измерении
диаметров
Уравнения Множества
Косвенные обыкновенные неитеративные измерения (КОНИ) X1, X3, X4, X5, X6, X8
X1, X3, X4, X5, X8, X10
X1, X3, X5, X6, X8, X11
X1, X3, X5, X8, X10, X11
Косвенные усредненные неитеративные измерения (КУНИ) X1, X2, X4, X5, X6, X8
X1, X2, X4, X5, X8, X10
X1, X2, X5, X6, X8, X11
X1, X2, X5, X8, X10, X11
Косвенные обыкновенные итеративные измерения (КОИИ) X1, X3, X4, X5, X6, X9
X1, X3, X4, X5, X9, X10
X1, X3, X5, X6, X9, X11
X1, X3, X5, X9, X10, X11
Косвенные усредненные итеративные измерения (КУИИ) X1, X2, X4, X5, X6, X9
X1, X2, X4, X5, X9, X10
X1, X2, X5, X6, X9, X11
X1, X2, X5, X9, X10, X11
В данном примере X11 соответствует X13, т.е. соответствует поперечному перемещению объекта в зоне измерения. При определении соответствия эталонных множеств операторным уравнениям при измерении диаметров учитывается следующее: обыкновенные измерения – измерения, при которых результат соответствует моменту измерения (разовое измерение). При измерении диаметров это соответствует измерению окоренной (чистовой) поверхности лесоматериала (X3). Усредненные измерения – измерения, при которых результат измерения соответствует временному интервалу измерения (несколько измерений для повышения точности результата), что соответствует измерению неокоренной (черновой) поверхности (X2).
Т а б л и ц а 3.4.
Множества, определяющие операторные уравнения при измерении длины.
Уравнения Множества
Косвенные обыкновенные неитеративные измерения (КОНИ) X1, X2, X4, X5, X7, X8
X1, X3, X4, X5, X7, X8
X1, X2, X5, X7, X8, X11
X1, X3, X5, X7, X8, X11
Итеративные измерения – измерения, при которых выполняются циклы измерений с целью сравнения и выделения требуемых размеров, что соответствует выделению в процессе измерений необходимого базового диаметра (X6, X10) при неориентированной подаче в зоне измерения (X9). Неитеративные измерения – измерения, при которых нет необходимости выполнения циклов измерения, что соответствует ориентированной подаче в зоне измерения (X8).
В данном случае измерения на основе светооптических преобразователей являются косвенными (с промежуточными преобразованиями), поэтому рассматривается выбор уравнения и структуры ПрИС для косвенных измерений.
Число сочетаний эталонных множеств определяется числом взаимоисключающих признаков и базовых диаметров. С учетом изложенного и множества (3.1) сформированы эталонные множества, определяющие выбор операторных уравнений при измерении значений диаметров (табл. 3.5).
Т а б л и ц а 3.5.
Эталонные множества, определяющие операторные уравнения при измерении диаметров.
Эталонные множества Операторные уравнения
МЭ1 = {X1, X2, X4, X5, X6, X8} Косвенные усредненные неитеративные измерения
МЭ2 = {X1, X3, X4, X5, X6, X8} Косвенные обыкновенные неитеративные измерения
МЭ3 = {X1, X2, X4, X5, X10, X8} Косвенные усредненные неитеративные измерения
МЭ4 = {X1, X3, X4, X5, X10, X8} Косвенные обыкновенные неитеративные измерения

При измерении длины на результат измерения не влияет состояние поверхности объекта измерения, т.к. значение длины определяется наличием объекта в зоне измерения (наличием измерительного сигнала в зоне сканирования светооптических преобразователей).
Поэтому различным сочетаниям элементов эталонных множеств соответствуют косвенные обыкновенные неитеративные измерения (табл. 3.6).
Т а б л и ц а 3.6.
Эталонные множества, определяющие операторные уравнения
при измерении диаметров.
Эталонные множества Операторные уравнения
МЭ1/= {X1, X2, X4, X5, X7, X8} Косвенные обыкновенные неитеративные измерения
МЭ2/= {X1, X3, X4, X5, X7, X8} Косвенные обыкновенные неитеративные измерения
Сформированные эталонные множества необходимо проверить на
разнородность для исключения неопределенности при выборе операторного уравнения. С этой целью формируется симметричная матрица расстояний между множествами (блок 4, рис. 3.8). Строки и столбцы матрицы соответствуют эталонным множествам
D1= i/jМЭ1МЭ2 ⋯МЭ1d11d12МЭ2d21d22 МЭmd1md2m (3.2)
⋮ МЭm dm1 dm2dmmЭлементы матрицы определяются на основе выражения
dij=1- Mi ∩ MjMi ∪ Mj (3.3)
где i = МЭ1, МЭ2, …, МЭm; j = МЭ1, МЭ2, …, МЭm;
Числитель отражает число общих элементов множеств, знаменатель суммарное число разных элементов. Расстояние dij = 0, если элементы двух множеств совпадают, и равно единице, если два множества не имеют ни одного общего элемента.
Для рассматриваемого примера матрица расстояний на основе (3.2, 3.3)
i/j МЭ1 МЭ2 МЭ3 МЭ4 МЭ1/МЭ2/МЭ1 0 0,29 0,29 0,5 0,29 0,5
МЭ2 0,29 0 0,5 0,29 0,5 0,29
D1 = МЭ3 0,29 0,5 0 0,29 0,29 0,5
МЭ4 0,5 0,29 0,29 0 0,5 0,29
МЭ1/0,29 0,29 0,29 0,5 0 0,29
МЭ2/0,5 0,29 0,5 0,29 0,29 0
На основе данных матрицы D1 определяется пороговое расстояние между множествами (блок 5)
dпор. = dmin+dmax 2 = 0,29+0,5 2= 0,395
C учетом порогового расстояния формируются построчные кластеры, элементами которых являются множества, расстояния между которыми меньше или равно пороговому расстоянию dij ≤ dпор. (блок 6).
i/i МЭ1 МЭ2 МЭ3 МЭ4 МЭ1/МЭ2/МЭ1 0 0,29 0,29 0,5 0,29 0,5
МЭ2 0,29 0 0,5 0,29 0,5 0,29
D1 = МЭ3 0,29 0,5 0 0,29 0,29 0,5
МЭ4 0,5 0,29 0,29 0 0,5 0,29
МЭ1/0,29 0,5 0,29 0,5 0 0,29
МЭ2/0,5 0,29 0,5 0,29 0,29 0
К1 = { МЭ1, МЭ2, МЭ3, МЭ1/}
К2 = { МЭ2, МЭ1, МЭ4, МЭ2/}К3 = { МЭ3, МЭ1, МЭ4, МЭ1/}К4 = { МЭ4, МЭ2, МЭ3, МЭ2/} (3.4)
К5 = {МЭ1/, МЭ1, МЭ3, МЭ2/}К6 = {МЭ2/, МЭ2, МЭ4, МЭ1/}
На основе матрицы расстояний и выделенных построчных кластеров (3.4) формируются группы сходных и разнородных множеств. Для оптимизации разбиения этих групп используется среднегрупповое расстояние (блок 7)
R =l=1mij∈Aldijl=1mCn,l2 (3.5)

l = 1, 2 …, m – число кластеров; Al – число пар множеств, входящих в кластеры, расстояние между которыми удовлетворяет условию dij ≤ dпор.; dij – расстояние между парами множеств Al, входящих в кластер; Cnl2 - число внутригрупповых расстояний в кластере; n – число элементов (множеств) в кластере. Суммарное расстояние между парами множеств, входящих в кластеры и удовлетворяющих условию dij ≤ dпор.
Sk1= dЭ1,Э2 + dЭ1,Э3 + dЭ1,Э1/ = 0,29 + 0,29 + 0,29 = 0,87
Sk2= dЭ2,Э1 + dЭ2,Э4 + dЭ2,Э2/ = 0,29 + 0,29 + 0,29 = 0,87
Sk3= dЭ3,Э1 + dЭ3,Э4 + dЭ3,Э1/ = 0,29 + 0,29 + 0,29 = 0,87
Соответственно для кластеров К4, К5, К6 - Sk4= 0,87, Sk5= 0,87, Sk6= 0,87
В целом, в соответствии с (3.5), суммарное расстояние по всем построчным кластерам
Sk = Sk1+ Sk2+ Sk3+Sk4+ Sk5+ Sk6= 5,22
Число внутригрупповых расстояний в кластерах К1 ÷ К6
С4,12 = 3 + 2 + 1 = 6; С4,22 = 3 + 2 + 1 = 6; С4,32 = 3 + 2 + 1 = 6;
С4,42 = 3 + 2 + 1 = 6; С4,52 = 3 + 2 + 1 = 6; С4,62 = 3 + 2 + 1 = 6;
Суммарное число внутригрупповых расстояний по всем кластерам
l=16Cn,l2 = С4,12 + С4,22 + С4,32 + С4,42 + С4,52+ С4,62 = 36
В результате среднегрупповое расстояние равно
R = 5,2236 = 0,145
С учетом данных матрицы D1 и среднегруппового расстояния эталонные множества проверяются на разнородность (блок 8, 9). Множества являются разнородными при условии, что расстояние между ними большe среднегруппового расстояния, dij > R. В данном случае эталонные множества являются разнородными.
Для выбора операторных уравнений и структуры ПрИС для технологических операций необходимо сформировать множества параметров и признаков этих операций относительно измеряемых параметров (блок 10), на основе исходных данных технологического процесса (рис. 3.7).
МО1 = { X1, X2, X4, X5, X8, X10}
МР1 = { X1, X2, X4, X5, X8, X10}
МЗ1 = { X1, X3, X4, X5, X8, X6}
МС1 = { X1, X3, X4, X5, X8, X6} (3.6)
МО1/= { X1, X2, X4, X5, X7, X8}
МР1/= { X1, X2, X4, X5, X7, X8}
МЗ1/= { X1, X3, X4, X5, X7, X8}
МС1/= { X1, X3, X4, X5, X7, X8}
Для выделения сходных множеств и соответствующих им операторных уравнений необходимо сформировать матрицу расстояний D2 = dij, строки матрицы соответствуют технологическим множествам (3.6), столбцы – эталонным множествам (табл. 3.5, 3.6).
i/i МЭ1 МЭ2 МЭ3 МЭ4 МЭ1/МЭ2/МО1 0,29 0,5 0 0,29 0,29 0,5
МР1 0,29 0,5 0 0,29 0,29 0,5
D2 = МЗ1 0,29 0 0,5 0,29 0,5 0,29
МС1 0,29 0 0,5 0,29 0,5 0,29
МО1/0,29 0,5 0,29 0,5 0 0,29
МР1/0,29 0,5 0,29 0,5 0 0,29
МЗ1/0,5 0,29 0,5 0,29 0,29 0
МС1/0,5 0,29 0,5 0,29 0,29 0
К1 = {М01, МЭ3}
К2 = {МР1, МЭ3}К3 = {МЗ1, МЭ2}К4 = {МС1, МЭ2}К5 = { МО1/, МЭ1/}К6 = { МР1/, МЭ1/}К7 = { МЗ1/, МЭ2/} К8 ={ МС1/, МЭ2/}

Пороговое расстояние между множествами технологических операций и эталонными множествами (блок 12)
dпор. = dmin+dmax 2 = 0+0,5 2= 0,25
По данным матрицы D2 формируются построчные кластеры (блок 13) К1 ÷ К8 при условии dij ≤ dпор.
Для выделения сходных множеств матрицы D2 необходимо определить среднегрупповое расстояние в соответствии с (3.5) (блок 14). Суммарное расстояние между множествами, входящих в кластеры и удовлетворяющих условию dij ≤ dпор.
Sk1= dР1,Э3= 0; Sk2= dЗ1,Э2= 0; Sk3= dЗ1,Э2= 0; Sk4= dС1,Э2= 0;
Sk5= dО1/Э1/= 0; Sk6= dР1/Э1/= 0; Sk7= dЗ1/Э2/= 0; Sk8= dС1/Э2/= 0;
Суммарное расстояние по всем построчным кластерам
Sk = Sk1+ Sk2+ Sk3+Sk4+ Sk5+ Sk6+ S6+ Sk8= 0
Число внутригрупповых расстояний в кластерах К1 ÷ К8
С2,12 = 1; С2,22 = 1; С2,32 = 1; С2,42 = 1; С2,52 =1; С2,62 =1; С2,72 =1; С2,82 =1;
Суммарное число внутригрупповых расстояний по всем кластерам
l=18Cn,l2= С2,12 + С2,22 + С2,32 + С2,42 + С2,52 + С2,62 + С2,72 + С2,82 = 8
В результате среднегрупповое расстояние равно
R = 038 = 0
Сходные построчные множества матрицы D2 и соответствующие им операторные уравнения и структуры ПрИС определяются по условию
dij ≤ R (блок 15).
МСХ1 = {М01, МЭ3} - косвенные усредненные неитеративные измерения
МСХ2= {МР1, МЭ3} - косвенные усредненные неитеративные измерения
МСХ3= {МЗ1, МЭ2} - косвенные обыкновенные неитеративные измерения
МСХ4= {МС1, МЭ2} - косвенные обыкновенные неитеративные измерения
МСХ5= { МО1/, МЭ1/} - косвенные обыкновенные неитеративные измерения
МСХ6= { МР1/, МЭ1/} - косвенные обыкновенные неитеративные измерения
МСХ7 = { МЗ1/, МЭ2/} - косвенные обыкновенные неитеративные измерения
МСХ8={ МС1/, МЭ2/} - косвенные обыкновенные неитеративные измерения.
В соответствии с выделенными сходными множествами формируется результирующая табл. 3.7.
Выделенным операторным уравнениям соответствуют структуры процессорных измерительных средств (Рис.3.2). После выбора операторного уравнения структуры процессорных измерительных средств необходимо осуществлять выбор оптимального варианта первичных светооптических преобразователей.
Т а б л и ц а 3.7.
Операторные уравнения процессорных измерительных средств при измерении диаметра и длины при автоматизации технологических операций обработки древесного сырья
Технологические операции Сходные множества Операторные уравнения
При измерении диаметра При измерении длины
Очистка дере-вьев от сучьев, О1 МСХ1 = М01, МЭ3 Косвенные усредненные неитеративные измерения МСХ5= МО1/, МЭ1/Косвенные обыкно-венные неитеративные измерения
Раскряжевка хлыстов, Р1 МСХ2= МР1, МЭ3 Косвенные усредненные неитеративные измерения МСХ6= МР1/, МЭ1/Косвенные обыкно-венные неитеративные измерения
Зачистка и частичная окорка круглых лесоматериалов, З1 МСХ3= МЗ1, МЭ2 Косвенные обыкновенные неитеративные измерения МСХ7 = МЗ1/, МЭ2/Косвенные обыкно-венные неитеративные измерения
Сортировка круглых лесоматериалов, С1 МСХ4 = МС1, МЭ2 Косвенные обыкновенные неитеративные измерения МСХ8 = МС1/, МЭ2/Косвенные обыкно-венные неитеративные измерения

3.6. Выбор оптимального варианта первичных светооптических преобразователей. Метод выбора общепромышленных датчиков.
К настоящему времени существует целый ряд различных модификаций процессорных измерительных средств, реализующие операторные уравнения измерений и соответствующие им структуры, начиная с разработок Сибирского Государственного технологического университета [43, 44, 48, 49], Воронежской государственной лесотехнической академии [45, 46], ЦНИИМЭ [47] и ряда разработок и внедрений ООО «Воронежпромавтоматика» (1988 – 2008 г.г.).
Пример выбора оптимальных вариантов линейных и матричных светооптических преобразователей на основе интегрального показателя эффективности представлен в таблицах 3.8, 3.9.

Т а б л и ц а 3.8.
Исходные варианты светооптических первичных преобразователей
№ пп Тип ПП Число элементов, a1 Размер чувствительного элемента, a2, мкм Шаг между чувствительными элементами, a3, мкм Частота считывания сигналов, a4, кГц Интегральная чувствительность , a5, мВ/лк Неравномерность интегральной чувствительности, a6, %
Линейные
1 К1200ЦЛ-1 1024×1 1 024 27×27 729 30 1 000 30 10
2 ФППЗ-1Л 1000×1 1 000 12×12 144 12 20 000 1 10
3 ФПП-2Л 500×1 500 26×26 676 26 2 500 20 10
4 ФПП-10Л 2048×1 2 048 13×2500 32 500 13 2 500 30 10
Матричные
5 ФР1 64×64 4 096 30×60 1 800 110 1 12 10
6 ФР2 128×128 16 384 15×30 450 55 1 12 10
7 ФД1 144×128 18 432 100×100 10 000 250 100 25 5
8 ФД2 288×256 73 728 50×50 2 500 125 100 25 5
9 ФТ1 100×100 10 000 80×80 6 400 100 100 30 30
10 ФТ2 200×200 40 000 40×40 1 600 50 100 30 30
11 ФППЗ-1М 512×576 294 912 18×24 432 18 10 000 15 10
12 ФПП-2М 256×288 73 728 24×30 720 24 5 000 20 10
13 ФПП-5М 520×580 301 600 18×24 432 18 10 000 50 6
14 ФППЗ-13М 262×290 75 980 24×32 768 24 5 000 100 4
15 ФПП-17М 532×580 308 560 17×23 391 17 10 000 60 4
16 ФПП-18М 520×580 301 600 17×23 391 17 10 000 80 4
17 ФППЗ-21М 520×580 301 600 11,5×15,5 178,25 1212 10 000 40 4
18 ФПП-23М 1024×1152 1 179 648 9×9 81 9 20 000 20 5
19 ФПП-24М 760×580 440 800 17×34 578 17 15 000 100 4
20 ФППЗ-25М 790×580 458 200 11×22 242 11 15 000 60 4
21 К1200ЦМ-1 232×288 66 816 27×27 729 30 5 000 30 15
22 К1200ЦМ-2 580×576 334 080 27×27 729 30 5 000 30 15
Т а б л и ц а 3.9.
Результат выбора оптимального варианта светооптических первичных преобразователей
Тип ПП Значение параметров и относительных показателей эффективности
Число элементов Размер чувствительного элемента Шаг между чувствительными элементами Частота считывания сигналов Интегральная чувствительность Неравномерность интегральной чувствительности Суммарный показатель эффективн.
а1 Р1 а2 Р2 а3 Р3 а4 Р4 а5 Р5 а6 Р6 Qj
Линейные
ППЭТ. 2 048 1 144 1 12 1 20 000 1 30 1 10 1 К1200ЦЛ-1 1 024 0,5 729 0,197531 30 0,4 1 000 0,05 30 1 10 1 1,833795
ФППЗ-1Л 1 000 0,488281 144 1 12 1 20 000 1 1 0,033333 10 1 0,918
ФПП-2Л 500 0,244141 676 0,213018 26 0,461538 2 500 0,125 20 0,666667 10 1 1,279434
ФПП-10Л 2 048 1 32500 0,004431 13 0,923077 2 500 0,125 30 1 10 1 1,177888
Матричные
ППЭТ. 1179648 1 81 1 9 1 20000 1 100 1 4 1 ФР1 4 096 0,003472 1 800 0,045 110 0,081818 1 0,00005 12 0,12 10 0,4 1,833795
ФР2 16 384 0,013889 450 0,18 55 0,163636 1 0,00005 12 0,12 10 0,4 1,750138
ФД1 18 432 0,015625 10 000 0,0081 250 0,036 100 0,005 25 0,25 5 0,8 1,742375
ФД2 73 728 0,0625 2 500 0,0324 125 0,072 100 0,005 25 0,25 5 0,8 1,703487
ФТ1 10 000 0,008477 6 400 0,12656 100 0,09 100 0,005 30 0,3 30 0,133333 1,873714
ФТ2 40 000 0,033908 1 600 0,050625 50 0,18 100 0,005 30 0,3 30 0,133333 1,82655
ФППЗ-1М 294912 0,25 432 0,1875 18 0,5 10 000 0,5 15 0,15 10 0,4 1,432445
ФПП-2М 73728 0,0625 720 0,1125 24 0,375 5 000 0,25 20 0,2 10 0,4 1,605854
ФПП-5М 301600 0,255669 432 0,1875 18 0,5 10 000 0,5 50 0,5 6 0,666667 1,22617
ФППЗ-13М 75 980 0,064409 768 0,105469 24 0,375 5 000 0,25 100 1 4 1 1,354173
ФПП-17М 308560 0,26157 391 0,207161 17 0,529412 10 000 0,5 60 0,6 4 1 1,140349
ФПП-18М 301600 0,255669 391 0,207161 17 0,529412 10 000 0,5 80 0,8 4 1 1,104217
ФППЗ-21М 301600 0,255669 178,25 0,454418 12 0,75 10 000 0,5 40 0,4 4 1 1,036311
ФПП-23М 1179648 1 81 1 9 1 20 000 1 20 0,2 5 0,8 0,70342
ФПП-24М 440800 0,373671 578 0,140138 17 0,529412 15 000 0,75 100 1 4 1 1,032885
ФППЗ-25М 458200 0,388421 242 0,334711 11 0,818182 15 000 0,75 60 0,6 4 1 0,900351
К1200ЦМ-1 66816 0,056641 729 0,111111 30 0,3 5 000 0,25 30 0,3 15 0,266667 1,634737
К1200ЦМ-2 334080 0,283203 729 0,111111 30 0,3 5 000 0,25 30 0,3 15 0,266667 1,559372
bi 0,2 0,05 0,3 0,2 0,15 0,1 Показателями эффективности для выбора оптимального варианта первичных светооптических преобразователей являются следующие параметры: число светочувствительных элементов в линейке или матрице - a1 (К1); размер светочувствительного элемента - a2 (К2), мкм; расстояние между светочувствительными элементами - a3 (К3), мкм; частота опроса - a4 (К4), кГц; интегральная чувствительность светочувствительного слоя - a5 (К5), мВ/лк; неравномерность интегральной чувствительности по фотослою - a6 (К6), %. Непосредственно выбор оптимального варианта можно осуществить на основе бинарных отношений между множествами с применением многостадийного метода (П. 2.1 – П. 2.6) или на основе условного интегрального критерия (1.130), включающего относительные показатели эффективности (Рij) и весового коэффициента (bi) параметров первичных преобразователей (а1 – а6), где: i – число параметров; j – число вариантов первичных преобразователей. Выделение оптимального варианта осуществляется по минимальному значению интегрального показателя эффективности. Эталонные значения показателей эффективности (Кэк) формируются из лучших значений исходных параметров первичных преобразователей. Значения для параметров а1 – а6 в табл. 3.9. получены в результате умножения числа строк на число столбцов исходных данных. В данном случае оптимальным вариантом для ПЗС-линеек – ФППЗЛ – 1Л, для ПЗС-матриц – ФПП-23М.
Для выбора вариантов общепромышленных средств контроля на базе датчиков температуры, уровня, расхода можно применить вышеизложенную методику или использовать одну из наиболее известных разработок в области АСУ ТП и средств систем контроля – агрегатно-декомпозиционную технологию (АДТ-технология) [67] и ее программно-информационные реализации, AutovatikCS и SchemaCS [68, 69]. Реализация этой технологии обеспечивает сквозную автоматизацию проектных работ на единой информационной базе. Основой АДТ-технологии является база данных и знаний (БДЗ). База данных и знаний имеет иерархическую структуру. Выбор технических средств осуществляется последовательно в нессколько этапов [67], что позволяет отсеивать худшие варианты и осуществлять оптимальный выбор технических средств автоматизации. БДЗ (Рис. 3.9) условно включает три области: общую, частную и универсальную. Общая область предназначена для формулирования технологического задания на проектирование системы контроля и управления. Выбирается вид измерения, измерение температуры, давления и т.д. Частная область БДЗ используется на начальном этапе проектирования, когда уже известны изготовитель, базовый тип изделия (датчик) и наличие описания этого датчика в БДЗ. Основным при работе в частной области базы является:
выбор вида измерения – измерение температуры, давления и т.д;
определение типа и структуры технического средства автоматизции,
для температуры – термопара, термопара с гильзой, термометр сопротивления с гильзой и т.д.;
выбор производителя технического средства;
осуществляется выбор параметров датчиков в соответствии с номенклатурой выбранного производителя;
определение схемы электрического подключения датчика и способ отображения информации, если датчик имеет выходной сигнал, формируется связь между элементами.
Датчик температуры.Формирование требований
Конкретный тип датчика температуры



Термометр сопротивления + гильза
Термопара + гильза
Термометр сопротивления с унифицированным выходным сигналом + гильза
Термопара с унифицированным выходным сигналом + гильза


Определение выходного сигнала
Определение выходного сигнала
Частотная область

Контрольно-изме-рительные приборы

Наличие индикации
Наличие индикации


Измерительный канал

Градуировка. Класс допуска.
Градуировка. Класс допуска.



Длина монтажной части.
Отображение информации


Количество чувствительных элементов.
Внешний сигнал

Способ контакта с измеряемой средой
Датчик



Тип присоединения датчика


Степень защиты от пыли и влаги


Схема электрического подключения датчика


Рис. 3.9. Фрагмент структуры универсальной области базы данных и знаний для датчиков температуры.
Универсальная область БДЗ применяется, если на основании технического задания нет возможности однозначно выбрать изготовителя или в частной области БДЗ нет описания датчика. Универсальная область разработана в соответствии с ГОСТ по соответствующим средствам измерения и на основе обобщенного анализа номенклатур ведущих производителей. Поэтому у проектировщика имеется возможность выбора технических средств без привязки к конкретному производителю, что позволяет не приостанавливать процесс проектирования до определения конкретной модели технического средства. Универсальная область БДЗ имееет описание для технических средств измерения температуры, давления, расхода, уровня, перепада давления, содержит информацию обо всех известных типовых схемах электрического подключения выбранных датчиков. На рис. 3.9 представлен фрагмент структуры универсальной области БДЗ для датчиков температуры.
Шаги выбора технических средств в универсальной области на примере датчика температуры, представлены на рис. 3.10. В результате формируется техническая спецификация, в которой отражается вся информация по данному каналу контроля. При этом в спецификацию можно вносить дополнения с помощью стандартных средств по параметрам, которые не вошли в универсальную область, а также примечания и специальные требования. Вся добавленная информация включается обратно в модель проекта, а в техническую спецификацию вносится окончательная модель и завод-изготовитель технического средства.
Основные преимущества универсальной области [67]:
независимость от изменений, производимых в номенклатурах различных заводов-изготовителей;
формирование технических спецификаций;
выбор технических средств, абстрагированного от конкретного производителя;
возможность перехода от универсальной области БДЗ к частной;
сокращение сроков внедрения и освоения технологии.
Универсальная область входит в стандартную поставку программно-информационных средств АДТ-технологии и позволяет получать эффект от использования системы уже на ранних стадиях внедрения.
Технические спецификации разработаны в виде графических шаблонов со сложной табличной конфигурацией и определенным набором параметров. Во всех шаблонах присутствуют правила их автоматического вызова и активизации. Все технические спецификации структурированы по набору параметров и имеют следующие основные категории: общие данные по проекту, технологические параметры среды и параметры места отбора, общие данные, механические данные, электрические данные, данные по индикации, данные по вспомогательным устройствам, общие примечания. Форма технической спецификации унифицирована и не зависит от требований конкретного производителя.
-

Контроль О Б Щ А Я Ч А С Т Ь
-

Датчик температуры
-

Формирование требований
У Н И В Е Р С А Л Ь Н А Я
Отборное устройство О Б Л А С Т Ь
-
Градуировка
-

Длина монтажной части
-

Количество чувствительных элементов
-

Способ контакта с измеряемой средой
-

Способ монтажа

-
Присоединение резьбовое

-
Степень защиты от пыли и

-
влаги
Формирование требо-
ваний. Схема электри-
ческого подключения
Датчик
-

Отражение информа-
ции
Внешн-
ий сигнал
Гильза.Формирование требований
-

Присоединение к процессу. Резьбовое.
-

Присоединение к прибору

-
Присоединение к прибору, резьбовое
Гильза

Рис. 3.10. Шаги выбора технических средств в универсальной области.
Когда известна окончательная модель датчика проектировщик должен заполнить модель технического средства и прописать его контакты с учетом выбранной схемы подключения. Авторами [67] предложена и реализована функция выбора приборов и средств автоматизации, поставляемых в комплекте с оборудованием. При этом выбирается только вид измерения и формируются связи с техническими средствами модели проекта по данному каналу контроля. Этот упрощенный способ выбора технического средства применяется, когда надо получить сигналы от комплекта поставляемой установки и/или вывести в спецификацию приборы поставляемые комплектно с оборудованием.
3.7. Варианты процессорных измерительных средств на базе приборов с зарядовой связью для измерения размеров древесного сырья.
Одной из модификаций процессорных устройств автоматического измерения длины и диаметров хлыстов и круглых лесоматериалов является
устройство на базе линейного прибора с зарядовой связью (на базе ПЗС-линейки), реализующего косвенные с усреднением итеративные измерения [24]. В состав процессорного измерителя (рис. 3.11) входят линейка осветителя 1, первичный преобразователь 3 (ПЗС-линейка), схема компарации и автоматического регулирования порогового напряжения 4, вторичный преобразователь 5, микроконтроллер 6. Измеритель работает на просвет объекта измерения 2.

Рис. 3.11. Процессорный измеритель размеров на базе линейных приборов с зарядовой связью.
Для устранения погрешности, обусловленной смещением лесоматериала относительно продольной оси подающего продольного транспортера применяется двухкамерный процессорный измеритель [24] (рис. 3.12), который позволяет компенсировать завышенное значение диаметра в одном канале, заниженным значением во втором канале. В состав измерителя входят: осветители 1, первичные преобразователи 3 (ПЗС-линейки), схемы компарации и автоматического регулирования порогового напряжения 4, вторичные преобразователи 5, микроконтроллер 6, управляющий синхронной работой каналов измерения и выполняющий вычислительные функции. Как и в предыдущем случае реализуются косвенные с усреднением итеративные измерения.

Рис. 3.12. Процессорный двухканальный измеритель размеров на базе линейных приборов с зарядовой связью.
Принцип работы процессорного измерителя на потоках с продольным перемещением хлыстов и круглых лесоматериалов заключается в следующем [46, 51] (рис. 3.13). При перемещении лесоматериала 1 транспортером 2 в зоне осветителя 3 изображение контролируемого участка проецируется на поверхность фоточувствительной линейки первичного преобразователя 4.
900430top
Рис. 3.13. Процессорный двухканальный измеритель на базе линейного прибора с зарядовой связью для измерения длины и диаметра хлыстов и круглых лесоматералов на потоках с продольным перемещением.
По команде с формирователя тактовых сигналов 5 информация с секции накопителя переписывается в регистры сдвига прибора с зарядовой связью и далее на выходную схему. Сигналы усиливаются усилителем 6 и подаются на вход компаратора 7, на второй вход которого подается напряжение с формирователя уровня напряжения 8. На входы формирователя 8 подаются сигналы с датчика наличия объекта 9, с усилителя 6, с формирователя временных зон 10. Формирователь тактовых сигналов и временных зон определяет длительность цикла измерения, период кадра. Весь период кадра разбивается на четыре временные зоны – зона записи, зона счета, зона контроля и зона вычисления. В результате формируются измерительные импульсы значения диаметра. Значение длины определяется на основе информации импульсного датчика перемещения 12, жестко связанного с туером подающего транспортера. С выхода блоков 11, 13 измерительная информация подается в промышленный контроллер 14 для определения объема лесоматериала, определения схемы раскроя (при раскряжевке хлыстов) и управления сортировкой круглого лесоматериала.
Для повышения точности измерения применена цифровая схема автоматического регулирования порогового напряжения компаратора при изменении освещенности фоточувствительных элементов ПЗС-линейки.
Вариант процессорного измерителя размеров хлыстов и круглых лесоматериалов в условиях потоков с поперечным перемещением в процессе их обработки представлен на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Процессорный измеритель на базе матричного прибора с зарядовой связью для измерения длины и базовых диаметров хлыстов и круглых лесоматериалов на потоках с поперечным перемещением.
Длина хлыстов варьируется в процессе обработки от 8 до 32 м, поэтому необходимо при измерении длины и базового диаметра перекрывать зону измерения не менее 32 м. Для уменьшения числа первичных преобразователей и зон измерения процессорный измеритель построен на основе ПЗС-матриц 3, каждая из которых охватывает определенный участок зоны измерения. Первичные преобразователи формируют измерительные сигналы в отраженном свете (рис. 3.5). В целом схема процессорного измерителя реализована на основе комбинированного способа измерения [24, 50], сочетающего такие способы как способ числа строк при измерении длины хлыстов и круглых лесоматериалов и способ измерения длительности импульса, при измерении базовых диаметров хлыстов и круглых лесоматериалов. Хлысты в процессе измерения к пильным агрегатам 1 поступают в зону измерения 2, охватываемую первичными преобразователями 3. Изображение участков хлыста проецируются на фоточувствительный слой ПЗС-матриц. После считывания измерительные сигналы через коммутирующее устройство 4 подаются на схемы выделения 5 и формирования измерительных импульсов 6 и далее на вход компьютера 7. За время первого цикла измерения определяется длина хлыста и точка базового диаметра, за время второго цикла определяется значение базового диаметра. Учитывая высокую частоту считывания сигналов в ПЗС-матрицах (20 мГц и более) весь процесс измерения осуществляется в одной зоне измерения. На основе полученной измерительной информации в компьютере определяются: программа раскроя хлыста, объем хлыстов и круглых лесоматериалов, формирование управляющих сигналов для управления сортировкой хлыстов и круглых лесоматериалов и регулирования скорости перемещения хлыстов и круглых лесоматериалов.
Пример применения процессорных измерительных средств представлен на рис. 3.15. в условиях высокопроизводительных поточных линий с поперечно-продольным перемещением хлыстов и круглых лесоматериалов. Пачки хлыстов подаются на приемный транспортер I и далее в количестве 2-3 хлыстов в карман транспортера поштучной подачи II. Транспортер поштучной подачи перемещает хлысты по одному на транспортер первого бокового перемещения III. При необходимости размещение хлыстов осуществляется манипулятором, команды на управление подаются оператором через блок управления 1. С помощью транспортера III осуществляется сортировка хлыстов по размеру диаметра в комле и кривизне хлыста. Значение диаметра в комле и кривизна определяются с помощью первичных преобразователей 2. При значении диаметра в комле более 70 см или стреле прогиба хлыста более 1 м с помощью транспортера III хлыст подается на выносной транспортер. Для хлыстов с диаметром в комле менее 70 см и стреле прогиба менее 1 м оператором заказывается длина откомлевки (с учетом площади напенной гнили и сучков). Значение длины откомлевки фиксируется первичным преобразователем 7, который ведет счет импульсов поступающих с тахометра 8, с выдачей информации в компьютер 29.
I
III
II
28
IV
V
VI
VII
1
11
11
11
11
14
17
VIII
X
X
X
X
30
31
29
33
32
34

19
2


19
2

19

2

2
19


12
24
21
20
16
3
4
13

IX
22
5
7

25
23
18
6
15


26
8

9

10
X
X

27
27

27
27


27
27


Рис. 3.15. Функциональная схема автоматизации обработки древесного сырья на поточных линиях с поперечно-продольным перемещением на базе светооптических процессорных измерителей размеров хлыстов и круглых лесоматериалов.
Скорость перемещения транспортера III регулируется с помощью тиристорного преобразователя 10 и двигателя постоянного тока 9. Хлыст перемещается на транспортер IV, где с помощью дисковой пилы отрезается комлевая часть хлыста.
Для оптимального раскроя хлыстов на базе процессорного измерителя на основе телевизионных первичных преобразователей 11 осуществляется автоматическое измерение длины и базового диаметра хлыста. Базовый диаметр выбирается в зависимости от используемой модели хлыстов. Наиболее точной является модель с базовым диаметром на середине хлыста [64]. В зависимости от длины хлыста, базового диаметра, породы и качества компьютер определяет программу раскряжевки хлыста. Одновременно определяется объем хлыста.
После выбора программы раскряжевки хлыст перемещается на второй транспортер бокового перемещения V, который ориентирует хлыст относительно пил 19 раскряжевочной установки VI. Ориентация осуществляется с помощью компьютера 29. На вход компьютера через устройство связи с объектом (УСО) 28 подаются импульсы от тахометра 16. Скорость перемещения бокового транспортера V регулируется с помощью тиристорного преобразователя 18 и двигателя постоянного тока 17. С транспортера V хлыст перемещается на транспортер раскряжевочной установки VI, который перемещает хлыст через зону дисковых пил 19 , поднимающихся и опускающихся в соответствии с выбранной программой раскроя. Скорость надвигания хлыста на пилы 19 регулируется с помощью команд с компьютера 29 через тиристорный преобразователь 23 и двигатель постоянного тока 22. После раскряжевки сортименты подаются на выносной транспортер VII, с помощью которого перемещаются к ускорительному транспортеру VIII.
Для равномерного перемещения хлыстов с транспортера поштучной подачи на транспортер раскряжевочного агрегата с помощью компьютера 29 через УСО 28 осуществляется синхронизация скорости перемещения транспортера IV относительно транспортера VI. В компьютер через УСО 28 подаются синхронизирующие сигналы от магнитных концевых выключателей 12, 20 и сигналы от тахометров 13, 21. Скорость транспортера 4 регулируется с помощью тиристорного преобразователя 15 и двигателя постоянного тока 14.
Аналогично осуществляется синхронизация скорости перемещения транспортера II относительно транспортера IV. Синхронизирующие сигналы подаются на вход компьютера 29 от магнитных концевых выключателей 3, 12 и тахометров 4, 13. Команда на изменение скорости транспортера II поступает с компьютера 29 через УСО 28 на тиристорный преобразователь 6 и двигатель постоянного тока 5. Ускорительным транспортером VIII сортименты перемещаются на сортировочный транспортер IX. На основании значений длины и диаметра сортиментов, измеренными процессорным измерителем (на базе ПЗС-линейки) 26 и датчика наличия 25, и качественных признаков компьютер 33 определяет адрес кармана накопителя Х и объем сортиментов. Команда на сбрасывание сортиментов в карманы-накопители поступает с компьютера 33 через УСО 32 на вход привода 27.
В состав схемы автоматизации входит пульт оператора подачи и разборки хлыстов 30, пульт оператора раскряжевщика 31, пульт оператора сортировщика 34.
Число измерительных средств для измерения общепромышленных параметров (температура, давление, уровень) определяется свойствами объекта измерения, объект с сосредоточенными или с распределенными параметрами.
Число измерительных средств при измерении геометрических размеров определяется размерами объекта, способом перемещения объекта в зоне измерения (продольное, поперечное). Особенностью измерения размеров (диаметр, длина) при продольном перемещении (рис. 3.13) состоит в том, что для измерения значения диаметра требуется один первичный преобразователь на основе многоэлементных приемников(ФР, ФД, ФТ) или на основе ПЗС-линейки, при измерении длины необходимо применение импульсного первичного преобразователя, жестко связанного с приводным туером продольного транспортера для учета изменения скорости транспортера в процессе измерения, длины, т.к. сигналы с импульсного преобразователя являются квантующими для временного интервала, соответствующего длине объекта (время нахождения объекта в фотостворе светооптического преобразователя).
Процессорные измерительные средства на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС-линейки, ПЗС-матрицы) в своем составе имеют оптику, поэтому при определении числа процессорных измерителей необходимо определить расстояние от первичного преобразователя до объекта измерения.
R= a∙Fa3,
где а – требуемая точность измерения, мм;
F – фокусное расстояние объектива, мм;
a3 – шаг расстояния между светочувствительными элементами прибора
с зарядовой связью, мкм.
С учетом расстояния R определяется участок объекта, охватываемый одним преобразователем
Δh=2Rtana2,
где а – угол зрения объекта.
С учетом R и Δh определяется число процессорных измерителей
n = hΔh,
где h – размер объекта.
Например, при измерении длины хлыста 30 м (Нхл. = 30 м) при поперечном перемещении в зоне измерения (рис. 3.13), F = 20 мм, a = 60°, a = 2 мм, a3 = 12 мкм (ПЗС-матрица ФППЗ – 23 м), R = 3,33 м, Δh = 3,84 м, n = 8.
3.8. Сенсорные сети для подключения датчиков и исполнительных устройств.
3.8.1. Модуль взаимодействия открытых систем.
Одной из важных тенденций в промышленной автоматизации является децентрализация управляющих функций на уровне цеха. Это обусловлено тем, что повышаются требования к гибкости и функциональности систем автоматизации, что в итоге приводит к росту числа подключен-
ных к сети узлов, а также взаимодействующих друг с другом приложений, при этом отдельные узлы уровня датчиков и исполнительных устройств становятся все более интеллектуальными. Вычислительные возможности таких узлов достаточны для организации предварительной обработки данных, реализации управляющих алгоритмов и построения систем с распределительным управлением на основе локального интеллекта. Одним из факторов, стимулирующих децентрализацию является рост популярностиконцепции Ethernet-сетей, с использованием технологии Ethernet на нижних уровнях распределенных систем автоматизации.
Система с распределенным управлением
Управляющее приложение

Сеть интеллектуальных узлов
Управляющее приложение

Децентрализованный ввод – вывод
Управляющее приложение

Ввод-вывод по индивидуальным кабелям
Управляющее приложение

Функции управления
Исполнительное устройство
Функции управления
Датчик


Локальный интеллект
Исполнительное устройство
Локальный интеллект
Датчик


Датчик
Исполнительное устройство


Датчик
Исполнительное
устройство



Рис. 3.16. Эволюция распределенного управления.
Уже несколько десятилетий функции контроля постепенно перетекают из центра систем на их периферию [70] (рис. 3.16). Практику прокладки индивидуальной кабельной проводки сменили полевые шины, вызвавшие революцию в промышленной автоматизации. Системы автоматизации превратились в сети датчиков, исполнительных устройств и промышленных контроллеров, взаимодействующих с друг другом по стандартным протоколам, не зависящим от оборудования. Параллельно росли локальные вычислительные возможности полевых устройств, позволяющих реализовать предварительную обработку данных и базовые управляющие алгоритмы. Такие устройства стали называть «интеллектуальными». Когда мощь локального интеллекта возросла еще больше, стал возможен переход к этапу распределенного управления без выделенного центрального узла, при этом конфигурацию управляющей функции можно адаптировать под конкретные ситуации.
В дальнейшем речь пойдет об открытых промышленных сетях, на которые распространяются международные стандарты. Под промышленной сетью понимается среда передачи данных, которая отвечает множеству разнообразных требований, имеет набор стандартных протоколов обмена данными, позволяющих объединить технические средства различных производителей и обеспечить взаимодействие уровней распределенных систем управления. Одним из важных элементов архитектуры промышленной сети является коммуникационный протокол – формализованный набор правил взаимодействия узлов. Прорывом в стандартизации архитектуры промышленных сетей стала разработка модели взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI), которая в начале 80-х годов обобщила накопленный опыт. Модель OSI является международным стандартом и определяет способ декомпозиции задачи взаимодействия «по вертикали» с помощью коммуникационных протоколов семи уровней модели. Уровни модели образуют иерархию [1 – 3, 71, 72] (рис. 3.17), известную как стек протоколов. Каждый вышестоящий уровень использует нижестоящий в качестве инструмента для решения своих задач. Модель OSI определяет: уровни взаимодействия систем, названия уровней и функции, которые должен выполнять каждый уровень. В модели OSI (рис. 3.17) средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представления, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Формирование сообщений различных уровней начинается с обращения запроса узла 1к прикладному уровню. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата (Рис. 3.18). После формирования сообщений прикладной уровень направляет его по списку уровню представления. Протокол уровня представления на основании информации, полученной из заголовка сообщения прикладного уровня, выполняет требуемые действия и добавляет соответствующую служебную информацию – заголовок уровня представления, в котором содержатся указания для протокола уровня представления. Полученное сообщение передается сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок и т.д.. В результате сообщение достигает нижнего, физического уровня. Физический уровень помещает сообщение на физический входной интерфейс узла 1.
Узел 2
Узел 1
Форма
данных Интерфейсы
Сообщение Сообщение

7

Сообщение7
Прикладной уровень
7
7


6
6

Пакет Уровень представления
6
7
7
6
Протоколы

5
5

Пакет Сеансовый уровень
7
6
5
5
6
7


4
4
Сегмент,
дейтаграм- Транспортный уровень
ма, пакет
4
5
6
7
4
5
6
7


3
3

Дейтаграм- Сетевой уровень
3
4
5
6
7
3
4
5
6
7
ма

2
2

Кадры, Канальный уровень
пакет
2
3
4
5
6
7
3
4
2
5
6
7

1
1
Дейтаграм- Физический уровень
7
6
5
4
3
2
1
1
2
3
4
5
6
7
ма


К а н а л п е р е д а ч и д а н н ы х

Сообщение
1
2
3
44
5
6
7



Полезная Заголовки со служебной
информация информацией
Рис. 3.17. Модель взаимодействия открытых систем (OSI).
Далее сообщение поступает на входной интерфейс узла 2, принимается физическим уровнем узла 2 и последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняет соответствующие функции, удаляет заголовок и передает сообщение следующему уровню. Для обозначения единиц обмена данными конкретных уровней часто используют специальные названия (Рис. 3.17): сообщение, пакет, дейтаграмма, сегмент, кадр, бит.

