5. Программно-технические комплексы на основе контроллеров КРОСС и др. (Лекции по дисциплине "Управляющие ЭВМ и комплексы")

4. Программно-технические комплексы (ПТК) на основе контроллеровКРОСС, Р-130ISa, NLcon-CEПТК КРОСС (ОАО “ЗЭиМ”, Чебоксары)Программно-аппаратные средства комплекса обеспечивают разработку систем на основе:- программируемых промышленных контроллеров (ПРК) для распределенных открытых систем(КРОСС),- инструментальной программной системы ISaGRAF - разработка программного обеспечения (ПО)нижнего уровня системы),- SCADA-системы (разработка ПО верхнего уровня системы).КРОСС предназначен для общепромышленного применения, а также в качестве автономного средствадля управления объектами малой и средней сложности.

В нем используется операционная система (ОС) реального времени (ОС РВ), система технологического программирования ISaGRAF.Программное обеспечение ПРК позволяет осуществить контроль, управление и тестирование каналовввода-вывода автономно и с помощью компьютера. Его программно-аппаратные средства обеспечивают обменданными в реальном времени через интерфейс Еthernet.Развитые системообразующие качества ПТК, позволяют:- интегрировать ПРК различных производителей;- масштабировать системы;- использовать единую технологию программирования ПРК различных фирм и переносимостьпрограмм пользователя.В ПРК применены интеллектуальные устройства сопряжения с объектом (имеют встроенные (бортовые)микроконтроллеры (МК), выполняющие независимо и асинхронно по отношению к центральному процессоруразличные функции по обработке сигналов и диагностике оборудования).Высокая надежность ПРК обеспечивается следующими решениями:1) использование микромощной элементной базы ведущих зарубежных фирм;2) исполнение системных и технологических программ из flash-памяти компьютера;3) использование высоконадежного ПО, имеющего сотни тысяч инсталляций;4) аппаратная поддержка сетевых протоколов;5) резкое снижение числа межмодульных контактных соединений за счет использованияпоследовательной внутриконтроллерной магистрали SPI;6) непрерывная внутримодульная диагностика, наличие сторожевых таймеров;7) широкие возможности резервирования.Состав контроллера КРОСС.

ПРК имеет проектно-компонуемый состав. Конкретный ПРК состоит изустройств, число и типы которых определяются заказом потребителя (рис. 1):- центрального блока (ЦБ1);- блока питания;- модулей питания;- модулей устройств сопряжения с объектом (УСО);- соединителей различных типов.ЦБ1 состоит из базового монтажного блока SMАRТ2-BASE и установленных на него модулей. Модульпроцессора SM2-CPU-1,5 состоит из центрального процессора (ЦП) и сетевогоконтроллера.Всегда устанавливается модуль процессора, а также модули ИСК1 (расширители интерфейса SPI) в зависимости от заказа, или модуль питания КР-DС24V1. Модуль ИСК1 служит для подключения модулей УСО кЦП.Модули УСО содержат МК.

Обмен между процессорами выполняется по шинам SPI через модуль ИСК1.К каждой шине SPI можно подсоединять до 8 модулей УСО. В зависимости от числа этих модулей ИСК1 можетбыть от 1 до 2.Модуль ИСК1 соединяет и согласовывает модули УСО с ЦП.

Они взаимодействуют через 2 шины SPI.На каждой шине может быть до 8 модулей УСО. Общее число модулей УСО - до 31 по четырем шинам.Для связи с внешними приборами по локальной сети Ethernet на модуль ЦП может устанавливатьсясубмодуль Ethernet SM2-ETH. Модуль ЦП является мастером шины SPI и предназначен для управления работойПРК, организации обмена с внешними устройствами, а также взаимодействия пользователя с ПРК через компьютер и SCADA-систему.1RS-232Локальная сетьМодульИСК 1,КР-DC24V1илипанельзаглушкаСетевойконтроллерЦентральныйпроцессорЦентральный блокШина SPI-1МодульпитанияDC24/5Шина SPI-2МодульпитанияDC24/5МодульИСК 1SM2-CPU-1,524 ВУСО1-УСО8 … УСО9-УСО16МодульвводавыводаSM2-BASE…..МодульвводавыводаБлок питанияLOK-4601-2R=24 ВRS-232ПультоператораSM2-SCR724 В 5 ВДляKP-DC24V1С1С1БлоктерминальныйБлоктерминальный220 ВРСRS-232220 В5В-1 5В-2К объекту управленияРис.

