1 στοιχεία του συστήματος ελέγχου
Τα συστατικά ενός συστήματος βιομηχανικού ελέγχου ICs μπορούν να χωριστούν ευρέως σε δύο κατηγορίες ανάλογα με το πού βρίσκονται: συσκευές κεντρικού ελέγχου και συσκευές απομακρυσμένης τοποθεσίας. Οι συσκευές του κέντρου ελέγχου βρίσκονται στο κέντρο ελέγχου του συστήματος και περιλαμβάνουν τη διεπαφή ανθρώπινης μηχανής (HMI), τους σταθμούς εργασίας των μηχανικών και τους διακομιστές ιστορικού (ιστορικός). Οι συσκευές απομακρυσμένης τοποθεσίας είναι συσκευές που βρίσκονται στο χώρο παραγωγής και συνδέονται άμεσα με ενεργοποιητές και αισθητήρες των οποίων η κύρια λειτουργία είναι να εποπτεύει και να ελέγχει τη φυσική διαδικασία. Παρόλο που οι συσκευές τοποθεσίας συνήθως αλληλεπιδρούν άμεσα με τους ανθρώπους, είναι πιο πιθανό να επιτεθούν και να παραβιαστούν επειδή οι χώροι παραγωγής είναι συνήθως λιγότερο ασφαλείς από τα κέντρα ελέγχου.
1.1 Εξοπλισμός κεντρικού ελέγχου
Η διεπαφή ανθρώπινης μηχανής HMIS (μερικές φορές ονομάζεται SCADA Systems) είναι συστήματα που επιτρέπουν στους χειριστές να παρακολουθούν και να ελέγχουν τις διαδικασίες. Το HMIS HMIS είναι συνήθως καθαρές εφαρμογές λογισμικού που εκτελούνται σε έναν υπολογιστή γενικής χρήσης, που συνήθως εκτελούνται στο Microsoft Windows Family Obsesist System System. Το Common HMIS στη βιομηχανία περιλαμβάνει τα Wonderware, το WINCC της Siemens, το RSVIEW της Rockwell και το AREVA E-Terra, με το Kinseal να είναι επίσης μια καλή επιλογή.
Ο ιστορικός του διακομιστή ιστορικού είναι ένας διακομιστής βάσης δεδομένων που καταγράφει το ιστορικό της κατάστασης ενός συστήματος ελέγχου της διαδικασίας. Σε ορισμένες περιπτώσεις, εάν ο ιστορικός είναι αρκετά ισχυρός, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως HMI για το σύστημα ελέγχου. Ο ιστορικός συνήθως εκτελείται σε σημαντικά λειτουργικά συστήματα και κοινές συσκευές υλικού και συνήθως αντικατοπτρίζεται στο εταιρικό δίκτυο.
1.2 Συσκευές απομακρυσμένης τοποθεσίας
Οι συσκευές απομακρυσμένης τοποθεσίας περιλαμβάνουν PLCs, απομακρυσμένες μονάδες τερματικών μονάδων, έξυπνες ηλεκτρονικές συσκευές IED και ηλεκτρονικά ρελέ. Αν και οι λειτουργίες αυτών των συσκευών ποικίλλουν σε μεγάλο βαθμό, μπορούν να ομαδοποιηθούν κατά προσέγγιση με βάση την τοποθεσία και τις ομοιότητες τους. Υπάρχουν επίσης ομοιότητες στην αρχιτεκτονική υλικού που χρησιμοποιείται σε αυτές τις συσκευές, οι οποίες γενικά παρέχουν αναλογικές ή ψηφιακές εισροές/εξόδου (I/O) και λειτουργίες ελέγχου. Διαβάζουν δεδομένα απευθείας από αισθητήρες και στέλνουν εντολές λειτουργίας σε ενεργοποιητές και σε ορισμένες περιπτώσεις συνδέονται με άλλες συσκευές πεδίου.