Сообщение прикладного уровня
Концевик
7
Заголовок
7
Поле данных
7


Соо бщение уровня представлен ия
Концевик
6
Концевик
7
Поле данных
7
Заголовок
7
Заголовок
6


Поле данных 6
Сообщение сеансового уровня
Заголовок
5
Заголовок
6
Заголовок
7
Концевик
5
Концевик
6
Концевик
7
Поле данных
7


Поле данных 5
Рис. 3.18. Формирование сообщений различных уровней.
Функция физического канала – передача потока битов по физическим каналам связи – коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал. При этом физический уровень не анализирует смысл информации, которую он передает. Для уровня эта информация представляет однородный поток битов, которые необходимо доставить без искажения с заданной тактовой частотой.
Канальный уровень в локальных сетях обеспечивает доставку кадра между любыми узлами сети типовой топологии: шина, кольцо, звезда. В глобальных сетях канальный уровень обеспечивает доставку кадра только между соседними узлами, которые соединены индивидуальной линией связи. Канальный уровень поддерживает интерфейс с физическими и сетевыми уровнями. Одной из функций канального уровня является обнаружение и коррекция ошибок. Протокол канального уровня обычно работает в пределах сети типовой топологии. Адреса, с которыми работает протокол канального уровня используется для доставки кадров только в пределах этой сети, а для перемещения пакетов между сетями применяется сетевой уровень. Для качественной передачи сообщений в сетях с произвольной топологией функций канального уровня недостаточно. Протоколы канального уровня реализуются компьютерами, мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.
Сетевой уровень предназначен для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей. Технология, которая позволяет соединять в единую сеть множество сетей, построенных на основе разных технологий, называется технологией сетевого взаимодействия. Средствами сетевого уровня, позволяющими связать между собой различные сети, являются группа протоколов и маршрутизаторы. Одна из основных функций маршрутизатора – физическое соединение сетей. Для этого он имеет несколько сетевых интерфейсов, к каждому из которых может быть подключена сеть. Маршрутизатор может быть реализован программно на базе универсального компьютера. В состав программного обеспечения маршрутизатора входят протокольные модули сетевого уровня. Чтобы связать сети, необходимо соединить все эти сети маршрутизаторами и установить протокольные модули сетевого уровня на все конечные узлы пользователей, которые хотели бы связаться через составную сеть. Каждый узел составной сети должен иметь сетевой адрес, назначенным ему канальным уровнем. В пакете в качестве адреса назначения указывается адрес сетевого уровня, на основании которого определяется маршрут пакета. На основании информации о топологии связей между сетями маршрутизатор строит таблицы маршрутизации. Весь путь через составную сеть разбивается на участки от одного маршрутизатора до другого, при этом каждый участок соответствует пути через отдельную сеть. Для передачи пакета через очередную сеть сетевой уровень размещает его в поле данных кадра канального уровня, с указанием в заголовке кадра канальный адрес интерфейса следующего маршрутизатора. Очередная сеть через свою канальную технологию доставлят кадр по заданному адресу. Маршрутизатор извлекает пакет из доставленного кадра, выполняет соответствующую обработку, передает упакованный пакет в новый кадр на канальном уровне и транслирует его в следующую сеть. Сетевой уровень имеет два вида протоколов – маршрутизируемые протоколы и протоколы маршрутизации. Первые протоколы реализуют продвижение пакетов через сеть, вторые собирают информацию о топологии межсетевых соединений, на основании которой осуществляется выбор маршрута продвижения пакетов.
Транспортный уровень обеспечивает верхним уровням прикладному, представления и сеансовому, передачу данных с необходимой надежностью. Модель OSI определяет пять классов транспортного сервиса, которые отличаются качеством представляемых услуг. К таким услугам относятся: срочность, возможность восстановления прерванной связи, наличие средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, способность к обнаружению и исправлению ошибок передачи. Протоколы нижних четырех уровней (рис. 3.17) называют транспортной подсистемой, они полностью решают задачу транспортировки сообщений в составных сетях с произвольной точностью. Три верхних уровня решают задачи представления прикладных сервисов.
Сеансовый уровень обеспечивает управление взаимодействием сторон, путем определения которая из сторон является активной в настоящий момент и предоставляет средства синхронизации сеанса. Это позволяет при длинных передачах сохранить данные о состоянии этих передач в виде контрольных точек и в случае отказа вернуться к последней контрольной точке. На практике сеансовый уровень редко реализуется в виде отдельных протоколов. Очень часто функции данного уровня объединяют с функцией прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.
Уровень представления обеспечивает представление передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. И при этом за счет средств данного уровня протоколы прикладных уровней преодолевают синтаксические различия в представлении данных или различия в кодах символов. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных.
Прикладной уровень – это набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, файлы, принтеры гипертекстовые веб-страницы. Существует очень большое разнообразие протоколов и соответствующих служб прикладного уровня.
Большинство промышленных сетей поддерживают 1, 2 и 7-ой уровни OSI – модели. Открытые промышленные сети приводят в соответствие специфическим требованиям потребителей. В зависимости от уровня применения промышленные сети подразделяются на три группы:
- сенсорные сети для подключения датчиков и исполнительных устройств;
- контроллерные сети, решающие задачи по управлению технологическими процессами, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров;
- универсальные промышленные сети, которые применяются на различных уровнях распределенных систем управления.
3.8.2. Характеристики промышленных сетей.
Основными характеристиками промышленных сетей являются: топология сети, физическая линия связи, максимальное число узлов, максимальная длина соединения, скорость обмена.
При объединении в сеть нескольких узлов необходимо решить каким образом соединить их с друг другом, т. е. выбрать конфигурацию физических связей или топологию. Под топологией сети понимается [71] конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети и коммуникационное оборудование, а ребрам - физические или информационные связи между вершинами.
Основными сетевыми топологиями являются звезда, кольцо и шина. Известны также древовидная, полносвязная, ячеистая и смешанная топологии [71]. В топологии «звезда», иногда ее называют радиальной структурой, вся информация передается через центральный узел. Все остальные узлы обмениваются друг с другом только через центральный узел (Рис. 3.19а), такую структуру называют иерархической звездой или деревом. В настоящее время она имеет широкое распространение как в локальных сетях, так и в глобальных.




а). б). в).
центральный элемент




г). д). е).









ж).
Рис. 3.19. Топология сетей: а – звезда; б дерево; в – кольцо; г – шина; д – полносвязная топология; е – ячеистая топология; ж – смешанная топология.
В кольцевой структуре (Рис. 3.19 в) информация передается от одного узла к другому по физическому кольцу. Кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию для организации обратной связи, т.к. данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу – источнику. Это свойство часто используется для тестирования связности сети. В то же время отказ в работе хотя бы одного узла приводит к нарушению работы кольца. Поэтому необходимо включить в сеть автоматические переключатели или строить структуру «двойное кольцо», в которой одна ветвь является рабочей, а другая резервной.
В шинной структуре (Рис. 3.19г) все узлы подсоединены к общей среде передачи, в качестве которого выступает пассивный кабель. Передаваемая информация распространяется по кабелю и доступна одновременно всем узлам. Основным преимуществом такой структуры является дешевизна и простота присоединения новых узлов к сети, процесс подключения дополнительных узлов к шине не требует аппаратных доработок со стороны уже работающих узлов сети. К недостатку относится низкая надежность, любой дефект кабеля парализует всю сеть, и невысокая производительность, т. к. в каждый момент времени только один узел может передавать данные по сети.
Различают полносвязные и неполносвязные топологии. Полносвязная топология соответствует сети в которой каждый узел непосредственно связан со всеми остальными (Рис. 3.19 а). Несмотря на логическую простоту, этот вариант оказывается громоздким и неэффективным. Каждый узел в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов. Полносвязные топологии в крупных сетях применяются редко, т.к. для связи N узлов требуется N (N - 1) / 2 физических дуплексных линий связи, т. е. имеет место квадратичная зависимость от числа узлов. Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обмена данными между двумя узлами может потребоваться транзитная передача данных через другие узлы сети.
Ячеистая топология получается из полисвязной путем удаления некоторых связей (Рис. 3.19 е). Ячеистая топология допускает соединение большого количества узлов и характерна для крупных сетей. Для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между узлами. В таких сетях можно выделить отдельные, произвольно связанные, фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию. Такие сети называются сетями со смешанной топологией (Рис. 3.19 ж).
От выбора топологии связей существенно зависят характеристики сети, в том числе такие, как режим доступа к сети, средства контроля передачи и восстановления данных, возможность изменения числа узлов сети. При коммутации нескольких узлов (устройств) между собой через разделяемую среду (линию связи) необходим ясный и понятный протокол доступа к ней. Разделительной средой называется физическая среда передачи данных, к которой непосредственно подключается несколько конечных узлов сети. При этом в каждый момент времени только один из конечных узлов получает доступы к разделяемой среде и задействует её для передачи данных. В качестве разделяемой среды можно использовать коаксиальный кабель, витую пару, оптическое волокно, радиоволны. Метод доступа представляет собой набор правил, позволяющий работать с локальной сетью. Метод доступа реализуется на физическом уровне. Существуют централизованный и децентрализованный методы доступа.
Централизованный метод (метод MASTER – SLAVE) заключается в том, что право на доступ к сети имеет только MASTER – узел, который адресует каждый узел (SLAVE – узел), обеспечивает данными и запрашивает данные узла. При использовании этого метода для увеличения пропускной способности команды протокола должны быть предельно простыми. В среде протокола реализуются операции защиты данных, обнаружение ошибок при передаче, восстановление данных. На скорость и объем передаваемой информации влияет среда передачи. Метод MASTER – SLAVE находит применение в промышленных сетях на уровне датчиков и исполнительных устройств, а также на контроллерном уровне.
К децентрализованным методам относится один из основных методов – метод случайного доступа, при котором управление доступом к среде осуществляется децентрализовано. Узел может передавать данные по сети, только если сеть свободна и электрические сигналы в среде отсутствуют. Если среда свободна, то узел начинает передачу. Время использования одним узлом ограничивается временем передачи одного кадра. При попадании кадра в разделяемую среду все сетевые адаптеры одновременно начинают принимать этот кадр. Каждый из них анализирует адрес назначения, расположенного в одном из начальных полей кадра. Если этот адрес совпадает с их собственным адресом, кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера, т. е. узел – адресант получает предназначенные ему данные. При этом может возникнуть ситуация, когда одновременно несколько узлов начинают передавать информацию. Такая ситуация называется коллизией. Сигналы нескольких передатчиков накладываются друг на друга и как следствие суммарный сигнал искажается. Для такого случая предусмотрены алгоритмы обнаружения и корректной обработки коллизий. После обнаружения коллизии сетевые адаптеры, которые пытались передать свои кадры, прекращают передачу и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде, чтобы передать кадр, вызвавший коллизию.
Один из известных децентрализованных методов является метод CSMA/ CD, который используется для доступа к среде передачи данных в сетях Ethernet. Этот метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов. Для получения возможности передавать кадр, интерфейс узла-отправителя должен проверить, что среда свободна. Это осуществляется контролем основной гармоники сигнала – несущей частотой. Для всех вариантов Ethernet 10 Мбит/ с несущая частота равна 5 – 10 МГц, при манчестерском способе кодирования, в зависимости от единиц и нулей, передаваемых в данный момент. Все узлы подключенного кабеля записывают байты передаваемого кадра в свои внутренние буферы. Первые 6 байт кадра содержат адрес назначения. Узел, обнаруживший собственный адрес в заготовке кадра, продолжает записывать его содержимое в свой буфер. Остальные узлы на этом прием кадра прекращают. Узел назначения обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку. Кадр Ethernet содержит адрес назначения и адрес источника данных. Доступ к среде и передача данных поясняется на рисунке 3.20 [71].

≥ 9,6 Мкс Коллизия (jam)
2
33
1
1
Шина


П ередача
Переда ча
Передача
Узел 1

Попытка доступа
Ожидание
Передача
к шине узла 2
Узел 2

Передача
Ожидание

Узел 3

Попытка доступа
к шине узла 3
Рис. 3.20. Метод случайного доступа CSMA/ CD.
Узел 2 во время передачи кадра узлом 1 делает попытку передачи своего кадра и при обнаружении занятости среды по наличию несущей частоты переходит в режим ожидания, пока узел 1 не прекратит передачу кадра. После окончания передачи кадра узла 1 все узлы сети выдерживают технологическую паузу, равную межпакетному интервалу в 9.6 мкс. В течение этой паузы сетевые адаптеры узлов приводятся в исходное состояние. По окончании технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, среда в этот момент свободна. Узел 2 (Рис. 3.20) после окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9.6 Мкс и начал передачу своего кадра. Метод доступа CSMA/CD не гарантирует исключения коллизии. Коллизия в сети Ethernet это нормальная ситуация в работе. На рисунке 3.20 коллизию породила одновременно передача данных узлами 3 и 1. Наиболее вероятный случай коллизии, когда один узел начинает передачу, а через некоторое время другой узел, не обнаружив несущую из-за того, что сигналы первого узла еще не успели дойти до другого узла, начинают передачу своего кадра. Для корректной обработки коллизии все узлы одновременно наблюдают за сигналами в кабеле. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется факт обнаружения коллизии. Для скорейшего обнаружения коллизии всеми узлами сети узел, который обнаружил коллизию, прерывает передачу своего кадра и посылает в сеть специальную последовательность из 32 бит – jam- последовательность. После этого узел, обнаруживший коллизию, прекращает передачу и делает паузу в течение случайного и короткого интервала времени. Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то узел должен прекратить попытки и отбросить этот кадр. Описанный алгоритм [69] носит название усеченного экспонециального двоичного алгоритма отстрочки.
Другой популярный метод доступа к разделяемой среде является детерминированный метод [71]. Алгоритм детерминированного доступа использует передачу токена (маркера) и опрос. Передача токена обычно реализуется децентрализовано. Каждый узел, получивший токен, имеет право на использование разделяемой среды в течение фиксированного про-межутка времени – времени удержания токена. После окончания этого промежутка узел обязан передать токен другому узлу. Ясно, что максимальное время ожидания доступа равно произведению времени удержания токена на число узлов в сети. Время ожидания может быть сокращено, если узел, получивший токен, не имеет кадров для передачи, передает токен следующему узлу. Последовательность передачи токена от узла к узлу может определяться разными способами, в том числе и в зависимости от топологии, как это реализовано в сетях Token Ring, где узел в кольце получает токен от предыдущего узла, а передает его следующему узлу. Алгоритм опроса в основном реализован на централизованной схеме. При этом в сети существует выделенный узел, играющий роль арбитра за разделяемую среду. Узел-арбитр периодически опрашивает остальные узлы сети на предмет наличия у них кадра для передачи. После сбора заявок на передачу узел арбитр решает какому узлу дать право ипользования разделяемой среды. После завершения передачи кадра фаза опроса повторяется.
Алгоритмы детерминированного доступа отличаются от алгоритмов случайного доступа более эффективной работой при большой загрузке сети, когда коэффициент использования приближается к единице. При небольшой загрузке сети более эффективными являются алгоритмы случайного доступа, так как отсутствует трата времени на процедуры определения права доступа к среде.
Для организации сетевого обмена используются физические каналы на основе коаксиального кабеля, витой пары, волоконно-оптического кабеля, телефонного канала, радиоканала, инфрокрасного канала. Витая пара (Рис. 3.21) является популярной физической средой для построения сетей. Витая пара – это изолированные проводники, попарно свитые между собой некоторое число раз на определенном отрезке длины. Обычно рекомендуется не менее 13 витков на 1 м длины. Это необходимо для снижения влияния внешних и взаимных помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю. Проводники в виде монолитной медной проволоки тощиной 0,5 – 0,65 мм. Толщина изоляции около 0,2 мм из материала: поливинилхлорид (PVC); полипропилен (РР) и полиэтилен (РЕ) – для более качественных образцов (5 категория). Для обеспечения низких диэлектрических потерь применяют изоляцию из ячеистого полиэтилена, для обеспечения рабочего диапазона температуры применяют тефлон. Внешняя полихлорвиниловая оболочка имеет толщину 0,5 – 0,6 мм. Существует несколько типов кабелей по наличию или отсутствию экрана:
- незащищенная витая пара (VТР), в кабеле витые пары не имеют индиви- дуального экранирования;
- фольгированная витая пара (FTP), в кабеле имеется общий экран из фольги, при этом каждая витая пара не имеет индивидуального экрана;
- защитная витая пара (STP), в кабеле каждая пара имеет экран;
- экранизированный кабель (SСTP), кабель может иметь и не иметь защиту отдельных пар. Экран выполняется из плетеной медной проволоки или из токопроводящей фольги. В первом случае он защищает от низкочастотных наводок, во втором – блокируется высокочастотное электромагнитное излучение. Иногда применяют двойные экраны (HIGHT Screen), в которых используются оба способа.
Кабель на основе неэкранированной витой пары, используемый для проводки внутри зданий, подразделяется в международных стандартах по категориям от 1 до 7.:
- кабель категории 1 применяется при низкоскоростных передачах. Обыч-но это кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной передачи данных до 20 Кбит/ с. Примерно до 1983 года это был основной кабель для телефонной разводки (стандарт EIA/ TIA – 568);
- кабель категории 2 (стандарт EIA/ TIA – 568) был впервые применен фирмой IВМ при построении собственной кабельной системы. Используется в диапазоне частот до 1 МГц;
- кабели категории 3 стандартизованы в 1991 году (стандарт EIA – 568А). Стандарт определил электрические характеристики кабеля для частот в диапазоне до 16 МГц. Кабели предназначены для передачи данных и голоса и составляют в настоящее время основу многих кабельных систем;
- кабель категории 4 (стандарт EIA – 568А) обладает высокой помехоустойчивостью и низкими потерями. Используется в диапазоне до 20 МГц;
- кабель категории 5 (стандарт TP - PMD) специально разработан для поддержки высокоскоростных протоколов. Его характеристики распространяются в диапазоне до 100 МГц. Большинство высокоскоростных технологий, Fast Ethernet, FDDI, ATM, Gigabit Ethernet ориентированы на применение витой пары категории 5;
- особое место занимают кабели категории 6 7, которые промышленность начала выпускать сравнительно недавно. Кабели категории 6 используются в диапазоне до 250 Мгц, кабели категории 7 – в диапазоне до 600 МГц. Кабель категории 6 может быть как экранированным так и неэкранированным. Кабель категории 7 обязательно экранируется, экранируется каждая пара и весь кабель в целом. Данные кабели применяются для поддержки высокоскоростных протоколов при большой длине кабеля. Кабели на основе экранированной витой пары типа STP применяются для передачи данных по стандарту фирмы IBM и подразделяются на следующие типы:
- type 1 (стандарт EIA – 568А). Кабель включает две пары скрученных проводов (до 12 витков на один метр), экранированных оплеткой. Электрические параметры соответствуют кабелю категории 5, но волновое сопротивление равно 150 Ом (категория 5 – 100 Ом). Применяется в сетях Fast Ethernet;
- type 2. Кабель состоит из двух пар экранированных проводов для передачи данных (STP) и 2-х пар неэкранированных проводов для передачи голосовых сообщений (VTP);
- type 3. Кабель состоит из 2-х, 3-х или 4-х пар неэкранированных проводов VTP (телефонный кабель);
- type 5. Оптоволоконный кабель (ВОК);
- type 6.2. Кабель имеет 2 пары экранированных проводов (STP).
Все кабели VTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, а две – голоса.
Коаксиальный кабель состоит из несимметричных пар проводников (Рис. 3.22). каждая пара влючает внутреннюю жилу и соосную с ней внешнюю жилу, которая представляет полую медную трубку или оплетку. Внешняя жила отделена от внутренней жилы диэлектрической изоляцией. Внешняя жила играет двоякую роль, по ней передаются информационные сигналы, и она одновременно является экраном, который защищает внутреннюю жилу от внешних электромагнитных полей. Существует несколько типов коаксиального кабеля:
- «толстый» коаксиальный кабель был разработан для сетей Ethernet 10 Base – 5 c волновым сопротивлением 50 Ом и внешним диаметром около 12 мм. Внутренний проводник имеет диаметр 2,17 мм, обеспечивающий хорошие механические и электрические характеристики, затухание на частоте 10 МГц не хуже 18 дБ/ км. Недостаток кабеля – сложности при монтаже.
- «тонкий» коаксиальный кабель предназначен для сетей Ethernet 10 Base – 2. Волновое сопротивление 50 Ом и внешний диаметр 50 мм, внутренний проводник – 0,89 мм. Механические и электрические характеристики хуже чем у «толстого» коаксиального кабеля. Затухание выше, чем в «толстом» кабеле, что приводит к необходимости уменьшить длину кабеля для получения одинакового затухания в сегменте. Достоинство – обладает большей гибкостью, что очень удобно при монтаже.
Существует также телевизионный коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Существуют стандарты локальных сетей, позволяющие использовать такой кабель для передачи данных.
В условиях возросшей потребности в обеспечении надежного канала передачи данных как в среде построения глобальных информационных сетей, так и в области промышленной автоматизации возникла необходимость поиска альтернативных технологий передачи данных взамен традиционных, основанных на медном кабеле. Этой альтернативой является волоконно-оптическая линия связи, которая имеет целый ряд преимуществ:
- нечувствительность к внешним магнитным полям, колебаниям температуры и влажности;
- высокая пропускная способность, более 30 Гбит/ с.;
- полное затухание в полосе частот до 0,2 дБ/ км;
- отсутствие коротких замыканий;
- малые габариты и масса.
Оптическое волокно (Рис. З.23) состоит из двух концентрических слоев, сердечник (ядро) и оптической оболочки, которые имеют разные показатели преломления, соответственно n1 и n2. Ядро и оптическая оболочка могут быть изготовлены из одного материала [73], например особо гибкого кварцевого стекла. Изменение показателя преломления достигается подбором специальных добавок, которые вводятся в чистый расплав кварца, т. е. осуществляется легирование. Легирующим веществом являются окислы германия, фосфора, бора, фтора, эрбита, неодия. Фтор и окись бора уменьшают показатель преломления, а окись германия и окись фосфора увеличивают. Вокруг оптической оболочки для предохранения от внешнего воздействия (влага, царапины, микротрещины), влияющего на оптические свойства оптоволокна, наносятся два слоя полимера (акрилат). Ядро оптоволокна может быть изготовлено из стекла, а оптическая оболочка из пластика (PCS-оптоволокно). Пластиковое оптоволокно имеет ядро и оболочку из пластика. Показатель преломления сердечника n1 больше показателя преломления оптической оболочки n2. Численная разница показателей преломления порядка одного процента, наиболее распротраненное соотношение диаметров сердечника и оптической оболочки – 8/125; 50/125; 62,5/ 125; 100/ 140, значения диаметров в мкм. При вводе света внутрь волокна под углом, большим критического, свет имеет полное внутреннее отражение и будет двигаться зигзагообразно вдоль сердечника оптоволокна. Важнейшим оптическим параметром материала является его показатель преломления – n, который выражается через отклонение скорости света в вакууме (с) к скорости света в среде данного материала (v)
n = cvили оптической длины волны в вакууме (λВ ) к длине волны в материале (λМ)
n=λВ λМДля всех известных материалов n >1 и свет распространяется в материале медленнее, чем в вакууме.
Полихлорвиниловая Полихлорвиниловая
оболочка оболочка Экран
Медные провода Изоляция



Изоляция Медные провода
а) б)
Рис. 3.21. Витая пара: а – неэкранированная; б – экранированная.

Внешняя Оплетка Внешняя Оплетка Центральный
оболочка Центральный оболочка проводник
проводник


Изолирующая
Диэлектрик пленка
а) б)
Рис. 3.22. Коаксиальный кабель: а – «тонкий»; б – «толстый».

Защитное покрытие
Оптическая оболочка (n2)

Сердечник (n1)

Рис. 3.23. Волоконно-оптический кабель.
Механизм преломления иллюстрирует рис. 3.24 [73]. На всех трех видах рисунка граница раздела проходит между двумя средами с показателями преломления n1 и n2, при этом n1 > n2. Углом падения называется угол между перпендикуляром к границе раздела двух сред и падающим лучом (Q1) (Рис. 3.24 а). На границе раздела часть света отражается обратно. Углом отражения называется угол между перпендикуляром к границе раздела двух сред и отраженным лучом. Оставшаяся часть света пересекает границу раздела, образуя преломленный луч, который распространяется под углом Q2 (Рис. 3.24а). Между углом падения и углом преломления существует соотношение
n1sin(Q1)= n2sin(Q2) Нормаль Нормаль

Преломленный
Q2 луч 90о
Граница n2 Граница n2

раздела Отраженный раздела n1 >n2 Отраженный
n1 >n2 Q1 луч

Падающий луч Падающий
луч
а) б)
Нормаль



Граница n2

раздела Полностью
n1 >n2 отраженный
Падающий QC луч
луч Q1


в)
Рис. 3.24. Отражение и преломление света на границе двух сред: а) – угол падения меньше критического угла скольжения (QC); б) – угол падения равен углу критического скольжения; в) – угол падения больше критического угла скольжения;
При увеличении угла падения Q1, при определенном его значении, преломленный луч полностью исчезает (Q2 = 90о). Такой угол называется критическим углом скольжения QС (Рис. 3.24 б)
QС = arc sinn2n1При углах больше критического (Рис. 3.24 в) свет полностью отражается и во вторую среду не проникает, а интенсивность отраженного луча равна интенсивности падающего. Это явление называется полным внутренним отражением. При равенстве характеристик реального распространения све-та в оптоволокне используется величина числовой апертуры (NA) [73]. Эта величина часто связана с условием полного внутреннего отражения и волнового распространения света в оптоволокне. Она определяет угловой растр входного конуса, соответствующего максимальному углу ввода света в оптоволокно.
NA = sinQ,
где Q – половина угла ввода.
Чем больше значение NA, тем лучше свет вводится в оптоволокно. Используемые материалы, состав и размеры компонентов определяют физические параметры и особенности оптоволокна. Основными параметрами оптоволокна являются: профиль показателя преломления число мод, потери оптической мощности. Распределение значений показателя преломления вдоль диаметра поперечного сечения оптического волокна называют профилем показателя преломления (Рис. 3.25). Различают оптические волокна со ступенчатым профилем (Рис. 3.25. а, в), когда сердечник и оптическая оболочка имеют однородный (но разный) показатель преломления и с градиентным профилем (Рис. 3.25. б), когда показатель преломления сердечника плавно уменьшается от центра к краям. Чаще всего у градиентных световодов профиль показателя преломления близок к параболе, такие световоды называют параболическими.
В оптоволокне может распространяться ограниченное число типов электромагнитных колебаний, называемых модами (Рис. 3.25. а, б). Каждая мода имеет характерную для нее структуру электромагнитного поля, а также фазовую и групповую скорость. Под фазовой скоростью понимается скорость перемещения фазы волны, а групповая скорость определяет скорость переноса энергии электромагнитной волной. Обе скорости эквивалентны и равны скорости света. Различают одномодовый и многомодовый режимы работы волоконно-оптических линий связи. Условием одномодового режима, в котором по оптоволокну распространяется одна основная мода, является выполнение неравенства
F = (2π∙NA∙r/λ0) <Fотс. , (3.6)
где λ0 - рабочая длина волны;
r – радиус сердечника;
F – нормированное значение рабочей частоты;
Fотс. – нормированное значение частоты отсечки (частоты, соответст-
вующей предельному значению длины волны данной моды). Величина отсечки Fотс. = 2,405 для световодов со ступенчатым профилем и Fотс. = 3,53 в случае параболического профиля. Величину NA найти из выражения
NA = n12-n22n1, n2 – показатели преломления сердечника и оптической оболочки. Кроме условия (3.6) должно выполняться равенство
2 rn12-n22 = 0,38 λ0Если неравенство (3.6) не выполняется, то в световоде устанавливается многомодовый режим. Число мод приблизительно равно N = F2/2 для световода со ступенчатым профилем и N = F2/4 для градиентного профиля. Характер распространения света в одномодовом волокне поясняется на Рис. 3.25. Для многомодового оптоволокна характерно явление под названием дисперсии. При вводе луча в оптическое волокно путь распространения от начала до конца волокна для разных мод различен, что обуславливает разное время распространения мод, переносящих энергию первичного сигнала и перераспределение выходной суммарной энергии в заданном отрезке времени. Поэтому, если импульс света на входе в оптоволокно имеет ярко выраженный фронт и срез сигнала, то на выходе получается «размытый» сигнал. Это «размывание» сигнала обусловлено межмодовой дисперсией и проявляется тем сильнее, чем длиннее линия связи.

Рис. 3.25. Распространение света в одномодовом и многомодовом волокнах для разных
профилей показателя преломления: а – многомодовое волокно со ступенча-
тым профилем показателя преломления; б – многомодовое волокно со сгла-
женным профилем показателя преломления; в – одномодовое волокно со сту-
пенчатым профилем показателя эффективности.
Межмодовая дисперсия ограничивает пропускную способность волокна, так как при повышении частоты входного сигнала различные края среза одного импульса начинают перекрываться размытым фронтом последующего импульса, что ведет к потере информативности сигнала (рис. 3.26). Несмотря на большую дисперсию, многомодовое волокно является очень распространенным из-за более низких требований к технологическому оборудованию для его производства и используемому материалу. Такое волокно может иметь сердечник из стекла и оптическую оболочку из полимера или быть полностью изготовленным из пластика.

Рис. 3.26. Искажение передаваемого сигнала вследствие межмодовой дисперсии: U1 – сигнал на входе оптоволокна; U2 – выходной сигнал с допустимыми искажениями; U3 – выходной сигнал с икажениями, приводящими к потере информации.
Для волокна с градиентным показателем преломления величина межмодовой дисперсии существенно меньше. Градиентное оптоволокно широко используется при создании локальных сетей и в коммуникациях, требующих широкой полосы пропускания, например, при передаче видеоизображения. Наиболее распространенные значения отношение диаметра ядра к диаметру (в мкм) оптической оболочки составляют 50/125; 62,5/125. Для многомодового световода важным показателем является также ширина полосы пропускания волокна в пересчете на километр его длины, называемая коэффициентом широкополосности. Например, величина этого коэффициента, равная 600 МГц ∙ км говорит о том, что на расстояние в 1 км может быть передан сигнал в полосе частот до 600 МГц или на расстояние 2 км – в полосе 300 МГц, т.е. произведение длины линии передачи на ширину полосы частот сигнала должно быть величиной меньшей или равной коэффициенту широкополосности. Одномодовое волокно по сравнению с многомодовым имеет существенно меньший коэффициент затухания и большую проектную способность (до 10 Гбит/ сек против 2,5 Гбит/ сек), но при этом само одномодовое волокно и соответсвующие ему приемники и передатчики дороже, чем многомодовые.
Потери оптической мощности (или затухание) являются результа-
том поглощения света материалом световода, рассеяния в местах микро- и макроизгибов, а также отражения на концах световода. Коэффициент затухания, отражающий потери оптической мощности измеряется в дБ/ км. Величина потерь оптической мощности в оптоволокне рассчитывается из соотношения [73]
PL = P0∙e-αL,
где α- коэффициент затухания;
PL - величина потерь мощности на длине L;
P0 – величина введенной мощности.
Для современных типов одномодового оптоволокна величина коэффициента затухания при длине волны 1,3 мкм лежит в диапазоне 0,4 – 0,45 дБ/ км. Для многомодового волокна величина коэффициента затухания при той же длине волны составляет 0,6 ÷ 1,0 дБ/ км. Очень сильно отличаются потери от частоты передаваемого сигнала для оптического кабеля, витой пары и коаксиала. В случае медного проводника потери в линии пропорциональны увеличению частоты передаваемого сигнала, потери в оптическом волокне практически постоянны для широкого диапазона частот (Рис. 3. 27).


Рис. 3.27. Зависимость затухания от частоты передаваемого сигнала.
Температурные колебания оказывают влияние на абсолютные значения коэффициентов преломления ядра и оптической оболочки, а следовательно и на их разность, что в итоге приводит к нарушению условия существования одной моды и появлению дополнительных мод. В результате происходит потеря мощности основного сигнала. Диапазон рабочих температур оптоволоконных кабелей обычно лежит в границах – 40 ÷ + 70° С Затухание также связано с ионизирующим излучением (гамма-излу-чение, потоки нейтронов и т.д.). Под действием такого излучения изменяется структура стекла, оптоволокно «темнеет», увеличиваются потери мощности за счет появления структурной неоднородности волокна. Величина потерь зависит от типа излучения, дозы облучения и времени облучения. Например, при действии радиоактивного излучения 3700 раз в течении 3 нс затухание может достигать 1000 дБ/ км, и уже после 10 секунд величина потерь становится меньше 5 дБ/ км, т. е. после прекращения радиоактивного облучения наступает постепенное восстановление пропускной способности волокна.
3.8.3. Сенсорные сети для подключения датчиков и исполнительных
устройств. Промышленная сеть AS-интерфейс.
Основная задача сетей этого уровня сводится к опросу датчиков и управлению работой разнообразных исполнительных устройств. Основные сенсорные сети и их характеристики представлены в табл. 3.10. Одной из промышленных сетей, удовлетворяющей всем современным требованиям по надежности и открытости является сеть AS-интерфейс. С помощью промышленной сети можно разрабатывать системы, в которых датчики и контроллеры связаны одной сетью, при этом сеть имеет шлюзы в другие промышленные сети: ModBus, PROFIBUS, INTERBUS-S, Device Net, CAN open. Промышленная сеть «AS-интерфейс» – интерфейс датчиков и исполнительных устройств является открытой промышленной сетью нижнего уровня систем автоматизации [74, 75] для подключения датчиков и исполнительных устройств в соответствии с требованиями европейских нормативов EN 50295 и международного стандарта IES 62026-2. Ранее для подключения дискретных датчиков и исполнительных устройств к управляющему устройству использовалось несколько кабельных соединений (жгут), так как каждое такое устройство подключалось к модулю ввода-вывода управляющего устройства отдельной парой проводников. Затраты на приобретение кабельной продукции, на монтаж и эксплуатацию были очень велики. AS-интерфейс позволяет решить задачу подключения датчиков и приводов к системе управления на основе сети с использованием одного двухжильного кабеля, обеспечивая при этом питание всех сетевых устройств, опрос датчиков и выдачу команд на исполнительные устройства.
Т а б л и ц а 3.10
Сенсорные промышленные сети
Промышленная сеть Топология сети Физическая линия Число узлов Длина соединения Скорость обмена
Метод доступа к линии связи
AS-I шина, кольцо, звезда, древовидная Двухжильный кабель 31, 62 100 м, с ретранслятором 167 Кбит/с Централизованный (MASTER-SLAVE)
Modbus RTU/ASCII линейная, звезда, древовидная Витая пара 250 350 м 75-57600 бит/с Централизованный (MASTER-SLAVE)
Device Net магистральная многоотводная линия Витая пара для передачи сигнала и напряжения питания 64 250 м
500 м
100 м
с ретранслятором до 6 км 250 Кбит/с
125 Кбит/с
500 Кбит/с Централизованный (MASTER-SLAVE)
Interbus-S кольцо Витая пара, волоконно-оптический кабель 256 400 м 500 Кбит/с Централизованный (MASTER-SLAVE)
Hard звезда, шина, точка-точка Пара проводников 15 Неограниченная 1,2 Кбит/с Централизованный (MASTER-SLAVE)
Основными компонентами промышленной сети на базе AS-интерфейса являются [75]: специальный профилированный или обычный двухпроводный кабель сечением 2 × 1,5 мм2, источник электропитания, ведущее устройство, ведомое устройство для подключения датчиков и исполнительных устройств, повторители, при необходимости, сервисный прибор для адресации и диагностирования. Схема подключения датчиков и исполнительных устройств представлена на Рис. 3.28.
Функции ведущих устройств могут выполнять программируемые контроллеры, промышленные компьютеры или модули связи с сетями более высокого уровня. Ведущее устройство осуществляет опрос подключенных датчиков и выдачу команд на исполнительные устройства. Ведущее устройство (Master-устройство) имеет интерфейс с промышленной сетью верхнего уровня автоматизации.
Ведущее устройство
AS- интерфейса
Источник питания
AS- интерфейса



Двухпроводная линия AS- интерфейса
Микросхема ведомого устройства AS-интерфейса
Модуль AS- интерфейса
Датчик
Микросхема ведомого устройства AS- интерфейса
Модуль AS- интерфейса
Исполнительный механизм
Исполнитель-ный механизм


Датчик


Стандартный источник
питания

Датчик с интегриро- Датчик с отдель- Исполнительный меха-
ванным AS- интер- ным модулем низм с интегрирован-
фейсом AS- интерфейса ным AS- интерфейсом


Исполнительный механизм с
модулем AS-интерфейса и соб-
ственным источником питания

Рис. 3.28. Схема подключения датчиков и исполнительных устройств

Использование такого интерфейса (шлюза) позволяет быстро и эффективно интегрировать сети AS-интерфейса в единую промышленную сеть предприятия. Master-устройства по своему исполнению подразделяются на несколько типов:
- плата, помещаемая в слот IBM РС совместимого компьютера ;
- отдельное устройство со встроенным интерфейсом RS – 232;
- отдельное устройство со встроенным интерфейсом RS – 422;
- отдельное устройство со встроенным интерфейсом RS – 485.
К одному ведущему устройству подключается до 31-го ведомых устройств (версия 2.0) и до 62-х ведомых устройств (версия 2.1). К каждому ведомому устройству может подключатся до 4-х датчиков и 4-х исполнительных устройств (версия 2.0) и до 4-х датчиков и 3-х исполнительных устройств (версия 2.1). Технические данные системы на базе AS-интерфейса приведены в табл. 3.11. Ведомое устройство выполнено в виде специализированной микросхемы с высокой степенью интеграции (Рис. 3.29). Через интегральную микросхему ведомого устройства двоичные датчики и исполнительные устройства подключаются к сети AS-интерфейса. Специализированная микросхема (ASIC) обеспечивает датчик или исполнительное устройство электропитанием от сети, распознает переданную от ведущего устройства информацию и посылает в ответ собственные данные.
Т а б л и ц а 3.11.
Технические данные системы на базе AS-интерфейса.
Топология Магистральная, древовидная, звездообразная и др.
Число ведомых устройств Спецификация версии 2,0 Спецификация версии 2,1
До 31 До 62
Число подключаемых датчиков и исполнительных устройств До 4 датчиков и 4 исполнительных устройств на одно ведомое устройство.
До 124 датчиков и 124 исполнительных устройств на сегмент (одно ведущее устройство) До 4 датчиков и 3 исполнительных устройств на одно ведомое устройство.
До 248 датчиков и 186 исполнительных устройств на сегмент (одно ведущее устройство)
Максимальная протяженность линии связи Без повторителей/ расширителей до 100 м.
С повторителями/ расширителями до 300 м
Линия связи Двужильный кабель (2 × 1,5 мм2) специального профиля без экрана, невитой, для одновременной передачи данных и питания
Метод подключения Подключение сетевых устройств выполняется методом прокалывания изоляции кабеля AS-интерфейса
Электропитание Через шину AS-интерфейса: 2,8 А (ном.), 8 А (макс.)/29,5 … 31,6 В
Скорость передачи данных До 53 кбит/с при общей пропускной способности 167 кбит/с
Структура сообщений Одноадресное сообщение ведущего устройства с прямым ответом ведомого устройства
Время цикла при 31 ведомом устройстве Не превышает 5 мс (задержка на одно ведомое устройство - порядка 0,15 мс)
Время цикла при 62 ведомых устройствах Не превышает 10 мс
Коррекция ошибок Идентификация ошибок и повторный запрос со стороны ведущего устройства
Метод доступа Циклический опрос (сканирование) ведомых устройств, циклическая передача данных в память центрального процессора контроллера/компьютера или пересылка в обратном направлении
Функции управления ведущего устройства Инициализация сети, идентификация ведомых устройств, ациклическая передача значений параметров ведомым устройством, диагностика передачи данных и ведомых устройств, сообщения об ошибках
Степень защиты оборудования системы До IP67
Конфигурация портов ведомых устройств устанавливается в соответствии с конфигурацией ввода-вывода. Возможны два способа использования специализированных микросхем. В первом случае чип ведомого устройства AS-интерфейса встроен непосредственно в датчик или исполнительное устройство, в результате получается устройство с интегрированным AS-интерфейсом (Рис. 3.30). Во втором случае чип ведомого устройства может быть встроен в модуль таким образом, что к модулю можно подключить обыкновенный датчик или исполнительное устройство с внешним AS-интерфейсом (Рис. 3.31).
Существует несколько разновидностей модулей ввода-вывода: 4 входа, 4 выхода, 2 входа + 2 выхода; 4 входа + 2 выхода; 4 входа + 3 выхода; 2 аналоговых входа (ток 0 – 20 мА, 4 – 20 мА или напряжение 0 – 10 В); 2 аналоговых выхода (ток 0 – 20 мА, 4 – 20 мА или напряжение 0 – 10 В); 4 аналоговых входа от термодатчиков типа Pt 100. Основные типы модулей ввода-вывода по способу монтажа: серия KE, KF, KF 2 – для монтажа в электротехнических шкафах; K2, K3 – для монтажа в распределительных коробках; серия G2 (низкопрофильные устройства); серия G4 (с кабельными выводами); серия G5 (взрывобезопасные изделия); серия G6 (компактные устройства) – для монтажа в «полевых» условиях. Существуют микросхемы ведомого устройства с расширенными функциональными возможностями: встроенные функции диагностики, возможность адресации к 62-м ведомым устройствам, сторожевой таймер, EEPROM, инфракрасный интерфейс для конфигурирования.
Источник питания
AS – i «+»
Uпит.
AS – i «-» . .
Сброс
Данные ввода/вы-вода

Передатчик
D0
D1
Схема управления
D2 Порт
D3 данных
D4
Строб
Парамет-ры для вывода
данных
Приёмник

Р0
Р1 Порт
Р2 параметров
Р3
Строб
параметров

Запоминающее устройство

Рис. 3. 29. Структура микросхемы ведомого устройства
Топология сети AS-интерфейса очень проста и позволяет подключать ведомые устройства по схемам «шина», «звезда», «кольцо», (Рис. 3.33) или «дерево». При этом необходимо учитывать ограничение общей длины кабеля – 100 м. Под общей длиной понимается сумма длин всех ветвей сегмента сети, обслуживаемого одним ведущим устройством. Если требуется большая длина кабеля, то можно использовать до двух повторителей. Это обеспечивает надежное соединение линии до 300 м. Каждый сегмент сети требует отдельного источника электропитания.
В сетях AS-интерфейса по одной паре проводов передается информационный сигнал, и питание для подключения оконечных устройств, поэтому применяются специальные источники электропитания.
Микросхема ведомого устройства
AS- интерфейса
Порт данных
D0… D3
Датчик или исполнительное устройство
D0 - сигнал включения
D1 - сигнал предупреждения
D2 - сигнал готовности включения
D3 - тестовая функция

Порт па-раметров
Р0 …Р3
Р0 - таймер
Р1 - инвертирование
Р2 – интервал срабатывания
Р3 – специальная функция

Электропитание


Рис. 3.30. Датчик и исполнительное устройство с интегрированным
АS-интерфейсом.
Микросхема ведомого устройства
AS - интерфейса
Датчик
D0 – сигнал датчика
Исполнительное устройство
Исполнительное устройство
Датчик

D1 – сигнал датчика

D2 – сигнал исполнительного устройства

D3 – сигнал исполнительного устройства

Сторожевой
таймер
РО


Электропитание

Рис. 3.31. Датчики и исполнительные устройства без встроенных микросхем
ведомого устройства.
Ведущее устройство
Ведомое устройство
Ведомое устройство




Д а т ч и к и Исполнительные Д а т ч и к и Исполнительные
устройства устройства
a)

Ведущее устройство


Ведомое устройство
Ведомое устройство




Д а т ч и к и Исполнительные Д а т ч и к и Исполнительные
устройства устройства
б)
Ведущее устройство
Ведомое устройство
Ведомое устройство



Исполнительные Исполнительные
Д а т ч и к устройства Д а т ч и к и устройства
в)
Рис. 3.33. Топология сети АS-интерфейса для подключения датчиков и исполнительных устройств: а) – «звезда»; б) – «кольцо»; в) – «шина».
Схема подключения источника электропитания к линии передачи данных представлена на Рис. (3.34). Источник питания имеет выходное напряжение 29,5 …31,6 В постоянного тока и выполняется в соответствии с международными стандартами безопасности для цепей сверхнизкого напряжения. Pабочий ток источника от 0 до 2,2 А или до 8 А. Схема связи с линией передачи данных выполнена в одном корпусе с источником питания, включает две индуктивности (L) и двух нормально включенных сопротивлений. RL-цепочки служат для того, чтобы токовые импульсы, которые формирует передатчик AS-интерфейса, посредством дифференцирования были преобразованы в импульсы напряжения. Для оптимизации защиты от помех, возникающих вследствие перекрестных наводок, необходимо по возможности соблюдать симметричное построение двухпроводной линии AS-интерфейса. Для решения этой задачи служат обе емкости СЕ, в точке GDN между этими емкостями допускается подключение приборной «земли».
Кабель AS-интерфейса имеет профилированную форму, исключающий ее неправильный монтаж. В отличие от большинства промышленных сетей AS-интерфейс не требует наличия терминаторов с одной из сторон кабеля. Быстрое и надежное подключение узлов к кабелю обеспечивается с помощью специальной конфигурации. Каждое устройство AS-интерфейса устанавливается на монтажную панель, в которую предварительно укладывается кабель.

