Управляющие вычислительные комплексы для промышленной автоматизации

     Информатика в техническом университете

Информатика в техническом университете




Серия основана в 2000 году




РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:



      академик РАН И.Б. Федоров — главный редактор
      д-р техн. наук И.П. Норенков — зам. главного редактора
      д-р техн. наук В.В. Девятков
      д-р техн. наук И.П. Иванов
      д-р техн. наук В.А. Матвеев
      канд. техн. наук Н.В. Медведев
      д-р техн. наук В.В. Сюзев
      д-р техн. наук Б.Г. Трусов
      д-р техн. наук В.М. Черненький
      д-р техн. наук В.А. Шахнов















Москва
Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана 2012

Управляющие вычислительные комплексы для промышленной автоматизации

Под редакцией
Н.Л. Прохорова, В.В. Сюзева


Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника»




Москва 2012

УДК 004:658.5.011(075.8)
ББК 65.050.2

    У67


Авторы:
Н.Л. Прохоров, Г.А. Егоров, В.Е. Красовский,
А.М. Андреев, Я.А. Рейзман

Рецензенты:
академик РАН А.Л. Стемпковский;
д-р техн. наук, проф. Л.Г. Гагарина


        Управляющие вычислительные комплексы для промышленной


У67 автоматизации : учеб. пособие / [Н. Л. Прохоров и др.]; под ред. Н. Л. Прохорова, В. В. Сюзева. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. — 372, [4] с. : ил. — (Информатика в техническом университете)


         ISBN 978-5-7038-3521-0

         Рассмотрены технические и программные средства управляющей вычислительной техники, широко внедряемые для автоматизации технологических процессов в промышленной и непромышленной среде. Описаны промышленные контроллеры, управляющие вычислительные комплексы и локальные промышленные вычислительные сети, обеспечивающие построение современных многоуровневых распределенных систем управления.
         Содержание книги соответствует курсу лекций, читаемых в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
         Для студентов, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника» и специальностям «Управление и информатика в технических системах», «Автоматизация технологических процессов и производств». Может быть полезно аспирантам и инженерно-техническим работникам, занимающимся автоматизацией технологических процессов и производств.


                                                     УДК 004:658.5.011(075.8)
                                                     ББК 65.050.2









ISBN 978-5-7038-3521-0

© Оформление. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ ......................................................... 7
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ .......................................... 9
ВВЕДЕНИЕ ........................................................... 15
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНИКУ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ ................................................. 19
   1.1. Особенности построения промышленных управляющих вычислительных комплексов ............................................ 19
   1.2. Этапы развития технологии промышленной автоматизации ....... 29
   1.3. Основные тенденции современной технологии автоматизации .... 36
   Вопросы для самоконтроля ........................................ 44
Глава 2. ПРОМЫШЛЕННЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ................................... 45
   2.1. Общие принципы построения промышленных контроллеров ........ 45
   2.2. Основные типы контроллеров ................................. 69
   2.3. Технологическое программирование промышленных контроллеров . 83
   2.4. Настройка закона регулирования ............................. 91
   2.5. Примеры разработок ПЛК ..................................... 97
   Вопросы для самоконтроля .................................. 132
Глава 3. УПРАВЛЯЮЩИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ................ 134
   3.1. Общие сведения ....................................... 134
   3.2. Управляющие вычислительные комплексы СМ1820М .............. 137
   3.3. Построение систем управления на базе СМ1820М .............. 155
   3.4. ВСТ-СКВ-метод проектирования микропроцессорных систем ..... 158
   3.5. Управление на основе методов нечеткой логики .............. 168
   3.6. Интегрированная технология создания автоматизированных систем контроля и управления .................................... 171
   Вопросы для самоконтроля ....................................... 184
Глава 4. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ ........................................ 185
   4.1. Локальные промышленные сети ............................... 185
   4.2. Реализация промышленных сетей ............................. 192
   Вопросы для самоконтроля ....................................... 205
Глава 5. ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ................... 206
   5.1. Классификация систем реального времени .................... 206
   5.2. Требования к системам реального времени ................... 209
   5.3. Показатели производительности систем реального времени .... 213
   5.4. Архитектура ОСРВ .......................................... 217
   5.5. Функциональные требования к ОСРВ .......................... 220
   5.6. Стандарты ОСРВ ............................................ 221
   5.7. Процессы и потоки ......................................... 225