1. Функциональная схема контроллера КРОСС2В общем случае ПРК может выполнять следующие функции:1) измерение сигналов датчиков, фильтрацию, линеаризацию и преобразование принятыхсигналов в цифровое нормализованное представление;2) прием дискретных сигналов;3) управление, регулирование, вычисление в соответствии с программой пользователя;4) формирование и вывод управляющих аналоговых и дискретных сигналов на ОУ;5) хранение программ и констант пользователя, а также служебных программ во flash-памяти,переменных процесса в статическом энергонезависимом ОЗУ;6) самодиагностика модулей и ПРК в целом;7) информационный обмен:- с другими ПРК и компьютерами через локальную сеть Ethernet;- с компьютером через интерфейс RS-232;- сопряжение ПРК с различными SCADA-системами;- отображение информации на экране компьютера, подключенного к ПРК через RS-232или Ethernet.Каждый модуль УСО функционально построен одинаково и содержит процессмор, схему приема/выдачианалогового или дискретного сигнала.

Обмен между ЦБ1 и модулями УСО ведется по синхронному интерфейсуSPI. Базовый монтажный блок содержит МК фирмы Моторола MC68HC705С8A.Модуль ЦП поддерживает программное обеспечение ISaGRAF и операционную систему OS-9 и выполняет функции:- управление контроллером;- администрирование субмодулей;- оперативный мониторинг ПРК.Совместно с субмодулем процессор представляет собой интеллектуальное и коммуникационное устройство управления.Субмодуль SM2-ETH представляет собой полнодуплексный коммутируемый контроллер Ethernet с интерфейсом 10Base-T (10 Мбит/сек), подключается витой парой к внешним цепям через разъем “ETHERNET”.ПО контроллера: состоит из резидентного ПО (встроенного в контроллер), программы эмулятора пульта настройки и сервисной программы “CrossTest” для проверки модулей УСО.В состав резидентного ПО входят ОS-9 и исполнительная среда системы ISaGRAF.OS-9 – высокопроизводительная ОС, базирующаяся на микроядре с наращиваемой модульной архитектурой, поддерживает малые, средние и большие системы, обладает развитой иерархической системой вводавывода, включая коммуникации по последовательным портам, дисковые устройства, сетевые протоколы Ethernet,TCP/IP, ISDN и др.

Благодаря уникальной архитектуре она может работать и в минимальной конфигурации, выполняясь непосредственно из ПЗУ и занимая менее 100 кбайт памяти.Память ПРК обеспечивает хранение ядра ОС РВ, необходимых утилит и прикладных программ управления объектом. В ней используются микросхемы постоянной и оперативной памяти.Средства коммуникации ПРК реализуют дистанционную загрузку задач и оперативный обмен даннымимежду ПРК, рабочими станциями и компьютерами верхних уровней.Средства интерфейса с оператором выполняются с учетом типа системы.

Обмен может осуществлятьсяпо витой паре, коаксиальному кабелю, волоконно-оптическому кабелю (особенно при работе в производственныхусловиях с высоким уровнем эл. магнитных помех) или беспроводному каналу.В целом, ПРК предназначен для работы в режиме реального времени в условиях промышленной среды идолжен быть доступен для программирования неспециалистом в области информатики.ОРС-сервер - предназначен для сопряжения контроллера с SCADA-системами, поддерживающими стандарт ОРС.Некоторые модули УСО, используемые в ПРК КРОСС:а) AI1-8 - модуль ввода аналоговых сигналов с гальванической развязкой;б) AIO1-8/4 - модуль ввода/вывода аналоговых сигналов, выполненный с групповой гальванической развязкой входов и выходов друг от друга.Плата ввода аналоговых сигналов AI1-8 (рис. 2).Модуль содержит 8 гальванически развязанных друг от друга ячеек (DNi).