R

L
L



R

Источник электропитания


AS – i «+»
СЕ
Первичное
напряжение СЕ
AS – i «-»


GND Cвязь с линией передачи
(земля / общий) данных сети
Рис. 3.34. Схема подключения источника электропитания к линии передачи данных.
В нижней части корпуса монтируемого устройства находятся ножевые контакты, прорезающие кабель и обеспечивающие непосредственный контакт с токоведущими жилами. Материал, из которого изготавливается оболочка кабеля, обладает свойством самовосстановления без нарушения герметичности при снятии устройства. Эксплуатация кабеля допускается в диапазоне температур от - 40 до + 85℃, при этом монтаж может проводиться только при температуре выше - 25℃.
Максимальная длина сегмента в сети AS-интерфейса составляет 100 м. Для расширения границ сети применяются ретрансляторы сигнала AS-ин-терфейса. В качестве ретрансляторов используются повторители и усилители. Повторитель состоит из двух схем регенерирования сигналов (Рис. 3.35), включающих приемник и передатчик, разделение оптопарами, и схемы управляющей логики.
Схема управляющей логики распознает следующие ситуации:
- состояние покоя – оба передатчика неактивны;
- левая схема передает поток данных направо (l);
- правая схема детектора передает поток данных налево (r).
Из-за того, что объединяющие повторителем участки сети гальванически развязаны, с обеих сторон повторителя должны подключаться источники электропитания. Топология сети AS-интерфейса с двумя повторителями представлена на pис. 3.36.
Передатчик
Приёмник AS - i «+»
AS - i «+»
AS - i«-»
AS - i «-»


Передатчик Приёмник



Детектор состояния покоя
Оптопреобразователи
Детектор состояния покоя



I I r
r
Схема управляющей логики




Рис.3.35. Структурная схема повторителя.
Источники питания



Master-устройство Повторитель Повторитель


Slave-устройство

Slave-устройство Slave-устройства Slave-устройство
Рис. 3.36. Топология сети AS-интерфейса с двумя повторителями.
Возможно сочетание одного повторителя и одного удлинителя (Рис. 3.37), при этом на расширяемом участке с помощью удлинителя не требуется дополнительного источника электропитания и не допускается подключение ведомого устройства (Slave-устройства).
Для реализации одновременной передачи информации и электропитания для датчиков и исполнительных устройств, использования неэкранированного кабеля и минимизации полосы частот применяется новый метод модуляции для AS-интерфейса (Рис. 3.38).
Последовательность передаваемых битов сначала перекодируется в последовательность, в которой изменение передаваемого сигнала приводит к фазовой инверсии (кодирование Манчестера). Благодаря распределенной индуктивности в линии AS-интерфейса происходит формирование дифференциального уровня напряжения с помощью тока передачи. Увеличение тока передачи приводит к появлению отрицательного импульса напряжения, а понижение – положительного импульса напряжения. На приемной стороне AS-интерфейса эти сигналы напряжения детектируются и преобразуются в последовательность битов, соответствующего исходной.
Источники питания



Master-устройство Удлинитель Повторитель

Slave-устройство

Slave-устройства Slave-устройство
Рис. 3.37. Топология сети AS-интерфейса с повторителем и удлинителем.

Рис. 3 38. Импульсная модуляция.
Широкая номенклатура шлюзов позволяет эффективно объединять сети AS-интерфейса с промышленными сетями PROFIBUS-DP, CanOpen, DeviceNet, Interbus, ModBus/TCP, ModBus. Пример связи между сетью PROFIBUS-DP и AS-интерфейсом представлен на Рис. 3.39.
PROFIBUS-DP - MASTER


PROFIBUS-DP

Модуль связи
DP/ AS – I – Link (Siemеns)
Профилированный кабель AS-интерфейса



Соединительные модули
Рис. 3.39. Связь между сетью PROFIBUS-DP и AS-интерфейсом.
В связи с широким распространением сетей Ethernet в сфере промышленной автоматизации предложен шлюз VBG – TCP/ IP – K5 – RI 45 – DM для контроля двух сегментов AS-интерфейса. Функции настройки и загрузки технологических программ могут выполняться удаленно по сети Ethernet.
Протокол AS-интерфейса (Рис. 3.40) состоит из запроса ведущего устройства, паузы ведущего устройства, ответа ведущего устройства, ответа ведомого устройства и, соответственно, паузы ведомого устройства.
Условные обозначения: ST – cтартовый бит; А4 ÷ А0 – адрес ведомого устройства; 14 ÷ 10 – информационная часть (данные) от ведущего устройства к ведомому и от ведомого к ведущему; PB – бит паритета; EB – признак конца телеграммы (конечный бит). Все запросы ведущего устройства имеют длину 14 бит, ответы ведомого устройства занимают 7 бит. Период времени передачи одного бита составляет 6 мкс. Пауза ведущего устройства может занимать по времени от 3-х до 10-ти тактов передачи бита.

Запрос ведущего устройства Пауза
ведущего
устройства
12
13
14
A0
A1
A2
A3
A4
SB
11
ST
10
EB
PB

Пауза ведомого
Ответ ведомого устройства устройства

13
12
11
10
PB
EB

Рис. 3.40. Структура протокола AS-интерфейса.
Биты запроса ведущего устройства (master) представлены в табл. 3.12, биты ответа ведомого устройства (slave) – в табл. 3.13, допустимые запросы ведущего устройства в табл. 3.14.
Т а б л и ц а 3.12.
Биты запроса ведущего устройства (master)

Стартовый бит Маркирует начало запроса ведущего устройства:
0 – действительный стартовый бит.
1 – не допускается
SB
Управляющий бит Обозначает тип запроса (запрос данных, параметра и т.п):
0 – запрос данных, параметра, адреса,
1 – запрос команды
А0 … А4 Адрес Адрес вызываемого ведомого устройства (5 разрядов)
10 … 14 Информация 5 информационных разрядов, соответсвующих типу запроса (параметр, команда)
РВ Бит паритета Сумма всех «1» в запросе ведущего устройства должна быть четной
ЕВ Конечный бит Формирует конец запроса ведущего устройства:
о – не допускается, 1 – признак конечного бита
Т а б л и ц а 3.13.
Биты ответа ведомого устройства (slave)

Стартовый бит Маркирует начало запроса ведомого устройства:
0 – действительный стартовый бит.
1 – не допускается
10 … 13 Информация 4 информационных разряда указывают,например, параметр, установленный в портввода-вывода, статус ведомого устройства
РВ Бит паритета Сумма всех «1» в ответе ведомого устройства должна быть четной
ЕВ Конечный бит Формирует конец запроса ведомого устройства:
0 – не допускается
1 – признак конечного бита
Т а б л и ц а 3.14.
Допустимые запросы ведущего устройства

SB
5 адресных разрядов 5 разрядов информации РВ ЕВ
Запрос данных 0 0 А4 А3 А2 А1 А0 0 D3 D2 D1 D0 РВ 1
Записать параметр 0 0 А4 А3 А2 А1 А0 1 D3 D2 D1 D0 РВ 1
Присвоение адреса 0 0 0 0 0 0 0 А4 А3 А2 А1 А0 РВ 1
Другие команды Сброс ведомого устрой-
ства 0 1 А4 А3 А2 А1 А0 1 1 1 0 0 РВ 1
Удалить адрес 0 1 А4 А3 А2 А1 А0 0 0 0 0 0 РВ 1
Считать конфигурацию
ввода/вывода 0 1 А4 А3 А2 А1 А0 1 0 0 0 0 РВ 1
Считать индентифика –
ционный код 1 1 А4 А3 А2 А1 А0 1 0 0 0 1 РВ 1
Считать статус 0 1 А4 А3 А2 А1 А0 1 1 1 1 0 РВ 1
Сеть HART Сеть реализует принцип частотной модуляции для организации цифровой передачи. На аналоговый сигнал 4 – 20 мА накладывается частотно-модулированный цифровой сигнал с амплитудой колебания 0,5 ± мА. Логической единице соответствует частота 1200 Гц, логическому нулю – 2200 Гц. Физический канал – экранированная витая пара. Одновременная передача аналогового сигнала и сигнала HART показана на рисунке 3.41.
Cреднее значение синусоидального сигнала равно нулю, поэтому к существующему сигналу 4 – 20 мА никакая компонента по постоянному току не добавляется, несмотря на прохождение цифровых сигналов.
Протокол HART позволяет объединить до 15-ти полевых устройств на одной и той же паре проводов в многоточечную сетевую структуру. В этом случае HART – коммуникация используется как полностью цифровая, ток в петле фиксируется на минимальном значении (только питание устройства – 4 мА), а первичная переменная процесса для каждого устройства передается по HART-протоколу. Многоточечное подключение с HART используется там, где не требуется высокая частота измерений. Структура информационного байта имеет стандартный формат: 1 стартовый бит, 8 бит данных, 1 бит контроля нечетности, 1 стоповый бит. Метод контроля корректности передаваемых данных основан на получении подтверждения.

Рис. 3.41. Одновременная передача аналогового сигнала и сигнала HART.
Сеть Interbus-S. Сеть была разработана фирмой Phoenix Contact в 1984 году и быстро завоевала прочные позиции в сфере распределенных АСУ ТП благодаря дальности охвата, гибкости, быстродействию, диагностическим средствам и автоадресации. Прежде всего следует отметить максимальное расстояние, которое может охватить эта сеть – до 13 км. Для сетей, физический уровень которых основан на стандарте RS-485, этот показатель феноменальный, обеспечивается он благодаря ретрансляции сигнала в каждом узле. Каждый подчиненный узел имеет два коннектора, через один коннектор данные принимаются, через другой передаются в следующий узел. Узлы-ретрансляторы образуют основу топологии Interbus, оконечные же устройства подключаются к дополнительным кольцевым сегментам, в которых питающее напряжение передается вместе с данными. Длина дополнительных сегментов может составлять до 200 м, для их прокладки используется обычная неэкранированная витая пара. Расстояние между узлами до 400-х метров. Информация об адресе в протоколе отсутствует, данные в сети пересылаются по кольцу, и главное устройство способно определить из какого узла считывается или в какой узел передается информация по положению этого же узла в кольце. Сеть Interbus является хорошим решением для унифицированной автоматизации производства, компоненты которого территориально разнесены на значительное расстояние.
Сеть Devict Net. Cеть разработана в 1994 году фирмой Allen-Bradley (США) и обеспечивает связь между различными оконечными промышленными устройствами и устройствами более высокого уровня, промышленные контроллеры, компьютеры без использования модулей ввода/вывода.
Сеть обеспечивает чтение состояния дискретных датчиков, управление пусковыми устройствами, передачу значений температуры и тока нагрузки пусковых устройств, изменять скорость замедления приводов и регулировать порог срабатывания датчиков. Физическим каналом является 4-проводный кабель (кабель диаметром 12,2 мм). Длина одиночных отводов – 6 м. Топология сети – шина.
Сеть ModBus. Сеть разработана фирмой Modicon. Особенность сети заключается в том, что для нее не определен специальный физический интерфейс. Интерфейс определяет пользователь, это может быть: RS-232C, RS-232, RS-242, RS-485, токовая петля 4-20 мА. Чаще всего используется RS-485. Протокол ModBus работает по принципу MASTER-SLAVE (ведущий-ведомый). Только MASTER инициирует циклы обмена данными, при этом существует два вида запросов:
- запрос – ответ, адресуется только один из SLAVE-узлов;
- широковещательная передача, когда MASTER обращается ко всем узлам сети одновременно без квитирования путем выставления адреса 0. Для кодирования передаваемых данных используются форматы ASCII и RTV . Набор команд протокола ModBus описывает функции: чтение-запись битов и битовых последовательностей, чтение-запись регистров, функции диагностики, программные функции, функции управления списком опроса, функция сброса.
3.8.4. Комплекс технических средств промышленной сети AS-интерфейса для подключения к промышленному контроллеру SIMATIC S7-300 (Siemens).
Компоненты промышленной сети AS-интерфейса (AS-I), подключение датчиков и исполнительных устройств представлены на рис. 3.41. Базовыми компонентами AS-интерфейса для работы в составе систем автоматизации SIMATIC и SIMОTIОN, и в частности в составе системы автоматизации на основе промышленного контроллера SIMATIC S7-300 являются: ведущие устройства; сетевой кабель с оболочкой специального профиля; ведомые устройства; сетевые компоненты: повторители, переходные адаптеры, ответвители, разветвители; модули связи для AS-I; модули ASisafe для построения распределенных систем обеспечения безопасности на основе AS-I; приборы для адресации и диагностики; программа SCOPE для AS-I; блок питания.
3.8.4.1. Ведущие устройства сети AS-интерфейс
AS-интерфейс является системой с одним ведущим устройством. В системах SIMATIC роль ведущих устройств играют коммуникационные процессоры (СР), которые управляют процессом, а также системы распределенного ввода-вывода (полевая коммутация). К таким устройствам также относятся модули связи (шлюзы), обеспечивающие доступ к исполнительным механизмам и датчикам, например из PROFIBUS DP.
Стандартные ведущие устройства фирмы Siemens для сети AS-I приведены в табл. 3.15.
Т а б л и ц а 3.15
Стандартные ведущие устройства для AS-I
№ Технические средства, включающие ведущие устройства для AS-I Стандартные ведущие устройства для AS-I
1
Промышленный контроллер
SIMATIC S5 РLС СР 2433 для S5-90U, S5-95U, S5-100U
СР 2430 для S5-115U, S5-135U, S5-155U
2 Промышленный контроллер
SIMATIC S7 РLС СР 242-2 для S7-200, СР 242-8 для S7-200,
СР 243-2 для S7-200, СР 342-2 для S7-300,
СР 343-2 для S7-300, СР 343-2p для S7-300
3 SIMATIC С7 C7-621 ASI
4 Станции распределенного ввода-вывода Модули связи (шлюз) DP/AS-I с типом защиты IP20.
СР242-8 для S7-200, СР2433 для ЕТ-200U,
СР342-2 для ЕТ-200М, СР142-2 для ЕТ-200Х
Модуль связи (шлюз)DP/AS-I с типом защиты IP65

К стандартным ведущим устройствам AS-I может быть подключено до 31 стандартного ведомого устройства с расширенным режимом адресации, ведомые устройства типа А (Табл. 3.16).
Расширенные ведущие устройства поддерживают адресацию к 31 ведомому устройству, в качестве которых могут выступать стандартные ведомые устройства AS-I или ведомые устройства с расширенным режимом адресации.
Блок питания для AS-интерфейса
Промышленный контроллер SIMATIC S7-300

Ведущее устройство AS-I CP343-2/ CP343-2P



Ответвитель
М12

Ведомое
устройство 2
Ведомое
устройство 1 Ответвитель
Индуктивный датчик М 12 Ультразвуковой дат-
со встроенным чик со встроенным
AS-интерфейсом AS-интерфейсом
Кнопка

Ведомое устройство А

Модуль на 4
дискретных входа
для подключения Датчики температуры Pt100
стандартных датчиков
(ведомое устройство 3)
Ведомое устройство В

Лазерные измерители расстояния
Фотоэлектрический стандартный датчик
Индикаторная
Лампа
Электромаг-
нитный клапан


Стандартный источник сигнала (конечный выключатель)

Модуль на 4 входа
для подключения стандартных
исполнительных механизмов
(ведомое устройство 4)

Стандартный блок питания на 24 В DС для питания стандартных исполнительных механизмов

Пускатель на 24 В DС


Круглый кабель для AS-интерфейса
Трапециевидный кабель для AS-интерфейса
Рис. 3.41. Компоненты промышленной сети AS-интерфейса для подключения к промышленному контроллеру SIMATIC S7-300 (фирма Siemens)
Т а б л и ц а 3.16
Расширенные ведущие устройства для AS-I
№ Технические средства, включающие ведущие устройства для AS-I Расширенные ведущие устройства для AS-I
1
Промышленный контроллер
SIMATIC S7 РLС СР 243-2 для S7-200
СР 343-2 для S7-300
2 Станции распределенного ввода-вывода Модуль связи DP/AS 20Е (тип защиты IP20)
СР342-2 для ЕТ-200М
Ведомые устройства с расширенным режимом адресации могут подключаться попарно, программированные как ведомые устройства типа А или В (рис. 3.41), к расширенным ведущим устройствам AS-I и могут использовать один и тот же адрес, что позволяет увеличить количество адресуемых ведомых устройств AS-I до 62. Расширенные ведущие устройства AS-I семейства SIMATIC NЕТ поддерживают встроенную функцию передачи аналоговых значений аналоговыми ведомыми устройствами AS-интерфейса, функционирующими в соответствии с профилем 7.3/7.4 спецификации AS-интерфейса.
Пример конфигураций системы на основе коммуникационных процессоров СР 342-2/ СР 343-2 и СР 2430 представлены на рис. 3.42, 3.43.
Для контроллеров семейства S7-300, а также для системы распределенного ввода-вывода ЕТ 200М выпускается процессор СР 342-2, который является стандартным ведущим устройством AS-I. Процессор СР 342-2 занимает 16 входных и 16 выходных байтов в области аналоговых значений контроллера, с помощью которых считываются входные сигналы ведомых устройств и устанавливаются выходные значения исполнительных механизмов. Один коммуникационный процессор позволяет обслуживать через AS-интерфейс до 248 дискретных входов и до 186 дискретных выходов.
Поддержка передачи через AS-интерфейс аналоговых величин позволяет обслуживать с помощью одного коммуникационного процессора СР 343-2 до 31 аналогового ведомого устройства AS-interface (до 4 каналов на одно ведомое устройство).
В качестве стандартного ведущего устройства повышенной производительности для программируемых контроллеров S5-115U, S5-135U и S5-155U предназначается коммуникационный процессор СР 2430.
Процессор является сдвоенным ведущим устройством и может управлять двумя независимыми сетями AS-I с 31 ведомым устройством в каждой сети (сегменты А и В).
В адресной области контроллера ведущее устройство занимает 16 входных и 16 выходных байтов на каждую сеть AS-I, в итоге занимает 32 входных и 32 выходных байта.
Контроллер семейства SIMATIC S7-300

Коммуникационный процессор СР 342-2/343-2

Активный модуль AS-I
с микросхемой ведомого устройства
ASIС
Пассивный
модуль AS-I Ведомые
без встроенной устройства
микросхемы на 4 точки
AS-I
Датчики и Датчики и Кабель
исполнительные исполнительные AS-I
механизмы с механизмы без
встроенным AS-I встроенного AS-I
Блок питания AS-I



Ответ- Исполнительный
вление Активный или механизм или датчик
- микросхема ведомого пассивный модуль непосредственного
устройства – ASIС AS-I подключения

Рис. 3.42. Пример конфигурации системы с ведущим устройством на базе коммуникационного процессора СР 342 (СР 343)
Контроллер семейства SIMATIC S 5PLC

С е г м е н т А
Коммуникационный процессор СР 2430
Кабель AS-I


С е г м е н т В Активный модуль AS-I с
Пассивный Кабель AS-I микросхемой ведомого
модуль AS-I Ведомые устройства ASIС
без встроенной устройства
микросхемы на 4 точки
AS-I
Датчики и Датчики и Кабель
исполнительные исполнительные AS-I
механизмы с механизмы без
встроенным AS-I встроенного AS-I
Блок питания AS-I

Кабель AS-I

Ответ- Исполнительный
вление Активный или механизм или датчик
- микросхема ведомого пассивный модуль непосредственного
устройства – ASIС AS-I подключения

Рис. 3.43. Пример конфигурации системы с ведущим устройством на базе коммуникационного процессора СР2430.
Технические данные некоторых ведущих устройств приведены в табл. 3.17.
Т а б л и ц а 3.17
Технические данные ведущих устройств.
Технические данные
Коммуникационные процессоры
СР 243-2 СР 343-2/СР 343-2Р
Профиль ведущего устройства AS-I AS- интерфейс, спецификация V2.1 AS- интерфейс, спецификация V3.0
Конфигурирование AS-I С помощью кнопки на лицевой панели модуля ∙ С помощью кнопки на лицевой панели модуля
∙ С помощью STEP для СР 343-2Р
Цикл опроса шины 5 мс на 31 ведомое устройство
10 мс на 62 ведомых устройств
Напряжение питания = 5 В
∙ Через внутреннюю шину контроллера.
∙ Через кабель AS-I
= 5 В
∙ Через внутреннюю шину контроллера.
Потребляемый ток ∙ От внутренной шины контроллера – 220 мА при = 5 В
∙ От AS-I – 100 мА
∙ От внутренной шины контроллера – 200 мА при = 5 В
∙ От AS-I – 100 мА
Потери мощности
3,7 Вт 2 Вт
Условия эксплуатации:
∙ диапазон рабочих температур
∙ температура хранения и транспортировки
∙ относительная влажность воздуха
0 … 60℃-40 … +70℃95% при 25℃Габариты 71,2 × 80 × 60 40 × 125 × 120
Масса 0,25 кг 0,19 кг
Пример заказной спецификации входных устройств на основе коммуникационных процессоров приведен в табл. 3.18.
Т а б л и ц а 3.18
Заказная спецификация коммуникационных процессоров
По-зиция Наименование и технические характеристики Тип, марка Код Завод-изготовитель Масса единицы, кг
1
2
3 Коммуникационный процессор для подключения S7-200 к AS-интерфей-су в качестве ведущего устройства
Коммуникационный процессор для подключения S7-300 к AS-интерфей-су в качестве ведущего устройства без фронтального соединителя
Коммуникационный процессор для подключения S7-300 к AS-интерфей-су в качестве ведущего устройства c фронтальным 20-ти полюсным соединителем:
∙ с контактами под винт (1 шт.)
∙ с контактами под винт (100 шт.) CP243-2
CP243-2
CP243-2Р
6GK7243-2AXO1-OXA0
6GK7343-2AHO1-OXA0
6ЕS 7392-1A.100-0AA0
6ЕS 7392-1A.100-1AB0 Фирма Siemens
Фирма Siemens
Фирма Siemens 0,25
0,19
0,19
3.8.4.2. Кабель сети AS-интерфейс.
Отличительной чертой AS-интерфейса является использование одного неэкранированного 2-жильного кабеля одновременно для передачи сигналов и подачи напряжения питания на датчики и исполнительные механизмы, подключенные с помощью модулей AS-интерфейса. Поэтому монтаж систем на основе AS-I отличается простотой. Все компоненты AS-I объединяются в единую систему с помощью трапециевидного двухжильного кабеля 2×1,5 мм2 (рис. 3.45). Кабель имеет кодировочный выступ, исключающий возможность возникновения ошибок в монтаже.
10
2,5

0,5

+
-
2
4

3,6
6,5

Рис. 3.45. Форма и размеры поперечного сечения плоского
трапецеидального кабеля
Подключение сетевых компонентов производится методом прокалывания изоляции кабеля. Это позволяет ускорить монтаж, производить подключение сетевых устройств в любой точке кабеля, осуществлять быструю замену компонентов сети. При прокалывании кабеля острые контакты прорезают резиновую изоляцию и соприкасаются с обеими жилами. В результате достигается хороший низкоомный контакт и гарантируется надежная передача данных. Кабель не требуется резать, не надо удалять с него изоляцию или прикручивать.
Для подключения кабеля методом прокалывания изоляции разработаны специальные модули (рис.3.46). Если требуется извлечь модуль после его подключения к кабелю AS-I, то это можно сделать без особых проблем, так как структура кабеля является самовосстанавливающей, отверстия вновь сомкнутся и будет восстановлен тип защиты IR67. Если кабель прокалывается внутри модуля AS-I, то он одновременно закупоривает отверстия.

Рис. 3.46. Активный модуль AS-интерфейса для четырех подключений.
1 – верхний блок (модуль пользователя), 2 – нижний блок (монтажный модуль), 3 – стандартная 35 мм рейка, 4 – кабель AS-интерфейса, 5 – штекер М12 для исполнительного механизма/датчика, 6 – индикатор сигнала переключения исполнительного механизма/датчика, 7 – индикатор модуля пользователя.


Кроме специального кабеля можно использовать любой другой двухжильный кабель, имеющий поперечное сечение 2 × 1,5 мм2. Применять экранированный кабель или витую пару нет необходимости. Для перехода от специального кабеля AS-I на другой кабель (например, стандартный кабель с круглым сечением) предлагается специальный модуль без встроенных электронных элементов, переход от кабеля AS-I на четыре штекера на М12, а также переход на один штекер М12.
В зависимости от своего функционального назначения кабели AS-I имеют различный цвет оболочки:
желтый кабель используется для передачи данных, питание электроники ведущего и ведомого сетевых устройств, также всех подключенных датчиков;
черный кабель используется для подключения вспомогательных источников питания напряжением = 24 В. Эти цепи используются для питания 24 В исполнительных устройств, а также компонентов, работающих в распределенных системах автоматики безопасности и противоаварийной защиты;
красный кабель используется для подключения вспомогательных источников питания напряжением ~ 220 В, используемых для питания исполнительных устройств.
Кабели AS-I имеют несколько модификаций с резиновой (EPDM), полиэтиленовой (TPE) и полиуретановой (PUR) оболочками, предназначенных для эксплуатации в различных условиях. Для специальных применений может использоваться кабель NО5VV – F2 × 1,5 мм2 с оболочкой круглого сечения. Профилированные кабели с полиэтиленовой и полиуретановой оболочками могут использоваться в цепях подключения аппаратуры, расположенной на подвижных частях оборудования.
Наряду с технологией прокалывания кабелей AS-I фундаментальной основной промышленной сети AS-I является широкое применение стандартизованных электромеханических модулей. В рамках системы AS-интерфейсные модули можно сравнить с модулем ввода-вывода. Вместе с датчиками и интеллектуальными устройствами они входят в состав ведомых устройств AS-интерфейса, соединяя эти устройства с ведущим устройством AS-I. Существуют стандартные активные и пассивные модули.
Активные модули имеют встроенную микросхему. С помощью этих модулей можно подключить обычные датчики и исполнительные устройства. Пассивные модули не содержат электронных компонентов и позволяют подключить датчики и исполнительные устройства, имеющие встроенную микросхему AS-интерфейса.
Модули сконструированы таким образом, чтобы сохранялся единообразный электрический и механический интерфейс подключения к кабелю AS-I. Это достигается за счет применения унифицированной нижней части модуля, которую называют монтажным модулем. Монтажный модуль (рис. 3.46) служит для построения кабельной структуры системы AS-I и фиксации плоского кабеля в пазах специального профиля, верхняя часть активного модуля – верхний пользовательский модуль – это прибор, ведомое устройство, содержащее электронику и разъемы М12 для подключения датчиков и исполнительных устройств.
Пользовательские модули со стороны нижней поверхности имеют средства электромонтажной системы EMS или EEMS, необходимые для обеспечения механического соединения и электрической связи с монтажным модулем.
Верхняя поверхность модуля служит либо для установки герметических соединителей для подключения датчиков и исполнительных устройств, либо как лицевая панель прибора с AS-интерфейсом. При установке соединителей возможно большое число разных комбинаций:1 вход, 4 входа, 4 выхода, 2 входа/2 выхода и другие. На лицевую панель устанавливаются светодиоды для индикации неисправности или диагностики.
При использовании модуля EEMS со вспомогательной шиной питания предусмотрен вывод дополнительного питания на гнезда герметичного разъема М12. При использовании модуля EMS возможна подача дополнительного электропитания через штекер М12, установленного на торцевой стороне модуля. На рис. 3.47 показано стандартизованное расположение выводов четырехполюсных соединителей М12 в соответствии с IEС 947-5-2, приложение D.

Стандартный вход (розетка) Разделитель AS-интерфейса

4
3
4
3
1. Питание «+» 1. AS-интерфейс «+»
2. Вход сигнала 2. Не используется
3. Питание «-» 3. Питание «-»
2
1
1
2
4. Вход сигнала 4. Не используется



Стандартный выход (розетка) Дополнительное питание
4
4
3
3

1. Не используется 1. Питание «+»
2. Не используется 2. Не используется
3. Питание «-» 3. Питание «-»
1
2
1
2
4. Выход сигнала 4. Не используется

Рис. 3.47. Стандартизованное расположение контактов на разъемах М12 модулей AS-интерфейса.
Пример заказной спецификации кабелей AS-интерфейса приведен в табл. 3.19.

Т а б л и ц а 3.19
Заказная спецификация кабелей AS-интерфейса
Позиция Наименование и технические характеристики Тип, марка Код Завод-изготовитель
1
2
3
Кабель AS-I специального профиля, цвет резиновой оболочки:
∙ желтый, для передачи данных, питания электроники ведущего и ведомого устройств, а также подключенных датчиков:
ролик с кабелем длиной 100 м;
барабан с кабелем длиной 1000 м
∙ черный цвет для цепей вспомогательного питания исполнительных устройств напряжением = 24 В.
ролик с кабелем длиной 100 м;
барабан с кабелем длиной 1000 м
Кабель AS-I специального профиля из полихлорвинилового компаунда, цвет оболочки:
∙ желтый, для передачи данных, питания электроники ведущего и ведомых сетевых устройств, а также подключенных датчиков:
ролик с кабелем длиной 100 м;
барабан с кабелем длиной 1000 м
∙ черный цвет для цепей вспомогательного питания исполнительных устройств напряжением = 24 В.
ролик с кабелем длиной 100 м;
барабан с кабелем длиной 1000 м
Кабель AS-I полиуретановая оболочка специального профиля, цвет оболочки:
∙ желтый, для передачи данных, питания электроники ведущего и ведомых сетевых устройств, а также подключенных датчиков:
ролик с кабелем длиной 100 м;
барабан с кабелем длиной1 000 м
∙ черный цвет для цепей вспомогательного питания исполнительных устройств напряжением = 24 В.
ролик с кабелем длиной 100 м;
барабан с кабелем длиной 1000 м
EРDM
EРDM
ТРЕ
PUR 3RX9010-OA00
3RX9012-OA00
3RX9020-OA00
3RX9022-OA00
3RX9013-OA00
3RX9014-OA00
3RX9023-OA00
3RX9024-OA00
3RX9015-OA00
3RX9016-OA00
3RX9025-OA00
3RX9026-OA00
Фирма Siemens
Фирма Siemens
Фирма Siemens
3.8.4.3. Ведомые устройства AS-интерфейса в системе SIMATIC
(фирма SIEMЕNS).
Под ведомыми устройствами AS-интерфейса понимают все узлы, к которым может адресоваться ведущее устройство AS-I. Существует два типа ведомых устройств по способу подключения:
модули AS-I. Это модули и ведомые устройства AS-интерфейса, к которым может быть подключено до 4 стандартных датчиков и до 4 стандартных исполнительных механизмов;
датчики и исполнительные механизмы со встроенным интерфейсом AS-I, которые могут подключаться к сети AS-I непосредственным образом.
Выпускаемые ведомые устройства AS-интерфейса могут работать в одном из следующих режимов адресации:
стандартные ведомые устройства, когда каждому ведомому устройству отводится один адрес в сети AS-I, при этом к сети может быть подключено до 31 стандартного устройства;
ведомые устройства с расширенным режимом адресации, А/В ведомые устройства. Такие устройства работают с ведущими устройствами AS-I, поддерживающими расширенный режим адресации попарно, занимая один и тот же адрес. Это позволяет удвоить количество адресуемых ведомых устройств в сети.
Существуют специальные стандартные аналоговые ведомые устройства, которые могут обмениваться аналоговыми сигналами с ведущими устройствами в сети AS-I.
Для аналоговых ведомых устройств профиля 7.1/7.2 требуются специальные программные блоки в программе пользователя (драйверы, функциональные блоки), которые выполняют передачу аналоговых сигналов по последовательному протоколу. Аналоговые ведомые устройства профиля 7.3/7.4 предназначены для работы с расширенными ведущими устройствами AS-I. При этом в программе пользователя не требуется наличие специальных драйверов или функциональных блоков.
Полный состав ведомых устройств AS-интерфейса представлен на рис. 3.48. Компактные модули ведомых устройств AS-интерфейса имеют наиболее высокую степень защиты и объединяют в своем составе, дискретные, аналоговые и пневматические модули.
Каждый модуль состоит из двух частей, блока электроники и монтажной платы. Блок электроники содержит разъемы для подключения датчиков и исполнительных устройств, гнездо для установки сетевого адреса модуля, а также светодиоды индикации состояний и диагностики модуля. Монтажная плата содержит профилированный паз для укладки кабеля AS-I и может крепиться на плоские поверхности винтами или устанавливаться на профильную шину DIN.
Блок электроники крепится на монтажной плате с помощью направляющих и одного винта. Во время затягивания винта происходит прокалывание изоляции кабеля, и электронный модуль подключается к AS-I.

Ведомые устройства AS-интерфейса в системе SIMATIC (SIMATIC-NET)

Модули ввода/вывода со степенью защиты IP65
Модуль аналогового ввода/вывода К60 со степенью защиты IP67
Модуль дискретного ввода/вывода К60 со степенью защиты IP67
Модуль дискретного ввода/вывода К60R со степенью защиты IP68/ IP69К
Модуль дискретного ввода/вывода К45 со степенью защиты IP6
Модули ввода/вывода со степенью защиты IP20
Модуль F90
Модуль SlimLine
Плоский модуль
Модуль для специальных решений
Модули со специальными функциями
Модуль счета
Модуль обнаружения ошибки заземления
Модуль защиты от перенапряжений
Модуль AS-I для LOGO

Пускатели двигателя для AS-I
Пускатели двигателя со степенью защиты IP65/ IP67
Пускатели двигателя со степенью защиты IP20
Кнопки и индикаторы коммуникабельные
Корпуса для AS-I
Компоненты AS-интерфейса для корпусов
AS-интерфейс Front Panel Module

Сигнальные кнопки SIGUARO
Сигнальные кнопки SIGUARO, диаметр 50 мм
Сигнальные кнопки SIGUARO, диаметр 70 мм
Рис. 3.48. Ведомые устройства в системе SIMATIC.
Основные характеристики модулей ведомых устройств серии К60 и
К 45 представлены в табл. 3.20.
Степень защиты IP65 для модулей ввода-вывода предусматривает полную защиту от пыли и защиту от водяных струй в любом направлении.
Таблица 3.20.
Характеристики модулей ведомых устройств серии К60 и К 45
Серия модулей Назначение Ток дискретного выхода Тип ведомого устройства Назначение контактов Вариант подключения
Заказной номер
К60 8 входов/2 выхода 2 А A/B Специальное M12 3RК2400-1HQ00-OAA3
8 входов - стандартное, A/B Y-II 3RК2200-0DQ00-OAA3
3RК2200-0DQ00-OAA3
4 входа/4 выхода 2 A
1 A стандартное стандартное
Y-II
стандартное 3RК1400-1DQ00-OAA3
3RК1400-1DQ01-OAA3
3RК1400-1DQ03-OAA3
4 входа/3 выхода 2 A A/B Y-II 3RК2400-1FQ03-OAA3
4 входа/2 выхода стандартное 3RК1400-1МQ03-OAA3
4 входа - 3RК1200-0СQ00-OAA3
2×2 входа/2×2 выхода 1 A
Y-II 3RК1400-1DQ02-OAA3
4 выхода 2 A 3RК1100-1СQ00-OAA3
К45 4 входа 2 A стандартное стандартное M12 3RК1200-0СQ20-OAA3
M12 винтовой 3RК1200-0СQ20-OAA3
M12 с защелками 3RК1200-0СQ20-OAA3
A/B M12 3RК2200-0СQ20-OAA3
2 входа/2 выхода 2 A стандартное стандартное M12 3RК1400-0ВQ20-OAA3
2×2 входа 2 A стандартное Y M12 3RК2200-0СQ22-OAA3
2 входа/2 выхода 2 A A/B стандартное
M12 3RК2400-1ВQ20-OAA3
Монтажная плата К60 используется для монтажа дискретных и аналоговых модулей серии К60. У нее имеется кабельная колодка для желто-черного плоского кабеля AS-I. Если кабели полностью проложены через модуль, то дополнительные уплотнители не требуются. Дополнительные уплотнители требуются в случае, если оба ввода или только один из них оканчивается внутри модуля. В этом случае в монтажную плату должны быть вставлены дополнительные уплотнители (заказной номер 3RК1902-OAR00).
Схемы подключения датчиков температуры через 5-полюсные гнезда представлены на рис. 3.49.

1 2
5
4 3
1 2
5
4 3
Рt100
1. Питание «+»
2. Вход сигнала 1. Питание «+»
Рt100 3. Питание «-» 2. Вход сигнала «+»
4. Вход сигнала 3. Питание «-»
5. Кабель заземления 4. Вход сигнала «-»
5. Кабель
а) б)

1 2
5
4 3

1. Питание «+»
2. Вход сигнала «+»
Рt100 3. Питание «-»
4. Вход сигнала «-»
5. Кабель

в)
Рис. 3.49. Схемы подключения датчиков температуры Рt100: а). 4-проводное подключение 3RК1207-3ВQ40-OAA3; б). 2-проводное подключение 3RК1207-3ВQ40-OAA3;
в). 3-проводное подключение 3RК1207-3ВQ40-OAA3.

Ведомые устройства на основе модулей аналогового ввода-вывода серии К60 со степенью защиты IР67 подключаются к программируемым контроллерам через ведущие устройства AS-I спецификации V2.1, V3.0 (рис. 3.41 – 3.43). Питание датчиков и исполнительных устройств осуществляется непосредственно от модулей ввода-вывода аналоговых сигналов. Серия К60 включает несколько типов аналоговых модулей:
модули измерения температуры;
модули измерения унифицированных сигналов силы тока;
модули измерения унифицированных сигналов напряжения;
модули вывода унифицированных сигналов силы тока;
модули вывода унифицированных сигналов напряжения.
Входные и выходные аналоговые каналы гальванически разделены с AS-интерфейсом. Для питания датчиков с большим потреблением мощности может использоваться вспомогательное напряжение. Степень защиты IР67 для модулей ввода-вывода аналоговых сигналов предусматривает полную защиту от пыли и защиту при частичном (или кратковременном) погружении в воду. Пример заказной спецификации для модулей ввода-вывода аналоговых сигналов серии К60 приведен в табл. 3.21.
Т а б л и ц а 3.21
Заказная спецификация модулей ввода-вывода аналоговых сигналов
серии К60 со степенью защиты IР67
Позиция Наименование и технические
характеристики Тип, марка Код Завод-изготовитель
1
2
3
Модули ввода-вывода аналоговых сигналов профиля 7.3, стандартное ведомое устройство схема защиты IР67, подключение внешних цепей через 5-полюсные гнезда соединителей М12:
∙ 1 или 2 входа (выбирается перемычкой в гнезде 3), диапазон измерений
4 – 20 мА или ±20 мА
1 – 5 В или ±10 В
Рt 100, Ni 100 или 0 – 600 Ом;
∙ 4 входа, выбираемые диапазоны измерений
4 – 20 мА или ±20 мА
1 – 5 В или ±10 В
Рt 100, Ni 100 или 0 – 600 Ом;
∙ 2 выхода, 2-проводное подключение нагрузки, выбираемые диапазоны измерений сигналов
4 – 20 мА или ±20 мА
1 – 5 В, 0 – 10 В или ±10 В
Монтажные платы:
∙ для настенного монтажа модулей К60
∙ для монтажа модулей К60 на профильную шину DIN.
Соединитель для подключения входных и выходных цепей модулей К60:
∙ черного цвета
∙ красного цвет К60
К60
M12 3RК1207-1ВQ40-OAA3
3RК1207-2ВQ40-OAA3
3RК1207-3ВQ40-OAA3
3RК1207-1ВQ44-OAA3
3RК1207-2ВQ44-OAA3
3RК1207-3ВQ44-OAA3
3RК1107-1ВQ40-OAA3
3RК1107-2ВQ40-OAA3
3RК1901-OCA00
3RК1901-OCB01
3RК1 901-1AA00
3RК1 901-OAA01 Фирма Siemens
Фирма Siemens
Фирма Siemens
Ведомые устройства на основе модулей дискретного ввода-вывода серии К60 со степенью защиты IР67 состоят из двух частей, монтажной платы К60 и компактного модуля, имеет два вида монтажных плат для монтажа на стене и для монтажа на стандартных монтажных шинах. Модули, имеющие до четырех входов и выходов, содержат коммуникационную электронику и стандартные разъемы М12 для входов и выходов. Через стандартные штепсельные разъемы М12 к модулю можно подключить до четырех датчиков и исполнительных устройств. Монтажная плата и модуль соединены друг с другом одним винтом, который одновременно создает необходимый контакт с кабелем AS-I методом покалывания изоляции. Модули, содержащие до восьми входов, могут быть подключены через штепсельные разъемы М12. Для обработки восьми входов необходимо иметь два адреса AS-I, которые могут быть заданы через двойную адресную розетку, встроенную в модуль.
Ведомые устройства на основе модулей дискретного ввода-вывода серии К60R со степенью защиты IР68/IР69 могут эксплуатироваться в средах с повышенной влажностью, наличием эмульсий и включений масел. Подключение к AS-I выполняется круглым кабелем со штекером М12. Модули устанавливаются на стандартные монтажные платы К60. Подключение к сети выполняется круглым 4-жильным кабелем через разъем М12 на фронтальной панели модуля. Монтажная плата используется как крепежное изделие для установки и заземления модуля К60R.
Ведомые устройства на основе модулей дискретного ввода-вывода серии К45 со степенью защиты IР67 по большинству технических характеристик и областям применения соответствуют модулям серии К60, но имеют более компактные размеры. Для установки корпусов модулей серии К45 может использоваться два типа монтажных плат:
Плата 3RК1 901-2DA00 c монтажными отверстиями, совпадающими по размещению с отверстиями монтажной платы К60. Это позволяет монтировать модули К45 и К60 в один ряд, пропуская транзитом через все модули желтый и черный кабель AS-I;
Монтажная плата 3RК1 901-2ЕA00 для установки модулей К45 на стандартную профильную шину DIN.
Подключение датчиков и исполнительных устройств производится через гнезда М12. В модулях с 4 дискретными входами есть модификация с подключением внешних цепей через гнезда М8. Монтажная плата 3RК1 901-2DA00 позволяет монтировать модули серии К45 на вертикальных или горизонтальных профильных шинах DIN. Установка адреса модуля в сети AS-I выполняется через специальное гнездо. Для обеспечения степени защиты IР67 свободные гнезда М12 должны быть закрыты заглушками 3RК1 901-1КA00.
Ведомые устройства на основе модулей дискретного ввода-вывода серии со степенью защиты IР20 предназначены для установки в шкафы управления или силовые шкафы с коммутационной аппаратурой. В зависимости от требований, предъявляемых к конкретной системе управления, могут использоваться модули следующих серий:
Модули SlimLine S22.5 с шириной корпуса 22, 5 мм. Монтаж может выполняться на 35 мм профильную шину по DIN EN 50 022 или настенный монтаж с использованием адаптера 3RР1 903. В состав этой серии входят: модули с 4 дискретными входами; с 4 дискретными выходами; с 2 дискретными входами и 2 дискретными выходами с замыкающими контактами; модуль счета; модуль контроля замыкания на землю.
Модули SlimLine 45 с шириной корпуса 45 мм. Монтаж, как и для модуля SlimLine S22.5, может выполняться на профильную шину DIN и настольный монтаж с использованием адаптера. В состав этой серии входят: модули с 4 дискретными входами и 4 дискретными выходами с замыкающими контактами реле; модули с 4 дискретными входами и 4 дискретными выходами; модуль счета; модули с 4 дискретными входами и 4 дискретными выходами (ведомое устройство А/В).
Модули серии F90. Монтаж выполняется на 35 мм профильную шину по DIN EN 50 022. В состав этой серии входят: модули с 4 дискретными входами и 4 дискретными выходами, подключение внешних цепей через контакты под винт; модули с 4 дискретными входами и 4 дискретными выходами, подключение внешних цепей через соединитель Combicon; модули с 16 дискретными входами.
Плоские модули. Модули с 4 дискретными входами и 4 дискретными выходами, подключение внешних цепей через контакты под винт.
Установка сетевых адресов модуля SlimLine S22.5/S45, модулей серии F90 и плоских модулей выполняется с помощью прибора адресации 3RК1904-2AВ01, подключаемого к адресному гнезду соответствующего модуля.
Ведомые устройства на основе модулей для специальных решений включает модули для сканирования до 4 механических контактов или активизации до 4 светодиодов посредством питания от шины AS-I (желтый кабель AS-I) или питания от дополнительного источника. Существуют следующие коммуникационные модули: модули для консоли 3RК1 400-0СD00-0AA3, для панели – 3RК1 400-0СD01-0АА3; модули для панели 3RG9 005-0SA00.
Ведомые устройства на основе модулей AS-I для LOGO позволяют использовать логические модули в качестве ведомых устройств. Модуль поддерживает 4 виртуальных дискретных входа и 4 виртуальных дискретных выхода и способен передавать информацию о состоянии 4 дискретных входов LOGO ведущему устройству AS-I, а также принимать от ведущего устройства управляющих дискретных сигналов.
Ведомые устройства на основе модулей со специальными функциями включают: модули счета, модули для обнаружения ошибки заземления, модули защиты от перенапряжений. Модуль счета работает в режиме суммирующего счета в диапазоне от 0 до 15. После завершения текущего цикла начинается очередной цикл с отсчетом от 0. Содержание счетчика считывается ведущим устройством (младший разряд D0, старший – D3). Ведущее устройство осуществляет предварительную установку счетчика и определяет количество импульсов до следующего запроса. Допустимая частота следования циклов обмена данными с ведущим устройством определяется из соотношения 15/Tmax, где Tmax – максимальное время передачи данных из счетчика в ведущее сетевое устройство. Счетчик способен нормально работать при длительности импульса высокого уровня не менее 1 мс и паузе между импульсами не менее 300 мкс, то есть максимальная частота тактовых импульсов может составлять 769 Гц.
Модуль обнаружения ошибки заземления относится к семейству SlimLine S22.5 и позволяет выявлять замыкание на землю:
«Плюсовой» жилы линии AS-I.
«Минусовой» жилы линии AS-I.
В цепях подключения датчиков и исполнительных устройств, получающих питание от AS-I.
Модуль контроля замыканий на землю является пассивным модулем и не требует задания сетевого адреса. Если в системе отсутствуют повторители, то для контроля всей системы достаточно использовать один модуль. В системах с повторителями модули контроля замыканий на землю устанавливаются на каждом сегменте.
Модуль защиты от перенапряжений используется для защиты отдельных устройств или секций AS-I от коммуникационных перенапряжений, или перенапряжений, вызванных удаленными ударами молнии. Для защиты от прямых ударов молнии необходимо применение дополнительных технических средств. Для обеспечения защитных функций модуль должен быть подключен к контуру заземления с низким сопротивлением. Подключение производится желто-зеленым кабелем с оболочкой, стойкой к воздействию масел.
Ведомые устройства на основе модулей пускателей двигателей со степенью защиты IР65/IР67 включают: контактный стартер для AS-I со степенью защиты IР65; пускатели двигателя со степенью защиты IР65/ IР67.
Ведомые устройства на основе модулей пускателей двигателей со степенью защиты IР20 включают: модуль фидера с AS-интерфейсом; прямой пускатель с AS-I; комбинации с возможностью коммутации; устройства плавного пуска.
Ведомые устройства на основе модулей сигнальных колонок используются в машинах, механизмах, автоматизированных процессах для контроля комплексных процессов как визуальные или акустические устройства для предупреждения в чрезвычайных ситуациях. Сигнальные колонки могут быть непосредственно подключены к шинной системе AS-I через адаптер, который может быть встроенным. Двухжильный кабель фиксируется в винтовых зажимах в соединительном элементе. Адаптер должен быть первым модулем, который будет подключен в соединительном элементе. Максимальное количество последующих сигнальных элементов может быть не более четырех.
3.8.4.4. Распределители, ответвители, адаптеры сенсорной сети AS-интерфейс в системе SIMATIC (фирма SIEMЕNS).
Для адаптации сети AS-интерфейс к требованиям решаемой задачи применяется целый ряд распределителей, ответвителей, адаптеров (рис. 3.50).