5

Оглавление


   5.8. Планирование задач в ОСРВ ............................ 228
   5.9. Взаимодействие процессов ............................. 232
   5.10. Управление памятью .................................. 238
   5.11. Обзор ОСРВ .......................................... 239
   Вопросы для самоконтроля .................................. 259
Глава 6. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
        ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ .......................... 260
   6.1. SCADA-системы..........................................260
   6.2. Системы управления базами данных ..................... 276
   Вопросы для самоконтроля .................................. 278
Глава 7. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ КОНТРОЛЛЕРОВ И УПРАВЛЯЮЩИХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ......................................... 279
   7.1. Современная концепция АСУ производством .............. 279
   7.2. АСУТП «Обжиговая машина» ............................. 285
   7.3. Автоматизированная система контроля энергоресурсов ... 302
   7.4. АСУ подготовкой газа ................................. 305
   7.5. АСУ подъемно-транспортным оборудованием на горнодобывающих и обогатительных предприятиях ............................. 309
   7.6. Принципы построения отказоустойчивых УВК ............. 313
   7.7. Ближайшие перспективы совершенствования систем и технологий промышленной автоматизации ................................ 317
   Вопросы для самоконтроля .................................. 323
ЛИТЕРАТУРА ................................................... 324
ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................... 327
   П1. Набор инструкций микроконтроллера SAB-C166 ............ 327
   П2. Библиотека алгоблоков системы программирования CONField . 334
   П3. Малоканальные контроллеры СМ9107....................... 344
   П4. Описание интерфейса CompactPCI ........................ 347
   П5. Сравнение промышленных сетей .......................... 359
   П6. Лабораторная работа. Система программирования промышленных контроллеров CONField .................................. 365

        ПРЕДИСЛОВИЕ


   В учебном пособии рассмотрен один из основных классов средств вычислительной техники — управляющие вычислительные комплексы (УВК), изучение которых, как правило, является составной частью учебного плана подготовки студентов по направлениям «Информатика и вычислительная техника» и «Информационные системы». В книге систематизированы сведения о современных разработках отечественной управляющей вычислительной техники, ее аппаратных и программных средствах, а также о ее применении для создания автоматизированных систем управления (АСУ).
   Настоящее пособие является дополненным и переработанным изданием учебного пособия «Управляющие вычислительные комплексы» (М.: Финансы и статистика, 2003).
   Глава 1 является вводной. В ней изложены общие принципы построения современных УВК.
   Глава 2 посвящена микропроцессорным промышленным контроллерам (ПК), которые являются массовой продукцией управляющей вычислительной техники. Рассмотрены их элементная база, схемотехника, системы проектирования и вопросы применения. Приведены примеры разработки программируемых ПК, предназначенных для автоматизации управления технологическими процессами (ТП) и соответствующих современным требованиям к сложным системам промышленной автоматики.
   В главе 3 УВК рассмотрены на примере семейства УВК СМ1820М, обеспечивающего построение современных многоуровневых распределенных систем управления для крупных промышленных предприятий.
   В главе 4 описаны локальные промышленные вычислительные сети, которые обеспечивают интеграцию различных измерительных, вычислительных и исполнительных устройств в единую систему управления ТП. Приведена специфика и дан обзор промышленных сетей.
   В главе 5 рассмотрена специфика операционных систем (ОС) реального времени (РВ), которые управляют событиями и распределяют ресурсы ЭВМ в реальном времени, гарантируя директивное время реакции на события, происходящие на управляемом объекте. Отражены основные принципы построения базовых компонентов ОСРВ. Рассмотрены наиболее распространенные ОСРВ, в частности ОС QNX.
   В главе 6 дано описание специализированного программного обеспечения АСУТП (SCADA-системы и системы управления базами данных (БД)), основные функции которого — сбор и хранение информации о ТП, интерфейс с оператором, автоматическое управление процессом. Даны описания основных разработок SCADA-систем.

7

Предисловие

   В главе 7 изложены концепция интегрированной АСУ в современном промышленном производстве и системные применения УВК. Общие положения поясняются примерами современных разработок.
   Приложение содержит описание промышленного интерфейса CompactPCI, сведения о библиотеке типовых алгоритмов регулирования АСУТП и другие сведения, полезные при проектировании УВК и ПК. Приведенное описание лабораторной работы поможет практическому освоению материала книги.
   Управляющая вычислительная техника развивается бурными темпами, идет непрерывное совершенствование технических характеристик различных аппаратных компонентов УВК, поэтому некоторые сведения через непродолжительное время потребуют корректировки. Однако читатель получит достаточно полное представление как о тенденциях развития управляющей вычислительной техники и общих принципах ее проектирования, так и о современном техническом уровне.
   Учебное пособие написано сотрудниками ОАО «Институт электронных управляющих машин им. И.С. Брука», Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики и Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. В нем отражен многолетний опыт разработки и внедрения УВК, а также опыт преподавания аналогичного курса в МГТУ МИРЭА и МГТУ им. Н.Э. Баумана.
   Авторы выражают благодарность сотрудникам ОАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука» А.Д. Белоногову, В.И. Глухову, М.А. Островскому и другим за предоставленные материалы о современных разработках УВК и полезные обсуждения, а также Т.В. Сафроновой за подготовку рукописи к изданию. Особая благодарность ректору МИРЭА академику РАН А.С. Сигову за внимание и поддержку этой работы.
   Представляя книгу, мы рассчитываем, что она будет полезна студентам и интересна инженерно-техническим работникам соответствующего профиля.

            СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ                                   
АРМ     -   - автоматизированное рабочее место                           
АСКУ    -   - автоматизированная система контроля и управления           
АСУ     -   - автоматизированная система управления                      
АСУП    -   - АСУ предприятием                                           
АСУТП   -   - АСУ технологическим процессом                              
АЦП     -   - аналого-цифровой преобразователь                           
БД       -  - база данных                                                
ИБП     -   - источник бесперебойного электропитания                     
ИМ     -    - исполнительный механизм                                    
ИНЭУМ  -    - Институт электронных управляющих машин                     
ИТ       -  - информационные технологии                                  
ИУСО    -   - интеллектуальное УСО                                       
КИП     -   - контрольно-измерительные приборы                           
КИПиА   -   - КИП и автоматика                                           
КМОП   -    - комплементарная (взаимодополняющая) структура металл ---   
            окисел --- полупроводник                                     
КТС      -  - комплекс технических средств                               
ЛВС     -   - локальная вычислительная сеть                              
ЛПС     -   - локальная промышленная сеть                                
МЭК     -   - Международная электротехническая комиссия                  
НЖМД   -    - накопитель на жестком магнитном диске                      
НЧ-фильтр - - фильтр низких частот                                       
ОЗУ      -  - оперативное запоминающее устройство                        
ОС       -  - операционная система                                       
ОСРВ     -  - ОС реального времени                                       
ПЗУ      -  - постоянное запоминающее устройство                         
ПИД     -   - пропорциональный + интеграл + производная [алгоритм регули            рования]                                                     
ПК      -   - промышленный контроллер                                    
ПЛИС    -   - программируемая логическая интегральная схема              
ПЛК     -   - программируемый логический контроллер                      
ПО      -   - программное обеспечение                                    
ППЗУ    -   - программируемое постоянное запоминающее устройство         
ППО     -   - прикладное ПО                                              
ПЭВМ    -   - персональная ЭВМ                                           
РМОТ    -   - рабочее место оператора-технолога                          
САПР    -   - система автоматизированного проектирования                 

9

Список основных сокращений

САР    --- система автоматического регулирования                              
СРВ    --- система реального времени                                          
СМ ЭВМ --- система малых электронно-вычислительных машин                      
СУБД   --- система управления базами данных                                   
ТЗ     --- техническое задание                                                
ТП     --- технологический процесс                                            
ТТЛ    --- транзисторно-транзисторная логика                                  
УВК    --- управляющий вычислительный комплекс                                
УСО    --- устройство связи с объектом                                        
ЦАП    --- цифроаналоговый преобразователь                                    
ЦП     --- центральный процессор                                              
ЧИМ    --- число-импульсная модуляция                                         
ЧМИ    --- человекомашинный интерфейс                                         
ШИМ    --- широтно-импульсная модуляция                                       
ЭВМ    --- электронная вычислительная машина                                  
ADC    --- Analog-to-Digital Converter --- аналого-цифровой преобразователь   
ANSI   --- American National Standards Institute --- Американский националь-  
       ный институт стандартов                                                
APEX   --- Advanced Processor Extension [bus] --- усовершенствованная про-    
       цессорная шина расширения                                              
API    --- Application Programming Interface --- интерфейс прикладного про-   
       граммирования [набор стандартных средств, используемых при-            
       кладными программами для запроса и получения обслуживания]             
ARM    --- семейство процессоров фирмы ARM                                    
ASCII  --- American Standard Code for Information Interchange --- американский
       стандартный код для обмена информацией                                 
ATA    --- Advanced Technology Attachment --- интерфейс ATA [известен под     
       названием IDE]                                                         
АТМ    --- Asynchronous Transfer Mode --- асинхронный режим передачи дан-     
       ных [технология высокоскоростной передачи трафика всех видов           
       (данные, голос, видео) в сетях с коммутируемыми каналами]              
BIOS   --- Basic Input/Output System --- базовая система ввода-вывода         
CASE   --- Computer Aided Software Engineering --- системы автоматизирован-   
       ной разработки программ                                                
CD-ROM --- Compact Disk Read-Only Memory --- компакт-диск                     
CORBA  --- Common Object Request Broker Architecture --- общая архитектура    
       брокера (посредника) запросов к объектам [стандарт]                    
COTS   --- Commercial Of The Shelf --- индустриальная технология разработки   
cPCI   --- CompactPCI --- стандарт шины                                       
CPU    --- Central Processor Unit --- центральный процессор                   
DAC    --- Digital-to-Analog Converter --- цифроаналоговый преобразователь    
DDE    --- Dynamic Data Exchange --- [протокол] динамического обмена дан-     
       ными [между процессами]                                                

10