Каждая ячейка настраиваетсяна один вид и диапазон входного сигнала. Входные аналоговые сигналы с помощью сменных резисторов делителей приводятся к одному диапазону 0…2 В, проходят через RC-фильтр для подавления помехи, далее поступаютна преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ); с выхода ПНЧ сигнал с частотой, пропорциональной входномусигналу, усиливаются по току и через гальваническую развязку (оптопару) поступают на разъем платы процес3сора; цифровое значение входного сигнала получается путем измерения частоты полученных импульсов программным способом в процессорном модуле.Таким образом, входные сигналы 0-5, 0-20, 4-20 мА, 0-10 В преобразуются сначала в напряжение 0…2В, затем напряжение преобразуется в частоту. Количество импульсов за фиксированный период времени подсчитывается с помощью счетчика, находящегося на плате процессорного модуля и являющегося последним звеноманалого-цифрового преобразования.Субмодуль питания предназначен для индивидуального питания ячеек аналоговых плат стабилизированнымнапряжением 5 В.

Канал питания содержат автогенератор G1, трансформатор и выпрямители со стабилизатором (ST). Сглаживание пульсаций обеспечивают емкостные фильтры.На платупроцессораDN1F1STUF1-F8+5 BFF2DN2G1"INOUT"F3DN3DN4F4+5 BDN5F5F6DN6DN7DN8G2F7F8Рис. 2. Функциональная схема платы аналогового модуля AI1-8Плата ввода/вывода аналоговых сигналов AIO1-8/4 (рис. 3).Функциональная схема платы содержит 2 независимых гальванически разделенных узла – аналоговоговвода и аналогового вывода.Аналоговый ввод. Входные сигналы через разъем ввода поступают на 8 ячеек, где каждая ячейканастроена на один из диапазонов входных сигналов. Входные сигналы с помощью сменных элементов делителейприводятся к диапазону 0…2 В.

В состав ячейки входят RC - фильтр и диоды, защищающие входную цепь отперенапряжения и напряжения обратной полярности. После преобразования входной сигнал поступает на аналоговый мультиплексор, который выбирает тот или иной канал. С его выхода сигнал преобразуется в частоту F иусиливается по току.

Оптопара обеспечивает гальваническую развязку входов от платы процессора и выходованалоговой платы. Питание аналогового ввода производится от DC/DC преобразователя с гальванической развязкой.Аналоговый вывод. Используется интегральный четырёхканальный ЦАП с последовательным вводом.Сигналы управления ЦАП поступают с платы процессора через оптопары. На выходе ЦАП включены преобразователи «напряжение-ток». ЦАП имеет внешний источник опорного напряжения. Питание выходных цепей про4изводится от внешнего источника тока напряжением 24 В, питание ЦАП от стабилизатора 5 В.

Диапазон выходного сигнала определяется установкой измерительных сменных резисторов.DN11F2DN 2+5 B-13DN 3DC/DCMUXDN 4+5 BUF5V45V1"INOUT"5GNDDN 56A0-A2DN 67DN 7На платупроцессора8DN 8+5 B-224B5BВых. 1IUID/A2,5 BИсточникопорногонапряженияНа платупроцессораВых.

2USDI, CLK, LD, CLRВых. 3IUВых. 4IUРис. 3. Функциональная схема модуля AIO1-8/4Инструментальная программная система ISaGRAF для разработки ПО контроллеровСистема ISaGRAF фирмы ICS Triplex - это универсальный, интегрированный инструмент для автоматизации разработки качественного ПО не профессиональными программистами, а теми, кто занимается разработкойи обслуживанием сложных технических систем. Она состоит из среды разработки - ISaGRAF Workbench и среды исполнения - ISaGRAF Target (рис. 4).Среда разработки представляет собой набор Windows-приложений, интегрированных в единую инструментальную среду и работающих под управлением ОС Windows 95/98/NT. Код, полученный на выходе средыразработки, может исполняться на любой аппаратно-программной платформе без изменений, если на ней предварительно установлена среда исполнения.