до 5 м до1,5 м

Т-образный
до 5 м разветвитель М12
3RК1 901-1ТR00


Переходной адаптер Ответвитель Ответвители М12
М12 М12 3RК1 901-1NR11
3RК1 901-1NR00 3RК1 901-1NR22
Рис. 3.50. Распределители, ответвители, адаптеры для сети AS-интерфейс.
Распределители выполняют функции узловых устройств, позволяющих формировать звездообразные сетевые структуры с использованием стандартного программного кабеля AS-I. Подключение всех кабелей выполняется методом прокалывания оболочки и изоляции жил. Они выпускаются в двух модификациях:
Распределитель стандартного исполнения с нагрузочной способностью до 7А.
Комплексный распределитель с нагрузочной способностью до 6А.
Ответвитель М12 оснащен корпусом, в который встроен круглый соединительный кабель длиной 1 и 2 м со штекером М12 на конце. По своей конструкции и способом подключения к профилированным кабелям AS-I. Корпус ответвителя М12 аналогичен корпусу контактного распределителя. В зависимости от модификации через корпус ответвителя пропускается только желтый или желтый и черный профилированный кабель AS-I. В первом случае через круглый кабель ответвителя производится подключение устройств только к сети AS-I, во втором – к сети AS-I и цепи вспомогательного напряжения. Профилированные кабели AS-I должны проходить сквозь корпус ответвителя М12 и не должны заканчиваться в нем. Если линия профилированного кабеля должна заканчиваться в точке перехода на круглый кабель, то следует использовать 1- или 4- канальный переходной адаптер М12, 3RХ9 801-0АА00 и 3RК1 901-1NR00 соответственно.
Переходные адаптеры по своему назначению аналогичны ответвителям М12, однако адаптеры не имеют встроенного круглого кабеля. Они оснащены встроенными гнездами М12, к которым производится подключение различных сетевых устройств. Для этой цели находят применение готовые соединительные кабели с двумя установленными соединителями М12 с литыми герметичными корпусами или соединительные кабели с одним установленным соединителем М12 и одним свободным концом. Установленный на кабель соединитель подключается к модулю К20 или К69R. На свободный конец кабеля допускается установка соединителя М12 с осевым или угловым отводом кабеля. Этот соединитель подключается к гнезду М12 переходным адаптером.
Заказная спецификация распределителей, ответвителей и переходных адаптеров представлена в табл. 3.22.
3.8.4.5. Датчики для подключения к промышленной сети AS-интерфейс.
Интеллектуальные датчики шины AS-I имеют встроенные разъемы для подключения к шине. Это позволяет напрямую подключать их к желтому кабелю. Помимо данных, поступающих непосредственно от датчиков, шина AS-I обеспечивает получение других диагностических данных, которые могут передаваться и аннулироваться наиболее оптимальным образом. В настоящее время выпускаются и широко используются целые серии AS-I датчиков: датчики температуры, давления, индуктивные, фотоэлектрические, лазерные, ультразвуковые датчики. Примеры выпускаемых датчиков приведены в табл. 3.23, 3.24 (Фирма Pepperl + Fuchs).
AS-I датчиков: датчики температуры на базе AS-I передают значения измеряемой температуры в виде 16-битного аналогового значения со знаковым разрядом. Аналоговые значения передаются непосредственно в единицах измерения, поэтому последующий ввод в эксплуатацию значительно упрощается, так как значения физической величины доступны системе управления без преобразования.

Т а б л и ц а 3.22
Заказная спецификация основных компонентов AS-интерфейса
Позиция Наименование и технические
характеристики Тип, марка Код Завод-изготовитель
1
2
3
4
5
6
7
8 Стандартный распределитель AS-I. Нагрузочная способность до 7 А, в комплекте с монтажной платой специальной конструкции для настенного монтажа или монтажа на стандартную профильную шину DIN
Компактный распределитель AS-I с нагрузочной способностью до 6 А
Т-образный разветвитель для подключения нескольких модулей К60R к линии AS-I и цепи вспомогательного питания, подключение круглым кабелем M12, степень защиты IР68, один штекер и два гнезда M12.
Ответвитель AS-I для подключения станций с гнездом M12 к сети AS-I, без цепи вспомогательного напряжения питания, штекер M12 с угловым отводом кабеля со степенью защиты IР67/68/69К с нагрузочной способностью до 6 А
∙ длина ответвительного кабеля
∙ длина ответвительного кабеля
Ответвитель AS-I для подключения станций с гнездом M12 к сети AS-I, с цепью вспомогательного напряжения питания, штекер M12 с угловым отводом кабеля со степенью защиты IР67/68/69К с нагрузочной способностью до 6 А
∙ длина ответвительного кабеля
∙ длина ответвительного кабеля
Переходной адаптер для обеспечения перехода с профилированного кабеля AS-I на круглый кабель AS-I с гнездом M12 и степенью защиты IР67, подключение к профилированному кабелю методом прокалывания изоляции.
Переходной адаптер для подключения через гнедо M12 к линии AS-I и цепи вспомогательного питания
4-канальный переходной адаптер AS-I для подключения до 4 устройств к линии AS-I и цепи вспомогательного питания, 4 гнезда M12 со степенью защиты IР67 в комплекте с соединительным модулем Стандартный
Компактный
M12
M12
1 м
2 м
M12
1 м
2 м
M12
Стандартный
M12 3RК1901-1NN00
3RК1901-1NN10
3RК1 901-1ТR00
3RК1901-1NR11
3RК1901-1NR12
3RК1901-1NR21
3RК1901-1NR22
3RХ9801-0АА00
3КG7838-1DG
3RК1901-1NR00
Фирма Siemens
Фирма Siemens
Фирма Siemens
Фирма Siemens
Фирма Siemens
Фирма Siemens
Фирма Siemens
Фирма Siemens
С точки зрения передачи данных датчики давления с интерфейсом AS-I работают аналогично датчикам температуры. Так значение давления преобразовывается только один раз, в датчике, поэтому при дальнейшей цифровой передаче по шине AS-I и обработке в контроллере исключаются ошибки включений.
Интеллектуальные индуктивные датчики приближения обычно подключаются напрямую к желтому кабелю шины AS-I с помощью двухполюсных отводов плоского кабеля. В зависимости от исполнения к одному кабелю шины можно подключить до 62 датчиков. Электропитание также осуществляется через кабель шины. Кроме положения переключения, возможно передавать другие биты диагностики.
Фотоэлектрические датчики применяются для бесконтактного обнаружения, определения местоположения, сортировки, подсчета разнообразных объектов при обработке материалов, в робототехнических системах автоматизации, контроля качества и др. Существует целый ряд фотоэлектрических датчиков для подключения к промышленной сети AS-интерфейс:
датчики распознавания цвета или контрастности;
для обнаружения минимального различия в цвете или контрастности;
световые сканирующие устройства с прецизионным подавлением фона для задач обнаружения объектов в сложных условиях;
стеклянные и пластиковые волоконно-оптические световоды для построения каналов связи, обеспечивающих передачу сигналов на большие расстояния с большой скоростью;
датчики с применением лазерной технологии для решения задач обнаружения с высоким разрешением;
устройства с пластиковыми или металлическими корпусами, пригодные для применения в самых тяжелых условиях окружающей среды.
Ультразвуковые преобразователи позволяют излучать и принимать ультразвуковые волны целого ряда частот. Они представляют собой специальные пьезоэлектрические устройства, имеющие резонансную частоту в диапазоне ультразвука. Подача на излучающий преобразователь колебаний от генератора на некоторой резонансной частоте вызывает излучение ультразвуковых волн. Ультразвуковые датчики представляют идеальное решение для бесконтактного определения местоположения объектов (эхолокация) и расстояний во всевозможных промышленных областях, где такие факторы, как пыль, дым или пар, могут воздействовать на датчики.
Объекты, состоящие из различных материалов, могут быть обнаружены, невзирая на цвет или форму, с точностью до миллиметра. Ультразвуковые датчики разделены на 5 серий, используют в своей работе разные методы обнаружения и определения положения и насчитывают более 40 разнообразных моделей.
Т а б л и ц а 3.23
Датчики для подключения к промышленной сети AS-интерфейса
Позиция Датчики
Исполнение
Расстояние срабатывания/дальность действия
Диапазон измерения
Передача данных Адрес AS-I
Соединение
AS-I Степень защиты
Номер заказа
1 Датчик температуры G 1/2A - -10…
..150℃Аналоговая Oдин Штекер M12 IP68/ IP69K TAA431
2 Датчик температуры G1/4 A - - 10…
..150℃Аналоговая Oдин Штекер M12 IP68/ IP69K TAA131
3 Датчик давления G 1/4 I - До 400 бар Цифровая Oдин Штекер M12 IP/67 PPA020
4 Датчик давления G 1/4 I - До 10 бар Цифровая Oдин Штекер M12 IP/65 PPA024
5 Датчик давления G 1/4 I - До 600 бар Цифровая Oдин Штекер M12 IP/67 PPA060
6 индуктивный датчик M12 4 мм - Цифровая А/В Штекер M12 IP68 IFC247
7 Индуктивный датчик M12 7 мм - Цифровая А/В Штекер M12 IP68 IFC248
8 Индуктивный датчик
M18 12 мм - Цифровая А/В Штекер M12 IP68 ICC234
9 Индуктивный датчик
M30 14 мм - Цифровая А/В Штекер M12 IP65 IIC220
10 Индуктивный датчик
M30 22 мм - Цифровая А/В Штекер M12 IP68 IIC221
11 Индуктивный датчик
Прямоугольник 4 мм - Цифровая А/В Штекер M12 IP67 АС2310
12 Индуктивный датчик Прямоугольник 15 мм - Цифровая А/В
Штекер M12 IP67 IMS118
Т а б л и ц а 3.24
Датчики для подключения к промышленной сети AS-интерфейса
Позиция Наименование и технические характеристики Тип, марка
1
2
3
4
5
6
7
8 Фотоэлектрические цилиндрические датчики, использующие методы с прерыванием луча (ретрорефлективные), прямого обнаружения, прямого обнаружения с подавлением фона. Диапазон срабатывания:
∙ с прерыванием луча: 0-5 м (GLV12, 18 GM), 0-15 м (VL18),
∙ прямого обнаружения: 0-200 мм (GLV12, 18 GM), 20-250 мм (GLV30), 3-400 мм (VL18),
∙ по отражению: 0-2000 мм (GLV), 100-4000 мм (VL18) 100-3000 мм (18GM)
∙ прямого обнаружения с подавлением фона:10-75 мм (VL18), 0-100 мм (18 GM), 20-1000 мм (GLV30).
∙ Тип излучения: инфракрасное (длина волны 880 нм), красное (660 нм). Напряжение питания – 10-30 В постоянного тока. Степень защиты IР67.
Фотоэлектрические датчики в прямоугольных корпусах из пластика или металла. Оснащены регулировками чувствительности и переключателями срабатывания при засветке/затемнении. Длина волны: 635, 660, 880 нм, напряжение питания – 10-30 В постоянного тока, 10-240 В переменного/ постоянного тока, степень защиты IР67. Диапазон срабатывания:
∙ с прерыванием луча: 0-2,5; 0-5; 0-15; 0-30; 0-35 м
∙ по отражению: 0-400, 0-6 000, 0-15 000, 600-6000, 200-10 000мм
∙ прямого обнаружения: 4-400, 0-300, 0-2 000,10-500, 10-2000 мм
∙ прямого обнаружения с подавлением фона:7-20, 0-150, 10-80, 300-400, 50-2000, 20-500 мм
Фотоэлектрические датчики для обнаружения объектов и их перемещений в процессе автоматизированной сборки, сортировки, упаковки, дозирования. В составе серии: датчики с прерыванием луча, рабочая зона до 7 м
Барьерные датчики с лазерным излучением. Зона срабатывания 85 м со средствами регулирования фокуса для обнаружения небольших объектов. Минимальный размер обнаруживаемого объекта 0,05 мм
Датчик с лазерным излучением с высокой точностью и большим диапазоном обнаружения. Рабочая зона 0-15 м. Лазерный излучатель красного цвета (длина волны 670 мм). Невосприимчивость к окружающему свету. Применяется при погрузочно-разгрузочных работах, сортировке.
Лазерные измерители расстояния применяются для определения с миллиметровой точностью местоположения кранов-штабелеров, козловых кранов, транспортных тележек, для измерений в деревообработке. Диапазон измерений: 0,5-50; 120; 240 м. Инфракрасное импульсное излучение. Степень защиты IР67.
Серия ультразвуковых датчиков с диаметром корпуса 18 мм и длиной корпуса 75 мм. Дальность обнаружения 50…500 м (регулируемая). Варианты исполнения с аналоговым выходом 4…20 мА или 0…10 В. Есть варианты с 1 или 2 дискретными выходами, NPN и PNP, нормально открыт и/или нормально закрыт, по выбору. Штекерный соединитель V15(M12×1), 5 конт.
Серия ультразвуковых датчиков с высокой стойкостью к воздействию агрессивных химических веществ. Корпус из нержавеющей стали покрытый тефлоном. Диапазон обнаружения 200…1000 мм. Выход аналоговый и два дискретных выхода. GLV12, VL18,
18 GM, GLV30
Стандартные
MLV12
S18/
VSE18-LAS
MLV12-54- LAS
EDM50,120, 240
Серия UB500-18
GM75
Глава 4. УРОВЕНЬ НИЗОВОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ
РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
4.1. Классификация и аппаратные средства промышленных контроллеров.
Основой уровня низовой автоматизации распределенных систем управления являются промышленные контроллеры и контроллерные сети (Рис. 1.1, 1.2). Контроллером в системах автоматизации называют устройство, выполняющее управление физическими процессами по записанному в него алгоритму с использованием информации, получаемой от датчиков и выводимой в исполнительные устройства. Предметная область автоматизации выдвигает множество задач, в соответствии с которыми развивается и рынок контроллеров при этом выпускаются сотни контроллеров, различающиеся десятками параметров. Обычно каждый производитель выпускает несколько типов контроллеров разной мощности и стоимости, чтобы увеличить прибыль за счет сегментирования рынка. Несмотря на огромное разнообразие выпускаемых контроллеров, в их развитии имеются общие тенденции: уменьшение габаритных размеров, расширение функциональных возможностей; использование идеологии «открытых систем»; переход на РС-совместимые контроллеры (PC-base), которые в настоящее время составляют отдельный класс программируемых контроллеров; наличие встроенных операционных систем на основе Windows (Windows 9x/NT/CE), использование стандартных системных шин; использование стандартного программного обеспечения; использование коммуникационных стандартов; наличие ОРС-сервера; использование языков программирования стандарта МЭК 61131-3; увеличение числа поддерживаемых интерфейсов и сетей; повышение интеллектуальных возможностей контроллеров, увеличение производительности процессора и объема оперативной памяти, использование Flash-памяти, выход в локальные сети Ethernet, Profibus, Canbus и другие, применение многозадачных систем реального времени; возможность простой реконфигурации каналов ввода-вывода; работа в широком диапазоне температур (от -40° до+70℃). Еще одной тенденцией является появление в контроллерах признаков компьютера (наличие мыши, клавиатуры, монитора, операционная система Windows, возможность подключения жесткого диска). Аппаратные различия между компьютером и контроллером постоянно исчезают. Основными отличительными признаками контроллера остаются его назначение и наличие технологического языка программирования. Базовые функции промышленных контроллеров представлены на рис. 4.1.
При классификации большого разнообразия промышленных контроллеров рассматриваются существенные различия. В зависимости от функциональных возможностей, технических характеристик, конструктивного исполнения контроллеров, от расположения модулей ввода-вывода можно условно подразделить на моноблочные, модульные и РС-контроллеры (PC-base, РС-совместимые контроллеры).
к локальной сети (к АРМ оператора и другим контроллерам)
Промышленный
контроллер

Функции интерфейса с оператором

Коммуникационные функции


Функции программирования, отладки и тестирования


Функции вычисления и памяти

Промышленный контроллер
Функции интерфейса с датчиками и исполнительными механизмами


к датчикам и исполнительным механизмам
Рис. 4.1. Базовые функции промышленного контроллера.
Моноблочный контроллер представляет собой микропроцессорное устройство, в едином конструктиве которого располагаются: источник питания, центральный процессор, память, встроенные порты для выхода в сеть. Конструктивно контроллер представляет единое целое с устройствами ввода-вывода, т.е. устройство ввода-вывода не может быть удалено из контроллера или заменено на другое.
Модульные контроллеры состоят из общей корзины (шасси), в которой располагаются модуль центрального процессора и сменные модули ввода-вывода. Состав модулей выбирается пользователем в зависимости от реальной задачи. Типовое число слотов для сменных модулей – от 8 до 32. В состав контроллера входят также модуль питания, коммуникационные модули, а также удаленные модули ввода-вывода в отдельных корпусах, которые подключаются к контроллеру по сети (обычно на основе интерфейса RS-485) и могут быть расположены на расстоянии до 1,2 км от процессорного модуля.
PC-base или РС-совместимые контроллеры составляют отдельный класс программируемых контроллеров, значение и роль которых с развитием Internet-технологий существенно возрастает, особенно в распределенных системах управления. К основным отличительным особенностям таких контроллеров можно отнести:
наличие встроенной операционной системы (Windows 9x/NT/CE, MS DOS, Linux, Mini OS7, OS-9 и др.);
возможность использования стандартного программного обеспечения SCADA-систем: TRACE MODE, Master SCADA, In Touch, Citect, GENESIS – 32, ISa GRAF, Си, Турбо СИ, Си ++ и др.;
наличие коммуникационных стандартов;
наличие ОРС-серверов и РС-совместимых функций.
PC-base контроллеры могут использовать программное обеспечение
независимых производителей, имеют большой объем памяти. Имеют возможность расширения и модернизации и применения лучшего диагностирования.
По числу каналов ввода-вывода контроллеры делятся на следующие группы [72]:
нано-контроллеры, менее 16-ти каналов;
микроконтроллеры, от 16-ти до 100 каналов;
средние контроллеры, от 100 до 500 каналов;
большие контроллеры, более 500 каналов.
По конструктивному исполнению и способу крепления контроллеры делятся:
панельные, для монтажа на панель или дверцу шкафа;
для монтажа на DIN-рейку внутри шкафа;
для крепления на стене;
стоечные, для монтажа в стойке;
бескорпусные (обычно одноплатные) для применения в специализированных конструктивах производителей оборудования (ОЕМ-контроллеры).
По области применения контроллеры делятся:
универсальные общепромышленные;
для управления роботами;
для управления позиционированием и перемещением;
коммуникационные;
ПИД-контроллеры;
специализированные.
По способу программирования контроллеры делятся:
программируемые с лицевой панели контроллера;
программируемые переносным программатором;
программируемые с помощью дисплея, мышки и клавиатуры;
программируемые с помощью персонального компьютера.
Контроллеры могут программироваться на языках МЭК 61131-3,
используются также языки С, С++, Visual Basic.
Аппаратные средства промышленных контроллеров включают (Рис. 4.2): блок питания, процессорный модуль, сетевые интерфейсы, модули ввода-вывода, специальные модули, коммуникационные модули.
Блок питания

Внутренняя шина контроллера


Коммуникационные модули
Специальные модули
Модули ввода дискретных сигналов
Модули вывода аналоговых сигналов
Модули ввода дискретных сигналов
Модули ввода аналоговых сигналов
Процессорный
модуль

Рис. 4.2. Аппаратные средства промышленных контроллеров.
Аппаратные средства промышленных контроллеров включают принтеры, клавиатуру, мыши, устройства индикации, устройства для программирования. Примером такого современного контроллера является последнее поколение промышленных контроллеров производства компании ICP DAS (Тайвань) серии Win Con-8000, Lin Con-8000, Win Con/Win PAC [25]. Вобрав в себя все лучшие характеристики серий I-7000 и I-8000, сохранив преемственность от них, Win Con-8000 приобрел новые возможности благодаря использованию высокопроизводительного процессора Intel Strong ARM с тактовой частотой 206 МГц и оперативной памяти 64 Мб. Win Con-8000 выполнен в виде отдельного блока из несгораемого пластика (Рис. 4.3.), который содержит центральный процессор, источник питания, панель управления, коммуникационные порты и объединительную плату для установки модулей ввода-вывода. Контроллер устанавливается на DIN-рейку или панель, при этом не требуется никаких дополнительных конструктивных элементов, при обеспечении открытого и удобного доступа к панели управления, слотам для установки или замены модулей ввода-вывода и коммуникационным разъемам. На Рис. 4.3. сделаны следующие обзначения: 1 – процессор; 2 - память (EEPROM/Flash/SDRAM); 3 – сторожевой таймер; 4 – часы реального времени; 5 – кнопка сброса; 6 – жидкокристаллический индикатор; 7 – порт Ethernet (интерфейс); 8 – разъем питания; 9 – USB (интерфейс для подключения монитора); 10 – разъем клавиатуры (порт RS/2); 11 – разъем мыши (порт RS/2); 12 – VGA (интерфейс для подключения монитора); 13 – разъем для карты памяти (Compact Flash); 14 – 18 – слоты модулей ввода-вывода информации (ввод-вывод аналоговых сигналов; ввод-вывод дискретных сигналов; токовая петля; выходные зажимы реле; выход с открытым коллектором; датчик (частота); 19-22 последовательные порты (COM 0 – внутреннее использование; 20 – COM 1 – интерфейс локальной шины; COM 2 – интерфейс RS-232; COM 3 – интерфейс RS-485).

18
14
15
16
17
19
9
1

10
2

20
11
3

12
4

21

13
5

22
6 7

8

Рис. 4.3. Аппаратные средства промышленного контроллера Win Con-8000.
Контроллер поддерживает все модули ввода-вывода сигналов, как с параллельным, так и с последовательным интерфейсом семейства I-8000 и, кроме того, может работать с удаленными модулями ввода-вывода серии I-7000. Все модули обладают удобными съемными клеммными соединителями с винтовой фиксацией внешних проводов.
В отличие от контроллеров I-8000 контроллеры серии Win Con-8000 имеют не только интерфейсы RS-232 и RS-485, но и интерфейсы USB и Ethernet, а также интерфейсы VGA PS/2 для подключения клавиатуры, мыши и монитора. Контроллер приобрел функциональность персонального компьютера, что значительно облегчает его программирование и расширяет сферу применения. Отладку и редактирование управляющей программы можно осуществлять непосредственно на контроллере. Кроме того, за счет наличия интерфейсов клавиатуры и монитора, Win Con может совмещать в себе функции контроллера и операторской станции. Достаточно лишь установить SCADA-систему, например TRACE MODE, и контроллер может взять на себя функции современного операторского интерфейса. Контроллер имеет встроенную операционную систему Microsoft Windows CE. NET, которая характеризуется операционной системой реального времени. Интерфейс операционной системы позволяет воспользоваться любыми средствами, предназначенными для создания программы в этой среде, например Visual Basic NET, Visual C#, Embeddtl Visual C++. Контроллер имеет библиотеку программ, в которой реализованы функции работы со всеми внутренними и внешними устройствами контроллера (внутренняя шина, таймер, внешние интерфейсы, модули ввода-вывода и прочее). Имеется подробная инструкция по программированию, имеются примеры программ, написанных на различных языках программирования. Контроллер имеет слот для установки карты памяти формата Compact Flash, на которой сохраняются пользовательские программы. Это значительно упрощает работу. Пользователь может подобрать карту памяти, исходя из своих потребностей в объеме накопителя.
Конфигурация сети на базе промышленного контроллера Win Con-8000 (WinРАС) представлена на рис. 4.4.
Промышленный контроллер Winkon – 8000 (WinРАС).


Модем/радиомодем
USB RS-232


Монитор

RS-485

Модули ввода-
вывода I – 8000
Маршрутизатор
Intranet

Ethernet TSP/IP
Модули удаленного Компьютер Маршрутизатор ввода-вывода I – 7000


Internet




Компьютер

Маршрутизатор

Рис. 4.4. Конфигурация сети на базе промышленного контроллера Win Con – 8000 (WinРАС).
Кроме контроллеров с операционной системой Windows CE. NET в серию контроллеров с процессором Intel Strong ARM входят и контроллеры со встроенной операционной системой Linux – Lin Con-8000. Эта операционная система открывает новые возможности для программирования контроллеров. Появилась возможность вносить изменения непосредственно в операционную систему, что является одним из основных преимуществ операционной системы, Linux Lin Con-8000 поставляется со следующими программными пакетами:
пакет для работы с модулями ввода-вывода;
кроссплатформенный пакет для разработки программ на компьютерах с платформой Windows;
графический интерфейс Х- Windows для Linux;
библиотека Java;
поддержка Modbus TCP/IP;
программа разработки лестничных диаграмм;
встроенные серверы HTTP, FTP, Teinet, SSH, SFTP;
библиотека MySQL.
Контроллеры Win Con-8000 и Lin Con-8000 применяются для решения самых разнообразных задач автоматизации во многих отраслях промышленности. К ним можно подключить не только модули удаленного ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов, но и любые другие устройства: принтеры, модемы, POS-терминалы, другие контроллеры и компьютеры, все, что может обмениваться данными через последовательный или USB-порт. При этом система или отдельный ее сегмент могут иметь довольно сложную конфигурацию и топологию, оставаясь надежной и простой в настройке и управлении.

4.2. Процессорный модуль промышленных контроллеров.
Процессорный модуль включает (Рис. 4.5) микропроцессор, центральное процессорное устройство – ЦПУ, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), часы реального времени и сторожевой таймер.
Процессорный модуль выполняет следующие задачи:
собирает данные из модулей ввода в память и отсылает данные из памяти в модули вывода;
выполняет обмен данными с устройством для программирования контроллера;
выдает метки часов реального времени;
осуществляет обмен данными с промышленной сетью;
реализует стек протоколов промышленной сети (для этой цели могут использоваться вспомогательные коммуникационные процессоры);
выполняет начальную загрузку и исполнение операционной системы;
исполняет загрузочный модуль пользовательской программы системы автоматизации;
управляет актами обмена с памятью.
Средства программирования
Пульт оператора

Средства отображения информации
Сенсорный экран

Съемная флеш-память


Процессорный модуль

Модуль вывода
Модуль ввода

ОЗУ
ПЗУ


ЦПУ


Сторожевой таймер
Часы реального времени




Интерфейсы RS-232, RS-485, USB,
протоколы Modbus, Profibus

Рис. 4.5. Процессорный модуль промышленного контроллера.
Одной из тенденций в развитии программируемых контроллеров является использование процессорных модулей разной мощности для одного конструктива контроллера. Это позволяет получить серию контроллеров разной мощности и тем самым покрыть большой сегмент рынка, а потребитель может осуществлять модернизацию контроллера путем замены всего одного модуля.
К основным характеристикам процессорного модуля относятся:
тип операционной системы (Windows CE, Linex, DOS, OS-9, QNx и др.);
наличие исполнительной среды для стандартной системы программирования на языках МЭК 61131-3;
типы поддерживаемых интерфейсов (RS-232, RS-422, RS-485, CAN, USB, Ethernet и др.);
типы поддерживаемых сетей (Modbus RTV, Modbus TSP, Ethernet, Profibus, CANopen, Device Net и др.);
возможность подключения устройств индикации или интерфейса оператора (светодиодного или ЖКИ-индикатора, клавиатуры, мыши, дисплея с интерфейсами VGA, DVICMOS, LVDS, тренбора и др.);
разрядность 8, 16, 32 или 64 бита;
тактовая частота микропроцессора и памяти;
время выполнения команд;
объем, иерархия и тип памяти (ОЗУ, КЭШ, ПЗУ-флэш, съемная флэш и др.);
типы встроенных функций (ПИД-регулятор, счетчики, ШИМ, алгоритмы позиционирования и управления движением и др.);
бренд производителя (Intel, AMD, Atmel, RealLab и др.).
Быстродействие процессорного модуля контроллера обычно оценивают по времени выполнения логических команд, так как они наиболее распространены при реализации алгоритмов управления.
Огромное разнообразие задач, решаемых с помощью контроллеров, и сильная зависимость цены от мощности контроллера явились причиной большого разнообразия используемых в процессорных модулях микропроцессоров от простых и дешевых 8-разрядных Atmel и Microchip до самых высокопроизводительных процессоров серии Intel Pentium, включая двуядерные и четырехядерные процессоры.
Восьмиразрядные микропроцессоры пользуются большим успехом в автономных ПИД-контроллерах и микро ПЛК для несложного алгоритмического управления станками, небольшими технологическими аппаратами, в качестве межсетевых шлюзов. Их достоинством является высокая надежность, связанная с простотой программного обеспечения.
Производительность микропроцессоров с одной и той архитектурой пропорциональна тактовой частоте. Большинство контроллеров используют микропроцессоры с сокращенным набором команд (RISC), в которых используется небольшое количество команд одинаковой длины и большое количество регистров. Сокращенный набор команд позволяет строить эффективные компиляторы и конвейер процессора, способный за каждый такт выдавать результат исполнения очередной команды [76].
Для контроллеров, выполняющих интенсивную математическую обработку данных, возможно наличие математического сопроцессора (вспомогательного процессора, выполняющего операции с плавающей точкой) или сигнальных процессоров, в которых операции типа Y =AB + X выполняются за один такт. Сигнальные процессоры позволяют ускорить выполнение операций свертки или быстрого преобразования Фурье.
Основными типами памяти процессорного модуля контроллера являются: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), набор регистров. Регистры являются самыми быстродействующими элементами памяти, так как они используются арифметико-логическими устройствами (АЛУ) для исполнения элементарных команд процессора. ОЗУ используются для хранения данных, которые многократно изменяются в процессе работы контроллера, например, значения тегов, результаты промежуточных вычислений, диагностическая информация, массивы, выводимые на графики, данные для отображения на дисплее. В качестве ОЗУ современные микропроцессоры используют статическую память (SRAM) и динамическую (DRAM). SRAM выполняется на триггерах, информация в которых сохраняется неограниченно долго при наличии питания. В динамической памяти информация хранится на конденсаторах и поэтому DRAM требует периодической регенерации, перезарядки конденсаторов. Достоинством триггерной памяти является высокое быстродействие, достигающее гигагерц, память на конденсаторах не может работать на частотах выше сотен герц. Недостатком статической памяти на триггерах является высокая стоимость, связанная с низкой плотностью компоновки триггеров на кристалле и малое отношение емкости к цене. Оба типа памяти SRAM и DRAM не могут сохранять информацию при отключении питания контроллера. Обычно в контроллерах используют батарейное питание памяти для сохранения работоспособности системы автоматизации после кратковременного прерывания питания.
ПЗУ используют для хранения редко изменяемой информации, такой, как операционная система, драйверы устройств, загрузчик, исполняемый модуль программы пользователя. В качестве ПЗУ (или ROM) применяется электрически стираемая перепрограммируемая память (EEPROM). Разновидностью EEPROM является флэш-память, принцип действия которой основан на хранении заряда в конденсаторе, образованном плавающим затвором и подложкой МОП-транзистора. Особенностью флэш-памяти является ее энергонезависимость. Стирание и перезапись во флэш-памяти выполняется не отдельными ячейками, а большими блоками, поэтому она получила название, происходящее от английского «flash» - «вспышка». Недостатком всех ПЗУ является низкое быстродействие. Количество циклов записи информации во флэш-память ограничено и составляет несколько десятков тысяч раз. По конструктивному исполнению и интерфейсам флэш-память подразделяется на Compact Flash (CF), Memory Stiek, Secure Digital (SD), MuliMediaCard (MMC), RS-MMC, SmartMediaCard (SMC), USB-flash. Флэш-память может быть впаяна в печатную плату или быть сменной. Емкость памяти определяет количество переменных (тегов), которые могут быть обработаны в процессе функционирования контроллера. В микропроцессорах время доступа к памяти является одним из существенных факторов, ограничивающих быстродействие. Поэтому память делят на несколько уровней иерархии в зависимости от частоты использования хранящихся в ней данных и быстродействия. Иерархия памяти относится к существенным характеристикам архитектуры процессора, так как она позволяет снизить отрицательное влияние переменной памяти на быстродействие микропроцессора.
Моноблочные и модульные контроллеры используют очень часто параллельную шину для обмена данными с модулем ввода-вывода, что позволяет на порядок повысить быстродействие их опроса по сравнению с последовательной шиной. Параллельные шины контроллера могут быть стандартными (ISA, PC/104, PCI, Compact PCI, VMG, CXM) или частнофирменными. Последовательная шина контроллера на основе интерфейса RS-485 используется для подключения к нему удаленных (распределенных) модулей ввода-вывода.
Сторожевой таймер (Watchdog Timer-WDT) представляет собой счетчик, который считает импульсы тактового генератора и в нормальном режиме периодически сбрасывается (перезапускается) работающим процессором. Если процессор «зависает», то сигналы сброса не поступают в счетчик, он продолжает считать и при достижении некоторого порога вырабатывает сигнал «Сброс» для перезапуска «зависшего» процессора. Часы реального времени (РВ) представляют собой кварцевые часы, которые питаются от батарейки. Часы используются, когда необходима привязка данных или событий к астрономическому времени.
Программирование контроллеров малой мощности выполняется с помощью кнопок, расположенных на лицевой панели или с помощью переносного пульта для программирования. В качестве пульта в последнее время используется компьютер формата «ноутбук». Программирование мощных контроллеров выполняется с помощью персонального компьютера, на котором устанавливается специальное программное обеспечение, например TRACE MODE или ISaGRAF, выполняющее трансляцию технологического языка стандарта МЭК 61131-3 в исполнительный код процессора, который загружается в ПЗУ контроллера, например, через порт Ethernet.
Стандартными напряжениями питания контроллеров являются напряжения 12, 24 и 48 В.Источником электрической энергии является промышленная сеть 220 В, 50 Гц. В распределенных системах автоматизации источник питания может быть расположен вдали от контроллера, поэтому напряжение на клеммах контроллера или модулей ввода-вывода может сильно отличаться от напряжения источника питания вследствие падения напряжения на сопротивлении кабеля. Для решения этой задачи каждый контроллер или каждый модуль удаленного ввода снабжается встроенным стабилизатором напряжения, обеспечивающим нормальное их функционирование в диапазоне напряжений от 10 до 30 В.
4.3. Основные характеристики промышленных контроллеров.
Одним из основных характеристик промышленного контроллера является производительность, которая оценивается по следующим параметрам [72]:
- длительность контроллерного цикла. Это период считывания значений из каналов ввода, обработки в процессоре и записи в каналы вывода;
время выполнения команд, отдельно логических, с фиксированной и плавающей точкой;
пропускная способность шины между контроллером и модулями ввода-вывода;
пропускная способность промышленной сети;
время цикла опроса всех контроллеров в одномастерной сети или цикл обращения маркера для многомастерных сетей с маркером;
время реализации.
Контроллер в системах автоматизации выполняет циклический алгоритм, который включает ввод данных и размещение в ОЗУ, обработку данных и вывод. Длительность контроллерного или рабочего цикла зависит от количества модулей ввода-вывода, а также от наличия в них замаскированных входов-выходов (исключенных из процедуры обмена). При наличии интенсивной математической обработки данных (цифровая фильтрация, интерполяция или идентификация объекта управления в режиме нормального функционирования системы) длительность цикла существенно зависит от быстродействия процессорного модуля. В контроллерный цикл входит обслуживание аппаратных ресурсов контроллера, обеспечение работы системных таймеров, оперативное самотестирование, индикация состояния.
В системах с распределенными по объекту модулями ввода-вывода длительность контроллерного цикла может определяться пропускной способностью промышленной сети. Требования к длительности цикла зависят от области применения контроллера. При управлении тепловыми процессами длительность цикла может составить десятки секунд, при управлении станками миллисекунды.
Время реакции контроллера – это интервал времени от момента появления воздействия на систему со стороны модулей ввода или оператора до момента выработки соответствующей реакции. Время реакции зависит от рабочего цикла контроллера, которое в свою очередь определяется быстродействием модулей ввода вывода и производительностью процессора.
Самодиагностика контроллеров предусматривает следующие функции:
обнаружение ошибок центрального процессора;
сигнализация о срабатывании сторожевого таймера;
обнаружение отказа источника питания или батареи;
обнаружение сбоя памяти;
проверка программы пользователя;
обнаружение обрыва или короткого замыкания в цепи датчика и нагрузки;
обнаружение выхода из строя предохранителей.
Для противоаварийной защиты и сигнализации в контроллерах предусмотрена возможность резервирования отдельных частей системы: промышленной сети, процессорного модуля или контроллера, источника питания, сетевого сервера, замкнутых контуров автоматического регулирования, модулей ввода-вывода.
Горячая замена элементов системы без отключения питания достигается одновременно аппаратными и программными средствами.
Надежность контроллеров характеризуется наработкой на отказ, которая определяется как отношение суммарного времени работоспособного состояния контроллера к математическому ожиданию числа его отказов в течение этого времени (ГОСТ 27.002 – 89) или наработкой до отказа – временем от начала эксплуатации до первого отказа.
Отказоустойчивое отключение – способность контроллера переводить свои выходы в заранее определенное состояние после обнаружения снижения напряжения питания и после внутреннего отказа [76].
Холодный рестарт – повторный запуск контроллера выполняется после того, когда все динамические данные (переменные входов-выходов, состояние внутренних регистров, таймеров, счетчиков, программные контексты) были возвращены в заранее определенное состояние [72]. Холодный рестарт может быть осуществлен ручным или автоматическим способом.
Горячий рестарт – повторный запуск контроллера, который выполняется настолько быстро при исчезновения питания, что все динамические переменные не успевают изменяться, поэтому работоспособность восстанавливается так, будто питание не исчезало [76].
Теплый рестарт – повторный запуск после обнаружения неисправности питания с заранее определенным и программируемым пользователем множеством динамических данных и системным контекстом прикладной программы. Контекст – минимальный набор значений счетчика команд и других регистров, которые должны быть сохранены для продолжения выполнения задания после его прерывания. Теплый рестарт сопровождается сигнализацией состояния или эквивалентными средствами, позволяющими убедится в том, что прикладная программа зарегистрировала прекращение неисправности питания, обнаруженное конфигурацией контроллера в режиме пуска [72].
Помехоустойчивость контроллера оценивается по его соответствию комплексу стандартов по электромагнитной совместимости. Дорогие и надежные контроллеры, модули ввода-вывода, датчики могут оказаться не работоспособными, если монтаж системы автоматизации выполнен без учета требования электромагнитной совместимости и правил заземления. ГОСТ 30372 – 95/ГОСТ Р50397 – 92 дает следующее определение электромагнитной помехи: это электромагнитное явление, процесс , которые снижают или могут снизить качество функционирования технического средства. Для нормального функционирования электронных средств необходимо обеспечить электромагнитную совместимость с электромагнитной обстановкой на объекте. Под электромагнитной обстановкой понимается совокупность электромагнитных процессов в заданной области пространства, частотном и временном диапазоне. Все помехи, воздействующие на кабели, датчики, контроллеры и металлические шкафы автоматики, в большинстве случаев протекают в виде тока по заземляющим проводникам, создавая вокруг них паразитное магнитное поле и падение напряжения помехи на проводниках. Источниками и причинами помех могут быть: статическое электричество, молния, электромагнитное излучение, «шумящее оборудование», сеть питания 220 В, 50 Гц, переключаемые сетевые нагрузки, гальванические пары, термоэлектрический эффект, электролитические процессы, движение проводника в магнитном поле. В России допустимый уровень помех и устойчивость оборудования к их воздействию нормируется ГОСТ Р 51318.14.1, ГОСТ Р 51318.14.2, ГОСТ Р 51317. 3.2, ГОСТ Р 51317.3.3, ГОСТ Р 51317.4.2, ГОСТ Р 51317.4.4, ГОСТ Р 51317.4.11, ГОСТ Р 51522, ГОСТ Р 50648.
В промышленных контроллерах используют гальваническую изоляцию [77] для устранения паразитических связей по общему проводу, земле и для защиты оборудования от высоких напряжений.
Степень защиты контроллера от воздействия окружающей среды обеспечивается корпусом контроллера и классифицируется ГОСТ 14254 – 96. Расшифровка обозначений приведена в табл. 4.1.
Т а б л и ц а 4.1.
Значение цифр в обозначении IP степени защиты
Первая цифра Степень защиты Вторая цифра Степень защиты
0 Защита отсутствует 0 Защита отсутствует
1 Защита от твердых тел размером более 50 мм. 1 Защита от капель воды
2 Защита от твердых тел размером более 12 мм. 2 Защита от капель воды при наклоне до 15°3 Защита от твердых тел размером более 2,5 мм. 3 Защита от дождя
4 Защита от брызг
4 Защита от твердых тел размером более 1 мм. 5 Защита от водяных струй
5 Защита от пыли 6 Защита от волн воды
6 Пыленепроницаемость 7 Защита при погружении в воду
8 Защита при длительном погружении в воду
Для обозначения степени защиты используются две буквы «IP», за которыми следуют две цифры. Первая цифра обозначает степень защиты изделия от попадания внутрь твердых посторонних тел, вторая - степень защиты изделия от попадания воды.
При выборе контроллера желательно оценивать степень его соответствия идеологии «открытых систем», чтобы не попасть в зависимость от одного поставщика и иметь возможность модифицировать систему по мере необходимости.
4.4. Примеры промышленных контроллеров и их характеристики.
Технические параметры широкого спектра контроллеров различных производителей можно найти в электронных каталогах и Интернете. В данном случае приведены несколько примеров промышленных контроллеров различных фирм, выполненных по идеологии открытых систем.
4.4.1. Промышленный контроллер научно-исследовательской лаборатории проектирования (НИЛ АП, www Real Lab. ru)
Hа рис. 4.6. представлена архитектура промышленного контроллера NLCon – CE [72], продвигаемой Научно-исследовательской лабораторией автоматизации проектирования (НИЛ АП, www RealLab. ru). Контроллер построен на базе процессора PXA-255 фирмы Intel и работает с удаленными модулями ввода-вывода через интерфейс RS-485 по протоколу ModBus RTU, DCON. Основные отличительные характеристики контроллера:
соответствие идеологии открытых систем;
малые габаритные размеры;
мощный процессор;
большая емкость памяти;
поддержка дисплея, мыши, клавиатуры;
широкий температурный диапазон (от -25℃ или от-40℃ до+70℃).
Центральный процессор управляет ОЗУ, ЭППЗУ, ЖКИ дисплеем и внешними портами с помощью вспомогательных контроллеров ввода-вывода, исполняя ОС Windows CE и программу пользователя, написанную с помощью пакета CoDeSys.
Вспомогательный контроллер ITE 18152 управляет двумя USB портами и контроллером Realtek, который реализует стек протоколов Ethernet. Два порта RS-485 выполнены на основе контроллера Atmega 164 P с использованием двух UART процессора RXA – 255.
ЖКИ-дисплей подключается непосредственно к центральному процессору с помощью плоского кабеля через параллельный интерфейс CMOS. Мышь и клавиатура подключаются к контроллеру с помощью двух USB портов, которые могут быть использованы также для подключения съемной USB-флэш памяти.
Контроллер выполнен полностью по идеологии открытых систем. Признаками открытости являются: стандартный интерфейс RS-485; протоколы Modbus RTU и DCON; поддержка Ethernet; работа под ОС PB Windows CE; программирование на языках C++, Visual Basic, C#; программирование на пяти языках МЭК 61131-3 и с помощью CoDeSys; OPC-сервер, функционирующий в среде Windows CE; стандартная мышь и клавиатура; крепление на DIN-рейку.
ЖКИ
Дисплей CMOS


Система питания
ОЗУ
SD RAM
16/32/64 Мб

Центральный процессор
Intel Xscall
PX-255

Сторожевой таймер

ЭППЗУ
ФЛЭШ
8/16/32 Мб



Контроллер Ethernet
Realtek
RTL 81999 BL
Контроллер
ATMega 164 P

Вспомогательный контроллер ITE 1T 8152







Ethernet
USB
USB
RS-485
RS-485


Внешняя память
USB флэш
Мышь
Клавиатура

Рис. 4.6. Архитектура промышленного контроллера NLCon – CE.
Основные характеристики процессора:
32 разряда, набор команд ARM версии 5TE ISA, с ядром Intel Xscall;
суперконвейерная архитектура процессора;
тактовая частота процессора 400 МГц;
тактовая частота системной шины 100 МГц;
скоростной интерфейс с флэш-памятью;
наличие режимов пониженного потребления;
кэш-память процессора емкостью 32 Кб (данные) и 32 Кб (команды);
мини-кэш емкостью 2 Кб для обработки потока данных;
контроллер флэш-памяти с тактовой частотой шины 100 МГЦ;
сопроцессор для одновременного умножения двух 16-битных чисел с 40-битным накопителем. Соединение с центральным процессором 32-разрядной шиной;
поддержка USB v.1.1 – 2 шт.;
сторожевой таймер.
Основные характеристики контроллера:
два порта RS-485;
два портаUSB;
Ethernet 10 Base – T/100 Base – T;
встроенная флэш-память емкостью от 128 Мб до 1 Гб;
SDRAM емкостью 32/64 МБ;
LCD (ЖКИ) цветной дисплей типа TFT или STN (монохромный с пассивной матрицей на немагнитных жидких кристаллах) с портом CMOS (длина кабеля не более 30 см) с разрешением до 640 × 480 и глубиной цвета – 64 тысячи цветов для цветного режима или 256 оттенков серого для монохромного;
съемная USB флэш-память;
потребляемый ток – 600 мА;
влажность воздуха от 10 до 90 % без конденсации влаги.
Программное обеспечение. Благодаря применению операционной системы жесткого реального времени Windows CE 4.2, поддерживающей DCOM, контроллер может исполнять программы, написанные на языке C++, C#, Visual Basic с применением ОРС-сервера. Разработка программного обеспечения выполняется в среде Visual Sduolio Embedded, Visual Studio. NET. Пять языков технологического программирования МЭК 61131-3 поддерживаются с помощью системы программирования CoDeSys. Операционная система Windows CE может быть загружена из встроенной флэш-памяти, а также из Platform Builder через Ethernet-порт по протоколу FTR.
ПЛК предназначены для использования в составе промышленной сети на основе интерфейсов RS-485 или САN, которые используются для передачи сигнала в обоих направлениях по двум проводам.
Удобной особенности сети на основе стандарта RS-485 является возможность отключения любого ведомого устройства без нарушения работы всей сети. Это позволяет делать «горячую» замену неисправных устройств.
ПЛК подключается к сети непосредственно. Компьютер с портом RS-232 подключается через преобразователь интерфейса RS-232 в RS-485, (например, NL-232C). Для построения сети рекомендуется использовать экранированную витую пару проводов. ПЛК подключаются к сети с помощью клемм «DATA1+» («DATA2+», «DATA3+») и «DATA1-» («DATA2-», «DATA3-») (рис. 4.7).
Источник
питания
+ 10…+30 B
Управляющий компьютер с интерфейсом Ethernet