Σε αυτό το άρθρο παρέχεται μια απλοποιημένη συζήτηση για τις συσκευές. Στην πραγματικότητα, κάθε μία από αυτές τις συσκευές που αναφέρονται παραπάνω (PLCs, RTUs, IEDs και ηλεκτρονικά ρελέ) εκτελεί ένα συγκεκριμένο υποσύνολο λειτουργιών στο μοντέλο σχέσης αντικειμένου ελέγχου (ORM). Για παράδειγμα, οι RTUs, οι οποίες είναι συνήθως η λειτουργία των συστημάτων SCADA που παρέχουν μόνο τον έλεγχο I/O πεδίου, εκτελούν δειγματοληψία μέσω αισθητήρων I/O πεδίου και μεμονωμένα, το RTUS θα δημιουργήσει ενεργοποιητές για ενεργοποιητές. Τα ηλεκτρονικά ρελέ θα εκτελούν πάντα τις λειτουργίες δειγματοληψίας και ενεργοποίησης. Το RTU θα δημιουργήσει σημεία πεδίου δεδομένων κατάστασης και σε ορισμένες περιπτώσεις θα επεξεργαστεί σημεία πεδίου εντολών εντολών. Τα ρελέ θα δημιουργήσουν σημεία πεδίου δεδομένων κατάστασης, αλλά είναι λιγότερο πιθανό να χειριστούν τα εντυπωσιακά σημεία πεδίου δεδομένων. Το RTUS γενικά δεν έχει τοπική λειτουργικότητα ελέγχου, αλλά τα ρελέ έχουν αυτή τη λειτουργικότητα. Εκτός από την επικοινωνία με αισθητήρες, ενεργοποιητές και λειτουργίες ελέγχου υψηλότερου επιπέδου, οι PLC έχουν σημαντικές τοπικές λειτουργίες ελέγχου. Αυτές οι λειτουργίες μπορεί να φαίνονται παρόμοιες, αλλά υπάρχουν σημαντικές διαφορές στα ORMS.
2 Τυπική αρχιτεκτονική συστήματος ελέγχου
Το σχήμα 1 δείχνει μια τυπική αρχιτεκτονική συστήματος ελέγχου. Σε αυτό, ένας κοινός εμπορικός υπολογιστής που εκτελεί ένα HMI επικοινωνεί με συσκευές πεδίου όπως PLCs μέσω τυπικών πρωτοκόλλων δικτύου (π.χ. Ethernet). Ο σταθμός μηχανικών και η βάση δεδομένων ιστορικού είναι επίσης συνήθως συνηθισμένοι εμπορικοί υπολογιστές ή διακομιστές που επικοινωνούν με τις συσκευές πεδίου μέσω τυπικών πρωτοκόλλων δικτύου. Οι συσκευές πεδίου συνδέονται με άλλες συσκευές πεδίου χρησιμοποιώντας πρωτόκολλα βιομηχανικού ελέγχου που βασίζονται σε Ethernet όπως το FieldBus. Ορισμένες συσκευές πεδίου συνδέονται με έξυπνες συσκευές χρησιμοποιώντας πρότυπα πρωτόκολλα επικοινωνίας διαύλου όπως RS232 ή RS485 και ορισμένες συσκευές πεδίου συνδέονται απευθείας με αισθητήρες, συσκευές I \ o και συσκευές μηχανών.
3 Προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής plc
Ένα PLC είναι μια συσκευή πεδίου που μπορεί να συνδεθεί απευθείας με αισθητήρες και ενεργοποιητές ή άλλες συσκευές πεδίου. Τα PLCs ελέγχονται τοπικά μέσω λογικών προγραμμάτων (γενικά σε μορφή που ορίζονται σύμφωνα με το πρότυπο IEC 61131-3), ουσιαστικά χρησιμοποιήστε τα ίδια υποκείμενα εξαρτήματα. Οι τύποι ουσιαστικά χρησιμοποιούν τα ίδια υποκείμενα στοιχεία.
