Характеристика каналов ввода-вывода контроллеров

Параметры контроллера с точки зрения поддерживаемых им каналов ввода-вывода часто могут быть определяющими при выборе. Важно не только количество каналов ввода-вывода, поддерживаемое контроллером, но и разнообразие модулей ввода-вывода по количеству и уровням коммутируемых сигналов (ток/напряжение), способы подключения внешних цепей к модулям ввода-вывода, количество каналов локального, удаленного и распределенного ввода-вывода [3, 12, 15].

Рассмотрим поподробнее эти характеристики.

· Количество поддерживаемых контроллером (процессором) каналов ввода-вывода (аналоговых, дискретных, скоростных)

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

Семейства малых контроллеров способны поддерживать уже сотни вводов-выводов, выполнять более сложные функции. Эти контроллеры имеют достаточно развитый аналоговый ввод-вывод, выполняют операции с плавающей точкой и функции ПИД-регулирования. К этой группе контроллеров можно отнести SLC 500 (Allen-Bradley), TeleSAFE Micro16(Control Microsystems), Simatic S7-200 (Siemens).

Контроллеры средней мощности, обладая достаточной памятью и быстродействием, могут обрабатывать уже тысячи переменных дискретного, аналогового и скоростного типа. Применяются для автоматизации небольших объектов процессов переработки в химической и нефтехимической промышленности. Это контроллеры PLC-5 (Allen-Bradley), Premium (Schneider Electric), Direct Logic DL405(Koyo) и другие.

Наконец, некоторые крупные фирмы производят класс контроллеров очень высокой вычислительной мощности, обладающих памятью, измеряемой мегабайтами и десятками мегабайт. Их способность обрабатывать десятки тысяч переменных и предопределила одну из областей применения – в качестве концентраторов информации, получаемой от локальных контроллеров. Вычислительные возможности этого класса контроллеров позволяют реализовывать сложные алгоритмы (адаптивное, оптимальное управление), применяемые при автоматизации непрерывных технологических процессов (переработка нефти и газа, нефтехимия). Наиболее яркими представителями этой группы контроллеров являются ControlLogix (Allen-Bradley), Simatic S7–400(Siemens), Fanuc 90-70(GE Fanuc), VME (PEP Modular Computers).

· Разнообразие коммутируемых сигналов

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

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

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

· Способ подключения внешних цепей модулей ввода-вывода

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

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

· Одной из важнейших характеристик контроллеров является их способность поддерживатьлокальный, расширенный, удаленный и распределенный ввод-вывод.

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

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

Например, контроллерыPLC-5/40L, PLC-5/60L(Allen-Bradley) допускают расширение локального ввода-вывода для ускоренного обновления данных (в соответствии с рисунком 4.2.1). Это позволяет расширенному процессору сканировать до 16 расширенных шасси ввода-вывода. Расширенные шасси могут быть разнесены на расстояние до 30 м от процессора.

Рисунок 4.2.1 – Организация расширенного ввода-вывода

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

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

Фирмы-производители аппаратных средств автоматизации решают проблему удаленного ввода-вывода по-разному.

Поддержка удаленных вводов-выводов может осуществляться посредством модулей, называемых «удаленный ведущий» и «удаленный ведомый». Ведущий модуль располагается в локальном каркасе контроллера и соединяется кабелем с «удаленным ведомым», который находится в удаленном каркасе (контроллеры DL205, DL405 фирмы Koyo, контроллер Quantum компании Schneider Electric). Один ведущий модуль может поддерживать 32, 64, 125 ведомых. В свою очередь, некоторые процессоры могут поддерживать несколько ведущих модулей. Таким образом, системы управления, построенные по технологии удаленного ввода-вывода, способны обрабатывать многие тысячи параметров.

В соответствии с рисунком 4.2.2, показана реализация удаленного ввода-вывода процессорами D2-240/250 контроллеров семейства Direct Logic DL205.Каждый модуль D2-RMSM поддерживает один канал удаленных вводов-выводов (до 31 каркаса). Процессор D2-250 способен поддерживать семь мастер-модулей D2-RMSM.

Рисунок 4.2.2 – Организация удаленного ввода-вывода

Другое решение организации удаленного ввода-вывода обеспечивается встроенным в процессор портом, играющим роль «мастера» (контроллеры PLC-5 фирмы Allen-Bradley, контроллеры Premium компании Schneider Electric).

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

Например, для использования модулей ввода-вывода системы FLEX I/Oнеобходим монтажный рельс, модуль адаптера, источник питания, модули контактной базы и кабель. Один модуль адаптера может поддерживать до 8 модулей контактной базы. Это позволяет реализовать 128 дискретных вводов-выводов (или 64 аналоговых ввода, или 32 аналоговых вывода). Пример организации удаленного и распределенного ввода-вывода на базе контроллеров фирмы Allen-Bradley, системы FLEX I/O и сети Remote I/O (в соответствии с рисунком 4.2.3).

Рисунок 4.2.3 – Распределенный ввод-вывод Flex I/O

Одно из решений распределенного ввода-вывода – применение интеллектуальных устройств, объединенных полевой шиной.