- VS + VS 120 Ом
Data 1 + Ethernet
Data 1 -
Cчет 1
GND 1
Data 2 + NL Con-CE
Data 2 -
Cчет 2
GND 2
Data 3 +
GND 3
(R) + VS
(B) - VS
Cброс
USB





120 Ом



SD/MMC









Data 3 -
GND 3
(R) + VS
(B) - VS
Data 3 -
GND 3
(R) + VS
(B) - VS
Data 3 -
GND 3
(R) + VS
(B) - VS



Рис. 4.7. Соединение ПЛК NL Con-CE и нескольких модулей в сеть на основе интерфейса RS-485.
Любые разрывы зависимости импеданса линии от пространственной координаты вызывают отражения и искажения сигналов. Чтобы избежать отражений на концах линии, к ним подключают согласующие резисторы (рис. 4.7). Сопротивление резисторов должно быть равно волновому сопротивлению линии передачи сигнала. Если на конце линии сосредоточено много приемников сигнала, то при выборе сопротивления согласующего резистора надо учитывать, что входные сопротивления приемников оказываются соединенными параллельно между собой и параллельно согласующему резистору. В этом случае общее сопротивление приемников сигнала и согласующего резистора должно быть равно волновому сопротивлению линии. Поэтому на рис. 4.7 сопротивление R = 120 Ом, хотя волновое сопротивление линии равно 100 Ом. Чем больше приемников сигнала на конце линии, тем больше сопротивление должен иметь терминальный резистор.
4.4.2. Промышленные контроллеры компании ICP DAS
(w.w.w. ipc 2U. ru).
Аппаратные средства и технические характеристики широко используемых промышленных контроллеров WinCon/WinPAC представлены на рис. 4.3. и в табл. 4.2 – 4.4. Производитель компания ICP DAS (Тайвань), компания поставщик «Индустриальные компьютерные системы», торговая марка ipc 2V (w.w.w. ipc 2V. ru). Серия контроллеров WinCon/WinPAC позволяет создавать любые конфигурации систем автоматизации за счет наличия вариантов компоновки с различным числом слот, Ethernet, USB, особенно с учетом серии модулей ввода-вывода I – 8000. Одна из возможных конфигураций сети на базе контроллеров WinCon – 8000 или WinPAC представлена на рис. 4.4.
Т а б л и ц а 4.2.
Промышленные контроллеры серии Win Con/ Win РАC
LP-8141-EN-G РС-совместимый промышленный контроллер PXA270 520 МГц, 48 Мб Flash, 128 Мб SRAM, 1×RS-232, 1×RS-485, 2×Ethernet, Linux 6.6.19, 1 слот расширения
LP-8441-EN-G РС-совместимый промышленный контроллер PXA 270 520 МГц, 48 Мб Flash, 128 Мб SRAM, 2×RS-232, 1×RS-485, 1×RS-232/485 2× Ethernet, Linux 6.6.19, 4 слота расширения
LP-8841-EN-G РС-совместимый промышленный контроллер PXA 270 520 МГц, 48 Мб Flash, 128 Мб SRAM, 2×RS-232, 1×RS-485, 1×RS-232/485 2× Ethernet, Linux 6.6.19, 8 слотов расширения
WP-8141-EN-G РС-совместимый промышленный контроллер PXA 270 520 МГц, 48 Мб Flash, 128 Мб SRAM, 1×RS-232, 1×RS-485, 2×Ethernet, Win CE 5.0, 1 слот расширения
WP-8146-EN-G РС-совместимый промышленный контроллер PXA 270 520 МГц, 48 Мб Flash, 128 Мб SRAM, 1×RS-232, 1×RS-485, 2×Ethernet, Win CE 5.0, 1 слот расширения, поддержка ISaGRAF, Indusoft
WP-8147-EN-G РС-совместимый промышленный контроллер PXA 270 520 МГц, 48 Мб Flash, 128 Мб SRAM, 1×RS-232, 1×RS-485, 2×Ethernet, Win CE 5.0, 1 слот расширения, поддержка ISaGRAF
WP-8149-EN-G РС-совместимый промышленный контроллер PXA 270 520 МГц, 48 Мб Flash, 128 Мб SRAM, 1×RS-232, 1×RS-485, 2×Ethernet, Win CE 5.0, 1 слот расширения, Indusoft
Продолжение табл. 4.2.
Промышленные контроллеры серии Win Con/ Win РАC
WP-8441-EN-G РС-совместимый промышленный контроллер PXA 270 520 МГц, 48 Мб Flash, 128 Мб SRAM, 2×RS-232, 1×RS-485, 1×RS-232/485, 2×Ethernet, Win CE 5.0, 4 слота расширения
WP-8441-Micro TM 256 РС-совместимый промышленный контроллер PXA 270 520 МГц, 48 Мб Flash, 128 Мб SRAM, 2×RS-232, 1×RS-485, 1×RS-232/485, 2×Ethernet, Win CE 5.0, 4 слота расширения, Micro TM 256 на 255
WP-8446-EN-G РС-совместимый промышленный контроллер PXA 270 520 МГц, 48 Мб Flash, 128 Мб SRAM, 2×RS-232, 1×RS-485, 1×RS-232/485, 2×Ethernet, Win CE 5.0, 4 слота расширения, ISaGRAF, Indusoft
WP-8447-EN-G РС-совместимый промышленный контроллер PXA 270 520 МГц, 48 Мб Flash, 128 Мб SRAM, 2×RS-232, 1×RS-485, 1×RS-232/485, 2×Ethernet, Win CE 5.0, 4 слота расширения, поддержка ISaGRAF
WP-8449-EN-G РС-совместимый промышленный контроллер PXA 270 520 МГц, 48 Мб Flash, 128 Мб SRAM, 2×RS-232, 1×RS-485, 1×RS-232/485, 2×Ethernet, Win CE 5.0, 4 слота расширения, Indusoft
WP-8841-EN-G РС-совместимый промышленный контроллер PXA 270 520 МГц, 48 Мб Flash, 128 Мб SRAM, 2×RS-232, 1×RS-485, 1×RS-232/485, 2×Ethernet, Win CE 5.0, 8 слотов расширения
WP-8841-Micro TM 256 РС-совместимый промышленный контроллер PXA 270 520 МГц, 48 Мб Flash, 128 Мб SRAM, 2×RS-232, 1×RS-485, 1×RS-232/485, 2×Ethernet, Win CE 5.0, 8 слотов расширения, Micro TM6 на 255 каналов
WP-8846-EN-G РС-совместимый промышленный контроллер PXA 270 520 МГц, 48 Мб Flash, 128 Мб SRAM, 2×RS-232, 1×RS-485, 1×RS-232/485, 2×Ethernet, Win CE 5.0, 8 слотов расширения, поддержка ISaGRAF, Indusoft
WP-8847-EN-G РС-совместимый промышленный контроллер PXA 270 520 МГц, 48 Мб Flash, 128 Мб SRAM, 2×RS-232, 1×RS-485, 1×RS-232/485, 2×Ethernet, Win CE 5.0, 8 слотов расширения, поддержка ISaGRAF
WP-8849-EN-G РС-совместимый промышленный контроллер PXA 270 520 МГц, 48 Мб Flash, 128 Мб SRAM, 2×RS-232, 1×RS-485, 1×RS-232/485, 2×Ethernet, Win CE 5.0, 8 слотов расширения, Indusoft
Т а б л и ц а 4.3.
Характеристики промышленных контроллеров серии Win Con/WinPAC
Характеристики
контроллеров WP–8141 EN-G
LP –8141 EN-G WP–8146 EN-G
WP–8147 EN-G
WP–8149 EN-G WP–8441 EN-G, WP–8441- Micro TM, WP–8446 EN-G, WP–8447 EN-G, WP–8449 EN-G,
Конструкция Пластиковый корпус
Вид монтажа Монтаж на DIN рейку. Монтаж на стене.
Процессор PXA 270
Максимальная частота процессора 520 МГц
Память Оперативная память 128 Мб
Энергонезависимая память 16 Кб.
Тип EEPROM
Электронный диск. 32 МГб. 48 Мб.
Тип Flash
Интерфейс Шина расширения: Слотов 1 4
Последовательный интерфейс: Тип RS 232, RS 485 2 × RS 232, RS 232/RS 485, RS 485
Максимальная скорость 115 200 Бит/сек.
Ethernet: Число портов 2
Стандарты 100 Base T
Разъемы RJ - 45
USB: Число портов 1
Стандарты USB 1.1
Разъемы 1 × USB Type A
Встроенные порты ввода/вывода 1 канал
USB Таймеры Часы реального времени Да
Сторожевой таймер 1,6 сек.
Кабели и разъемы Винтовые клеммы
Изоляция (Гальваническая) СОМ порты 2 500 В
Питание 3 000 В
Управление и индикация Индикаторы Светодиоды
Органы управления Кнопки управления
VGA: Максимальное разрешение 800 × 600
Интерфейс Аналоговый, VGA
Разъемы DB - 15
Питание. Напряжение питания +10…+30 B
Время наработки на отказ 70 000 ч.
Программное обеспечение Операционная система Специальная (Windows CE NET)
Системное Библиотека программирования
Условия эксплуатации Температура - 25 … + 75 ℃ Влажность 5 … 95 %Условия хранения: Температура - 40… + 85 ℃Размеры: Ширина 95 мм 231 мм
Высота/ Глубина 111 мм/132 мм
Сертификаты Разрешение Ростехнадзора РРС 00 - 14554
Т а б л и ц а 4.4.
Характеристики промышленных контроллеров серии Win Con/WinPAC
Характеристики контроллера WP–8846 EN-G , WP–8447 EN-G, WP–8149 EN-G
LP –8841 EN-G, WP–8841 Micro, WP–8841 EN-G,
Конструкция Пластиковый корпус
Вид монтажа Монтаж на DIN рейку. Монтаж на стене.
Процессор. Тип процессора PXA 270
Максимальная частота процессора 520 МГц
Память Оперативная память 128 Мб
Энергонезависимая память/ Тип 16 Кб/ EEPROM
Электронный диск / Тип 48 Мб/ Flash
Интерфейс Шина расширения: Слотов 8
Последовательный интерфейс: Тип RS 232, RS 485 2 × RS 232, RS 232/RS 485, RS 485
Максимальная скорость 115 200 Бит/сек.
Ethernet: Число портов 2
Стандарты 100 Base T
Разъемы RJ - 45
USB: Число портов 1
Стандарты USB 1.1
Разъемы 1 × USB Type A
Встроенные порты ввода/вывода. USB 1 канал
Таймеры Часы реального времени Да
Сторожевой таймер 1,6 сек.
Кабели и разъемы. Разъемы Винтовые клеммы
Изоляция. Гальваническая изоляция: СОМ порты 2 500 В
Питание 3 000 В
Управление и индикация Индикаторы Светодиоды
Органы управления Кнопки управления
VGA: Максимальное разрешение 800 × 600
Интерфейс Аналоговый, VGA
Разъемы DB - 15
Питание Напряжение питания +10…+30 B
Время наработки на отказ 70 000 ч.
Программное обеспечение Операционная система Специальная (Windows CE NET)
Системное Библиотека программирования
Условия эксплуатации Температура - 25 … + 75 ℃Влажность 5 … 95 %Условия хранения. Температура - 40… + 85 ℃Размеры и вес Ширина 355 мм
Высота 111 мм
Глубина 132 мм
Сертификаты Разрешение Ростехнадзора РРС 00 - 14554
4.4.3. Промышленные контроллеры группы компаний «Текон»
(w.w.w. tecon. ru).
Целый ряд промышленных контроллеров представлен ЗАО «Текон» и ЗАО ПК «Промконтроллер» (Табл. 4.5) [78 – 85]. Особый интерес представляет система интеллектуальных модулей «Теконик» [78, 80 – 84]. Система соответствует ГОСТ 51841 – 2001 и МЭК 61131-2 и относится к изделиям государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации и предназначена для построения распределенных автоматических и автоматизированных систем измерения, контроля, регулирования, диагностики и управления производственными процессами, технологическими линиями и агрегатами. Система легко интегрируется в локальные сети уровней LAN (Ethernet) и Fieldbus (CAN, Modbus, RS – 485 и др.) При разработке системы «Теконик» был учтен накопленный опыт применения контроллеров в отечественных условиях. Поэтому система имеет следующие преимущества:
внешние цепи подключаются к модулям ввода-вывода без дополнительных промежуточных соединителей. Для подключения входных проводов используются разъемные клеммные соединения «под винт»;
при замене модулей не требуется отсоединение подводящего кабеля. Клеммы имеют разъемные части, к которым подключаются объектные провода;
модули можно размещать ближе к объекту. Используя малоканальные модули удобно подключать различные типы входных и выходных сигналов;
конфигурация модулей может производиться как на месте, так и с использованием удаленного соединения. Для этого не требуется включать и выключать питание модулей.
В отличие от зарубежных аналогов модули имеют специальные средства защиты для применения в условиях сильных промышленных помех. Для особо ответственных систем с высоким уровнем помех и требованию по быстродействию и надежности рекомендуется применение последовательного коммуникационного интерфейса CAN (CANopen). Все модули имеют малое энергопотребление и не требуют принудительной вентиляции. Модули в стандартном исполнении предназначены для работы в температурных условиях от + 5 до + 55℃.
Система построена на основе открытой архитектуры с РС-совместимым процессорным модулем и стандартными сетями Ethernet (TCP) IP, CAN (протокол CANopen), RS-485 (протокол Т 4000, совместимый с контроллерами серии ADAM 4000 фирмы Advantech).
Т а б л и ц а 4.5.
Промышленные контроллеры группы компаний «Текон»
Контроллер МФК 3000 МФК МФК 5500 ТКМ 52 ТКМ 410 ТЕКОНИК
Процессор Geode / 300 МГц Geode / 300 МГц (БЦП2); 586/ 100/133 (БЦП) ХS XScale/
266/533 МГц 586/
100/
133 МГц 32-бит 33 МГц с RISC-архитектурой XScale/266/533 МГц (PO6) 588/100/133 МГц (PO4)
Системное ПЗУ 64 Мб 16/64 Мб 16/32Мб 16 Мб 4 Мб 16/32 Мб
Системное ОЗУ 64 Мб 16/64 Мб 32/64Мб 16 Мб 2 Мб 4/16/32/64 Мб
Энергонезависимое ОЗУ 512 Кб 512 Кб 512 Кб 512 Кб 512/1024 Мб
Количество совместимых модулей ввода-вывода 15 12 13 12 - 10
Количество модулей ввода-вывода (max) 61 16 64 4 - 250
Возможности расширения 3 крейта модули ТЕКОНИК, ТСТ11 3крейта модули ТЕКОНИК, ТСТ11 модули ТЕКОНИК, ТСТ11 Встроенный ввод 32 DI, вывод 16 DO, модули ТЕКОНИК, ТСТ 11
Горячая замена модулей есть нет нет нет нет нет
Максимальное число каналов Дискретные входы 2928 768 64 192 36 480
Дискретные выходы 1952 640 64 160 24 480
Аналоговые входы 976 256 52 64 16 240
Аналоговые выходы 488 128 6 32 2 120
Интерфейсы 2×Ethernet 10/100 BaseT, 2×RS232 (СОМ1, СОМ2) LPT1,VGA,клавиа тура 2×Ethernet 10/ 100 BaseT (БЦП), 2×RS232 (СОМ1, СОМ2) LPT1, VGA, клавиатура 2×Ethernet 10 BaseT СОМ1/ RS232 и СОМ2/ RS232 или 2×RS485 Ethernet 10BaseT СОМ1/ RS232, СОМ2 (RS232/ RS485/ VGA), LPT1 Ethernet 10 BaseT, 3×RS232, 1×RS232/ RS485,
1× RS485 PO6: 2×Ethernet 10/100 BaseT, 2 или 6 RS232/485; PO4: Ethernet 10 Ba seT, 2× RS 232 или 4×RS232 или 3×RS232/1×RS485, LPT1, VGA,клавиатура
Поддержка резервирования есть есть нет нет нет нет
Исполнение для расширенного температурного диапазона 40…55°Снет нет нет нет есть есть
Местный операторский интерфейс VO4M, VO4 VO4M, VO4, VO3 VO4 VO4, VO3 VO4M VO4M (PO 6),
VO4 (PO 4)
Система имеет проектно-компонуемую конфигурацию, т.е. процессорный модуль, модули ввода-вывода, которые поставляются в соответствии с заказанной конфигурацией. Пользователь может самостоятельно наращивать или изменять конфигурацию системы. Система может содержать один процессорный модуль, коммуникационный модуль или преобразователь интерфейсов, панель оператора VO4M/VO4, до 250 модулей ввода-вывода в произвольной конфигурации и источники питания.
Типы процессорных модулей:
модуль Р04 Т7101 (РС-совместимый, 6 исполнений);
модуль Р04М Т7102 (РС-совместимый, 6 исполнений) (предварительная информация);
модуль Р06 (15 исполнений).
Типы модулей формата РС104, предназначенные для установки в процессорные модули Р04 и Р04М:
модуль РСМ-3520/3521 (модуль видеоконтроллера для ЖК/ЭЛТ дисплеев);
Номенклатура модулей представлена в табл. 4.6.
Т а б л и ц а 4.6.
Номенклатура модулей «ТЕКОНИК»
Наименование Шифр модуля Тип Макс. количество в системе
Процессорный модуль (Блок центрального процессора) Т7101-01
Т7101-02
Т7101-04
Т7101-05
Т7101-07
Т7101-08 Р04 1
Т7102-01
Т7102-02
Т7102-04
Т7102-05
Т7102-07
Т7102-08 Р04М 1
Р06 BASE
Р06-01 COMM
Р06-02 MAX
Р06-03* BASE
Р06-04* COMM
Р06R-05 BASE DIO
Р06R-06COMM DIO
Р06R-07 MAX DIO
Р06R-08* BASE DIO
Р06R-09* COMM DIO
Р06R-10 BASE
Р06R-11 COMM
Р06R-12 MAX
Р06R-13* BASE
Р06R-14* COMM Р06 1
Продолжение табл. 4.6.
Номенклатура модулей «ТЕКОНИК»
Модуль ввода дискретных сигналов Т3702 ТСА-16 D1-24 250
Т3703 ТСА-8 D1-220 Модуль вывода дискретных сигналов Т3601-04 ТСА-8 D0-DR Т3602 ТСА-8 D0-S Т3603
Т3603-01
Т3603*
Т3603-01* ТСА-16 D0-R
ТСА-16 D0-RRC
ТСА-16 D0-R
ТСА-16 D0-RRC Модуль ввода аналоговых сигналов Т3101
Т3101-01 ТСА-8АI-20
ТСА-8АI-05 Модуль ввода аналоговых сигналов низкого уровня Т3204
Т3204-02
Т3204*
Т3204-02* ТСА-8LI-U
ТСА-8LI-TC
ТСА-8LI-U
ТСА-8LI-TC Модуль ввода аналоговых сигналов термометров сопротивления Т3205
Т3205-01
Т3205*
Т3205-01*
Т3205-02* ТСА-8LI-R3
ТСА-8LI-R4
ТСА-8LI-R3
ТСА-8LI-R4
ТСА-8LI-R4T Модуль вывода аналоговых сигналов Т3501
Т3501-02 ТСА-4АO-20
ТСА-4АO-05 Панель оператора VO4 1
Автоматический конвертор RS-232/RS-485 ТСC485А
1
Модуль связи с приборами учета Т4902 ТС-RS-COM1 12
Источник питания + 24 В DR-4524 10(30)
Примечание: Если в шифре модуля стоит символ *, то модуль работает в температурном диапазоне от -40 до + 55℃. Если символ * отсутствует, то модуль работает в температурном диапазоне от + 5 до + 55℃.
4.4.3.1. Система «Теконик» на основе процессорных модулей РО4, РО4М.
Система интеллектуальных модулей «Теконик» имеет два варианта последовательного интерфейса, объединяющего модули ввода-вывода :
Т 4000 – ASC11- протокол типа «запрос-ответ», совместимый с командами модулей ADAM 4000 фирмы Advantech;
CANopen – стандартный протокол верхнего уровня на базе широко распространенного интерфейса CAN. Сравнительные характеристики интерфейсов приведены в табл. 4.7.
Для подключения модулей ввода-вывода используется распространенная в промышленности витая пара проводников в экране с волновым сопротивлением 120 Ом. В коммуникационном интерфейсе RS-485/ASC 11 используется стандартный интерфейс RS-485, работающий в полудуплексном режиме с одной витой парой проводников в общем экране.
Т а б л и ц а 4.7.
Характеристики последовательного коммуникационного интерфейса модулей «Теконик»
Характеристика Последовательный коммуникационный протокол
Т 4000 CANopen
Протокол верхнего уровня ASC11 «запрос-ответ», совместимый по командам с серией ADAM 4000 фирмы Advantech CANopen DS 301 V4.01 разработанный независимой организацией разработчиков и производителей средств автоматизации CIA (CAN in Automation)
Электрические характеристики EIA RS-485, экранированная витая пара с волновым сопротивлением 120 Ом ISO 11898, экранированная витая пара с волновым сопротивлением 120 Ом
Скорость передачи 1,2 … 115,2 Кбит/с 10 … 1000 Кбит/с
Длина линии связи До 1200 м 25 … 5 000 м
Количество модулей в сети До 63 До 63
Количество моду- лей в сегменте До 30 модулей ввода-вывода До 63 модулей ввода-вывода
Применение Для простых систем, где не требуется высокое быстро-действие и малое время реакции Для систем реального времени с повышенным требованием по надежности, быстродействию и времени реакции
Мастер сети передает и принимает данные через стандартный СОМ-порт. В качестве мастера может использоваться модуль Т7101, Т7102, контроллер МФК, ТКМ 52 или персональный компьютер. Для преобразования сигнала требуется интеллектуальный конвертор сигнала интерфейса RS-232 в RS-485. Автоматический конвертор выполняет функцию управления переключением направления передачи и обеспечивает преобразование уровня сигнала. В качестве такового устройства применяется конвертор ТСС 485А. Конвертор может работать с модулями ввода-вывода на разных скоростях. Протокол Т 4000 построен по схеме «запрос-ответ». Мастер сети посылает команды удаленным модулям и получает от них ответ. В системе «Теконик» поддержаны основные команды ввода-вывода серии ADAM 4000 и добавлены некоторые новые команды.
Коммуникационный протокол CANopen на основе широко распространненной шине CAN, применяется в тех случаях, где необходима высокая надежность и скорость передачи сообщений в реальном времени. Сеть на основе CAN имеет хорошую перспективу благодаря следующим преимуществом:
простая двухпроводная сеть;
широкий выбор компонентов, низкая стоимость и высокое качество;
CAN стандарт ISO 11898 описывает физический и канальный уровни, что представляет хорошую основу для реализации высокотехнологичных сетевых решений;
надежность с аппаратной точки зрения решение. Более 15-и лет разработки, развития и тестирования крупнейшими производителями промышленного оборудования дают гарантии технически надежного решения;
эффективное решение в области сбора и передачи данных – короткие передаваемые сообщения, скорость передачи до 1 Мбит/с, открытый протокол, интеллектуальные контроллеры, управляющие обменом на низком уровне;
гибкие решения для конкретных систем на основе стандартизированных протоколов высокого уровня.
Стандартны CAN описывают физический и канальный уровень модели ISO/OSI. Для работы с интерфейсом CANopen процессорный модуль должен иметь коммуникационный адаптер MicroCAN. Адаптер содержит встроенный микроконтроллер, который выполняет коммуникационные и протокольные функции и освобождает вычислительные ресурсы центрального процессора. Еще одно преимущество такого решения – независимость от установленной операционной системы и освобождение пользователя от необходимости программной реализации протокола общения с модулями. Процессорный модуль является мастером в сети. Мастер следит за процессом обмена в сети, контролирует работоспособность модулей. Все сообщения в сети имеют приоритеты. Приоритет зависит от типа модуля. Наивысший приоритет имеют аварийные сообщения, управления сетью и сигналы модулей дискретного ввода.
Зависимость скорости передачи в сети от расстояния приведена в табл. 4.8.
Т а б л и ц а 4.8.
Зависимость скорости передачи от расстояния в сети CAN
Скорость обмена, Кбит/с 1 000 800 500 250 125 50 20 10
Длина линии связи, м 25 50 100 250 500 1 000 2 500 5 000
Физическая среда соответствует ISO 11898 . Сигнал передается по сбалансированной экранированной витой паре с волновым сопротивлением 120 Ом. Количество узлов в сети – 63.
Процессорный модуль PO4 T7101 системы интеллектуальных модулей «Теконик» имеет 6 исполнений, доступных для заказа. Исполнение процессорного модуля PO4 T7101 представлено в табл. 4.9.
Т а б л и ц а 4.9.
Исполнение процессорного модуля PO4 T7101.
Исполнение Тип процессорной платы VGA CAN СОМ 3 СОМ 4
PO4 T7101-01 PCM-4823 + - - -
PO4 T7101-02 PCM-4823 L + - - -
PO4 T7101-04 PCM-4823 L - - - -
PO4 T7101-05 WAFER-4821 + - + +
PO4 T7101-07 WAFER-4821 - - + +
PO4 T7101-08 WAFER-4821 c 4 Мб ОЗУ - - + +
Структура процессорного модуля PO4 T7101-01 представлена на рис. 4.8. Процессорный модуль включает следующие элементы:
процессор DX4-100 или DX 5-133;
системное ОЗУ в зависимости от установленного модуля памяти может быть 8,16 или 32 Мб;
системное ПЗУ Flash disk объемом от 4 Мб;
энергонезависимое статическое ОЗУ объемом 128, 256 или 512 Кб с питанием от резервной батарейки, установленное на модуле памяти AR-B1047;

Процессорный модуль PO4 T7101-01
Астрономический таймер
Микропроцессор DX 4-100 (DX 5-133)
Сторожевой таймер
Cистемное ОЗУ
Cистемное ПЗУ
Световая индикация
Контроллер Ethernet
Параллельный порт LPT 1
COM 3
COM 4
COM 1
COM 2
Дополнительные порты
RS-232/RS-485
RS-232
Cистемное ПЗУ
Модуль видеоконтроллера
Шина РС 104
Источник питания +24/5 В
Энергонезависимое статическое ОЗУ
Модуль Micro CAN/CANореп

Рис.4.8. Структура процессорного модуля PO4 T7101-01.
последовательные порты программно совместимые с UART 16550: COM1→ RS-232, COM2 → RS-232/RS-485 (дополнительные COM3, COM 4);
параллельный порт LPT 1: поддерживает режим SPP/EPP/ECP;
Ethernet IEE 802.3 10 Mбит: контроллер Realtek RTL 8019AS, программно совместим с NE 2000;
астрономический таймер – календарь с питанием от резервной батарейки;
сторожевой таймер Watch Dog.
Технические характеристики процессорного модуля Т7101:
электропитание от источника постоянного тока 24 В + 5/- 4 В;
потребляемая мощность не превышает 25 Вт;
масса модуля не более 1,5 Кг;
габаритные размеры 200 × 120 × 90 мм;
температура окружающего воздуха от +5 до +55 ℃;
атмосферное давление 80 – 106,7 кПа;
вибрация для частот от 5 до 9 Гц с амплитудой смещения 3,5 мм;
вибрация для частот от 9 до 150 Гц с ускорением 10 м2/с.
Последовательные интерфейсы RS-232/RS-485 представляют собой следующее. Процессорный модуль Т7101 имеет два последовательных порта (рис. 4.8.) COM1 и COM2. При применении процессорной платы WAFER добавляются порты COM3 и COM4. Порт COM1- RS-232 поддерживает работу со стандартными скоростями обмена до 115 200 бит/с. Скорость и режим устанавливаются программно.
Порт COM1 имеет стандартный разъем DB-9M и предназначен для соединения процессорного модуля с компьютером. Исходные настройки последовательного порта COM1 при работе с СПО: скорость 9600 бод, 8 бит данных без проверки четности, 1 стоп-бит. Назначение контактов вышеперечисленных разъемов указано в табл. 4.10.
Т а б л и ц а 4.10
Назначение контактов разъемов COM1, COM2/ RS-232, COM3 и COM4
Контакт разъема COM Обозначение сигнала Назначение
1 DCD Детектор несущий. Вход
2 RXD Принимаемые данные. Вход
3 TXD Передаваемые данные. Выход
4 DTR Готовность терминала. Выход
5 GND Земля
6 DSR Готовность модема. Вход
7 RTS Запрос передачи. Выход
8 CTS Сброс передачи. Вход
9 RI Индикатор звонка. Вход
Порт COM2 может работать с интерфейсами RS-232 и RS-485. Асинхронный приемо-передатчик программно совместимый с UAPT 16550, работает со скоростью до 115 200 бит/с. Скорость обмена задается программно. Выбор среды (RS-232 или RS-485) и режима передачи (дуплексный или полудуплексный) осуществляется перемычкой процессорного модуля. Для подключения внешних устройств используются разъемы типа DB-9M – «COM2/RS-232» и «COM2/RS-485». Назначение контактов разъема COM 2/RS-485 сведены в табл. 4.11.
Т а б л и ц а 4.11
Назначение контактов разъемов COM2/RS-485
Контакт разъема COM Обозначение сигнала Назначение
1 TXD – /DАТА– Инверсные передаваемые данные (*)
2 TXD + /DАТА+ Передаваемые данные (*)
3 RXD+ Принимаемые данные.
4 RXD– Инверсные принимаемые данные
5 – 9 Не используются
(*) Для полудуплексного режима работы RS-485 используются только сигналы DАТА+ (данные) и DАТА (инверсные данные).
При работе процессорного модуля с модулями ввода-вывода по интерфейсу RS-485 нужно выбрать полудуплексный режим передачи информации.
Процессорный модуль PO4 T7101 имеет последовательный интерфейс Ethernet, удовлетворяющий спецификации IEE 802.3, скорость 10 Mбит/с, программно совместим с Novell NE-2 000. Встроенный контроллер Ethernet обеспечивает выполнение сетевых алгоритмов, обнаружение коллизий и управление передачей данных. Характеристика интерфейса 10 Base-T:
сигнал передается по двум витым парам длиной до 100 метров;
топология – «точка-точка», для объединения более двух станций необходимо использовать коммутатор;
исходные установки модуля: базовый адрес в пространстве ввода-вывода контроллера; прерывание.
Необходимо выполнять рекомендации по организации сети Ethernet для промышленного применения:
при наличии помех от промышленного оборудования нельзя использовать обычные неэкранированные кабели для Ethernet. Следует применять кабели с 2 или 4 витыми парами в общем экране. Экран кабеля заземляется в одной точке. Длина сегмента не должна превышать 100 метров;
при соединении более двух устройств с интерфейсом Ethernet необходимо использовать концентратор (hub) или коммутатор (switch). Использование концентратора оправдано при малом числе устройств (3-4). При большем числе устройств необходим коммутатор, иначе время отклика и загрузки сети может сильно возрасти, что приведет к нарушению работы сети;
при соединении контроллера с коммутатором или концентратором кабель изготавливается согласно спецификации Ethernet. Если соединяются только два устройства, то их можно соединить непосредственно без коммутатора или концентратора. Для этого необходимо применить перекрещенный кабель;
ЗАО «Теконик» рекомендует использовать коммутаторы для построения локальной сети вместо концентраторов. Это позволит снизить задержки в сети, повысить надежность доставки сообщений.
Назначение контактов разъема Ethernet типа RJ-45, установленного на лицевой стороне модуля приведено в табл. 4.12.
Т а б л и ц а 4.12
Назначение контактов разъема Ethernet
Контакт разъема LAN Обозначение сигнала Назначение
1 TD + Передаваемые данные, «плюс»
2 TD – Передаваемые данные, «минус»
3 RD+ Принимаемые данные, «плюс»
4-5 – Не подключен
6 RD– Принимаемые данные, «минус»
7-8 – Не подключен
Процессорный модуль имеет двунаправленный параллельный принтерный порт LPT1. К этому порту можно подключить печатающее устройство или устройство резервного копирования. Исходные настройки параллельного порта: базовый адрес, запрос на прерывание, режим работы – ECP/EPP. Назначение контактов разъема приведено в табл. 4.13.
Для повышения надежности работы программного обеспечения процессорный модуль T7101 имеет таймер аппаратного сброса Watch Dog.
Внутри процессорного модуля T7101 на шину РС 104 утанавливаются следующие модули формата РС 104:
модуль питания;
модуль видеоконтроллера для ЖК/ЭЛТ дисплеев – РСМ 3520/3521;
модуль статического ОЗУ 128/512К – AR – B1047;
модуль microCAN (CANopen).
Модуль питания имеет следующие характеристики: входное напряжение – постоянное от 12 до 30 В; выходное напряжение - постоянное – 5 В, ток 3 А; выходная мощность 15 Вт; КПД – более 80%; защита от перенапряжения и короткого замыкания.
Т а б л и ц а 4.13
Назначение контактов разъема LTP1
Контакт разъема LTP1 Обозначение сигнала Назначение
1 STB Выход
2 DАТА0 Вход/выход
3 DАТА1 Вход/выход
4 DАТА2 Вход/выход
5 DАТА3 Вход/выход
6 DАТА4 Вход/выход
7 DАТА5 Вход/выход
8 DАТА6 Вход/выход
9 DАТА7 Вход/выход
10 ACK Выход
11 BUSY Вход
12 PE Вход
13 SLCT Вход
14 AFD Выход
15 ERR Вход
16 INIT Выход
17 SLIN Выход
18-25 GND Земля
Модуль РСМ 3520/3521 поддерживает широкую номенклатуру плоскопанельных дисплеев и традиционных аналоговых ЭЛТ - дисплеев в режиме высокого разрешения, 800×600 точек с 256 цветами.
Модуль AR – B1047 является твердотельным диском, который эмулирует работу двух НЖМД: объем памяти SRAM -128/256/512 Кб; программная и аппаратная защита от записи; поддерживает различные комбинации логических дисков А:В:С: или D; занимает только 16 Кб адреса пространства памяти и 2 адреса в адресном пространстве ввода-вывода; литиевая батарейка емкостью 400 мА для SRAM. Имеется разъем для подключения внешней батарейки.
Модуль microCAN предназначен для построения высоконадежной промышленной сети с протоколом CANopen. МicroCAN обеспечивает выполнение сетевых алгоритмов, прием и передачу данных. Модуль выполняет функции независимо от программного процессора и может быть как ведущим узлом (master), так и ведомым (slave) сети CANopen. Основные характеристики интерфейса CANopen: топология – шина; скорость обмена – 10 … 1000 кбит/с; расстояние без ретранслятора до 5 км; количество узлов сети без ретрансляторов – до 63; линия связи - экранированная витая пара (ISO11898); гальваническая развязка интерфейса – 500 В. Исходные установки модуля: базовый адрес в пространстве ввода-вывода; установленные прерывания отсутствуют; скорость обмена в сети – 500 кбит/с.
Второй вариант процессорного модуля системы интеллектуальных модулей PO4М T7102 имеет 6 исполнений (табл. 4.14).
Структура процессорного модуля PO4М T7102 представлена на рис. 4.9. Технические характеристики модуля идентичны процессорному модулю PO4 T7101. Он отличается от модуля PO4 T7101 наличием модуля ТСС104 со встроенным автоматическим конвертором RS-485, подключенным к последовательному порту COM2. Процессорный модуль имеет два разъема для непосредственного подключения сети RS-485. Оба разъема идентичны.
Т а б л и ц а 4.14.
Исполнения процессорного модуля PO4М T7102.
Исполнение Тип процессорной платы VGA COM 3 COM 4
PO4М T7102-01 PCM-4823 + - -
PO4М T7102-02 PCM-4823L + - -
PO4М T7102-04 PCM-4823L - - -
PO4М T7102-05 WAFER-4821 + + +
PO4М T7102-07 WAFER-4821 - + +
PO4М T7102-08 WAFER-4821 c 4 - + +
Подключать сеть можно к любому сегменту RS-485А или RS-485В. Каждый сегмент имеет собственный шинный формирователь, к каждому сегменту можно подключать до 32 устройств. Обмен в сети производится параллельно. Данные одного сегмента транслируются без искажений в другой сегмент и все сообщения в сети доступны всем участникам обмена вне зависимости от того, подключены они к одному или разным сегментам. Данную возможность можно использовать для трансляции сигнала.
В табл. 4.15 приведено назначение контактов разъемов последовательного порта COM2 RS-485.
Т а б л и ц а 4.15
Назначение контактов разъема COM2 RS-485.
Контакт разъема COM2 RS-485. Обозначение сигнала Назначение
1 D – Данные отрицательной полярности
2 SHIELD Экран линии передачи
3 D+ Данные положительной полярности
Скорость обмена одновременно для двух сегментов задается с помощью DIP-переключателя, расположенного на передней панели процессорного модуля. Для согласования волнового сопротивления линии связи с помощью второго DIP-переключателя подключают терминирующие резисторы 120 Ом. Модуль TCC 104 имеет две функциональные части: импульсный источник питания 24/5 В; автоматический конвертор RS-232/ RS-485. Модуль выполнен в формате РC 104 и всегда устанавливается на внутреннюю шину модуля PO4М T7102. Источник питания модуля TCC 104 имеет следующие характеристики: входное напряжение – постоянное от 12 до 30 В; выходное напряжение – постоянное 5 В, ток 3 А; выходная мощность 15 ВТ; КПД – более 80%; защита от перенапряжения и короткого замыкания.

Процессорный модуль PO4 T7102
Астрономический таймер
Микропроцессор DX 4-100 (DX 5-133)

Модуль
TCC 104

Импульсный источник питания +24/5 В
Автоматический конвертор RS-232/ RS-485
Сторожевой таймер Watch Dog
Cистемное ОЗУ

Cистемное ПЗУ

Световая индикация

DIP-переключатели терминирующих резисторов RS-485

DIP-переключатели скорости обмена по сети RS-485

Контроллер Ethernet

Последовательные порты

Параллельный порт LPT 1

COM 3
(VGA)
RS-485В
RS-485А
RS-232

COM 2
COM 1

Рис.4.9. Структура процессорного модуля PO4М T7102.
Автоматический конвертор RS-232/RS-485 имеет следующие характеристики:
два отдельных сегмента RS-485 с автоматическим переключателем направления передачи;
полное соответствие электрических характеристик каналов интерфейса EIA/TIA-232E, CCITTV.28, EIA Standards RS-485 и RS-422;
топология сети типа «многоточка» с возможностью подключения ретрансляторов;
возможность ретрансляции из одного сегмента RS-485 в другой;
нагрузочная способность интерфейса RS-485 – 32 приемо-передатчика (в каждом сегменте);
максимальная длина линии связи RS-485 – 120 м;
максимальная скорость передачи данных – 115 кбит/с;
тип линии связи RS-485 – одна или две экранированные витые пары с волновым сопротивлением 120 Ом;
гальваническая изоляция между интерфейсами – 1500 В;
встраиваемые отключаемые терминирующие резисторы.
Программное обеспечение процессорных модулей PO4 T7101 и PO4М T7102 включает:
СПО Теcon TRAGE MODE, которое может установлено на любое исполнение процессорных модулей;
СПО TENIX , которое может установлено на исполнительные модули PO4 T7101-01, 02, 04 с процессорной платой PO4М T7102-01, 02, 04 с процессорной платой РСМ-4823L.
В состав системы интеллектуальных модулей «Теконик» входит панель оператора VO4, предназначенная для организации отображения технической информации и взаимодействия с оператором технологических процессов. Панель оператора применяется как самостоятельное изделие, так и в составе контроллеров ТКМ 52, МКФ и системы «Теконик» различных модификаций. Для подключения к ним в VO4 имеется несколько интерфейсов:
интерфейс RS-232, протокол VO3 ТТY или ADAM-совместимый Т4000;
интерфейс RS-485, протокол ADAM-совместимый Т4000;
внутренний интерфейс контроллера ТКМ 52.
По следующему заказу возможна установка CAN – интерфейса (протокол CANopen) и специализированного интерфейса для модулей расширения. Наличие процессора и дисплея в составе VO4 представляет возможность разработки программного обеспечения для вывода графики, трендов, гистограмм. Кроме того возможно предварительное программирование и хранение экранов событий, что значительно упрощает и повышает скорость вывода информации в системе. Структурная схема панели оператора VO4 представлена на рис. 4.10.
В любое исполнение входят следующие узлы:
микроконтроллер с генератором тактовых импульсов и схемой сброса;
клавиатура, обеспечивающая ввод оператором информации;
графический дисплей с подсветкой, отражающий информацию для оператора;
сторожевой таймер, защищающий микроконтроллер от возможных зависаний при сбоях;
звуковой излучатель для генерации акустических сигналов;
схема управления контрастностью ЖКИ.
Схема управления контрастностью ЖКИ
ЖК-дисплей
Звуковой излучатель
Клавиатура

Преоборазователь 24 В/5 В
Внутренний интерфейс ТКМ 52
CAN -интерфейс
Интерфейс
RS-485
Интерфейс RS-232
Интерфейс модулей расширения
Дискретные входы
Микроконтроллер