3.1 Προγραμματισμός PLC
Τα PLC μπορούν να προγραμματιστούν χρησιμοποιώντας μία από τις γλώσσες που αναφέρονται στο IEC 61131-3:
Διάγραμμα σκάλας (LD), γραφικά
Διάγραμμα μπλοκ λειτουργίας (FBD), γραφικά
Δομημένο κείμενο (ST), κειμένου
Λίστα εντολών (IL), κειμένου
Διάγραμμα λειτουργίας ακολουθίας (SFC), γραφικά
Το PLC λειτουργεί σε κυκλικούς κύκλους που ονομάζονται "σαρώσεις", οι οποίες αποτελούνται από εισροές, λογική εκτέλεση και εξόδους.
3.2 Γενική αρχιτεκτονική PLC
Τα αρθρωτά PLC αποτελούνται από μεμονωμένες ενότητες που συνδέονται με ένα backplane. Ένα μη ομοιογενές PLC ενσωματώνει όλα τα εξαρτήματα σε ένα ενιαίο πίνακα.
3.3 αλληλεπίδραση μονάδας PLC
Στη γενική αρχιτεκτονική PLC που φαίνεται στο σχήμα 2, κάθε ενότητα έχει μια φυσική υποδοχή και έχει εκχωρηθεί μια σειρά διευθύνσεων backplane. Οι καταχωρητές διεπαφής και οι μνήμες buffer εκτίθενται στο εύρος των διευθύνσεων backplane. Τα μηνύματα αποστέλλονται και λαμβάνονται με ενότητες ανάγνωση και γραφή σε μητρώα ή άλλα buffer module.
3.4 Μονάδα επεξεργαστή
Η μονάδα επεξεργαστή είναι η καρδιά του PLC. Εφαρμόζει τον συντονισμό μεταξύ των ενοτήτων και χρησιμοποιείται μερικές φορές ως διαιτητής backplane. Η μονάδα επεξεργαστή ρυθμίζει άλλες μονάδες σε ενεργοποίηση εάν δεν αποθηκεύουν τις δικές τους διαμορφώσεις.
Η μονάδα επεξεργαστή ερμηνεύει και εκτελεί τη λογική της σκάλας, διαβάζει τιμές από τη μονάδα επικοινωνίας ή τη μονάδα εισόδου/εξόδου, διατηρεί την επιχειρησιακή κατάσταση, εκτελεί κύκλους "σάρωσης" της λογικής σκάλας και γράφει τιμές εξόδου στη μονάδα επικοινωνίας ή στη μονάδα I/O.
3.5 Μονάδα επικοινωνίας
Οι ενότητες επικοινωνίας λαμβάνουν τον κώδικα που σχετίζεται με το πρωτόκολλο επικοινωνίας από τη μονάδα επεξεργαστή. Λαμβάνουν τα δεδομένα αλληλεπίδρασης πρωτοκόλλου ευαίσθητα στο χρόνο από τη μονάδα επεξεργαστή, εξασφαλίζοντας ότι η μονάδα επεξεργαστή βρίσκεται στον δικό της βρόχο ελέγχου ευαίσθητου στο χρόνο. Επειδή ορισμένα πρωτόκολλα συστήματος ελέγχου είναι πολύ περίπλοκα, η μονάδα επικοινωνίας μπορεί να έχει υψηλή ισχύ επεξεργασίας, οπότε η μονάδα επικοινωνίας μπορεί να είναι τόσο πολύπλοκη όσο η μονάδα επεξεργαστή.
3.6 μονάδες I/O
Οι μονάδες I/O μετατρέπουν σήματα μεταξύ χαμηλής τάσης (3,3 βολτ ή 5 βολτ), λογικής ελέγχου χαμηλού ρεύματος (επιπέδου MilliamPere) και υψηλής τάσης (24 volts ή περισσότερο), ελέγχου διεργασιών υψηλού ρεύματος (επιπέδου AMPERE). Οι αναλογικές μονάδες εισόδου/εξόδου περιέχουν μετατροπείς αναλογικών προς ψηφιακό (ADCs) και μετατροπείς ψηφιακού προς αναλογικό (DACS). Αυτές οι ενότητες έχουν σχετικά απλή λογική και σχετικά μικρό έξυπνο υλικό και το μόνο έργο τους είναι να μετατρέψουν μεταξύ αναλογικών και ψηφιακών σημάτων.