Генератор тактовых импульсов

Сторожевой таймер и схема сброса

Дискретные выходы


Рис. 4.10. Структурная схема панели оператора VO4.
Узлы, наличие которых зависит от исполнения, на схеме выделены
штрихами:
интерфейс RS-485, используется для подключения к системе «Теконик» или аналогичной;
интерфейс RS-232, используется для подключения к системе «Теконик» (протокол Т 4000), к контроллерам ТКМ и МФК;
дискретные входы и выходы (8 входов и 8 выходов), используются для ввода и вывода дискретных сигналов;
интерфейс модулей расширения, используется для подключения к VO4 специализированных модулей расширения дискретного и аналогового ввода-вывода;
внутренний параллельный интерфейс контроллера ТКМ, используется для подключения к внутренней шине контроллера ТКМ 52;
CAN –интерфейс;
встроенный преобразователь напряжения 24 В/5 В, используется в тех случаях, когда невозможно подвести напряжение 5 В непосредственно от источника питания управляемого контроллера.
В качестве микроконтроллера используется однокристальная микро-ЭВМ МВ90А588РF фирмы Fujtsu с характеристиками: разрядность – 16 бит; тактовая частота – 14,7 МГц; объем встроенной Flash –памяти – 128 кб; объем оперативной памяти – 4 кб.
Микроконтроллер защищен от зависания внешним сторожевым таймером Watch Dog с периодом срабатывания 0,6 с. Схема мониторинга напряжения питания обеспечивает выработку сигнала «RESET» для процессора при понижении напряжения ниже 4,5 В.
В панели оператора применен графический дисплей (прямоугольное поле точек) на жидких кристаллах:
разрешающая способность по вертикали – 64 точки, по горизонтали – 128 точек;
видимый размер поля: по вертикали – 33 мм, по горизонтали 66 мм;
цвет свечения – черные символы на желто-зеленом фоне;
размер точки – 0,48 мм;
подсветка дисплея – светодиодная. В SETUP имеется возможность отключения подсветки для работы в режиме малого энергопотребления;
контрастность дисплея – регулируемая, в панели реализована автоматическая коррекция контрастности в соответствии с изменениями температуры окружающей среды.
Клавиатура имеет 29 клавиш (матрица 5×6); 8 контекстно-зависимых функциональных клавиш; коды клавиш могут задаваться пользователем в SETUP; расположение функциональных клавиш таково, что каждый из них можно однозначно сопоставить прилегающий участок дисплея. В меню пользователя размещается короткий текст (например: «да», «нет», «вкл.», «сеть») или графическая циклограмма соответствующего значения. Нажатие оператором кнопки будет интерпретироваться как выбор одного из предлагаемых вариантов ответа; имеется опрос текущего состояния клавиш; ощущение нажатия – тактильное.
Звуковой излучатель формирует звуковой сигнал при получении соответствующей команды и при нажатии клавиш (функция включается в SETUP). Частота звучания 1 000 Гц.
Интерфейс RS-485 представляет асинхронный последовательный канал (полудуплекс) с характеристиками:
тип протокола – Т 4 000, команды, передаваемые в АSС11-символах, совместимые с серией модулей ввода-вывода ADAM 4 000 фирмы Advantech;
поддерживать скорости передачи: 1 200, 2 400, 4 800, 9 600, 19 200, 38 400, 57 600, 115 200 бит/с;
данные – 8 бит;
бит четности – отсутствует;
размер буфера ввода, из контроллера в терминал – 160 символов;
размер буфера вывода, из терминала в контроллер – 16 символов;
исполнительное напряжение гальванической развязки между сигналами интерфейса RS-485 и «землей» источника питания – 500 В.
Характеристика интерфейса RS-232:
тип протокола - Т 4 000 или эмуляция работы терминала аналогично VO3. Тип протокола задается в программе SETUP;
скорость передачи: 1 200, 2 400, 4 800, 9 600, 19 200, 38 400, 57 600, 115 200 бит/с;
данные – 8 бит;
бит четности – отсутствует;
стоповых бит – 1;
размер буфера ввода, из контроллера на терминал – 160 символов;
размер буфера вывода, из терминала в контроллер – 16 символов;
Интерфейс RS-232 используется также для программирования внутренней Flash –памяти контроллера.
Интерфейс дискретного ввода панели оператора VO4 имеет:
число каналов дискретного ввода – 8;
способ подключения – «общий минус»;
гальваническая развязка – отсутствует;
допустимый диапазон напряжений на контактах входов, относительно потенциала контакта «ОВ» разъема питания, 0 … 48;
тип входа – стабилизатор втекающего тока. Величина входного тока: 8 ± 2 мА для напряжений от 15 В до 48 В; 0 … 10 мА для напряжений ниже 15В;
уровень логического «0» - от 0 до 5 В;
уровень логической «1» - от 15В до 48 В;
Интерфейс дискретного вывода панели оператора VO4 имеет:
число каналов дискретного вывода – 8;
способ подключения «общий минус»;
гальваническая развязка – отсутствует;
допустимый диапазон напряжений на контактах выходов, относительно потенциала контакта «ОВ» разъема питания, 0 … 30;
тип выхода – открытый коллектор с токоограничительным резистором 1,2 кОм;
величина выходного тока при открытом выходном транзисторе и напряжении на выходном контакте 24 В не более 5 мкА;
имеется защита от подачи на выход напряжения обратной полярности.
Интерфейс модулей расширения панели оператора VO4 имеет:
разрядность шины данных – 8 бит;
число универсальных линий ввода-вывода без шины данных – 21;
напряжение питания модулей расширения, 5 В ± 5%;
максимально допустимое значение суммарного тока потребления модулей расширения – 1,0 А.
Внутренний параллельный интерфейс контроллера ТКМ 52 предназначен для обмена с центральным процессором контроллера по внутренней шине контроллера с использованием специализированного протокола. Интерфейс имеет характеристики: размер буфера ввода из контроллера в панель – 160 символов; размер буфера вывода из панели в контроллер – 16 символов.
Общие технические характеристики панели оператора VO4:
номинальное стабилизированное напряжение питания – 24 В;
допустимый диапазон изменений напряжения питания – от 8 до 30 В;
ток потребления при номинальной величине напряжения питания + 24 В без учета потребления внешних дискретных цепей и модулей расширения: при выключенной подсветке – не более 0,07А, при включенной подсветке – не более 0,2 А;
имеется защита от подачи напряжения обратной полярности по цепям питания. Тип защиты самовосстанавливающийся предохранитель с диодом, включенным параллельно питаемой цепи в обратной полярности. Предохранитель на ток 0,65 А;
температура окружающего воздуха от +5 до +55℃;
относительная влажность окружающего воздуха от 40% до 90% при температуре +35℃ без конденсата влаги;
атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа;
вибрация с частотой до 60 Гц с амплитудой не более 0,1 мм;
степень защиты оболочки – IP20, лицевой панели - IP65;
испытательное напряжение гальванической развязки корпуса от «минуса» источника питания – 500 В;
габаритные размеры – 180 × 105 × 44 мм;
вес не более 600 г.
Обозначения контактов разъемов для подключения к панели VO4 интерфейсов RS-232, RS-485, CAN и дискретных входов-выходов представлены в табл. 4.16 – 4.19.
Т а б л и ц а 4.16
Обозначение контактов разъема ХР17 интерфейса RS-232.
Контакт разъема Обозначение сигнала для RS-232 Назначение
1 DCD Несущая частота обнаружена
2 RXD Принимаемые модулем данные
3 TXD Передаваемые модулем данные
4 DTR Готовность модуля к работе
5 GND Общий провод
6 DSR Готовность модема или прибора к работе
7 RTS Запрос модуля на передачу
8 CTS Готовность модема или прибора к приему
9 RI Индикатор вызова модема
Т а б л и ц а 4.17
Обозначение контактов разъема ХР10
Контакт разъема Обозначение сигнала Назначение
1-2 - 24 В Напряжение питания для датчиков типа «сухой контакт»
3 D11 Канал ввода дискретных сигналов D11
4 D12 Канал ввода дискретных сигналов D12
5 D13 Канал ввода дискретных сигналов D13
6 D14 Канал ввода дискретных сигналов D14
7 D15 Канал ввода дискретных сигналов D15
8 D16 Канал ввода дискретных сигналов D16
9 D17 Канал ввода дискретных сигналов D17
10 D18 Канал ввода дискретных сигналов D18
11 - 24 В Напряжение питания для датчиков типа «сухой контакт»
12 GND Общий провод
Т а б л и ц а 4.18
Обозначение контактов разъема ХР19
Контакт разъема Обозначение сигнала Назначение
1-2 - 24 В Напряжение питания для нагрузки
3 DO1 Канал вывода дискретных сигналов DО1
4 DO2 Канал вывода дискретных сигналов DО2
5 DO3 Канал вывода дискретных сигналов DО3
6 DO4 Канал вывода дискретных сигналов DО4
7 DO5 Канал вывода дискретных сигналов DО5
8 DO6 Канал вывода дискретных сигналов DО6
9 DO7 Канал вывода дискретных сигналов DО7
10 DO8 Канал вывода дискретных сигналов DО8
11 - 24 В Напряжение питания для нагрузки
12 GND Общий провод
Т а б л и ц а 4.19
Назначение контактов разъема ХР13 интерфейса CAN.
Контакт разъема Обозначение сигнала Назначение
1 CL CAN Данные отрицательной полярности
2 SH Экран линии передачи
3 CH Данные положительной полярности
Т а б л и ц а 4.20
Назначение контактов разъема ХР16 интерфейса RS-485.
Контакт разъема Обозначение сигнала Назначение
1 D - RS-485 Данные отрицательной полярности
2 SH Экран линии передачи
3 D + Данные положительной полярности
Конфигурация системы «Теконик» под управлением процессорного модуля PO4 T7101 представлена на рис. 4.11.
Процессорный модуль PO4 T7101
Панель оператора

RS-232/ RS-485
RS-485
RS-232

RS-232
RS-485
COM 2
COM 1



RS 485




Модули дискретного вывода


Модули дискрет-
ного
ввода

Модули аналогового ввода

Модуль аналогового вывода
T3101 T3101-01
T3204 T3204-02
T3205 T3205-01
T3205-02
T3603 T3603-01
T3602
T3601-04
T3703
T3702
T3501 T3501-02


T4902





Модуль связи с приборами
учета



Рис. 4.11. Конфигурация системы интеллектуальных модулей «Теконик» под управлением процессорного модуля PO4 T7101.
Интеллектуальные модули «Теконик» нашли широкое применение в распределенных системах управления АСУ ТП, в которых на нижнем уровне модули «Теконик» взаимодействуют через модули ввода-вывода информации с датчиками и исполнительными устройствами и через интерфейс RS 485 с процессорным модулем системы «Теконик».
Связь с первым уровнем на основе многофункционального контроллера МФК осуществляется через последовательный интерфейс Ethernet (10 Ваse-T). Панель оператора VO4 подключена к контроллеру МФК (рис. 4.12.)
Многофункциональный контроллер
(МФК)
Панель оператора

RS-232/ RS-485
RS-485

Ethernet
COM 2
RS-232



Процессорный модуль интеллектуальной системы «Теконик»

RS-232/ RS-485
RS-485

COM 2
Ethernet


RS 485




Модули дискретного вывода


Модули дискрет-
ного
ввода

Модули аналогового ввода

Модуль аналогового вывода
T3101 T3101-01
T3204 T3204-02
T3205 T3205-01
T3205-02
T3603 T3603-01
T3602
T3601-04
T3703
T3702
T3501 T3501-02







T4902
Модуль связи с приборами
учета



Рис. 4.12. Конфигурация распределенной системы управления на основе интеллектуальных модулей «Теконик» под управлением многофункционального контроллера МФК.
4.4.3.2. Система «Теконик» на основе процессорных модулей РО6, РО6 DIO.
Cистема имеет проектно-компонуемую конфигурацию, т.е. процессорный модуль и модули ввода-вывода, которые поставляются в соответствии с заказанной конфигурацией. Пользователь может самостоятельно наращивать или изменять конфигурацию системы.
Система может содержать процессорные модули, панели оператора VO4/ VO4М, модули ввода-вывода в произвольной конфигурации и источники питания. При использовании исполнений процессорного модуля РО6 DIO (со встроенными каналами дискретного ввода-вывода) применяются также клеммные соединители серии ТСС и умощнители серии ТСВ. Таблицы 4.21 – 4.23 содержат информацию о номенклатуре модулей.
Примечание – символ (*) в конце наименования означает, что модуль имеет влагозащитное покрытие и предназначен для работы в температурном диапазоне от -40 до + 55℃. При заказе модулей без влагозащитного покрытия и предназначенных для работы в температурном диапазоне от +5 до + 55℃. символ (*) в конце наименования не ставится.
Т а б л и ц а 4. 21.
Базовые конфигурации РО6
Наименование Частота CPU,МГц Flash/ SDRAM,Мб COM3 COM4 COM5 COM6 Резервиро-вание Рабочий диапазон температур, ℃, влагозащита Встроенный ввод-вывод
PO6R-13 BASE 266 16/32 - + + 5 … + 55, нет -
PO6R-13* BASE 266 16/32 - + - 40 … + 55, есть -
PO6R-08 BASE DIO 266 16/32 - + + 5 … + 55, нет 32DI/16DO
PO6R-08* BASE DIO 266 16/32 - + - 40 … + 55, есть 32DI/16DO
PO6R-14 COMM 266 16/32 + + + 5 … + 55, нет -
PO6R-14* COMM 266 16/32 + + - 40 … + 55, есть -
PO6R-09 COMM DIO 266 16/32 + + + 5 … + 55, нет 32DI/16DO
PO6R-09* COMM DIO 266 16/32 + + - 40 … + 55, есть 32DI/16DO
PO6R-12 MAX 533 32/64 + + + 5 … + 55, нет -
PO6R-07 MAX DIO 533 32/64 + + + 5 … 5+ 5, нет 32DI/16DO
Модуль процессорный РО6 применяется в качестве универсального программируемого процессорного устройства для построения АСУ ТП, а также АСУ ТП на базе модулей ТЕКОНИК (в качестве центрального вычислительного модуля). На его базе можно строить управляющие и информационные системы автоматизации технологических процессов малого и среднего (по числу входов-выходов) уровня сложности с широким динамическим диапазоном изменения технологических параметров, а также отдельные подсистемы сложных АСУ ТП.
Процессорный модуль используется для сбора, обработки информации и управления объектами в схемах автономного управления или в составе распределенной системы управления на основе локальных сетей уровней LAN и Fieldbus. Конструкция процессорного модуля позволяет встраивать его в стандартные монтажные шкафы или другое монтажное оборудование, которое защищает от внешней среды, обеспечивает подвод сигнальных проводов и ограничивает доступ к устройству.
Процессорный модуль РО6 является устройством, конфигурация которого определяется при заказе. Основные преимущества процессорного модуля РО6:
мощный 32-разрядный RISC-процессор;
низкое энергопотребление и рассеиваемая мощность;
большое количество исполнений позволяет выбрать оптимальную конфигурацию для конкретного применения;
высокая надежность за счет применения современной элементной базы, развитой аппаратной и программной системы диагностики, применения передовой технологии изготовления;
большие коммуникационные возможности;
исполнения со встроенными каналами ввода-вывода.
Т а б л и ц а 4. 22.
Специальные конфигурации РО6
Наименование Частота CPU,МГц Flash/ SDRAM,Мб COM3 COM4 COM5 COM6 Резервиро-вание Рабочий диапазон температур,
℃, влагозащита
Встроенный ввод-вывод
PO6 BASE 266 16/32 - - + 5 … + 55, нет -
PO6-03 BASE 266 16/32 - - + 5 … + 55, нет -
PO6-03(*) BASE 266 16/32 - - - 40 … + 55, есть -
PO6R-10 BASE 266 16/32 - + + 5 … + 55, нет -
PO6R-05 BASE DIO 266 16/32 - + + 5 … + 55, нет 32DI/16DO
PO6-01 COMM 266 16/32 + - + 5 … + 55, нет -
PO6-04 COMM 266 16/32 + - + 5 … + 55, нет -
PO6-04* COMM 266 16/32 + - - 40 … + 55, есть -
PO6R-11 COMM 266 16/32 + + + 5 … + 55, нет -
PO6R-06 COMM DIO 266 16/32 + + + 5 … + 55, нет 32DI/16DO
PO6-02 MAX 533 32/64 + - + 5 … 5+ 5, нет -
Т а б л и ц а 4. 23.
Номенклатура модулей ввода-вывода Теконик
Наименование Исполнение Рабочий диапазон температур, ℃, влагозащита Гальваническая развязка RS-485
Т3702*
Модуль ввода дискретных сигналов, 24 В, 16 каналов Т3702* - 40 … + 55, есть есть
Т3702-01*
нет
Т3703*
Модуль ввода дискретных сигналов, 220 В, 8 каналов Т3703* - 40 … + 55, есть есть
Т3703-01*
нет
Т3601*
Модуль вывода дискретных сигналов, 220 В, 8 каналов (электромеханическое реле) Т3601-04*
- 40 … + 55, есть есть
Т3601 -05* нет
Т3602*
Модуль вывода дискретных сигналов, 220 В, 8 каналов (симисторы) Т3602* - 40 … + 55, есть есть
Т3602-01* нет
Т3603*
Модуль вывода дискретных сигналов, 24 В, 16 каналов (герконовое реле) Т3603-02
- 40 … + 55, есть есть
Т3603-03* нет
Т3604*
Модуль вывода дискретных сигналов, 24 В, 12 каналов (оптореле) Т3604* - 40 … + 55, есть есть
Т3604-01* нет
Т3101*
Модуль ввода аналоговых сигналов, 0…5 мА,
0 … 20 мА, 4…20 мА, 0…10 В, 8 каналов, групповая развязка Т3101-02*
- 40 … + 55, есть есть
Т3101-03*
нет
Т3102*
Модуль ввода аналоговых сигналов, 0…5 мА,
0 … 20 мА, 4…20 мА, 0…10 В, 6 каналов, индивидуальная развязка Т3102* - 40 … + 55, есть есть
Т3102-01* нет
Т3204*
Модуль ввода аналоговых сигналов низкого уровня, групповая развязка Т3204* - 40 … + 55, есть есть
Т3204-02* есть
Т3205*
Модуль ввода аналоговых сигналов термопреобразователей, групповая развязка Т3205* - 40 … + 55, есть есть
Т3205-01* есть
Т3205-02* есть
Т3501*
Модуль вывода аналоговых сигналов, 0…5 мА,
0 … 20 мА, 4…20 мА, индивидуальная развязка Т3501-03* - 40 … + 55, есть есть
Т3501-04* есть
Т3501-05* нет
Т3501-06* нет
Основные области применения процессорного модуля РО6:
системы управления центральными тепловыми пунктами (ЦТП) и другими объектами теплоэнергетики;
устройства сбора, архивирования, обработки и передачи данных (УСПД) в системах технологического и коммерческого учета энергоресурсов;
системы защит и блокировок;
системы мониторинга удаленных объектов, в том числе необслуживаемых, передачей данных по выделенным или коммутируемым каналам, радиоканалам, в сотовых сетях GCM/GPRS;
АСУ ТП малой и средней сложности предприятий с непрерывными или дискретными технологическими процессами различных отраслей (энергетические, химические, нефте- и газодобывающие, машиностроительные, сельскохозяйственные, пищевые производства, производство стройматериалов, предприятия коммунального хозяйства и т.п.);
управление механизмами, агрегатами, линиями и т.п. как автономно, так и в составе распределенных АСУ ТП.
Процессорный модуль предназначен для работы:
как автономное устройство управления небольшими объектами;
как терминал связи с объектом в составе распределенных и территориально удаленных систем управления и мониторинга;
одновременно как локальное устройство управления и как удаленный терминал связи с объектом в составе сложных распределенных систем управления (смешанный режим).
Задачи, решаемые процессорным модулем:
сбор информации с различного вида устройств с последовательным интерфейсом, тепловычислителей, электросчетчиков, газосчетчиков, водосчетчиков;
прием сигналов от дискретных, частотных или числоимпульсных датчиков и выдача управляющих воздействий на исполнительные органы различных типов;
контроль технологических параметров и аварийная защита многофункционального оборудования;
регулирование параметров по различным законам;
логическое и программно-логическое управление технологическими агрегатами, автоматическое включение и выключение многофункционального оборудования;
задачи контроля управления и логического состояния оборудования, функции аварийных защит и блокировок;
математическая обработка информации по различным алгоритмам;
регистрация и архивирование параметров технологических процессов;
обмен данными в распределенных системах, обмен данными с программируемыми контроллерами, работа с интеллектуальными датчиками;
обслуживание оператора-технолога, прием и исполнение команд, аварийная, предупредительная и рабочая сигнализации, индикация значений прямых и косвенных параметров, передача значений параметров и различных сообщений на панель оператора и в SCADA-систему верхнего уровня.
Процессорный модуль РО6 имеет следующие характеристики:
центральный процессор – INTEL XScale IXP420 266/533 MГц;
системное ОЗУ SDRAM PC 133 МГц – 32/64 Мбайт;
Flash-память для хранения СПО и прикладных программ – 16/32 Мбайт;
энергонезависимое статическое ОЗУ – 1 Мбайт с питанием от резервной батареи;
астрономический таймер-календарь, питание от резервной батареи;
сторожевой таймер Watch Dog;
два последовательных интерфейса Ethernet IEEE 802/3 10/100 Мбит;
два или шесть последовательных интерфейсов UART: COM1, COM2 или COM1… COM6;
схема контроля напряжения питания и разряда резервной батареи;
перемычки и светодиодные индикаторы конфигурации и состояния.
Электропитание процессорного модуля РО6 осуществляется от источника постоянного тока номинальным напряжением 24 В, допустимый входной диапазон напряжения питания – 15 … 30 В.
Максимальная потребляемая мощность модуля не превышает 4,5 или 8,5 Вт в зависимости от исполнения.
Табл. 4.24. содержит информацию о назначении контактов разъема питания ХР1, типа 2ЕНDRС-04Р (вилка Dinkle).
Т а б л и ц а 4.24
Назначение контактов разъема ХР1
№ контакта Обозначение контакта Назначение контакта
1 + Плюс источника питания 24 В (вход)
2
Защитное заземление
3 - Земля источника питания 24 В (вход)
4
Защитное заземление
Подключение питания можно выполнять проводником сечением 0,75…2,5 мм2 (AWG от 28 до 12). Рекомендуемая длина проводников для подключения питания – не более 150 м.
Испытательное напряжение гальванической развязки между внутренними цепями модуля и сигналом «заземление» разъема питания модуля – 500 В.
Испытательное напряжение гальванической развязки между контактами разъема последовательного коммуникационного интерфейса COM2 и внутренними цепями модуля – 500 В.
Испытательное напряжение гальванической развязки между контактами разъемов последовательных коммуникационных интерфейсов COM3 … COM5 и внутренними цепями модуля – 500 В.
Испытательное напряжение гальванической развязки между контактами разъема интерфейса LAN1 и также LAN2 и внутренними цепями модуля – 500 В.
Процессорный модуль РО6 устойчив к воздействию следующих климатических и механических факторов:
рабочая температура окружающего воздуха от +5 до +55℃ или -40 до +55℃ (в зависимости от исполнения);
относительная влажность окружающего воздуха от 10 до 95% при температуре +35℃;
атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа;
вибрация для частот от 5 до 9 Гц с амплитудой смещения 3,5 мм;
вибрация для частот от 9 до 150 Гц с ускорением 10 м/с2.
габаритные размеры модуля с учетом присоединенных ответных частей разъемов – не более 159 × 148 × 59 мм;
Структура процессорного модуля РО6 представлена на рис. 4.13.
COM5
COM4
COM3
COM2
Питание


RS-232, RS-485
RS-232, RS-485
RS-232, RS-485
RS-485



Системное ОЗУ SDRAM PC 133 MГц
Центральный процессор
INTEL XScale IXP420



Энергонезависимое статическое ОЗУ

Flach-память

Сторожевой таймер Watch Dog
Астрономический таймер

ПРОЦЕССОРНЫЙ МОДУЛЬ РО6
Ethernet
Ethernet
RS-232
RS-232

LAN2
LAN1
USB
COM1
COM6

Рис. 4.13. Структура процессорного модуля РО6.
Процессорный модуль РО6, в зависимости от исполнения, может иметь два или шесть последовательных асинхронных СОМ-портов. Последовательные интерфейсы СОМ1 и СОМ2 устанавливаются всегда. СОМ1 имеет физическую среду RS-232 и поддерживает работу со стандартными скоростями обмена до 230 400 бит/с. Скорость обмена и назначение устанавливаются программно. Гальваническая развязка отсутствует. СОМ2 имеет физическую среду RS-485 и поддерживает работу со стандартными скоростями обмена до 230 400 бит/с. Скорость обмена и назначение устанавливаются программно. Гальваническая развязка – 500 В.
Таблица 4.25 содержит информацию о назначении контактов разъема СОМ1 (ХР5) типа DВ-9М (вилка).
Т а б л и ц а 4.25.
Назначение контактов разъема СОМ1 (ХР5).
Контакт разъема Обозначение сигнала Назначение
1 DCD Контакты 1, 4 и 6 объединены
2 RXD Принимаемые данные. Вход
3 TXD Передаваемые данные. Выход
4 DTR Контакты 1, 4 и 6 объединены
5 GND Земля процессорного модуля
6 DSR Контакты 1, 4 и 6 объединены
7 RTS Запрос передачи. Выход
8 CTS Сброс передачи. Вход
9 RI Не подключен
В табл. 4.26 приведены назначения контактов разъема COM2.
Т а б л и ц а 4.26
Назначение контактов разъемов COM2 (ХР16)
Контакт разъема COM Обозначение сигнала Назначение
1 DАТА+ Данные положительной полярности
2 GND Земля
4 DАТА– Данные отрицательной полярности
Для увеличения коммуникационных возможностей в некоторых исполнениях процессорного модуля устанавливаются дополнительные последовательные интерфейсы СОМ3 … СОМ5, которые представляют собой три идентичных последовательных интерфейса, для каждого из которых с помощью перемычек индивидуально можно выбрать физическую среду передачи RS-485 или RS-232. СОМ3 … СОМ5 поддерживают работу со стандартными скоростями обмена до 230 400 бит/с. Скорость обмена и назначение устанавливаются программно. Групповая гальваническая развязка – 500 В. Последовательные порты СОМ3 … СОМ5 имеют универсальное применение. Наличие гальванической развязки позволяет подключать к этим интерфейсам устройства, расположенные на большом расстоянии и работать в условиях сильных электромагнитных помех.
Назначение контактов для разъемов COM3 – COM5 приведены В табл. 4.27.
Т а б л и ц а 4.27
Назначение контактов разъемов COM3… COM5 (ХР17… ХР19)
Контакт разъема Обозначение сигнала Назначение
для RS-485 для RS-232 1 DАТА+ ТХD Данные положительной полярности или передаваемые данные
2 GND Земля
4 DАТА– RХD Данные отрицательной полярности или принимаемые данные
Последовательный асинхронный интерфейс СОМ6, так же как интерфейсы СОМ3 … СОМ5, устанавливаются только в исполнениях с расширенными коммуникационными возможностями. СОМ6 имеет полный набор модемных сигналов, физическую среду RS-232 и поддерживает работу со стандартными скоростями обмена до 230 400 бит/с. Скорость обмена и назначение устанавливаются программно. Гальваническая развязка отсутствует.
Табл. 4.28 содержит информацию о назначении контактов разъема СОМ6 (ХР6) типа DВ-9М (вилка).
Т а б л и ц а 4.28.
Назначение контактов разъема СОМ6 (ХР6).
Контакт разъема Обозначение сигнала Назначение
1 DCD Детектор несущей. Вход
2 RXD Принимаемые данные. Вход
3 TXD Передаваемые данные. Выход
4 DTR Готовность терминала. Выход
5 GND Земля процессорного модуля
6 DSR Готовность модема. Вход
7 RTS Запрос передачи. Выход
8 CTS Сброс передачи. Вход
9 RI Индикатор звонка. Вход
Процессорный модуль РО6 имеет два последовательных интерфейса Ethernet 10/100 Base-TX, удовлетворяющий спецификации IEEE 802.3. Контроллеры Ethernet автоматически переключают скорость 10 или 100 Мбит/с, определяют отключение от сети, обеспечивают выполнение сетевых алгоритмов, обнаружение коллизий и управление передачей данных. Настройки LAN1 по умолчанию IP-адрес – 192.168.1.61, маска сети – 255.255.240.0; настройки LAN2 по умолчанию IP-адрес – 10.0.1.0.1, маска сети – 255.0.0.0; шлюз не установлен.
LAN1 или LAN2 могут использоваться для доступа к TUNERу, для обмена данными с верхним уровнем, для работы с ISaGRAF v.5 Workbench (для загрузки и отладки прикладного проекта).
Назначение контактов разъема Ethernet LAN1 (XS4) и LAN2 (XS5) типа RJ-45, установленного на лицевой стороне модуля приведено в табл. 4.29.
Т а б л и ц а 4.29
Назначение контактов разъема Ethernet
Контакт разъема LAN Обозначение сигнала Назначение
1 TD + Передаваемые данные, «плюс»
2 TD – Передаваемые данные, «минус»
3 RD+ Принимаемые данные, «плюс»
4-5 – Не подключен
6 RD– Принимаемые данные, «минус»
7-8 – Не подключен
Процессорный модуль РО6 имеет контроллер последовательного интерфейса USB v1.1 Device. Контроллер не поддерживает режим Host и не может являться hub-устройством. Максимальная скорость передачи – 12 Мбит/с, режим передачи – полудуплекс. СПО TeNIX работу с интерфейсом USB не поддерживает.
В табл. 4.30 содержит информацию о назначении контактов разъема USB.
Т а б л и ц а 4.30
Назначение контактов разъемов USB (XS6)
Контакт разъема Обозначение сигнала Назначение
1 NS Не подключен
2 D– Данные отрицательной полярности
3 D+ Данные положительной полярности
4 GND Земля процессорного модуля
Процессорные модули РО6R и РО6R DIO имеют XRES, предназначенные для объединения устройств в резервированную пару. Подключение производится с помощью специального кабеля резервирования CLI001 ДАРЦ. 685625.189. СПО TeNIX версии 5.0. не поддерживает функцию резервирования.
Процессорный модуль имеет сторожевой таймер аппаратного сброса. Сторожевой таймер контролирует выполнение ядра операционной системы СПО TeNIX и время выполнения прикладных программ, если они поставлены на контроль. Минимальный период сторожевого таймера – 0,9 с. Типичный период – 1,6 с. Максимальный период – 2,5 с.
Процессорный модуль РО6 имеет исполнения со встроенными каналами ввода-вывода. В данных исполнениях внутрь корпуса РО6 на специальное посадочное место устанавливается модуль расширения с входными и выходными каналами. Разъемы типа IDC c фиксаторами для подключения сигналов находятся на боковой стороне корпуса. Входные и выходные сигналы подключаются с помощью плоского кабеля «под прокол». Такое решение позволяет расширять номенклатуру сигналов, сохранив при этом единую конструкцию и тип разъемов.
Процессорный модуль РО6R DIO – это исполнение с дискретными входами и выходами: 32 канала ввода и 16 каналов вывода дискретных сигналов постоянного тока напряжением 24 В. Входные каналы объединены в группу по 32 канала с общей гальванической развязкой. Выходные каналы объединены в группу по 16 каналов с общей гальванической развязкой. Ниже даны характеристики каналов дискретного ввода-вывода.
Технические характеристики каналов дискретного ввода.
Количество каналов ввода – 32.
Тип входной цепи – Тип 1 (общий минус).
Тип гальванической развязки – групповая (1 группа, 32 канала).
Испытательное напряжение гальванической развязки между входными каналами и внутренними цепями контроллера – 500 В постоянного тока.
Уровень логического «0» – от 0 до +5 В.
Уровень логической «1» – от +15 до +30 В.
Величина входного тока при напряжении входного сигнала 24 В – 3 мА.
Задержка переключения с «0» на «1» (с «1» на «0») – 2 мс.
Возможность программного подавления дребезга входных каналов.
Возможность подсчета импульсов частотой до 200 Гц (8-битные счетчики по всем каналам).
Технические характеристики каналов дискретного вывода.
Количество каналов вывода – 16.
Тип выходной цепи – Тип 1 (общий минус).
Тип гальванической развязки – групповая (1 группа, 16 каналов).
Характеристика выходов – транзисторный ключ «открытый коллектор».
Испытательное напряжение гальванической развязки между входными каналами и внутренними цепями контроллера – 500 В постоянного тока.
Коммутируемое напряжение постоянного тока: максимальное 30 В, номинальное 24 В, минимальное 11 В.
Максимальный коммутируемый постоянный ток одного канала для активной индуктивной нагрузки – 50 мА.
Ток утечки разомкнутого ключа – не более 10 мкА.
Время замыкания/размыкания выходного ключа – не более 0,5 мс.
Падение напряжения на выходном ключе во включенном состоянии при токе 50 мА – не более 0,25 В.
Для работы выходных каналов требуется внешнее стабилизированное напряжение питания. Напряжение питания внутренней схемы группы выходных каналов – 24 В.Ток потребления внутренней схемы группы выходных каналов при напряжении питания 24 В – не более 20 мА.
Пример построения автономной системы управления на основе процессорного модуля РО6 представлен на рис. 4.14.

Процессорный модуль РО6
Панель оператора VO4
COM 2

RS-485
RS-485

RS-232
RS-485

RS-232
RS-485

COM 1



RS 485


Модули вывода аналоговых сигналов: T3501-03, T3501-04, T3501-05, T3501-06
Модули вывода дискретных сигналов:
T3601-04, T3601-05, T3602, T3602-01,
T3603-02, T3603-03, T3604, T3604-01

Модули ввода дискрет-
ных сигналов
T3702, T3702-01, T3703,
T3703-01
Модули ввода аналоговых сигналов:
T3101-02, T3101-03, T3102, T3102-01, T3204 T3204-02, T3205,
T3205-01
T3205-02





Рис. 4.14. Конфигурация автономной системы на основе интеллектуальных модулей «ТЕКОНИК» под управлением процессорного модуля РО6.
Прикладная программа выполняется внутри модуля РО6. Модули ввода-вывода подключаются к одному или нескольким COM-портам по интерфейсу RS-485. Количество модулей в сети определяется характеристиками интерфейса RS-485, каждый сегмент сети может включать до 30 модулей. Для увеличения количества модулей используется ретранслятор сети RS-485. В качестве ретранслятора может применяться автоматический ретранслятор ADAM-4510S фирмы Advantech (с гальванической развязкой сегментов). Максимальное количество модулей в сети с учетом установки ретранслятор может достигать 250.
Процессорный модуль РО6 может использовать встроенные каналы дискретного ввода-вывода (исполнение с 32 дискретными входами и 16 дискретными выходами). Примером автономной системы может являться система управления автоматом, станком, технологическим оборудованием, автономная система защиты и блокировки. Для локального управления и отображения состояния системы может применяться графическая панель оператора VO4M.
Рис. 4.15 отображает пример построения распределенной системы.
RS 485

Управляющая сеть




Интеллектуальные датчики ТСТ11
Процессорный модуль РО6
COM 2
COM 3

RS-485
RS-485
RS-485
RS-485

Панель оператора VO4


RS-232
RS-485
Ethernet
RS-485
RS-232
RS-485


LAN1
RS-485
COM 1




RS 485


Модули вывода дискретных сигналов:
T3601-04, T3601-05, T3602, T3602-01,
T3603-02, T3603-03, T3604, T3604-01

Модули ввода дискрет-
ных сигналов
T3702-01, T3703,
T3703-01
Модули вывода аналоговых сигналов: T3501-03, T3501-04, T3501-05, T3501-06
Модули ввода аналоговых сигналов:
T3101-02, T3101-03, T3102, T3102-01, T3204 T3204-02, T3205,
T3205-01
T3205-02





Рис. 4.15. Фрагмент распределенной системы управления с использованием модулей ввода-вывода «Теконик», интеллектуальных датчиков и процессорного модуля РО6.
Система представляет собой двухуровневую сетевую структуру. Первый уровень реализован с помощью сети Ethernet, позволяющий объединить процессорные модули и операторские станции
Второй уровень представляет полевая шина RS-485. К полевой шине могут подключаться модули ввода-вывода ТЕКОНИК, интеллектуальные датчики температуры ТСТ11 и другие устройства. Полевая сеть может строиться с использованием нескольких линий передачи. Например, модули или устройства, которые должны опрашиваться быстро, выделяются в отдельную сеть. Модули могут располагаться в общем монтажном шкафу или располагаться на некотором расстоянии от РО6. Процессорный модуль РО6 позволяет напрямую без преобразователей подключать до 4 интерфейсов RS-485.
К процессорному модулю можно подключить различные внешние периферийные устройства по последовательным интерфейсам RS-232/ RS-485 или по сети Ethernet. В качестве пульта оператора-технолога может использоваться выносная панель оператора VO4M. Панель оператора может размещаться как в одном шкафу с РО6, так и на некотором расстоянии. При удаленном размещении (более 25 м) VO4M подключать панель следует к СОМ3 … СОМ5 с использованием RS-485.
Система «ТЕКОНИК» может применяться в качестве устройства телеметрии, работающего в системах мониторинга и осуществляющего контроль над функционированием необслуживаемых промышленных объектов и объектов ЖКХ: тепловых пунктов, котельных, насосных станций, газораспределительных пунктов и трансформаторных подстанций. Модуль РО6 архивирует контролируемые параметры, передает текущие и архивные данные, а также предупредительные и аварийные сообщения в систему верхнего уровня (уровень оперативного диспетчерского управления).
В качестве канала связи для передачи сообщений функционирования контролируемого объекта можно использовать:
Ethernet;
RS-485;
сотовые сети стандарта GSM: GPRS или модемное соединение двух GSM-модемов;
коммутируемые и выделенные телефонные линии;
радиоканал через «прозрачный» радиомодем;
CDMA2000-роутер.
Технология GPRS – это система пакетной передачи данных по сети сотовой связи GSM, которая позволяет получать доступ к ресурсам сети со скоростью до 171,2 кбит/с и при этом оплачивать только объем переданных данных, а не время, проведенное на линии. В ряде случаев, работа GPRS может быть не стабильной, а скорость соединения оказаться существенно ниже той, которую обещают операторы сотовой связи стандарта GSM. Это связано с тем, что в стандарте GSM заложен приоритет передачи голоса перед передачей данных. Если базовая станция оказывается в какой-то момент полностью загружена голосовым трафиком, то передача данных через GPRS приостанавливается.
Модемное соединение GSM-модемов – это соединение, позволяющее передавать данные по «обычному голосовому» каналу. При этом оплачивается время, проведенное на линии.
При использовании сотовых систем стандарта GSM систему «ТЕКОНИК» рекомендуется применять совместно с GSM/GPRS модемом ТЕLECON 100. Применение GSM/GPRS модема ТЕLECON 100 позволяет оптимально реализовать передачу данных с приборов учета (тепловычислителей, расходомеров, электросчетчиков), а также текущих и архивных данных о ходе технологического процесса из энергонезависимой памяти контроллера. Модем ТЕLECON 100 поддерживается системным программным обеспечением TeNIX. Модем ТЕLECON 100 должен быть подключен к СОМ6 «полным» кабелем (поскольку СПО TeNIX использует сигнал DTR для аппаратного сброса модема).
CDMA2000 (Code Division Multiple Access – множественный доступ с кодовым разделением) – разделение абонентов здесь реализуется не за счет выделения каждому своей частоты для связи с базовой станцией, как в сетях первого поколения, и не при помощи частотно-временного разделения каналов, как в сетях GSM. В CDMA информация разных пользователей (данные или кодированные сегменты речи) передается в одной широкой полосе частот и выделяется на базовой станции из общего шумоподобного сигнала при помощи специального кода. Это обеспечивает высокую степень безопасности соединения – при передаче данных специальных механизмов шифрования не требуется, так как шифрование данных уже заложено в стандарт для разделения абонентов. Следует отметить, что приоритет голосового трафика перед передачей данных отсутствует, достигнутая скорость передачи данных – 153,6 кбит/с, перспективная – 2 Мбит/с.
CDMA2000-роутер должен подключаться к LAN1или LAN2 модуля РО6. Обмен должен осуществляться через собственный протокол обмена над стеком протоколов ТСР/IР, который, в свою очередь, работает на выбранном канале связи. Для обмена данными создаются два логических канала связи:
основной, по которому запросы контроллеру посылает верхний уровень, запросы могут быть следующих типов:
запрос на чтение текущих значений глобальных переменных,
запрос на запись значений глобальных переменных,
запрос на чтение архивных данных по номеру блока данных,
запрос на чтение архивных данных по дате и времени;
инициативный, по которому РО6 отправляет инициативные (аварийные) сообщения, содержащие события, фиксируемые РО6 как отказы, ошибки и исправления вышеупомянутых ситуаций, система верхнего уровня, получив аварийное сообщение от РО6, отправляет подтверждение о получении.
Два логических канала связи могут быть реализованы на одном физическом канале связи. Но рекомендуется выделять отдельный канал на операторской станции для получения инициативных сообщений для увеличения скорости доставки. По одному запросу можно читать группу глобальных переменных.
Системное ПО создает системные группы переменных (иначе называемых системными сообщениями) для передачи верхнему уровню. Несмотря на то, что состав глобальных переменных может изменяться по ходу работы (например, при загрузке нового проекта), состав системных сообщений меняется при перезапуске СПО или по специальному запросу верхнего уровня.
Пользователь может читать значения переменных, пользуясь системными сообщениями, а может создать свои пользовательские сообщения, в которые включит только необходимые ему переменные, например, в целях оптимизации трафика. Конфигурация пользовательских сообщений может быть задана верхним уровнем (например, TeconOPC Server , Ом) на этапе настройки обмена, заданная конфигурация запросов сохраняется в энергонезависимой памяти модуля. Ответы на запросы верхнего уровня и хранение конфигурации обеспечивает системное ПО контроллера.
Аналогично организован обмен архивной информацией. Создаются системные архивные сообщения по одному на каждый архив (в версии 5.0.0 присутствует только архив событий), каждое из этих сообщений включает все переменные одного архива (если их несколько), пользователь также может создать свои архивные сообщения с одним ограничением: в одном сообщении могут присутствовать переменные только одного архива. После записи в архив событий, отказов, ошибок или исправлений СПО TeNIX отправляет информацию об аварии системе верхнего уровня, если предусмотрен канал связи с верхним уровнем. «Авария» отправляется по инициативе системы «ТЕКОНИК». При передаче «Аварии» в структуре сообщения всегда передается код, время и текстовое представление аварии, согласно шаблону, заданному в контроллере. После получения подтверждения о доставке сообщения верхнему уровню устанавливается флаг отправки «Аварии» в архиве, и следующее неотправленное сообщение может быть отправлено.
Поддержка обмена по двум логическим каналам связи и конфигурация запросов, инициативных сообщений реализована в TeconOPC Server ,е.
4.4.3.3. Программное обеспечение системы «ТЕКОНИК» на основе процессорных модулей РО6, РО6 DIO.
Процессорный модуль РО6 предоставляет разработчику АСУ ТП возможность создания, загрузки и отладки прикладных проектов, используя языки технологического программирования в соответствии с международным стандартом IEC61131-3. Среда технологического программирования, установленная на инженерной станции разработчика АСУ ТП, взаимодействует с базовым программным обеспечением (БПО) контроллера. Разработчик системы может использовать для программирования контроллеров различные базовые программные обеспечения (БПО) – среду ISaGRAF v.5 (или инструментальные средства других производителей).
Средой выполнения прикладной программы пользователя является системное программное обеспечение (СПО) TeNIX, обеспечивающее доступ ко всем ресурсам контроллера. СПО TeNIX включает ядро многозадачной операционной системы (ОС) Linux c драйверами и файловой системой, а также подсистему ввода-вывода, взаимодействующую со встроенным программным обеспечением модулей ввода-вывода. Далее в этом разделе речь идет о модуле РО6 с установленным СПО TeNIX.
Базовой системой программирования для всей линейки контроллеров ТЕКОН является система ISaGRAF компании IСS Тriplex. Загрузка подготовленных прикладных программ в память процессорного модуля и их отладка производится по сети Ethernet.Для разработки и отладки программ процессорного модуля РО6 используется система программирования ISaGRAF v.5. Эта система состоит из среды разработки ISaGRAF v.5 Workbench и среды исполнения, предустановленной на процессорном модуле. ISaGRAF – это полная поддержка всех языков стандарта IEC 61131-3. IEC 61131-3 – международный стандарт «Программируемые контроллеры – часть 3. Языки программирования», который описывает такие языки, как язык последовательных функциональных схем (SFС); язык релейных диаграмм (LD); язык функциональных блочных диаграмм (FBD); структурированный текст (ST); язык инструкций (IL). Кроме этого, ISaGRAF позволяет создавать программы на языке потоковых диаграмм (FC).
Среда разработки предоставляет полный набор средств для визуального интерактивного создания программ, документирования проектов, архивации, мониторинга проекта, off-line симуляции, «горячего» редактирования проектов. Среда разработки русифицирована. Более подробно о работе с системой программирования ISaGRAF v.5 в – «Базовое программное обеспечение ISaGRAF v.5. Руководство оператора».
В РО6, благодаря высокопроизводительному центральному процессору и оптимальной архитектуре аппаратуры и системного программного обеспечения, достигается малое время пересчета технологических алгоритмов. В состав базового программного обеспечения ISaGRAF входит библиотека алгоритмов TIL PRO Std (отдельная позиция в карте заказа). При создании пользовательских программ управления технологическими процессами алгоритмы библиотеки могут использоваться в виде стандартных функций (функциональных блоков) среды ISaGRAF v.5, как дополнение к существующему набору алгоритмов. Применение данной библиотеки позволяет:
функционально наращивать целевую задачу ISaGRAF в целях наиболее интенсивного использования операционной платформы;
повысить производительность устройств, используемых при решении задач автоматизации технологических процессов;
осуществлять более удобную, быструю и не требующую значительных затрат разработку пользовательских приложений.
В библиотеку TIL PRO Std включены алгоритмы, реализующие функции регулирования, статических и динамических преобразований, индивидуального и группового управления исполнительными механизмами, контроля и выборки сигналов, а также доступа к системе. Более подробно о TIL PRO Std в – «Библиотека алгоритмов для среды ISaGRAF TIL PRO Std. Описание применения TIL PRO СОm дает технологическому программисту удобные средства разработки приложений в тех проектах автоматизации, где требуется обработка и выдача информации по последовательным интерфейсам контроллеров. Например, это может потребоваться при подключении к контроллеру интеллектуальных устройств – датчиков, исполнительных механизмов и приборов учета (теплосчетчиков, электросчетчиков, расходомеров). Применение данной библиотеки позволяет расширить возможности целевой задачи по поддержке оборудования.
Универсальным средством доступа к данным процессорного модуля со стороны SCADA-систем является TeconOPC Server. Сервер получает данные с процессорного модуля (значения каналов ввода-вывода и переменные ISaGRAF) по сети Ethernet (TCP/IP), по GPRS каналу или по модемному соединению. В процессе работы ведется журнал событий с регистрацией времени подключения и отключения, нарушений качества передачи данных. Реализована процедура автоматического восстановления сетевого соединения. Более подробно о TeconOPC Server’е в – «Программное обеспечение TeconOPC Server. Руководство оператора». Для отображения информации и управления может применяться графическая панель оператора VO4M. Программирование панели оператора выполняется на персональном компьютере с помощью программы VisiBuilder разработки НКПФ «Дейтамикро». Система программирования панели VO4M представляет собой совокупность инструментального ПО для персонального компьютера – VisiBuilder – и встраиваемого ПО для VO4M. С помощью инструментального ПО определяются используемые при работе протоколы обмена и их параметры, проектируются рабочие и аварийные экраны и описывается логика обработки входных данных для организации навигации по экранам. Построенная прикладная программа терминала компилируется и загружается в VO4M. К процессорному модулю РО6 VO4M подключается посредством интерфейса RS-232 или RS-485.
Инструментальное ПО включает в себя следующие компоненты:
интегрированная среда разработки прикладной программы;
компилятор прикладной программы VO4M;
загрузчик прикладной программы;
эмулятор VO4M;
эмулятор процессорного модуля.
Все компоненты, за исключением эмулятора процессорного модуля, объединены в рамках интегрированной среды разработки. Более подробно о программировании в системе VisiBuilder – «VisiBuilder. Руководство пользователя».
4.4.3.4. Промышленный контроллер МФК группы компаний «ТЕКОН».
Многофункциональный контроллер МФК [79], имеющий большую гибкость при конфигурировании, обладает мощными вычислительными ресурсами и большим количеством каналов ввода-вывода (более 750). Контроллер предназначен для сбора, обработки информации и управления объектами в системах автономного управления или в составе распределенной системы управления на основе локальных сетей уровней LAN и Fielbus. Конструкция контроллера на базе «Евромеханика 19» (стандарт МЭК-297) позволяет встраивать его в стандартные монтажные шкафы или другое монтажное оборудование, которое защищает от воздействия внешней среды. Контроллер может работать в автономном режиме, в режиме удаленного терминала связи и в смешанном режиме. Контроллер является проектно компонуемым изделием. Модули: процессорный, коммуникационные, ввода-вывода, устанавливаются в контроллер изготовителем в соответствии с заказной конфигурацией.
Пользователь может самостоятельно наращивать или изменять конфигурацию контроллера. Контроллер состоит из базовой части, одного процессорного и коммуникационных модулей, модулей ввода-вывода, блока клавиатуры и индикации. Базовая часть состоит из корпуса, блока питания и объединительной платы.
Контроллер имеет магистрально-модульную архитектуру. В нем используются две внутренние шины, аппаратно соединенные друг с другом – шина 8-разрядная ISA и шина ввода-вывода. Обе внутренние шины контроллера и схема их сопряжения реализованы на объединительной плате.
Контроллер имеет следующие типы процессорных модулей:
модуль БЦП2 МФК ДАРЦ.426 471.024 с модулем РСМ-5823;
модуль БЦП2 МФК ДАРЦ.426 471.017 с модулем РСМ-4823L;
модуль microPC 5066A.
В контроллер с исполнениями процессорного модуля РСМ-5823 и РСМ-4823L могут быть дополнительно установлены 2 модуля формата РС104. Типы дополнительно устанавливаемых модулей:
модуль РСМ-3660/ РСМ-3664, второй адаптер Ethernet 10Base-T для процессорного модуля РСМ-4823L;
модуль AR-B1047, статическое ОЗУ объемом 128, 256 и 812 кб;
модуль РСМ-3521 контроллер VGA для процессорного модуля РСМ-4823L .
Процессорный модуль РСМ-5823 содержит:
процессор NSGX1-233, 300;
системное ОЗУ SODIMM 144 с объемом памяти от 16 до 128 Мб в зависимости от установленного модуля;
системное ПЗУ CompactFlash объемом до 16 Мб;
два программно совместимых с контроллером 16С550 последовательных порта: COM1 (RS-232) и COM2 (RS-485/RS-232). Порт COM2 используется для подключения блока клавиатуры и индикации VO3 или панели оператора VO4;
два интерфейса 100/10 Base-T Ethernet IEE 8023 и с контроллером Realtek RTL 80139 C;
контроллер VGA (разрешение 1280×1024 или 1024×768 точек);
разъем для подключения PC/AT клавиатуры;
встроенные часы реального времени с календарем (питание для часов поступает от батареи контроллера);
питание +5 В ± 5%, 2 А;
сторожевой таймер Watch Dog.
Дополнительные возможности процессорного модуля:
два интерфейса USB 1.0;
параллельный порт LPT (поддерживает режимы SPP/EPP/ECP);
разъем для подключения плоских графических жидкокристаллических панелей.
Структура процессорного модуля РСМ-5823 представлена на рис. 4.16.
Процессорный модуль РСМ-5823 содержит:
процессор AMD DXS-133 (5X86-133);
системное OЗУ, имеющее объем памяти 16 или 32 Мб в зависимости от установленного модуля;
системное ПЗУ Flash-диск «DiskOn Chip 2000» объемом 16 Мб, расширяется до 144 Мб;
два программно совместимых с микросхемой 16С550 последовательных порта: СОМ1 (RS-232) и СОМ2 (RS-485/RS-232). Порт СОМ2 используется для подключения блока клавиатуры и индикации VO3 или панели оператора VO4;
параллельный порт, поддерживающий режим LPT1 SPP/EPP/ECP;
интерфейс Ethernet IEE 802/3 10Base-T, содержащий контроллер Realtek RTL8019AS, программно совместимый с NE2000;
встроенные часы реального времени с календарем (питание для часов поступает с батареи контроллера);
питание +5 В ± 5%, 2 А;
сторожевой таймер Watch Dog.

ПРОЦЕССОРНЫЙ МОДУЛЬ РCM-5823
Часы реального времени
Контроллер VGA
Микропроцессор
NSGX1-233,300


Интерфейс USB

Сторожевой таймер Watch Dog
Системное ОЗУ
SODIMM144

Интерфейс USB

Разъем для подключения ЖК-панелей
Параллельный порт LPT1
Системное ПЗУ Compact Flach

Внутренняя шина ISA

Последовательные порты
Интерфейс Ethernet
Интерфейс Ethernet

RS-232
RS-485 /RS-232

COM1
Контроллер Realtek RTL 80139 C
COM2

Внутренний интерфейс для подключения модулей ввода-вывода

Рис. 4.16. Структура процессорного модуля РСМ-5823 многофункционального контроллера МФК.
Процессорный модуль 5066 содержит:
процессор AMD DXS-133 (5×86-133);
динамическое OЗУ (EDO RAM), имеющее объем памяти 1 или 5 Мб в зависимости от установленного модуля (расширяется до 17 Мб);
системное ПЗУ2 Flash-диска объемом 384 кб и 2Мб;
два программно совместимых с микросхемой 16С550 последовательных порта: СОМ1 (RS-232) и СОМ2 (RS-485/RS-232). Порт СОМ2 используется для подключения блока клавиатуры и индикации VO3 или панели оператора VO4;
параллельный порт LPT1;
встроенные часы реального времени с календарем (питание для часов поступает с батареи контроллера);
питание +5 В ± 5%, 920 мА;
сторожевой таймер аппаратного сброса процессора Watch Dog.
При любом типе процессорного модуля контроллер имеет следующие интерфейсы:
СОМ1 (RS-232) предназначен для подключения контроллера с компьютером;
СОМ2 (RS-232) для подключения блока клавиатуры и индикации VO3 или панели оператора VO4, а также для работы с другими устройствами по последовательному каналу;
интерфейс резервирования.
Краткие характеристики интерфейса 10Base-T и 100Base-T:
сигнал передается по двум витым парам:
длина кабеля для 10Base-T – до 160 м, для 100Base-T– до 90 м;
топология «точка-точка», для объединения более двух станций необходимо использовать контроллер;
Процессорный модуль РСМ-5823 имеет разъем для подключения стандартной РС/АТ клавиатуры типа mini DIN MDN-6FR. Разъем предназначен для подключения к контроллеру клавиатуры или мыши при отладке системы программного обеспечения. В процессе эксплуатации контроллера подключение клавиатуры не требуется.
Процессорный модуль РСМ-5823 имеет также разъем VGA типа DB-15F, который предназначен для подключения к контроллеру VGA монитора при отладке системного программного обеспечения. В процессе эксплуатации контроллера подключение VGA монитора не требуется.
Таймер аппаратного сброса Watch Dog применяется для повышения надежности работы программного обеспечения. Если программа зависает или не успевает обратиться по адресу Watch Dog, происходит аппаратный перезапуск контроллера. Работу с Watch Dog поддерживает системное программное обеспечение СПО TeNIX.
Системное и дополнительное программное обеспечение контроллера МФК:
Tecon CX (Текон-Си-Икс) – cистема подготовки технологических программ пользователя на языке СИ. Она имеет экранный интерфейс, аналогичный оболочкам Borland и Tecon C+, поддерживает написание и удаленную отладку многозадачных проектов (по Ethernet, RS-232) на реальном контроллере. Библиотеки Tecon CX представляют пользователю удобный интерфейс к модулям ввода-вывода и сетевым ресурсам на уровне чтения и записи переменных, а также средства для организации обмена данными между задачами как в одном контроллере, так и между контроллерами в системе. Среда разработки не имеет ограничений на число проектов и рассчитана на пользователей-программистов;
ISaGRAF – система программирования компании Alter Sis Iuc. Ее можно использовать для создания и отладки программ для контроллера МФК. ISaGRAF поддерживает все языки международного стандарта IEC61131-3, язык функциональных блоков (FBD), язык последовательных функциональных схем (SFC), язык релейных диаграмм (LD), язык структурированного текста (ST), язык инструкций (IL). Кроме того, ISaGRAF позволяет создавать программы на языке протокольных диаграмм (FC). Среда разработки предоставляет полный набор средств для визуального интерактивного создания программ, документирования проектов, архивации, мониторинга проекта, offline симуляции, горячего редактирования проектов. Библиотеки ISaGRAF включают в себя функции обработки целочисленных, вещественных, дискретных, временных и строковых переменных. Версия ISaGRAF V.3.40 полностью русифицирована и поставляется с электронной документацией на русском языке. Система ISaGRAF не требует профессиональных знаний по программированию.
Tecon Trace Mode (специальная OEM-версия) – система программирования компании AdAstra. Включает в себя интегрированную среду разработки прикладных программ уровней SCADA/SoftLogic и исполнительную среду для контроллера. Специальная версия разработана по заданию компании «ТЕКОН» для контроллеров МФК, ТКМ 52, «Теконик» и оптимизирована за счет исключения поддержки контроллеров других производителей. Помимо стандартных функций логического управления и регулирования (в том числе и аддитивного) реализованы функции архивирования и формирования Dump-файла в энергонезависимой панели контроллера. Возможно написание функциональных пользовательских блоков на языке СИ. Исполнительные модули различаются каналом связи с верхним уровнем по сети Ethernet, по коммутируемым линиям, по GSМ-каналу (в режиме прямого соединения или с помощью SМS-сообщений).
Tecon ОРC (Текон-О-Пи-Си) – универсальное средство доступа к данным в контроллере со стороны SCADA-систем. Tecon ОРC работает с современными SCADA-системами, которые поддерживают технологию ОРС. Он позволяет связывать систему верхнего уровня с контроллерами МФК, ТКМ52, работающими под управлением СПО TeNIX в сети Ethernet по протоколу ТСР/IР. Обеспечена поддержка доступа к переменным целевой задачи ISaGRAF по Ethernet. Сохранена возможность доступа к данным сервера глобальных переменных – традиционного интерфейса, используемого при программировании на языке СИ. Возможно автоматическое конфигурирование ОРС-сервера. Tecon ОРC может быть запущен SCADA-системой с автоматической загрузкой определенного файла конфигурации. В процессе работы ведется журнал событий с регистрацией времени подключения и отключения, нарушений качества передачи данных. Реализована процедура автоматического восстановления сетевого соединения.
ТIL Std (ТИЛ-стандарт) – встроенная в ядро целевой задачи ISaGRAF библиотека алгоритмов. Библиотека содержит аналоговый и импульсный ПИД (П, ПИ, ПД)-регуляторы, алгоритмы ШИМ и интегрально-дифференциального преобразования, алгоритмы балансировки, фильтрации, сглаживания функции статических и динамических преобразований, индивидуального и группового управления исполнительными механизмами, контроля выборки сигналов. Также в ТIL Std включены алгоритмы поддержки работы с блоком индикации и клавиатуры VO3, VO4 и аппаратным сторожевым таймером Watch Dog. Библиотека содержит более 30 алгоритмов, реализованных в виде FBD-блоков.
MicPlus-SoftLogic – пакет для программирования задач промышленной автоматизации, логического и операционного управления, регулирования и обработки сигналов, для контроллеров МФК и ТКМ 52 на русском языке программирования Микрол+, подобным языку ST стандарта МЭК 61131-3. Развитая поддержка работы с встроенным и пользовательскими алгоритмами, стандартные библиотеки (регулирования, обработки сигналов, управления исполнительными механизмами) и библиотеки, созданные пользователем, могут быть написаны как на Микрол+, так и на Си (С++) в любом сочетании.
Единая среда разработки проекта включает удобное иерархическое представление проекта, специализированный многооконный редактор с мастером определения переменных и вводом всех команд в одно нажатие, и мощный удаленный отладчик с функцией автоматического доступа к значениям всех используемых переменных.
Конфигурация многофункционального контроллера МФК в распределенной АСУ ТП представлена на рис. 4.17.
Порт СОМ1 имеет стандартный разъем типа DВ-9М и предназначен для соединения контроллера с компьютером. Назначение контактов разъема приведено в табл. 4.31.

Коммутатор (Swich)
Сеть предприятия, уровень АСУ ТП

Ethernet
Ethernet
Инженерная станция
Операторская станция



Хаб (Hub)


Многофункциональный
контроллер МФК

Ethernet
RS-485



Внутренний интерфейс
Порт LPT1
RS-232
RS-485
RS-485/ RS-232
RS-485

COM 1
COM 2


Принтер
Компьютер
Блок клавиатуры и индикации VO3
Панель оператора VO4
RS-232
RS-485

Панель
оператора VO4


Внутренний интерфейс контроллера МФК


Модуль аналогового вывода А08
Модуль аналогового ввода-вывода
А16
Модуль дискретного вывода D40
Модуль дискретного ввода-вывода
D32
Модуль дискретного ввода D48
Модуль дискретного вывода P40





Модуль дискретного частотно и числоимпульсного ввода
F24
Модуль аналогового ввода от тензодатчиков
Т12
Модуль аналогового ввода от термопар, термосопротивлений, измерение электрического сопротивления и напряжения низкого уровня
L16i
Модуль аналогового ввода от термопар, термосопротивлений и напряжения низкого уровня
L16

Рис. 4.17. Применение многофункционального контроллера МФК в распределенной АСУ ТП.
Т а б л и ц а 4.31.
Назначение контактов разъема СОМ1.
Контакт разъема СОМ1 Обозначение сигнала Направление
Назначение
1 DCD Вход Детектор несущей.
2 RXD Вход Принимаемые данные.
3 TXD Выход Передаваемые данные.
4 DTR Выход Готовность терминала.
5 GND - Земля
6 DSR Вход Готовность модема.
7 RTS Выход Запрос передачи.
8 CTS Вход Сброс передачи.
9 RI Вход Индикатор звонка.
Порт СОМ2 (обозначен как VO3 или СОМ2/ VO3/VO4) имеет разъем типа DНS-15М. Разъем предназначен для подключения к контроллеру блока клавиатуры и индикации VO3 или панели оператора VO4. На разъем поступает питание для этих устройств.
Назначение контактов разъема приведено в табл.4.32.
Т а б л и ц а 4.32.
Назначение контактов разъема VO3, СОМ2/ VO3/VO4.
Контакт разъемов VO3, СОМ2/ VO3/VO4
Обозначение сигнала Направление Назначение
1 DCD Вход Детектор несущей частоты
2 RXD Вход Принимаемые данные
3 TXD Выход Передаваемые данные
4 DTR Выход Готовность терминала
5 GND - Земля
6 DSR Вход Готовность модема
7 RTS Выход Запрос передачи
8 CTS Вход Сброс передачи
9 RI Вход Индикатор звонка
10 + 5 В - Питание +5 В
11 – 15 - - Не используется
Порт LPT1 имеет разъем типа DB-25F. Разъем предназначен для подключения к контроллеру принтера или других устройств.
Назначение контактов разъема приведено в табл. 4.33. Назначение контактов разъема Ethernet LAN1 и LAN2 типа RJ-45, установленного на лицевой планке процессорного модуля контроллера приведено в табл. 4.34.

Т а б л и ц а 4.33
Назначение контактов разъема LPT1
Контакт разъема LPT1 Обозначение сигнала Назначение
1 STB Выход
2 DАТА0 Вход/выход
3 DАТА1 Вход/выход
4 DАТА2 Вход/выход
5 DАТА3 Вход/выход
6 DАТА4 Вход/выход
7 DАТА5 Вход/выход
8 DАТА6 Вход/выход
9 DАТА7 Вход/выход
10 ACK Выход
11 BUSY Вход
12 PE Вход
13 SLCT Вход
14 AFD Выход
15 ERR Вход
16 INIT Выход
17 SLIN Выход
18-25 GND Земля
Т а б л и ц а 4.34
Назначение контактов разъема LAN, LAN1, LAN2
Контакт разъема LAN, LAN1, LAN2 Обозначение сигнала Назначение
1 TD + Передаваемые данные, «плюс»
2 TD – Передаваемые данные, «минус»
3 RD+ Принимаемые данные, «плюс»
4-5 – Не подключен
6 RD– Принимаемые данные, «минус»
7-8 – Не подключен
4.4.3.5. Промышленный контроллер МФК 3000 ЗАО ПК «Промконтроллер»(www. tecon. ru.).
Многофункциональный программируемый контроллер МФК3000 [85] предназначен:
для построения управляющих и информационных систем автоматизации технологических процессов среднего и большого (по числу входов-выходов) уровня сложности;
для построения систем блокировки и противоаварийной защиты.
Контроллер используется для сбора, обработки информации и управления объектами в схемах автономного управления или в составе распределенной системы управления.
Крейтовая конструкция контроллера позволяет:
встраивать его в стандартные электротехнические шкафы или другое монтажное оборудование (контроллер выполнен в конструктиве Евромеханика 19!! размера 6U);
проектировать различные конфигурации контроллера – выбирать различные типы модулей ввода-вывода, их количество, способы резервирования для конкретного объекта автоматизации;
проектировать контроллеры, состоящие от одного до трех крейтов (всего до 62 модулей, включая модуль ЦП);
проектным путем увеличивать надежность контроллера за счет возможности частичного и полного резервирования и строить системы автоматизации с различными требованиями к степени надежности и безопасности.
Области применения контроллера:
АСУ ТП энергоблоков, котлов и других объектов теплоэнергетики;
АСУ ТП высокой и средней сложности предприятий различных отраслей (энергетические, химические, нефте- и газодобывающие и
перерабатывающие, машиностроительные, сельскохозяйственные, пищевые производства и т.п.);
построение систем противоаварийных защит в указанных областях;
на объектах АЭС для систем классов безопасности, удовлетворяющих следующим требованиям к ЭМС по ГОСТ Р 50746-2000 для III группы исполнения по устойчивости к воздействию помех с критерием качества функционирования А/В (в зависимости от состава и архитектуры системы) для IV группы исполнения по устойчивости к воздействию помех.
Основные особенности контроллера:
возможность полного или частичного резервирования ресурсов контроллера, в том числе дублирование и резервирование модулей ЦП и/или УСО в составе одного контроллера;
построение контроллера, состоящего из одного, двух, трех крейтов (всего до 61 модуля УСО с максимальным количеством 2928 дискретных входов или 976 аналоговых входов);
горячая замена модулей;
система «plug & play» модулей;
отключение выходов в системах резервирования и при отказе модуля;
инициативный ввод сигналов и инициативные сообщения от модулей;
гарантированное время доставки инициативных сообщений любого модуля;
развитая система диагностики;
постоянный контроль и квитирование выполнения команд;
дублированная контроллерная магистраль;
дублированная система питания контроллера и модулей внутри него;
дублированный интерфейс Ethernet 100 Base-T;
высокий уровень гальванической изоляции входных цепей модулей;
высокая точность измерения сигналов датчиков;
наличие предварительной обработки информации в модулях;
возможность питания датчиков (4 … 20 мА) непосредственно от модулей контроллера;
ввод сигналов 220 VAC, 220 VDC непосредственно в модули контроллера;
коммутация сигналов 220 VAC, 220 VDC непосредственно модулями контроллера;
развитые средства конфигурирования модулей УСО и ресурсов модуля ЦП.
Условия эксплуатации:
рабочая температура – от 5 до 50 ℃;
предельная рабочая температура – от 1 до 55 ℃;
температура хранения – от минус 20 до плюс 70 ℃;
относительная влажность – от 20 до 95 % при плюс 55 ℃;
вибрации – частотой 5…9 Гц с амплитудой 3,5 мм и 0,5…200 Гц с ускорением 2 g;
удар 15 g, 11 мс.
МФК3000 производится и поставляется преимущественно в шкафном исполнении, которое обеспечивает необходимую степень защиты и подключение объектовых кабелей (уровень пыле- и брызгозащиты – IP54 и выше по ГОСТ 14254-96). Заказ комплектного контроллерного шкафа, выполненного в соответствии с требованиями заказчика и полностью готового к монтажу на объекте, существенно снижает затраты на этапах проектирования, монтажа, пуско-наладки и эксплуатации АСУ ТП. Состав конструктивных элементов, тип и габариты шкафа указываются в Техническом задании на шкаф МФК3000.
Подключение объектовых сигналов к контроллеру выполняется с задней стороны. Применяются два типа разъемов стандарта DIN 41612 тип F на 48 контактов и тип С на 96 контактов. Разъемы устанавливаются при изготовлении контроллера. При дальнейшем расширении модулей контроллера необходимо устанавливать дополнительные разъемы и кабели.
Функциональный состав модулей позволяет подключать объектовые сигналы без промежуточных нормализаторов и умощнителей. Объектовые сигналы рекомендуется подключать через проходные клеммники (например, фирмы WAGO), устанавливаемые на DIN-рейку.
В состав контроллера входят модули ЦП, модули УСО, крейты, источники питания (ИП) и вспомогательное оборудование. Конструкция контроллера МФК3000 построена на основе стандарта Евромеханика 19!! размер 6U. Модули выполнены в формате Е3 (233,35 ×160 мм). Ширина модуля УСО – 20 мм (4 НР). Модуль занимает одно посадочное место в крейте. Ширина модуля ЦП – 40 мм (8 НР). Модуль занимает два посадочных места в крейте. Контроллер имеет степень защиты IP20 и предназначен для установки в электротехнические или монтажные шкафы. Состав, входящих в контроллер устройств и кабелей, указан в табл. 4.35. Модуль центрального процессора Р05-02 предназначен для использования в качестве центрального вычислительного устройства контроллера. СПО поддерживает работу двух модулей ЦП в составе одного контроллера. Для обмена информацией с внешними устройствами используют такие коммуникационные интерфейсы: Ethernet, СОМ1, СОМ2. Прикладные программы загружаются во внутреннюю энергонезависимую память модуля.
Т а б л и ц а 4.35.
Состав, входящих в контроллер МФК 3000, устройств и кабелей.
Наименование Наименование исполнения Описание
РО5 РО5-02 Модуль центрального процессора
DO16r DO16r-220 Модуль вывода дискретных сигналов (реле) на 220 В. С контролем состояния выходов.
DO16r-24 Модуль вывода дискретных сигналов (реле) на 24 В. С контролем состояния выходов.
DO16r-220FC Модуль вывода дискретных сигналов (реле) на 220 В. С контролем целостности предохранителя.
DO16r-24FC Модуль вывода дискретных сигналов (реле) на 24 В. С контролем целостности предохранителя.
DO24r DO24r Модуль вывода дискретных сигналов (реле)
DO32r DO32r Модуль вывода дискретных сигналов (реле)
DO16s-220AC DO16s-220AC Модуль вывода дискретных сигналов (транзистор) на 220 В постоянного тока. С контролем состояния выходов.
DO16s-220DC DO16s-220DC Модуль вывода дискретных сигналов (симистор) на 220 В. С контролем состояния выходов.
DI16-220 DI16-220 Модуль ввода дискретных сигналов 220 В.
DI32(16)-220AC DI32-220AC Модуль ввода дискретных сигналов 220 В.
DI16-220AC Модуль ввода дискретных сигналов 220 В.
DI48-24M DI48-24M Модуль ввода дискретных сигналов 24 В с общим минусом входов
DO32-24P DO32-24P Модуль вывода дискретных сигналов 24 В с общим плюсом ключей для систем с резервированием.
С контролем состояния выходов.
Продолжение табл. 4.35.
Наименование Наименование исполнения Описание
DO32-24P1 Модуль вывода дискретных сигналов 24 В с общим плюсом ключей и малой рассеиваемой мощностью.
С контролем состояния выходов.
DO32-24M DO32-24M Модуль вывода дискретных сигналов 24 В с общим минусом ключей с общим плюсом нагрузок. Предназначен для управления ПБР.
С контролем состояния выходов.
AI16 AI16 Модуль ввода аналоговых сигналов среднего уровня.
AI32 AI32 Модуль ввода аналоговых сигналов среднего уровня.
LI16 LI16 Модуль ввода аналоговых сигналов от температурных датчиков
AOC8 AOC8 Модуль вывода аналоговых сигналов
FP6 FP6 Модуль ввода числоимпульсных и частотных сигналов
CR3000 CR3000 Крейт на 21 посадочное место
CR3000-01 Крейт с двумя независимыми панелями на 10 посадочных мест каждая
TCC 3F01 TCC 3F01 Устройство преобразования уровня от индуктивных датчиков частоты вращения
LWR 1601-6R Power-One Источник питания 125 Вт
LWN 1601-6R Power-One Источник питания 250 Вт
Кабель резервирования КР МФК3000 Для 100% резервирования контроллеров требуется два кабеля
Кабель Ethernet «перекрещенный» Для синхронизации данных при резервировании требуется один кабель
Кабель расширения магистрали Для подключения крейтов расширения требуется два кабеля на каждый крейт расширения

Модуль занимает в крейте два посадочных меcта и включает в себя следующие компоненты (рис. 4.18):
платы носителя с источником питания 24 В/5 В;
РС-совместимой процессорной платы формата 3,5!! с шиной расширения РС104;
платы расширения статического ОЗУ в формате РС104;
платы управления ШК microCAN в формате РС104;
На процессорной плате установлен модуль системного динамического ОЗУ не менее 32 Мбайт типа SODIM (SDRAM) и накопитель Flash-памяти типа CompactFlash с установленным СПО TeNIX на основе ОС Linux.
1 2
Bus
Err
M/S
Run RUN
Lack QUT PRC

КВ

Модули ввода-вывода
(УСО)

1 2
Bus
Err
M/S
Run RUN
Lack QUT PRC

КВ



20
6
5
4
3
ЦП PO5
ЦП PO5

ХР1


USB1
COM1
USB2
USB1
USB2
COM1

COM2

VGA
VGA
COM2

VO4
VO3
VO3
VO4


LAN11
LAN21
LPT
LAN21
LAN11
LPT
ХР2

1 2 1 2 Модули ввода-вывода
Bus Bus (УСО)
Err Err
M/S M/S
Run Run
RUN RUN
Lack QUT PRC Lack QUT PRC

КВ КВ


ХР3
41
23
ЦП PO5
26
24
ЦП PO5


ХР1


USB1
USB1
USB2
COM1
USB2
COM1

COM2
VGA
VGA
COM2

ХР4 VO3
VO4
VO3
VO4


ХР2
LAN11
LPT
LAN21
LPT
LAN21
LAN11

1 2 1 2 Модули ввода-вывода
Bus Bus (УСО)
Err Err
M/S M/S
Run RUN Run RUN

Lack QUT PRC Lack QUT PRC

КВ КВ

ЦП PO5
ЦП PO5

ХР3 62
46
45
44



USB1
USB1
USB2
COM1
USB2
COM1

COM2
VGA
VGA

VO4
VO3
COM2

VO3
VO4


ХР4
LPT
LAN21
LAN11
LPT
LAN21
LAN11


Рис. 4.18. Конфигурация контроллера МФК3000 на основе трех крейтов.
На плате расширения – 512 кбайт статического ОЗУ с резервным питанием от литиевой батарейки. Технические характеристики модуля ЦП:
РС-совместимая платформа на базе процессора Geode до 500 МГц;
SDRAM объемом не менее 32 Мбайт;
Flash-память объемом не менее 64 Мбайт для хранения СПО и технологического программного обеспечения;
энергонезависимое статическое ОЗУ объемом 512 кбайт с резервным питанием от литиевой батарейки;
сторожевой таймер аппаратного сброса;
два интерфейса Ethernet Ваsе-Т 10/100 Мбит/с
два последовательных интерфейса СОМ1, СОМ2 и два – USB 1.0;
интерфейсы VGA и PS/2;
напряжение питания – 24 В , ток потребления не более 350 мА
переключатель и светодиодная индикация режимов работы;
масса модуля - не более 1,0 кг.
Режим работы ЦП определяет режим работы всего контроллера. При резервировании ЦП режим работы контроллера определяется правильной настройкой и режимами работы обоих ЦП. Переключатель режимов расположен на лицевой панели модуля и имеет четыре положения:

LOCK OUT – работает технологическая программа, выходы за-
блокированы;

RUN – работает технологическая программа, управление тех-
нологическим процессом, при резервировании, – модуль при-
нимает решение о выборе режима работы «MASTER/SLAVE» в
зависимости от результатов диагностики и наличия резервиро-
вания;

PRG – технологическая задача остановлена, ЦП РО5 (кон-
троллер) находится в режиме конфигурирования (программи-
рования). Для перевода модуля в режим «PRG» необходимо
перевести переключатель в это положение и перегрузить ЦП;

Default – при включении питания или перезагрузке модуля с
положением переключателя в Default модуль восстанавливает
заводские установки.
Режим «RUN» - основной режим работы. В режиме «RUN» (переключатель в положении RUN или LOCK OUT) работает технологическая программа, работают все сконфигурированные службы, диагностика контроллера, служба «Plug & Play» модулей. Режим «RUN» имеет три состояния:
«MASTER» (переключатель в положении RUN) – полное управление ресурсами контроллера (управление технологическим процессом);
«SLAVE» (переключатель в положении RUN) – работает технологическая программа, управление не осуществляется. В режиме 100% резервирования контроллеров выполняется запись данных в модули, но выходы модулей отключены (модули в режиме «SLAVE»). При резервировании ЦП, запись данных от ЦП в шину контроллера запрещена, модуль «подслушивает» входные данные на шине. Модуль ЦП готов к переключению в режиме «MASTER» (если нет отказов). Режим возможен только при резервировании;
«SLAVE» (переключатель в положении LOCK OUT) – ручная блокировка режима «MASTER», работает технологическая программа, управление не осуществляется. В режиме работы без резервирования ЦП и 100% резервировании контроллеров выполняется запись данных в модули, но выходы модулей отключены (модули в режиме «SLAVE»). При резервировании ЦП, запись данных от ЦП в шину контроллера запрещена, модуль «подслушивает» входные данные на шине. Запрещен переход модуля ЦП в режим «MASTER». Используется для принудительного переключения в режим «SLAVE» при резервировании и для блокировки выходов в контроллере без резервирования.
Режим «PRG» - основной режим работы. В режиме «PRG» выполняется конфигурирование ресурсов контроллера и параметров модулей. Диагностика не работает, служба «Plug & Play» модулей не работает.
Режим «Default» - вспомогательный режим. Предназначен для восстановления заводских установок (например, для восстановления забытого или неправильно установленного IР-адреса).
Световая индикация модуля. На лицевой панели модуля расположены системные индикаторы Bus1, Bus2, Err, M/S, Run.
Индикатором Err управляет служба диагностики контроллера (т.е. суммарная ошибка по всему контроллеру). При наличии ошибки – цвет свечения желтый, при отказе красный. Индицируются результаты тех компонент диагностики, которые заданы при конфигурировании контроллера. Управление индикаторами M/S, Run выполняется программно в зависимости от положения переключателя режима работы (табл. 4.36).
Модуль имеет следующие настраиваемые параметры:
количество крейтов в контроллере;
IР-адреса интерфейсов Ethernet;
скорость и режимы работы СОМ-портов;
режимы резервирования;
диагностику.
Т а б л и ц а 4.36.
Световая индикация модуля центрального процессора
Положение переключателя Индикатор M/S Индикатор Run
Режим работы
LOCK OUT Красный Зеленый Ручная блокировка выходов, «SLAVE»
Run Зеленый (MASTER) Желтый (SLAVE) Зеленый Управление, при резервировании – автоматический выбор состоянии «MASTER»/«SLAVE»
PRG Желтый Красный Программирование, конфигурирование
Default Красный/ зеленый мигающий Красный /зе- леный мигающий Восстановление заводских установок
Модуль имеет следующие настраиваемые параметры:
количество крейтов в контроллере;
IР-адреса интерфейсов Ethernet;
скорость и режимы работы СОМ-портов;
режимы резервирования;
диагностику.
Модуль диагностирует свои ресурсы и общие ресурсы контроллера. Диагностируются следующие неисправности самого модуля:
превышение времени выполнения программы – Watchdog со временем перезапуска 1,6 с;
отказ шин CAN (ШК);
обрыв интерфейсов Ethernet;
разрушение разделов на SRAM;
нештатное завершение работы запущенных программных служб.
Диагностируются неисправности общих ресурсов контроллера:
снижение уровней напряжения питания 24 В;
отказы и ошибки модулей УСО;
отказ службы синхронизации данных технологической программы при резервировании.
Результаты диагностики записываются в энергонезависимой кольцевой архив, отображаются индикатором Err на модуле и доступны для просмотра из программы TUNER.
Модуль имеет два последовательных порта СОМ1, СОМ2, которые имеют физическую среду RS232, поддерживают работу со стандартными скоростями обмена до 115 200 бит/с. Порты не имеют гальванической развязки сигналов от цифровой земли контроллера. Исходные настройки:
скорость 115 200 бит/с;
8 бит данных без проверки четности, 1 стоп-бит.
Назначение контактов разъемов СОМ1, СОМ2, VO3, VO4 представлено в табл.4.37, 4.38.
Т а б л и ц а 4.37.
Назначение контактов разъема СОМ1.
Контакт разъема Обозначение сигнала Направление Назначение
1 DCD Вход Детектор несущей частоты
2 RXD Вход Принимаемые данные
3 TXD Выход Передаваемые данные
4 DTR Выход Готовность терминала
5 GND - Земля
6 DSR Вход Готовность модема
7 RTS Выход Запрос передачи
8 CTS Вход Сброс передачи
9 RI Вход Индикатор звонка
Т а б л и ц а 4.38.
Обозначение контактов разъема СОМ2/ VO3/VO4.
Контакт разъема Обозначение сигнала Направление Назначение
1 DCD Вход Детектор несущей частоты
2 RXD Вход Принимаемые данные
3 TXD Выход Передаваемые данные
4 DTR Выход Готовность терминала
5 GND - Земля
6 DSR Вход Готовность модема
7 RTS Выход Запрос передачи
8 CTS Вход Сброс передачи
9 RI Вход Индикатор звонка
10 + 5 В - Питание +5 В
11 – 15 - - Не используется
Модуль имеет два интерфейса LAN1, LAN2 Ethernet IEEE 802.3 Base-T, которые поддерживают работу со скоростями 10/100 Мбит/с. Подключение следует выполнять экранированным кабелем категории 5.
Параллельный интерфейс (принтерный порт). Принтерный порт LРТ используется для установки ключа защиты от несанкционированного копирования БПО (для некоторых систем технологического проектирования). Модуль имеет два UСВ-порта стандарта 1,0. Модуль имеет интерфейс VGA для подключения стандартного монитора и интерфейс PS/2 для совместного подключения клавиатуры и мыши.
Назначение контактов разъема Ethernet, LPT представлены в табл. 4.39, 4.40.
Т а б л и ц а 4.39
Обозначение контактов разъемов Ethernet
Контакт разъема Обозначение сигнала Назначение
1 TХD + Передаваемые данные, «плюс»
2 TХD – Передаваемые данные, «минус»
3 RХD+ Принимаемые данные, «плюс»
4-5 – Не используются
6 RХD– Принимаемые данные, «минус»
7-8 – Не используются
Т а б л и ц а 4.40
Назначение контактов разъема LPT
Контакт разъема Обозначение сигнала Назначение
1 STB Выход
2 DАТА0 Вход/выход
3 DАТА1 Вход/выход
4 DАТА2 Вход/выход
5 DАТА3 Вход/выход
6 DАТА4 Вход/выход
7 DАТА5 Вход/выход
8 DАТА6 Вход/выход
9 DАТА7 Вход/выход
10 ACK Выход
11 BUSY Вход
12 PE Вход
13 SLCT Вход
14 AFD Выход
15 ERR Вход
16 INIT Выход
17 SLIN Выход
18-25 GND Земля

Таймером аппаратного сброса – Watchdog управляет СПО. Время перезапуска Watchdog’а – от 1 до 2,25 с, типовое значение 1,6 с. При невосстанавливаемом сбое задач СПО (отказе) или «зависании» технологической задачи (при использовании в ней Watchdog’а) Watchdog производит аппаратный сброс CPU.
Каркас СR3000 (далее - крейт) предназначен для установки модулей (включает в себя 21 посадочное место). В составе контроллера может быть от одного до трех крейтов. На крейте указан серийный номер контроллера (если в контроллере более одного крейта, то на всех крейтах указывается одинаковый серийный номер контроллера), порядковый номер крейта в пределах одного контроллера и его серийный номер. Основой каркаса СR3000 является пассивная кросс-плата (не содержащая микросхем и других активных элементов). На задней стороне крейта расположены:
4 разъема (XP1 … XP4) для расширения магистрали контроллера;
2 клеммных соединителя (XS22, XS23) для подключения питания;
переключатель адреса крейта в контроллере S1;
4 перемычки для подключения терминирующих резисторов шин CAN (WWZ1 … WWZ4);
клеммы XP5, XP6 и XP7;
клемма на боковой стенке для подключения защитного заземления;
металлическая панель, предназначенная для установки объектовых разъемов, закреплена восемью невыпадающими винтами;
XP5 – клемма, к которой подключены конденсаторы фильтров объектовых разъемов модулей для ЭМС (далее по тексту сигнал ЕАRТН);
XP6 – клемма заземления;
XP7 – клемма нуля питания внутренних схем контроллера (использовать не рекомендуется).
Каркас СR3000-01 (далее - крейт) состоит из двух независимых секций. Предназначен для размещения в нем двух контроллеров на 10 посадочных мест каждый. Может использоваться для создания так называемого «кластера» защитного контроллера состоящего из двух идентичных контроллеров, работающих параллельно и независимо. Основой каркаса СR3000-01 являются две одинаковые пассивные кросс-платы (не содержащие микросхем и других активных элементов). Каркас СR3000-01 в общем адресном пространстве занимает 21 адрес.
МКФ3000 представляет собой технологический контроллер, ориентированный на применение в крупномасштабных АСУ ТП и в системах автоматизации объектов с повышенными требованиями к надежности функционирования, в том числе в системах блокировки и противоаварийных защит (ПАЗ). Контроллер может состоять из одного, двух или трех крейтов. В контроллер может устанавливаться до двух модулей ЦП и до 61 модуля УСО (с максимальным количеством дискретных входов до 2928 или аналоговых входов до 976). Любой модуль УСО занимает одно посадочное место, модуль ЦП занимает два посадочных места.
Все крейты (каркас СR3000-01 ДАРЦ.301243.001) одинаковые. Номер крейта в составе контроллера устанавливается специальным переключателем, расположенным на задней стороне контроллера. Дублированная шина контроллера (ШК) внутренняя интерфейса расширяется дублированными кабелями (ДАРЦ.685625.170). Общая длина шины контроллера должна быть не более 30 м. Для подключения одного крейта расширения необходимо два кабеля. При отказе одного кабеля (и его замене) контроллер продолжает работу в штатном режиме.
На рис. 4.19. показан пример контроллера состоящего из трех крейтов. Адреса модулей на ШК определяется географическим номером посадочного места. В первом крейте адреса модулей от 0 до 20, во втором от 21 до 41 и в третьем от 42 до 62. Все места в крейтах совершенно равнозначны, и модули ЦП можно устанавливать на любой адрес в контроллере от 0 до 62.

ХР 1


ХР 2



Адреса модулей 0 2 20


ХР 3 ХР 1

ХР 4 ХР 2



21 41

ХР 3



ХР 4


42 62

Рис. 4.19. Конфигурация контроллера МКФ3000 на основе трех крейтов.

Шина контроллера (ШК) построена на основе дублированной шины CAN. Две дублированные шины CAN образуют два канала передачи сообщений внутри контроллера. Шина CAN является высоконадежной шиной полевого уровня. В нее встроен аппаратный контроль целостности передачи данных по контрольной сумме, аппаратное подтверждение наличия приемника сообщений на шине, контроль состояния физической линии. В ШК применен протокол Unitbus (разработки ЗАО ПК «Промконтроллер»), который использует многомастерную работу и обеспечивает гарантированное время доставки сообщений. Адреса абонентов на шине определяются географически. Архитектура контроллера представлена на рис. 4.20.
Шина контроллера (ШК) CAN0
SYN0
IRQ0

ХР1 ХР3
Разъем Разъем
расширения расширения
ШК ШК

XS22 24 V (1)
УСО
УСО
УСО
УСО
ЦП
ЦП


….


XS23 24 V (2)
CAN1
SYN1
IRQ1
Шина контроллера (ШК)

ХР2 ХР4
Разъем Разъем
расширения расширения
ШК ШК
Рис. 4.20. Архитектура контроллера МФК3000 на основе дублированной шины CAN.

На рис. 4.21. представлена организация циклов обмена данными в системном программном обеспечении (СПО) контроллера.
ПО ПО работы с Технологическая
УСО шиной задача


0,5…250 мс 30; 60; 90 мс 0,5…200 мс

Буфер API
Буфер УСО


1 … 5 мс
Инициативные сообщения
Рис. 4.21. Организация циклов обмена данных в системном программном обеспечении контроллера МФК.
Передача данных от входа модуля в технологическую задачу выполняется следующим образом:
ПО модулей опрашивает входные каналы с периодом от 0,5 мс (для первых16 каналов модуля DI48-24М) до 250 мс (для модуля LI16). C этим периодом обновляются данные в буферах модулей. Если модуль настроен на работу с инициативными сообщениями, то при изменении данных он сразу инициативно отправляет новые данные в ЦП;
ПО работы с шиной раз в период (30, 60, 90 мс) забирает данные из буфера модуля в буфер ЦП;
Данные из буфера ЦП передаются в технологическую программу в начале ее ближайшего цикла.
Передача данных из технологической задачи в модули выполняется следующим образом:
в конце цикла технологическая программа записывает данные в выходной буфер ЦП. Если модуль, в который записываются выходные данные, настроен на работу с инициативными сообщениями, то при изменении данных, они инициативно, с большим приоритетом, отправляются в модуль;
ПО работы с шиной раз в период (30, 60, 90 мс) передает данные из буфера ЦП в модули УСО;
в выходные регистры модули записывают данные после получения по шине с задержкой менее 1,25 мс.
Цикл технологической программы зависит от установленного БПО (системы технологического программирования) и размера прикладного проекта.
Пример: для системы программирования IsaGRAF время выполнения тестового проекта в контроллере из 59 модулей УСО и 20 000 переменных (включая регуляторы, блоки управления задвижками) составляет порядка 10-12 мс; время выполнения реального проекта управления котлом типа ПТВМ-60Э в контроллере из 38 модулей и 37 000 переменных составляет порядка 30-40 мс.
Программа работы с шиной имеет период, зависящий от количества модулей, равный 30 мс для контроллера, состоящего из одного крейта, 60 мс – из двух крейтов, 90 мс – из трех крейтов. С этим периодом обновляются данные в буфере ЦП. Данные из буфера ЦП технологическая задача считывает с периодом своего исполнения. Данные из буфера ЦП передаются в модули с периодом работы шины контроллера.
Для ускорения передачи данных дискретных входов из модулей в буфер ЦП можно настроить передачу модулями инициативных сообщений по изменениям входных сигналов. Также для ускорения передачи выходных данных, особенно сигналов защит и блокировок, можно настроить ЦП на передачу в отдельные модули инициативных сообщений. Поддержано в СПО TeNIX версии 4.6 и старше. Кроме этого все модули будут опрашиваться или передаваться в них выходные данные раз в цикл шины вне зависимости от передачи инициативных сообщений.
В МКФ обеспечивается многоуровневое резервирование и дублирование ресурсов контроллера, что позволяет разрабатывать системы автоматизации с различными требованиями к степени надежности и безопасности. Разработчику АСУ ТП представляется возможность определить режим использования контроллера с частичным или полным резервированием и дублированием ресурсов МКФ3000:
резервирование или троирование модулей УСО;
резервирование модулей центральных процессоров (ЦП);
100% «горячее» резервирование контроллеров.
На рис. 4.22 показан пример построения системы состоящей из двух нерезервированных контроллеров, двух резервированных контроллеров и контроллере из двух крейтов с резервированными ЦП. В одиночном контроллере, состоящим из одного – трех крейтов, можно резервировать ЦП и модули УСО. Связь с СВУ выполняется через интерфейс Ethernet 100 Base – T. Каждый модуль ЦП имеет два интерфейса Ethernet 100 Base – T. В контроллере без резервирования возможно резервирование или дублирование сетевых интерфейсов. При резервировании ЦП или контроллеров в целом обязательно резервируется сетевые интерфейсы от контроллера в целом или от резервированного комплекса в целом. При резервировании (дублировании) сетевых интерфейсов рекомендуется использовать два сетевых коммутатора (switch типа D-Link DGS-1024TL).
Программное обеспечение. Контроллер МФК3000 представляет разработчику АСУ ТП возможность создания, загрузки и отладки прикладных проектов, используя языки технологического программирования в соответствии с международным стандартом IЕС 61131-3. Среда технологического программирования, установленная на инженерной станции разработчика АСУ ТП, взаимодействует с БПО контроллера. Разработчик системы может использовать для программирования контроллеров различное базовое программное обеспечение (БПО) – среду IsaGRAF, а также инструментальные средства, входящие в состав интегрированных пакетов КРУГ-2000 и Master SCADA (MasterLogic).
Базовой системой программирования для всей линейки контроллеров ТЕКОН является система IsaGRAF. Загрузка подготовленных прикладных программ в память контроллера для отладки и выполнения производится по сети Ethernet, используя протокол TCP/IP.
В МФК3000, благодаря высокопроизводительному ЦП (Р05-02) и оптимальной архитектуре аппаратуры и системного программного обеспечения, достигается малое время пересчета технологических алгоритмов.
Система верхнего уровня на основе компьютеров и серверов


Ethernet 100 Base-T
Ethernet 100 Base-T
Коммутатор
Коммутатор
Ethernet 100 Base-T
Контроллер с двумя
крейтами расширения
ЦП
LAN1
LAN2
ЦП
LAN1
LAN2
ЦП
LAN1
LAN2
ЦП
LAN1
LAN2

Резервирование сети ХР1 ХР1
Ethernet
ХР2 ХР2



ХР3 ХР1
ЦП
LAN1
LAN2
ЦП
LAN1
LAN2

ХР2 ХР4 ХР2

ХР3
Контроллер с
резервиров анием ХР4
Не резервирова нный 100% горячее центрального процессора
контроллер резервирование и крейтом расширения
контроллеров
Датчики и исполнительные механизмы

Рис. 4.22. Пример построения системы на основе контроллера МФК3000 с различными вариантами резервирования.
Пример. Для контроллера, состоящего из 58 модулей ввода-вывода (3 крейта, более 1 000 каналов), время цикла технологической программы ISaGRAF Pro, имеющей 20 000 внутренних переменных, 100 алгоблоков управления задвижками и двигателями, 20 ПИД-регуляторов, составляет всего 10 мс. При этом цикл опроса всех 58 модулей трех крейтов составляет 90 мс, гарантированное время доставки инициативных сообщений порядка 5 мс, а время реакции (с использованием инициативных сообщений) вход-выход контроллера – 15…25 мс (среднее время 20 мс) по ограниченному количеству каналов, участвующих в защитах.
Основой исполнительной системы является системное программное обеспечение (СПО), обеспечивающее доступ ко всем ресурсам контроллера и эффективное выполнение прикладной программы пользователя.
СПО контроллеров ТЕКОН является TeNIX [2], включающее ядро многозадачной °С Linux c драйверами и файловой системой, а также подсистему ввода-вывода, взаимодействующую со встроенным программным обеспечением модулей УСО и с БПО. СПО TeNIX контроллеров МФК3000 имеет удобное встроенное средство конфигурирования, тестирования и мониторинга состояния ресурсов контроллера – программу TUNER. Программа TUNER имеет пользовательский Web-интерфейс. Доступ к программе TUNER осуществляется по протоколу ТCP/IP при использовании любого графического Internet браузера современных операционных систем: Internet Explorer, Оpera, Netscape, Mozilla, Konqueror и т.д.
TUNER настраивает в контроллере запуск программных служб, параметры диагностики, резервирования ЦП и контроллера в целом, резервирование модулей, режимы работы модулей, диапазоны измерения и т.д.
В случае БПО ISaGRAF связь с системой верхнего уровня выполняет ОРС сервер (TeconOPC Server), работающий на АРМе или выделенном сервере или, для некоторых SCADA-систем, встроенных драйверные связи.
4.4.4. Промышленные логические контроллеры компании ОВЕН (www. owen.ru).
Промышленные логические контроллеры, выпускаемые компанией ОВЕН, представлены на рис. 4.23. Основные особенности логических контроллеров:
среда программирования CoDeSys;
встроенные интерфейсы: Ethernet 10/100 Mbps, RS-485, RS-232, USB-Device (для ПЛК-100);
поддержка протоколов ОВЕН, Modbus RTU, Modbus ASCII, DCON, Modbus TCP, GateWay;
все дискретные входы (10 кГц) могут функционировать в режиме импульсного счетчика, триггера или энкодера (для энкодера частота до 1 кГц);
все дискретные входы могут быть настроены на генерацию ШИМ-сигнала с высокой точностью;
библиотека функциональных блоков: ПИД-регулятор с автоподстройкой, блок управления 3-позиционными задвижками и др.;
стандартные библиотеки CoDeSys;
возможность расширения путем подключения модулей ввода-вывода;
встроенные часы реального времени;
встроенный аккумуляторный источник резервного питания
Программируемые логические контроллеры компании ОВЕН


ПЛК 63/73
Для автоматизации малых объектов и установок в составе распределенных систем управления и диспетчеризации с использованием проводных и беспроводных технологий ПЛК 100/50/154
Оптимально для построения распределенных систем управления и диспетчеризации с использованием проводных и беспроводных технологий.
Особенность.
Небольшое количество точек ввода/вывода и расширенное количество интерфейсов на «борту» контроллеров ПЛК 110/160
Оптимально для построения распределенных систем управления и диспетчеризации с использованием проводных и беспроводных технологий.
Особенность.
Расширенное количество входов/ выходов и на «борту» и интерфейсов для построения распределенных систем управления ПЛК 304/308
РС совместимые контроллеры для создания распределенных систем управления и диспетчеризации (АСКУЭ, АСОДУ) с использованием проводных и беспроводных технологий
Особенность.
- большое количество встроенных последовательных портов RS-232/ RS-485 и наличие интерфейса Ethernet ;
- операционная система Linux ;
- наличие портов для подключения накопителей информации (SD Card, USB Hast) ПЛК 410
Оптимально для построения локальных систем управления и «законченных» масштабируемых решений: приборы для отопления, вентиляции, котельная автоматика, торговые установки
Возможные расширения ОВЕН ПЛК
Модули ввода/ вывода Модули ввода/вывода
М× 110 Вспомогательные устройства Операторские панели
МВА8 МВУ8 МДВ8 МВ 110-220 (24, 224). 16 Д
МВ 110-220 (24, 224). 16 ДН
МВ110-224, 2А
МУ 110-220 (24, 224). 8Р (К)
МУ 110-220 (24, 224). 16Р (К)
МУ 110-220 (24, 224). 8И(6У)
МК110-220 (24). 4К.4Р
МК110-220 (24, 224). 8Д.4Р
МК110-220 (24, 224). 8ДН.4Р - ЭДИ-6
- ЭДИ-8
- МКОП -6
- ПДИМ-8
- ПДИ5 -4
- ПД5-8 СМИ-1 ИП 320 СП 270
Рис. 4.23. Программируемые логические контроллеры компании ОВЕН.
Практически все, приведенные на рис. 4.23, программируемые логические контроллеры имеют соответствующие входы-выходы для подключения датчиков и исполнительных устройств непосредственно к ПЛК (входы-выходы на борту контроллеров). При этом существуют особенности подключения датчиков и выходных устройств, предназначенных для передачи выходного управляющего сигнала на исполнительные механизмы или для передачи данных на регистрирующее устройство.
Существует несколько схем подключения датчиков, представленных на рис. 4.24. Термопреобразователи сопротивления (рис. 4.24а) характеризуются двумя параметрами, сопротивление датчика (R0) при 0 ℃ и отношениях сопротивления датчика при 100 ℃ к его сопротивлению при 0 ℃ (W100). В связи с введением нового ГОСТа на термопреобразователи сопротивления (ГОСТ 8.625-2006) для новых приборов ОВЕН в документации вместо W100 приведен параметр а – отношение разницы сопротивлений датчика, измеренных при температуре 100 и 0 ℃, к его сопротивлению, измеренному при 0 ℃ (R0) деленное на 100 ℃.
Для подключения термопреобразователей сопротивления к приборам ОВЕН используется трехпроводная схема, которая позволяет уменьшить погрешность измерения, возникающую при изменении сопротивления проводов (например, при изменении их температуры). К одному из выводов терморезистора Rt подсоединяются два провода, а третий подключается к другому выводу Rt. При этом необходимо соблюдать условие равенства сопротивлений всех трех проводов.
Термопреобразователи сопротивления могут подключаться к прибору с использованием двухпроводной линии, но при этом отсутствует компенсация сопротивления соединительных проводов и поэтому будет наблюдаться некоторая зависимость показаний прибора от колебаний температуры проводов.
В модификациях входов, предназначенных для работы с термопарами (рис. 4.24б), предусмотрена схема автоматической компенсации температуры свободных концов термопары. Датчиком температуры «холодного спая» служит полупроводниковый диод, установленный рядом с присоединительным клеммником.
Подключение термопар к прибору должно производиться с помощью специальных компенсационных (термоэлектродных) проводов, изготовленных из тех же материалов, что и термопара. Допускается использовать провода из металлов с термоэлектрическими характеристиками, аналогичными характеристикам материалов электродов термопары в диапазоне температур от 0…100 ℃. При соединении компенсационных проводов с термопарой и прибором необходимо соблюдать полярность.
Во избежание влияния помех на измерительную часть прибора линию связи прибора с датчиком рекомендуется экранировать. В качестве экрана может быть использована заземленная стальная труба. При нарушении указанных условий могут иметь место значительные погрешности при измерении.