3.7 Επεξεργαστές γενικού σκοπού
Υπάρχουν τρεις τύποι αρχιτεκτονικών επεξεργαστών που βρίσκονται πιο συχνά στο PLCS:
Αρχιτεκτονική ARM (7 ή 9 σειράς)
Αρχιτεκτονική της σειράς Motorola/Freescale 68000
Αρχιτεκτονική εξουσίας της IBM
Η αρχιτεκτονική ARM σχεδιάστηκε από την ARM, μια εταιρεία που εδρεύει στο Ηνωμένο Βασίλειο με περισσότερους από 1.700 υπαλλήλους. Ο Σαρμά δεν κατασκευάζει τσιπ, αλλά τα σχέδια και τις άδειες της πνευματικής ιδιοκτησίας (IP) γι 'αυτούς. (1) Η αρχιτεκτονική ARM χρησιμοποιείται ευρέως σε ενσωματωμένα συστήματα και συσκευές και έχει ιδιαίτερα μεγάλο μερίδιο των ηλεκτρονικών ειδών καταναλωτικής, όπως τα κινητά τηλέφωνα και τους προσωπικούς ψηφιακούς βοηθούς (PDAs), με μερίδιο αγοράς άνω του 90%. (2) Οι επεξεργαστές ARM μπορούν να εκτελούνται σε λειτουργία Big-Endian ή Little-Endian και μπορούν επίσης να χρησιμοποιήσουν το βραχίονα (32- bit) και τον αντίχειρα (16- bit) sets.Arm Οι επεξεργαστές είναι συχνά μέρος των προσαρμοσμένων συστημάτων-on-chips (SOCS).
Η σειρά Motorola (τώρα freescale) 68000 είναι ένας μικροεπεξεργαστής 32- bit (CISC). Χρησιμοποιείται ευρέως σε ενσωματωμένα συστήματα. Ήταν ο επεξεργαστής αρχιτεκτονικής bit στον κόσμο 32- bit το 2000, και η σειρά 68000 είναι Big-Endian.
Η αρχιτεκτονική Power περιλαμβάνει την PowerPC, την αρχιτεκτονική μικροεπεξεργαστή μειωμένου συνόλου οδηγιών (RISC) που εφαρμόζεται από την IBM, την Freescale, την AMCC, την Tundra και την PA Semi, μεταξύ άλλων.
3.8 Διάταξη μνήμης
Τα PLC συνήθως χρησιμοποιούν μη πτητική αποθήκευση μνήμης flash για να αποθηκεύσουν προγράμματα λογικής και λογικής λειτουργίας επεξεργαστών (ή άλλες γλώσσες IEC 61131-3). Η διεύθυνση της μνήμης flash αντιστοιχεί στον χώρο διευθύνσεων του επεξεργαστή, όπως και οι καταχωρητές ελέγχου άλλων ενσωματωμένων συσκευών. Το RAM χρησιμοποιείται για την αποθήκευση της κατάστασης χρόνου εκτέλεσης.
3.9 ενσωματωμένα λειτουργικά συστήματα
Πολλά ενσωματωμένα λειτουργικά συστήματα είναι επίσης λειτουργικά συστήματα σε πραγματικό χρόνο (RTOs). Για να θεωρηθεί RTOS, το λειτουργικό σύστημα πρέπει να "καθυστερήσει ντετερμινικά ή να εγγυηθεί την καθυστέρηση διακοπής ή το χρόνο διακοπής της χειρότερης περίπτωσης".
Τα PLC συχνά χρησιμοποιούν εμπορικές υλοποιήσεις RTOS όπως VXWorks, Windows CE ή QNX, αλλά μπορούν επίσης να χρησιμοποιούν προσαρμοσμένα λειτουργικά συστήματα "εσωτερικών". Αν και δεν είναι ακόμη συνηθισμένοι, ορισμένοι κατασκευαστές έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούν λειτουργικά συστήματα με βάση το Linux σε PLCs.