Головка датчика
Экран
+




Rt


t ℃
Термоэлектродный кабель

а) Датчик температуры
холодного спая

Рабочий спай
термопары

б)
Рис. 4.24. Схемы подключения датчиков к ПЛК ОВЕН: а – термопреобразователей сопротивления; б – термопар.
К выходным устройствам ключевого типа относятся (рис. 4.25): электромагнитное реле, транзисторная оптопара, симисторная оптопара, выход для управления внешним твердотельным реле. Выходное устройство ключевого типа используется для управления (включения/выключения) нагрузкой либо непосредственно, либо через более мощные управляющие элементы, такие как пускатели, твердотельные реле, тиристоры или симисторы. Цепи ключевых выходных устройств имеют гальваническую изоляцию от схемы прибора. Исключение составляет выход «Т» для управления внешним твердотельным реле. В этом случае гальваническую изоляцию обеспечивает само твердотельное реле.
Транзисторная оптопара (выход «К») применяется, как правило, для управления низковольтным электромагнитным или твердотельным реле (до 60 В постоянного тока). Схема включения приведена на рис. 4.25а. Во избежание выхода из строя транзистора из-за большого тока самоиндукции параллельно обмотке реле Р1 необходимо устанавливать диод VD1, рассчитанный на ток 1 А и напряжение 100 В.

-Uп


P1 VD1
+Uп

a)
Фаза
R1 R2
47…68 Ом
VS1
С1
0,1х630 В

Rнагр.
N
б)
Фаза

R2
47…68 Ом
VS1
С1
0,1х630 В
R1
Rнагр.
N
в)

+6 В






-
P1
+
г)
Рис. 4.25. Выходные устройства ключевого типа: а – транзисторная оптопара;
б,в – симисторная оптопара; г – для управления твердотельным реле.
В симисторной оптопаре (рис. 4.25б), оптосимистор включается в цепь управления мощного симистора через ограничивающий резистор R1 по схеме рис. 4.25б. Значение сопротивления резистора определяет величина тока управления симистора. Оптосимистор может также управлять парой встречно-параллельно включенных тиристоров VS1 и VS2 (рис. 4.25в). Для предотвращения пробоя тиристоров из-за высоковольтных скачков напряжения в сети к их выводам рекомендуется подключать фильтрующую RС-цепочку (R2 С1). Оптосимистор имеет встроенное устройство перехода через ноль и поэтому обеспечивает полное открытие подключаемых тиристоров без применения дополнительных устройств.
Выход «Т» для управления твердотельным реле выполнен на основе транзисторного ключа п-р-п-типа (рис. 4.25г), имеющего два состояния: низкий логический уровень соответствует напряжениям 0…1 В, высокий уровень – напряжениям 4…6 В. Выход «Т» используется для подключения твердотельного реле, рассчитанного на управление постоянным напряжением 4…6 В, с током управления не более 100 мА. Внутри выходного элемента устанавливается ограничительный резистор Rогр. номиналом 100 Ом.
Выходные устройства аналогового типа – это цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, который формирует токовую петлю 4…20 мА или напряжение 0…10 В и, как правило, используется для управления электронными регуляторами мощности.
Цепи аналоговых выходных устройств имеют гальваническую изоляцию от схемы прибора. ЦАП 4…20 мА (выход «И»). Для работы ЦАП 4…20 мА (рис. 4.26а) используется внешний источник питания постоянного тока, номинальное значение напряжения Uп которого рассчитывается следующим образом:
Uп.min < Uп. < Uп.max;
Uп.min = 10 D + 0,02 A ∙ RH;
Uп.max = Uп.min + 2,5 B,
где Uп.min и Uп.max – минимально и максимально допустимое напряжение
питания, соответственно, В;
RH – сопротивление нагрузки ЦАП, Ом.
Если по какой либо причине напряжение источника питания ЦАП, находящегося в распоряжении пользователя превышает расчетное значение Uп.max, то последовательно с нагрузкой необходимо включить ограничительный резистор (рис. 4.26б), сопротивление которого Rогр. рассчитывается по формулам:
Rогр. min < Rогр.ном. < Rогр..max; Rогр. min = (Uп-Uпmax)IЦАП.max×103.
где Rогр.ном., Rогр. min и Rогр..max – номинальное, минимально и максимально
допустимое значения сопротивления ограни-
чительного резистора, соответственно, Ом;
IЦАП.max – максимальный выходной ток ЦАП, мА.
Напряжение источника питания ЦАП 4…20 мА не должно превышать 36 В.
Для работы ЦАП 0…10 В (выход «У») используется внешний источ-
ник питания постоянного тока (рис. 4.26в), номинальное значение напряжения которого Uп находится в диапазоне 15…32 В. Сопротивление нагрузки RH, подключаемой к ЦАП, должно быть не менее 2 кОм. Напряжение источника питания ЦАП 0…10 В не должно превышать 36 В.




ЦАП
4…20 мА
+ Uп


- Uп
I н = 4…20 A

а)




ЦАП
4…20 мА
+ Uп


- Uп
Rогр. Rн

б)



ЦАП
0…10 В
+ Uп


V
15…32 В
RH

- Uп


в)
Рис. 4.26. Входные устройства аналогового типа: а), б) – ЦАП 4…20 мА (выход «И»); в) – ЦАП 0…10 В (выход «У») .
Технические характеристики выходных устройств приведены в табл. 4.41.
Т а б л и ц а 4.41.
Технические характеристики выходных устройств
Обозначение Тип выходного устройства Электрические характеристики
Р Электромагнитное реле Максимальный ток нагрузки – 1 А (для ПИД-регулирования), 8 А (для сигнализации) при 220 В, 50…60 Гц, соs φ> 0,4 или 30 В постоянного тока
К Транзисторная оптопара структуры п-р-п типа Максимальный ток нагрузки – 400 мА при 60 В постоянного тока
С Симисторная оптопара Максимальный ток нагрузки – 50 мА при 240 В (постоянно открытый симистор), или 0,5 А (симистор включается с частотой не более 50 Гц и tимп.= 5 мс)
И Цифроаналоговый преобразователь «параметр – ток 4…20 мА» Номинальное сопротивление нагрузки 0… 1 000 Ом, напряжение питания 10…30 В постоянного тока
У Цифроаналоговый преобразователь «параметр – напряжение 0…10 В» Номинальное сопротивление нагрузки не менее 2 кОм, напряжение питания 15…32 В постоянного тока
Т Выход для управления твердотельным реле Выходное напряжение 4…6 В, максимальный выходной ток 50 мА
Технические характеристики программируемых логических контроллеров приведены в табл. 4.42 – 4.48.
Т а б л и ц а 4.42.
Основные технические характеристики контроллера ПЛК63.
Наименование Значение
Диапазон переменного напряжения питания:
– напряжение, В 90 … 245
– частота, Гц 47 … 63
Потребляемая мощность, ВА, не более 18
Параметры встроенного вторичного источника питания Выходное напряжение 24∓3 В,
Ток не более 180 мА
Гальваническая изоляция Есть (кроме входа Y)
Электрическая прочность изоляции, В 1500
Ресурсы
Центральный процессор 32-х разрядный RISC-процессор ARM7
Частота работы ЦМП, МГц 50
Объем оперативной памяти для хранения переменных программ, Кб 10
Объем памяти хранения программ, Кб 280
Объем EEPROM для хранения Retain, байт 448
Объем памяти ввода-вывода. байт 600 для ПЛК63-М, 360 для ПЛК63-L
Минимальное время выполнения цикла ПЛК, мс 1
Продолжение таблицы 4.42
Наименование Значение
Интерфейсы связи
Интерфейсы RS-485; RS-232
Режим работы интерфейсов Master, Slave
Поддержанные протоколы ОВЕН,ModBus-ASCII/RTU, GateWay (протокол-CodeSys)
RS-485, RS-232 Скорости передачи данных, бит/с (Master, Slave) 1200. 2400, 9600, 14400, 19200, 28800, 38400, 57600, 115200
Тип используемого кабеля Витая пара
Электрическая прочность изоляции, B 1500
Скорости передачи данных, бит/с (Master) 1200. 2400, 9600, 14400, 19200, 28800, 38400, 57600, 115200
Скорости передачи данных, бит/с (Slave) 115200
Тип используемого кабеля: - КС1
- для связи с GoDeSys - для связи с приборами - КС2
Электрическая прочность изоляции, B 300
Аналоговые входы
Количество аналоговых входов 8
Полное время преобразования сигнала для
термометра сопротивления, с, не более 0,8
Полное время преобразования входного сигнала для термоэлектрических преобразователей с включенной компенсацией ХС, датчики с унифицированными сигналами пост. напряжения и тока, с, не более 0,4
Период выборки для 8 входов:
- термометры сопротивления, с, не более
- термоэлектрические преобразователи и датчики с унифицированными сигналами пост. напряжения и тока, с, не более 6,4
3,2
Предел допускаемой основной приведенной погрешности при измерении, %:
- ТП
- ТС и датчики с унифицированными сигналами постоянного напряжения и тока ∓0,5
∓0,25
Максимальная приведенная погрешность во всем температурном диапазоне, %:
- ТП
- ТС и датчики с унифицированными сигналами постоянного напряжения и тока 1,375
0,688
Разрядность АЦП, бит 15
Метод преобразования Σ∆ (сигма-дельта преобразование)
Продолжение таблицы 4.42
Наименование Значение
Входной импеданс:
- термометры сопротивления, кОм, не менее
- термоэлектрические преобразователи и датчики с унифицированными сигналами постоянного напряжения, кОм, не менее
- датчики с унифицированными сигналами постоянного тока, Ом 100
100
100,0 ∓ 0,1
(внешний шунтирующий резистор)
Степень подавления помех общего вида с частотой 50 Гц, дБ 80
Метод линеаризации Внутренний, полиномами 3-го порядка
Выходы (дискретные и аналоговые)
Количество выходов внутри контроллера 6, из них 5 с возможностью установки ЦАП
Гальваническая изоляция выходов Есть, индивидуальная, кроме выхода типа Т
Электрическая прочность изоляции, В 1500
Время переключения из состояния «0» в состояние «1» и обратно для дискретных выходных элементов, мс, не более 100
Дополнительные дискретные выходные элементы 8 штук через подключение прибора МР1
Дискретные входы
Количество дискретных входов 8
Подключаемые входные устройства Коммутационные устройства (контакты кнопок, реле и т.п.); датчики, имеющие на выходе транзистор P-N-P/N-P-N типа с открытым коллектором
Максимальная частота сигнала, подаваемого на дискретный вход 100 Гц (при сложности 0,5)
Напряжение питания дискретных входов, В 24∓3
Максимальный ток дискретного входа, мА, не более 9 (при напряжении питания 27 В)
Ток «логической единицы», мА, не менее 4,5
Ток «логического нуля», мА, не более 1,5
Уровень сигнала, соответствующий «логической единице» на дискретном входе, В 12…27
Уровень сигнала, соответствующий «логическому нулю» на дискретном входе, В 0…4
Гальваническая развязка Групповая, по 4 выхода в группе
Электрическая прочность изоляции, В 1500
Продолжение таблицы 4.42
Наименование Значение
Программирование и обновление встроенного программного обеспечения
Среда программирования GoDeSys 2.3 (версия 2.3.8 1 и более старшая)
Интерфейс для программирования и отладки в GoDeSys RS-232
Интерфейс для обновления встроенного программного обеспечения DBGU
Конструкция
Тип корпуса Корпус для крепления DIN-рейку шириной 35 мм в форм-факторе под автоматный щит
Габаритные размеры контроллера, мм (157/86) ∓1
Степень защиты корпуса (со стороны лицевой панели) IP20
Масса контроллера, кг, не более 0,5
Средний срок службы, лет 8
Т а б л и ц а 4.43.
Отличие технических характеристик контроллеров ОВЕН
ПЛК63 и ПЛК 73
Характеристика Значение
ПЛК63 ПЛК73
Общие сведения
Коструктивное исполнение Корпус для крепления DIN-рейку шириной 35 мм в форм-факторе под автоматный щит. Габаритные размеры: (157× 86×58) ∓1(мм).Шаг между клеммами: 5 мм Корпус щитового крепления. Габаритные размеры: (246× 296×Н) ∓1(мм).Шаг между клеммами: 7,62 мм
Степень защиты корпуса IP20 IP55
Напряжение питания 90…245 В (частотой от 47 до 63 Гц)
Потребляемая мощность Не более 18 ВА
Параметры встроенного вторичного источника питания Выходное напряжение 24∓3 В, ток не более 180 мА
Элементы человеко-машинного интерфейса
Тип дисплея Текстовой монохромный ЖКИ с подсветкой
Количество знакомест 2 × 16 4 × 16
Кнопки управления на лицевой панели 6 кнопок (пленочная клавиатура): «Пуск/Стоп», «Выход», «Альт», «Ввод», «Вверх», «Вниз» 9 тактовых кнопок «Пуск/Стоп», «Выход», «Альт», «Ввод», «Вверх», «Вниз», «F1», «F2», «F3»
Cветодиоды на лицевой панели Нет 6 шт.«К1»,«К2»,«К3», «К4», «К5», «К6»
Продолжение таблицы 4.43
Характеристика Значение
ПЛК63 ПЛК73
Интерфейсы связи
Интерфейсы RS-485 и RS-232 (оба интерфейса выведены на винтовые клеммы) 2 интерфейса опционально,
1-й интерфейс: RS-485, RS-232 или отсутствует;
2-й интерфейс: RS-485, RS-232 или отсутствует.
Режим работы интерфейсов Master, Slawe
Поддержанные протоколы ОВЕН, ModBus-ASCII/RTU, GateWay (протоколGoDeSys)
Аналоговые входы
Количество входов 8
Типы подключаемых датчиков и характеристики аналоговых входов Аналогично контроллеру ПЛК63
Выходы (дискретные и аналоговые)
Количество выходов внутри контроллера 6, из них 5 с возможностью установки ЦАП 8, из них 4 с возможностью установки ЦАП
Типы выходных элементов и их характеристики Аналогично контроллеру ПЛК63
Выходные элементы 1 Тип Р (переключающее) Тип К (группа из 2 выходов)
2 Тип (Р, К, С, Т, И, У) 3 Тип (Р, К, С, Т, И, У) Тип К (группа из 2 выходов)
4 Тип (Р, К, С, Т, И, У) 5 Тип (Р, К, С, Т, И, У) Тип (Р, К, С, Т, И, У) или отсутствует
6 Тип (Р, К, С, Т, И, У) 7 Отсутствует 8 Дискретные входы
Количество входов 8
Подключаемые входные устройства Подключение датчиков с выходами: «сухой контакт», n-p-n-транзистор с открытым коллектором Подключение датчиков с выходами: «сухой контакт», p-n-p- и n-p-n-транзистор
Максимальная частота сиг нала, подаваемого на вход 100 Гц (при скважности 0,5) 1000 Гц (при скважности 0,5)
Напряжение питания 24∓3 В
Программирование и обновление встроенного программного обеспечения
Среда программирования GoDeSys (версия 2.3.8.1 и более старшая)
Интерфейс для программирования и отладки в GoDeSys RS-232 RS-232 DВGU
Интерфейс для обновления встроенного программного обеспечения DВGU (выведен на винтовые колодки с дополнительным переходником) RS-232 DВGU (выведена на разъем RJ)
Т а б л и ц а 4.44
Основные технические характеристики контроллера ПЛК100
Параметр Значение
Общие сведения
Конструктивное исполнение Унифицированный корпус для крепления на DIN-рейку (ширина 35 мм), длина 105 мм (6U), шаг клемм 7,5 мм
Степень защиты корпуса IP20
Напряжение питания: ПЛК100-24
ПЛК100-220 18…29 В постоянного тока (номинальное напряжение 24В)
90…264 В переменного тока (номинальное напряжение 220 В) частотой 47 … 63 Гц
Потребляемая мощность, не более
ПЛК100-24
ПЛК100-220 6 Вт
10 ВТ
Индикация передней панели 1 индикатор питания
8 индикаторов входов
12 индикаторов выходов
Ресурсы
Центральный процессор 32-х разрядный RISC–процессор 200 МГц на базе ядра ARM9
Объем оперативной памяти 8 Мбайт
Параметр Значение
Объем энергонезависимой памяти хранения ядра СoDeSys, программ и архивов 4 Мбайт
Размер Retain-памяти 4 Кбайт
Время выполнения цикла ПЛК Минимальное 250 мкс (нефиксированное), типовое от 1мс
Дискретные входы
Количество дискретных входов 8
Гальваническая развязка дискретных входов Есть, групповая
Электрическая прочность изоляции дискретных входов 1,5 кВ
Максимальная частота сигнала, подаваемого на дискретный вход 1 кГц при программной обработке
10 кГц при применении аппаратного счетчика и обработчика энкодера
Дискретные выходы
Количество дискретных выходов в:
ПЛК100-24.Р и ПЛК100-220.Р
ПЛК100-220 6 э/м реле
6 сдвоенных транзисторных ключей (всего 12 выходных сигналов)
Гальваническая развязка дискретных выходов
Электрическая прочность изоляции дискретных выходов Есть, индивидуальная
1,5 кВ
Продолжение таблицы 4.44.
Параметр Значение
Интерфейсы связи
Интерфейсы Ethernet 100 Base-T
RS-232 – 2 канала
RS-485
USB 2.0-Device
Скорость обмена по интерфейсам RS От 4800 до 115200 bps
Протоколы ОВЕН, ModBus-ASCII/RTU, DCON, ModBus-TCP GateWay (протокол СoDeSys)
Программирование
Среда программирования GoDeSys 2.3 (2.3.8.1 или более новые версии)
Интерфейс для программирования и отладки RS-232, USB-Device, Ethernet
Т а б л и ц а 4.45
Основные технические характеристики контроллера ПЛК154
Параметр Значение
Общие сведения
Конструктивное исполнение Унифицированный корпус для крепления на DIN-рейку (ширина 35 мм), длина 105 мм (6U), шаг клемм 7,5 мм
Степень защиты корпуса IP20
Напряжение питания:
ПЛК154-24:
ПЛК154-220 18…29 В постоянного тока (номинальное напряжение 24В)
90…264 В переменного тока (номинальное напряжение 220 В) частотой 47 … 63 Гц
Потребляемая мощность 6 Вт
Индикация передней панели 1 индикатор питания
6 индикаторов состояний дискретных входов
4 индикатора состояний выходов
1 индикатор наличия связи с СoDeSys
1 индикатор работы программы пользователя
Ресурсы
Центральный процессор 32-х разрядный RISC–процессор 200 МГц на базе ядра ARM9
Объем оперативной памяти 8 Мбайт
Параметр Значение
Объем энергонезависимой памяти хранения ядра СoDeSys, программ и архивов 4 Мбайт
Размер Retain-памяти 4 Кбайт
Время выполнения цикла ПЛК Минимальное 250 мкс (нефиксированное), типовое от 1мс
Продолжение таблицы 4.45.
Параметр Значение
Дискретные входы
Количество дискретных входов 6
Гальваническая развязка дискретных входов Есть, групповая
Электрическая прочность изоляции дискретных входов 1,5 кВ
Максимальная частота сигнала, подаваемого на дискретный вход 1 кГц при программной обработке
10 кГц при применении аппаратного счетчика и обработчика энкодера
Дискретные выходы
Количество дискретных выходов 4 э/м реле
Характеристики дискретных выходов Ток коммутации до 2 А при напряжении не более 220 В 50 Гц и cosφ> 0,4
Гальваническая изоляция дискретных выходов Есть, индивидуальная
Электрическая прочность изоляции дискретных выходов 1,5 кВ
Аналоговые входы
Количество аналоговых входов 4
Типы поддерживаемых унифицированных входных сигналов Напряжение 0…1 В, 0…10 В, -50…+50 мВ; Ток 0…5мА, 0(4)…20 мА;
Сопротивление 0…5 кОм
Типы поддерживаемых датчиков Термосопротивления: ТСМ50М, ТСП50П, ТСМ100М, ТСН100Н, ТСМ500М, ТСП500П, ТСН500Н, ТСП1000П, ТСН1000Н.
Термопары: ТХК (L), ТЖК (J), ТНН (N), ТХА (K), ТПП (S), ТПП (R), ТПР (B), ТВР (A-1), ТВР (A-2)
Разрядность встроенного АЦП 16 бит
Внутреннее сопротивление аналогового входа:
в режиме измерения тока
в режиме измерения напряжения 0…10 В 50 кОм
Около 10 кОм
Время опроса одного аналогового входа 0,5 с
Предел основной приведенной погрешности измерения аналоговыми входами 0,5%
Гальваническая изоляция аналоговых входов отсутствует
Аналоговые выходы
Количество аналоговых выходов 2
Разрядность ЦАП 10 бит
Продолжение таблицы 4.45.
Параметр Значение
Тип выходного сигнала
ПЛК 154-И
ПЛК 154-У
ПЛК 154-А Ток 4…20 мА
Напряжение 0…10 В
Ток 4…20 мА, напряжение 0…10 В
Питание аналоговых выходов Встроенное, общее на все выходы
Гальваническая изоляция аналоговых выходов Есть, групповая
Электрическая прочность изоляции аналогового выхода 1,5 кВ
Интерфейсы связи
Интерфейсы Ethernet 100 Base-T
RS-232
RS-485
Скорость обмена по интерфейсам RS От 4800 до 115200 bps
Протоколы ОВЕН, ModBus-ASCII/RTU, DCON, ModBus-TCP GateWay (протокол GoDeSys)
Программирование
Среда программирования GoDeSys 2.3 (2.3.8.1 или более новые версии)
Интерфейс для программирования и отладки RS-232 или Ethernet
Структура процессорного модуля ОВЕН ПЛК154 представлена на рис. 4.27.
Микропроцессор ARM9
Процессорный модуль
ОВЕН ПЛК 154






Дискретные входы
Аналоговые выходы

Ethernet
О З У

Астрономический таймер

Flach-память
RS-485

Световая
индикация
Retain-память
RS-232

Дискретные выходы
Аналоговые входы

Рис. 4.27. Структура процессорного модуля ОВЕН ПЛК 154.
Возможная конфигурация распределенной системы управления на базе ОВЕН ПЛК154 приведена на рис. 4.28. Схемы подключения к ПЛК 154 представлены на рис. 4.29, 4.30.
Операторская станция



Хаб (hub)
Оконечные
устройства
Исполнительные
механизмы

- программирование.
- подключение внешних устройств


Аналоговые выходы
ОВЕН ПЛК 154
Дискретные входы

Ethernet
RS-232

ОВЕН ПЛК 100

RS-485

Контроллеры других производителей
Аналоговые входы
Дискретные выходы


Исполнительные
механизмы
Датчики

RS-485 (Протоколы: ОВЕН Modbus RTU Modbus ASCII, DCON, Modbus TCP, GateWay )


Панель оператора
СМИ 1
Панель оператора
ИП 320
МДВ 8
МВА 8
СП 270
МВУ 8
Мх110

Рис. 4.28. Конфигурация распределенной системы управления на базе ОВЕН ПЛК 154.
DI-0 DI-x DI-x ПЛК 154-220

Датчик
n-p-n
с ОК
+





Датчик
p-n-р
с ОК
+



- +
БП

Рис. 4.29. Схема подключения к ПЛК-154 дискретных датчиков с
полупроводниковым выходным каскадом.




1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
DI -1 – 0 – 2 – 3 – 0 – 4 1 – 0 – 2 – 3 – 0 – 4 – AO



25 26 27 28
AI – 0 – 1 – 0 – 2




1 2 3 4 ДИСКРЕТНЫЕ ВХОДЫ
ОВЕН ПЛК 154
1 2 3 4 ДИСКРЕТНЫЕ ВЫХОДЫ





AI – 3 – 0 – 4 – 0

29 30 31 32




DО1 DО2 DО3 DО4
220 В
13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24




На-
гру-
-90 … 264 В зка

Нагрузка до 2 А 220 В (cosφ>0,4)
Рис. 4.30. Схема подключения питания, входов и выходов к ПЛК 154.220. Х.Х.
Клеммы 2 и 5 электрически объединены внутри контроллера, подключение датчиков к дискретным входам может осуществляться относительно любой из этих клемм.
Т а б л и ц а 4.46
Основные технические характеристики контроллера ПЛК160
Параметр Значение
Общие сведения
Габаритные размеры 140/110/73 мм
Степень защиты корпуса IP20 со сторон передней панели, IP00 со стороны клемм
Индикация на передней панели Светодиодная
Масса, не более 0,75 кг
Питание
Напряжение питания:
ПЛК160-24.Х-Х
ПЛК154-220 От 18 до 28 В постоянного тока (номинальное 24В)
От 100 до 240 В переменного тока (номинальное 220 В)
Потребляемая мощность:
ПЛК160-24.Х-Х, не более
ПЛК154-220, не более 35 ВА
40 ВА
Параметры встроенного источника питания Выходное напряжение 24±3 В, ток не более 620 мА
Ресурсы и дополнительное оборудование
Центральный процессор RISC–процессор, 32 разряда, 200 МГц, на базе ядра ARM9
Объем оперативной памяти 8 Мбайт, из них 1 Мб для кода пользовательской программы, 128 Кб для переменных пользовательской программы
Объем энергонезависимой памяти хранения ядра 4 МБ, из них 3МБ доступно для хранения файлов и архивов
Размер Retain-памяти Не более 16 Кбайт (по умолчанию задано 4 Кб)
Время выполнения одного цикла программы Минимальное (нестабилизируемое) 250 мкс;
Установленное по умолчанию (стабилизированное) 1 мс;
Дополнительное периферийное оборудование Часы реального времени с собственным аккумулятором питания. Встроенный источник звукового сигнала. Функциональная кнопка на передней панели.
Цифровые (дискретные) входы Количество дискретных входов 16 шт.
Подключаемые входные устройства - коммутационные устройства (контакты кнопок, выключателей, реле, герконов и т.п.);
- датчики, имеющие на выходе транзистор n-p-n или
p-n-p типа c открытым коллектором;
- дискретные сигналы 24±3 В
Гальваническая развязка дискретных входов Групповая
Эл. прочность изоляции дискретных входов 1,5 кВ
Мin длительность импульса, воспринимаемого дискретным входом 0,02 мс (выводы DI1… DI2)
1 мс (выводы DI3… DI18)
Продолжение табл. 4.46.
Параметр Значение
Напряжение питания 24±3 В
Максимальный входной ток дискретного входа Не более 7 мА при питании 24 В;
Не более 8,5 мА при питании 27 В
Ток «логической единицы» Не менее 4,5 мА
Ток «логического нуля» Не более 1,5 мА
Цифровые (дискретные) выходы
Количество и тип дискрет-ных выходов: ПЛК160Х.Х Х, электромагнитных реле 12
Гальваническая развязка Индивидуальная
Электрическая прочность изоляции дискретных выходов 1,5 кВ от схемы прибора;
500 В между выходами (или группами выходов)
Аналоговые входы
Предел основной приведенной погрешности, % 0,25
Разрешающая способность, бит, не менее 12
Количество каналов 8
Входное сопротивление в режиме измерения тока от 0 до 20 мА и от 4 до 20 мА, Ом От 130 до 250
Входное сопротивление в режиме измерения тока от 0 до 5 мА, Ом От 130 до 500
Входное сопротивление в режиме измерения напряжения от 0 до10 В, кОм, не менее 200
Период обновления результатов измерения по каждому каналу, мс 15 ± 2%
Аналоговые выходы Количество выходов 4
Разрядность ЦАП 10 бит
Тип выходного сигнала
ПЛК 160-Х.И
ПЛК 160-Х.У
ПЛК 160-Х.А Ток 4…20 мА
Напряжение 0…10 В
Ток 4…20 мА или напряжение 0…10 В
Питание выходов Встроенное, общее на все выходы
Гальваническая изоляция аналоговых выходов Есть, групповая
Эл. прочность изоляции аналоговых выходов 1,5 кВ
Схема подключения ПЛК160 представлена на рис. 4.31.

ПЛК160
43 1
44 2
45 3
46 4
47 5
48 6
49 7
50 8
51 9
52 10
53 11
54 12
55 13
56 14
57 15
58 16
59 17
60 18
61 19
62 20
63 21
64 22
65 23
66 24
67 25
68 26
69 27
70 28
71 29
72 30
73 31
74 32
75 33
76 34
77 35
78 36
79 37
80 38
81 39
82 40
83 41
84 42



Выход 24 V L
24 В 0 V N Питание
NC FG
NC NC
A СОМ
RS-485 NC СОМ
B DI1 ~
NC DI2
СОМ 1 DI3
DO1 DI4
COM2 DI5 Дискретные
DO2 DI6
COM3 DI7 входы
DO3 DI8
COM4 DI9 1 … 16
DO4 DI10
Дискретные COM5 DI11
DO5 DI12
выходы COM6 DI13
DO6 DI14
1 … 12 COM7 DI15
DO7 DI16 ~ COM8 NC
DO8 NC
COM9 NC
DO9 NC
DO10 AI1C
COM10 AI1+
DO11 AI12C
DO12 AI12+
AO1+ AI13C Аналоговые
AO1- AI13+
AO1 AI14C входы
Аналоговые AO2+ AI14+
AO2- AI15C 1 … 8
выходы AO2 AI5+
AO3+ AI16C
1 … 4 AO3- AI16+
AO3 AI7C
AO4+ AI17+
AO4- AI8C
AO4 AI8+
Рис. 4.31. Схема подключения ОВЕН ПЛК 160.
Т а б л и ц а 4.47
Основные технические характеристики ОВЕН ПЛК308
Общие характеристики Конструктивное исполнение Унифицированный корпус для крепления на DIN-рейку
Степень защиты корпуса IP20
Напряжение питания = 10…48 В номин. = 24 В
Потребляемая мощность 5 Вт
Индикация передней панели Светодиодная индикация питания, состояния приема/передачи и последовательность портов
Объем оперативной памяти 32 Мбайт
Объем энергонезависимой памяти 16 Мбайт
Ресурсы Центральный процессор 32-х разрядный RISC–процессор 180 МГц на базе ядра ARM9 (Atmel SAM 9200)
Объем оперативной памяти 32 Мбайт
Объем энергонезависимой памяти 16 Мбайт
Дискретные входы Количество дискретных входов Нет
Аналоговые входы Количество аналоговых входов Нет
Дискретные выходы Количество и тип дискретных выходов Нет
Аналоговые выходы Количество аналоговых выходов Нет
Интерфейсы связи Интерфейсы 2 х Ethernet 10/100 Mbps
3 x RS232
5 x RS232/RS485
Порты 2 х USB-Host
1 x SD-карт ридер Т а б л и ц а 4.48
Основные технические характеристики контроллера ПЛК 410
Параметр Значение
Общие сведения
Габаритные размеры корпуса 96х96х48 (без установленных внешних модулей)
Степень защиты корпуса по ГОСТ 14254-96 IP54 со стороны передней панели, IP20 со стороны разъемов внутренней шины
Масса (с элементами крепления), не более 0,5 кг (без установленных внешних модулей)
Потребляемая мощность, не более 2,0 Вт
Среда программирования GoDeSys 2.3 (2.3.8.1)
Ресурсы
Центральный процессор 32-х разрядный RISC–процессор на базе ядра ARM7
Частота центрального процессора 50 МГц
Продолжение таблицы 4.48.
Параметр Значение
Минимальное время выполнения одного цикла программы 1 мс
Объем оперативной памяти для хранения переменных программ 10 Кбайт
Объем памяти хранения кода программ 280 Кбайт
Объем энергонезависимой памяти для хранения Retain-переменных 448 байт
Объем памяти ввода-вывода 600 байт для ПЛК410-М; 360 байт для ПЛК410-L
Внутренняя шина для подключения модулей ввода-вывода и интерфейсов
Тип шины Последовательная, синхронная, с линией выбора модуля
Частота работы шины 2,0 МГц
Минимальный период опроса внешних модулей, не более 0,25 мс для опроса одного модуля; 2 мс для опроса всех установленных модулей
Количество мест для установки внешних модулей 7
Часы реального времени
Тип питания Энергонезависимое питание от встроенного возобновляемого источника (ионистора)
Время автономной работы, не менее 6 месяцев
Дискретные выходы
Погрешность точности хода, не более 3 с/сутки
Человеко-машинный интерфейс
Индикация на передней панели ЖКИ – 4 строки по 16 символов; 4 светодиода
Клавиатура на передней панели 9 кнопок, из них 3 функциональные
Дополнительное оборудование Встроенный звуковой излучатель
Имеются возможности расширения программируемых логических контроллеров на основе: модуля аналогового ввода – МВАВ, модуля вывода универсального – МВУВ, модуля дискретного ввода/вывода – МДВВ, модулей ввода/вывода Мх110, графической панели оператора с цифровой индикацией – СМИ 1, блока для работы ОВЕН ПЛК с кондуктометрическими датчиками, эмуляторов и преобразователей сигналов. Имеются также дополнительные устройства для ОВЕН ПЛК, табл. 4.49.
Таблица 4.49.
Дополнительные устройства для ОВЕН ПЛК
Устройство Назначение Основные функции
ЭДИ-6 Эмулятор входных дискретных сигналов для ОВЕН ПЛК 150 Плата с 6-ю тумблерами для подключения к дискретным входам ПЛК 150
ЭДИ-8 Эмулятор входных дискретных сигналов для ОВЕН ПЛК 100 Плата с 8-ю тумблерами для подключения к дискретным входам ПЛК 150
МКОП-6 Модули для присоединения нагрузки с общим «плюсом» Переходная плата, коммутирующая «минус» для подключения к дискретным выходам ПЛК 100-24 нагрузки с общим «плюсом». Количество дискретных входов/выходов – 6
Ток коммутации – 150…200 мА. Выходное напряжение – до 36 В
МКОП-12 Переходная плата, коммутирующая «минус» для подключения к дискретным выходам ПЛК 100-24 нагрузки с общим «плюсом».
Количество дискретных входов/выходов – 12
Ток коммутации – 150…200 мА. Выходное напряжение – до 36 В
ПДИМ-8 Плата подключения к дискретным входам ПЛК 100-24 датчиков с общим «минусом» Переходная плата для подключения к дискретным выходам ПЛК 100-24 датчиков, объединенных общим «минусом» и имеющих на выходе транзисторные ключи
ПДИ5-4 Плата подключения к дискретным входам ОВЕН ПЛК 100, ПЛК 150, ПЛК 154 уровней ТТL (0 – 5 В) Плата для подключения к ПЛК уровней ТТL на 4 канала. Обеспечивает гальваническую изоляцию цепей с уровнями ТТL и цепей дискретных входов ПЛК
ПДИ5-8 Плата для подключения к ПЛК уровней ТТL на 8 каналов. Обеспечивает гальваническую изоляцию цепей с уровнями ТТL и цепей дискретных входов ПЛК
К контроллеру ПЛК 154 можно подключить панель оператора. Компания ОВЕН предлагает панели оператора ОВЕН СМИ-1, ОВЕН ИП320, ОВЕН СП270.
Панель ИП320 представляет собой человеко-машинный интерфейс, предназначенный для отображения и редактирования значений параметров ПЛК и других приборов. Логика работы панели определяется потребителем в процессе конфигурирования панели.
Панель ИП320 предназначена для выполнения следующих функций:
отображения русских и латинских символов;
запись и чтение регистров ПЛК и/или других приборов;
отображение графических пиктограмм (индикаторы, графики, линейки и т.д.);
защита с помощью пароля от несанкционированного изменения значений параметров и перехода на другой экран;
отображение списка тревог (нештатных ситуаций) в режиме реального времени;
работа в режиме «Мастера сети» (Master) или подчиненного (Slave-устройства).
Технические характеристики панели даны в табл. 4.50.
Т а б л и ц а 4.50.
Основные технические характеристики панели ИП320
Наименование Значение
Напряжение питания постоянного тока 24 … 28 В
Потребляемая мощность, Вт, не более 4 Вт
Интерфейсы связи RS-232, RS-485
Скорости работы интерфейсов, бит/с 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 11200
Универсальный протокол обмена Modbus RTU
Конструктивное исполнение Корпус щитового крепления
Степень защиты корпуса IR65 со стороны лицевой панели
Тип дисплея, диагональ Графический монохромный ЖК с подсветкой, 3,7”
Разрешение дисплея, пиксель 192 × 64
Размеры дисплея Д × Ш, мм 100 × 35
Размеры панели Д × Ш × Г, мм 172 × 94 × 30
Масса, кг, не более 0,5
Панель оператора ИП320 предназначена для эксплуатации в следующих условиях:
закрытые взрывобезопасные помещения без агрессивных паров и газов;
температура окружающего воздуха от 0 до +50℃;
верхний предел относительной влажности воздуха – 80% при +35℃ и более низких температурах без конденсации влаги;
атмосферное давление от 86 до 106,7 кПа.
Панель оператора ИП320 выпускается в корпусе, предназначенном для крепления в щит. Подключение всех внешних связей осуществляется через разъемные соединения, расположенные справа на боковой стороне панели. Открытие корпуса для подключения внешних связей не требуется.
Внешний вид панели показан на рис. 4.32.
На лицевой панели ИП 320 расположен графический ЖК-дисплей, 8
управляющих и 12 цифровых и функциональных кнопок.
ОВЕН


7
8
9

4
5
6

1
2
3

0
+/-
CLR


ESC
ENT
SET
ALM

Рис. 4.32. Внешний вид панели оператора ИП320.
Базовое функциональное назначение кнопок панели приведено в табл. 4.51. Всем двадцати кнопкам можно программно назначить функции переключения экранов и выполнения специализированных функций.
Справа на боковой стороне панели расположен разъем DB-9, на который выведены контакты интерфейсов RS-485 и RS-232, предназначенные для подключения приборов, имеющих соответствующие интерфейсы.
В комплект поставки входит переходник, который используется для конфигурирования панели по интерфейсу RS-232, а также для удобства подключения интерфейса RS-485. Также справа на боковой стороне панели расположен разъем для подключения питания на 24 В. Слева на боковой стороне панели расположен потенциометр для регулирования контрастности дисплея. Внутри корпуса панели расположен маломощный звуковой излучатель, сигнализирующий о нажатии кнопок. Частота сигнала излучателя фиксирована и не поддается изменению.
Панель ИП 320 оснащена встроенными часами реального времени, питающимися от встроенной литиевой батарейки типа CR2032. Ресурс литиевой батарейки рассчитан на 2-3 года, после чего ее следует заменить.
Конфигурирование панели оператора осуществляется на ПК с помощью программы «Конфигуратор ИП 320», которая предоставляется в комплекте с прибором на компакт-диске. Программа удобна в использовании и доступна в обучении. Конфигуратор ИП 320 предназначен для создания, редактирования и сохранения пользовательских экранов, которые будут отображаться на дисплее прибора. Каждый экран содержит набор базовыx элементов для задания функций панели. Программа позволяет вводить буквы и символы, динамический текст, различные графические изображения, задавать параметры для чтения и редактирования, индикаторы состояния процесса, графики, линейки, элементы переключения экранов и т. п. Совокупность экранов образует проект, который можно загрузить в панель или сохранить в виде файла на жестком диске компьютера.
Таблица 4.51.
Базовое функциональное назначение кнопок панели ИП320
Кнопка Функциональное назначение
ESC

Возвращает дисплей к главному (часто используемому) экрану проекта. Как правило, главным экраном назначается либо главное меню проекта, либо наиболее часто используемый экран проекта

Используется для перемещения курсора при вводе числа.

Используется для перемещения курсора при вводе числа.

Используется для перехода между экранами, а также в режиме редактирования параметра для изменения его численного значения.

Используется для перехода между экранами, а также в режиме редактирования параметра для изменения его численного значения.

SET
Запускает процедуру редактирования значения регистра: строка отображения регистра перейдет в режим редактирования (изменит цвет). Если текущий экран не содержит области редактиро